摘 要：機載場面導(dǎo)引系統(tǒng)作為當(dāng)前先進大型客機航空電子系統(tǒng)的重要組成部分，主要用于低能見度的場面運行，具有增強態(tài)勢感知、提高滑行性能、增加滑行安全性和減輕飛行員工作負(fù)擔(dān)的特點。文章在分析研究相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，指出了當(dāng)前機載場面導(dǎo)引系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，為國內(nèi)機載場面導(dǎo)引系統(tǒng)的發(fā)展方向提供參考。

關(guān)鍵詞：機載場面導(dǎo)引系統(tǒng)；態(tài)勢感知；滑行性能；滑行安全性。

1 基于EMM的AGS

1.1 EFB

EFB是一種駕駛員飛行輔助工具，美國聯(lián)邦航空局的咨詢通告AC120-76A對EFB的定義是：在駕駛艙/機場使用的電子顯示系統(tǒng)。最簡單便攜式EFB既可以和個人數(shù)字助手（PDA）兼容，用于顯示各種航行數(shù)據(jù)，進行各個飛行階段準(zhǔn)備時計算和檢查，也可以執(zhí)行一些基本的計算（飛機性能數(shù)據(jù)、油量計算等）[1]。

Jeppesen開發(fā)的EFB可提供空中和地面的綜合信息管理，大大提高飛機的運行效率。EFB有三種不同的構(gòu)型：1類、2類和3類。2008年，Jeppesen獲得了FAA對2類EFB設(shè)備機場移動地圖（AMM）的批準(zhǔn)。EFB在場面導(dǎo)引時可快速更新如通知飛行員（NOTAM）和路由信息等。飛機的位置估計描繪在下視的EFB面板的AMM上，用一藍色的三角表示。EFB還描繪了每條滑行道的名字，如此飛行員可以更好的感知飛機在機場場面的航道并進行預(yù)估。AMM有縮放功能，其精度大約為3～5米。

1.2 OANS

OANS在導(dǎo)航顯示器上以高精度的機場移動地圖為背景動態(tài)顯示飛機位置，使用機場地圖數(shù)據(jù)庫（AMDB）簡化了滑行操作，尤其在大型機場。AMDB是根據(jù)RTCA DO-272H和EUROCAE的ED-99標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的。在飛行操作期間，OANS運行飛行員查閱機場地圖，并準(zhǔn)備好在選定機場的導(dǎo)航。從登機門滑出和滑到登機門所需的信息都顯示在下視面板上。OANS還提供剎車退出（BTV）和沖出跑道保護（ROP）功能。OANS通過給飛行員提供恰當(dāng)?shù)木湫畔?，使飛行員可以成功避免潛在的跑道入侵和導(dǎo)航錯誤，如選錯機場場面的滑行道[1]。

2 基于HUD的AGS

SGS使用機場數(shù)據(jù)庫標(biāo)識跑道或滑行道的中線和邊線，顯示虛擬的跑道中線、邊線、標(biāo)記和其它疊加在真實滑行道、跑道和標(biāo)識系統(tǒng)的符號[2]。這大大增強飛行員的態(tài)勢感知能力，提高操作效率和滑行性能，減輕工作負(fù)擔(dān)，避免潛在的跑道入侵。SGS可基于飛機已裝備的HGS，進行軟件升級即可實現(xiàn)。

2.1 符號集

SGS的畫面符號集包括：等角顯示區(qū)和非等角顯示區(qū)的符號。等角顯示區(qū)的符號包括：平顯顯示模式、飛機基準(zhǔn)符、當(dāng)前航向、滑行路徑線段標(biāo)識、滑行路徑邊界符、滑行導(dǎo)引提示符、滑行路徑中線符、趨勢矢量和地速。非等角顯示區(qū)為一滑行態(tài)勢圖，符號包括：剩余滑行距離、滑行導(dǎo)引提示符、趨勢矢量、飛機符號、滑行路徑線段標(biāo)識、滑行路徑虛中線、滑行路徑邊界直線和轉(zhuǎn)彎倒數(shù)告警。

當(dāng)滑行導(dǎo)引提示符和趨勢矢量顯示在平顯的等角顯示區(qū)域時，末端表示的預(yù)計位置距離t1時刻飛機控制點的位置為200英尺，滑行路徑邊界符之間的距離為50英尺，滑行路徑中線符之間的距離為50英尺。當(dāng)滑行導(dǎo)引提示符和趨勢矢量顯示在平顯的非等角顯示區(qū)域時，末端表示的預(yù)計位置距離t1時刻飛機控制點的位置為120英尺。

