民用飛機頭戴式顯示器設計研究

高成志 王麗君

摘? 要：頭戴式顯示器（HWD）除了具有傳統(tǒng)平視顯示器（HUD）的優(yōu)點，可以大大減輕飛行員的工作負擔，提升飛行員的態(tài)勢感知，提高飛行安全，而且具有自身的典型特點。針對民用飛機HWD的設計，提出了對其功能及性能、安全性評估及設計保證等級、組成及架構、人機接口、安裝布局、驗證及適航等方面的通用考慮和設計指南。

關鍵詞：頭戴式顯示器;民用飛機;平視顯示器

Abstract： Head-Worn Display （HWD） not only has the advantages of traditional Head-Up Display （HUD）， thereby can greatly reduce the pilot's workload， improve the pilot's situational awareness， and enhance flight safety， but it also has its own typical characters. In view of the design of HWD for civil aircraft， general consideration and design guidance for their functions and performances， safety assessment and design assurance level， composition and architecture， man-machine interface， installation layout， verification and airworthiness are proposed.

引言

隨著航空電子技術、微處理器器件和波導顯示技術的飛速發(fā)展，一種可用于航空領域的可穿戴顯示器（HWD）已經(jīng)被研發(fā)出來，并在2000年后開始應用于民用支線飛機、通飛飛機、直升機領域。研究和實踐表明，HWD能夠使飛行員平視操縱飛機，對改善飛行品質、提升飛行安全、減輕飛行員的工作負擔等方面具有顯著作用。特別是在應對低能見度起降過程中，HWD的應用可以實現(xiàn)低能見度起飛和降落，減少航班延誤，提高乘客滿意度，降低航空公司運營成本。

隨著產(chǎn)品技術成熟度的提高以及試飛取證經(jīng)驗的累積，HWD應用于民用支線飛機的可能性將變大，有鑒于此，有必要對其設計進行預先研究。

1 HWD概念定義

HWD是一種可以穿戴在頭部的無盔體的顯示設備，它采用波導顯示技術，通過頭部定位設備的輔助，使飛行員穿戴在頭部以任意姿態(tài)觀察飛機周圍全方位視景時都能夠獲得HWD的顯示畫面支持。本文中描述的HWD僅限于民用飛機，因為直升機領域還有一種帶盔體的具有防護功能的HWD，如Elbit System公司的SkyVis產(chǎn)品[1]。

2 HWD設計研究

2.1 HWD特點

HWD作為一種新興的機載光學顯示設備，除了具有傳統(tǒng)HUD的透過性、平視性、準直性和等角性這四個顯著特點外，還具有價格低廉、安裝簡易、重量輕、體積小、視野不受限的典型特點。

（1）價格低廉。Thales公司在2015年推出了該公司的HWD產(chǎn)品TopMax[2]，其造價僅是傳統(tǒng)HUD的1/2。（2）安裝簡易。HWD與傳統(tǒng)HUD安裝相比而言，無需安裝支架，僅需佩戴在飛行員頭部，進行橫縱兩個方向的緊固即可。（3）重量輕。Thales公司的TopMax產(chǎn)品重量小于0.37kg，而該公司的傳統(tǒng)HUD產(chǎn)品重量為15kg。（4）體積小。HWD可與BOSE耳機配合使用，較傳統(tǒng)HUD的體積而言，相當小巧。（5）視野不受限。由于HWD佩戴在飛行員的頭部，可以隨飛行員的頭部運動而不會丟失對顯示畫面的觀察，而傳統(tǒng)HUD受眼盒限制，飛行員必須在HUD的眼盒范圍內才能觀察到顯示畫面。

2.2 HWD功能及性能

HWD的預期功能是為飛行員提供主飛行信息、導航信息、引導信息、異常姿態(tài)信息等符號畫面，使飛行員可以平視操縱飛機，增強對飛機周圍環(huán)境的感知能力，提升飛行安全，具體體現(xiàn)在：（1）為飛行員提供平視操縱飛機所需的關鍵飛行信息，免除了機組在低頭俯視儀表抬頭觀察外景的頻繁切換。（2）為飛行員提供低能見度起飛（LVTO）和特殊Ⅰ類進近引導（SA CAT Ⅰ）信息，減輕了飛行員在終端區(qū)的飛行操作的工作負荷。（3）為飛行員提供空中交通信息及其與當前飛機航向/位置的相對關系，提升了飛行員在航線飛行途中的態(tài)勢感知能力。

根據(jù)Thales公司關于TopMax的介紹資料，民用飛機加裝具有LVTO和SA CATⅠ能力的HWD可以為飛機帶來額外的運行置信度，即HWD的安裝可以降低當前的最低運行標準[2]。當前，各適航當局（FAA、EASA、CAAC）已經(jīng)批準了裝