2.2 運行原理

飛機控制點位于左主起落架和右主起落架的中點。在t1時刻，滑行導(dǎo)引提示符和趨勢矢量顯示在平顯中?；袑?dǎo)引提示符表示在t2時刻的期望位置。趨勢矢量表示基于t1時刻的飛機狀態(tài)從t1時刻到t2時刻的飛機控制點的預(yù)計路徑。趨勢矢量包括標(biāo)識t2時刻飛機控制點的預(yù)計位置末端。這個末端被保持在滑行導(dǎo)引提示符的范圍內(nèi)，以便飛機控制點可以在t2時刻到達期望位置。

在t2時刻，飛機控制點是由滑行導(dǎo)引指令確定的。導(dǎo)引指令是由運行在平顯計算機（HC）中的滑行導(dǎo)引算法根據(jù)飛機的當(dāng)前位置、當(dāng)前狀態(tài)（如：地速、航向和轉(zhuǎn)彎速度等）和輸入的已定義的滑行路徑計算出的。定義的滑行路徑（A*算法）是由表示在機場設(shè)施中的滑行路徑的線段或曲線連成的一系列位置點。滑行路徑可以存儲在HC的內(nèi)存或數(shù)據(jù)庫中，也可以由HC從其它的機載數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)獲取，或由位于機場設(shè)施中的數(shù)據(jù)系統(tǒng)發(fā)送到飛機。

3 基于“智能眼鏡”的AGS

近年來，由于航空電子技術(shù)和微處理器器件的飛速發(fā)展，用于航空領(lǐng)域的可穿戴顯示器（HWD）的研發(fā)逐步提上了日程。2002年，MicroVision公司推出了Nomad個人飛行顯示系統(tǒng)，這種采用頭箍式的近眼顯示器較為笨重，售價12000美元，并未真正發(fā)售。此外，Rockwell Collins、Honeywell和Garmin公司對HWD技術(shù)都比較看好，特別是在通用航空領(lǐng)域，前提是至少能呈現(xiàn)與傳統(tǒng)平顯相同的飛行數(shù)據(jù)以及對外界環(huán)境的指引信息，并能解決頭部位置跟蹤技術(shù)，如此HWD方能取代傳統(tǒng)的HUD。

NASA的蘭利研究中心研發(fā)了一款新的頭戴顯示器系統(tǒng)，主要用于跑道導(dǎo)航，因為大部分的飛機碰撞出現(xiàn)在跑道滑行期間。當(dāng)飛行員戴上這款眼鏡（800×600像素，全色，60Hz刷新速率，亮度可調(diào)）時，飛行員的右眼可以看到疊加在鏡片上的虛擬的3D跑道和機場圖像，該圖像是實時更新的，并包含強調(diào)附近物體、跑道路線和該區(qū)域交通的標(biāo)記。該眼鏡含有一個內(nèi)嵌式的頭部跟蹤器，它可跟蹤飛行員環(huán)視擋風(fēng)玻璃時的頭部運動，并將圖像調(diào)整到飛行員的視點。附加的語音控制和顯示的飛機自身參數(shù)信息，包含速度、姿態(tài)和航向，允許飛行員目視前方的跑道而無需低頭看下顯[3]。

NASA在蘭利研究中心的B757固定基面模擬器中，以美國芝加哥的奧黑爾國際機場為背景進行了2個場面運行地面仿真試驗，評估HWD是否能夠提供HUD一樣的性能和安全性。在試驗中對HWD的關(guān)鍵屬性進行了評估：用HWD提供滑行導(dǎo)航和態(tài)勢感知，使用HWD的全能視域進行離軸增強。結(jié)果表明，HUD和HWD實際上是等效的，HWD還需對在“極度條件”下的場面交通感知方面進行微小的改進，由于其不受限的視域。endprint

4 綜合的AGS

4.1 綜合的AGS構(gòu)型

綜合的AGS構(gòu)型主要有兩種：一種是基于EMM和HUD的AGS，由處于下視位置的EMM和飛行員頭部上方的HUD構(gòu)成，其中HUD應(yīng)具有SGS導(dǎo)引功能，SGS的符號集當(dāng)前有三類，包括：基于指令導(dǎo)引的符號集，基于場景聯(lián)系的符號集和基于指令導(dǎo)引與場景聯(lián)系相結(jié)合的符號集[4]，這三種符號集在增強態(tài)勢感知、提升滑行性能、提高滑行效率、減輕工作負(fù)擔(dān)方面的首推基于指令導(dǎo)引與場景聯(lián)系相結(jié)合的符號集，其次是基于場景聯(lián)系的符號集，最后是基于指令導(dǎo)引的符號集；另一種是基于EMM和IG的AGS，由處于下視位置的EMM和飛行員戴的IG構(gòu)成，其中IG應(yīng)具至少具有機場跑道3D虛擬場景顯示、頭部跟蹤、語音控制和亮度調(diào)節(jié)等功能。

4.2 綜合的AGS性能比較

由文獻[5]可知，基于EMM和HUD的綜合AGS與基于EMM和IG的綜合AGS的在滑行性能、導(dǎo)航誤差、滑行入侵、所需導(dǎo)航性能和偶發(fā)事件五個方面進行了性能比較，具體情況下如：（1）在滑行性能方面，兩者的路徑誤差和滑行速度是相當(dāng)?shù)?。但兩者在白天RVR為700英尺的條件下與夜間目視氣象條件下相比，路徑誤差要少5.2英尺，滑行速度快0.4節(jié)；（2）在導(dǎo)航誤差方面，兩者只會產(chǎn)生較小的導(dǎo)航誤差。較小的導(dǎo)航誤差指飛行員能立即發(fā)現(xiàn)并能校正現(xiàn)有航路上的誤差，較大的導(dǎo)航誤差指導(dǎo)致轉(zhuǎn)彎錯誤或轉(zhuǎn)彎失誤等態(tài)勢感知的喪失；（3）在滑行入侵方面，后者優(yōu)于前者?；腥肭质侵概c其他飛機發(fā)生碰撞或在其他飛機前面艱難地轉(zhuǎn)彎；（4）在所需導(dǎo)航性能方面，后者略優(yōu)于前者。但兩者均不滿足ICAO對D類飛機在該能見度條件下95%的時間內(nèi)偏離路徑中線的距離小于±7.2英尺的要求；（5）在偶發(fā)事件方面，兩者均能有效避免偶發(fā)事件。偶發(fā)事件指兩架飛機滑行時出現(xiàn)“nose-to-nose”的情形。

5 結(jié)束語

隨著機載顯示系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展，基于電子飛行包或下視顯示器等下視技術(shù)的AGS已有成熟應(yīng)用，基于HUD的AGS也已開始應(yīng)用，基于HWD的AGS也正在進行概念演示驗證。根據(jù)中國民航局發(fā)布的“關(guān)于引發(fā)平視顯示器應(yīng)用發(fā)展路線圖的通知”[6]，到2025年國內(nèi)所有在冊的民航客機都要裝配HUD，因此發(fā)展基于HUD的AGS將是近10年內(nèi)的一個主流；隨著IG技術(shù)的快速發(fā)展以及在民航領(lǐng)域的探索應(yīng)用，未來基于IG技術(shù)的AGS發(fā)展空間巨大，甚至有取代HUD的可能，但IG取代HUD首先要解決頭部跟蹤、延遲、視場、畫面擁擠和模糊、視覺調(diào)節(jié)和修正等問題，其次是微型光學(xué)部件設(shè)計和加工技術(shù)。

參考文獻

[1]Audrey GUILLOTON， Jean-Pierre ARETHENS， Christophe MACABIAU， Anne-Christine ESCHER， Damien KOENIG. STATE OF THE ART IN AIRPORT NAVIGATION[Z]. 2011 IEEE/AIAA 30th Digital Avionics Systems Conference （DASC）， Seattle ： United States （2011）.

[2]Armstrong et al， Aircraft Surface Operations Guidance on Head-up Display[Z].US 7，382，284 B1， United States Patents， Jun.3， 2008.

[3]Randall E. Bailey， Kevin J. Shelton and J.J. （Trey） Arthur III. Head-Worn Displays for NextGen[Z].

[4]Wilson， J.R.， Hooey， B.L.， Foyle， D.C. & Williams， J.L.， Comparing Pilot's Taxi Performance， Situation Awareness and Workload Using Command-guidance， Situation-guidance and Hybrid Head-up Display Symbologies[Z].Proceedings of the 46th Annual Meeting of the Human Factors and Ergonomic Society， 2002.

[5]Jarvis （Trey） J Arthur III， Lawrence J Prinzel III， Kevin J Shelton， Lynda J Kramer， Steven P Williams， Randall E Bailey and Robert M Norman. Synthetic Vision Enhanced Surface Operations with Head-Worn Display for Commercial Aircraft[Z].

[6]民航發(fā)[2012]87號. 關(guān)于引發(fā)平視顯示器應(yīng)用發(fā)展路線圖的通知[Z].

作者簡介：高成志，男，工程師，大連理工大學(xué)，研究方向：航電系統(tǒng)。

王麗君，女，工程師，西北工業(yè)大學(xué)，研究方向：系統(tǒng)安全性分析。endprint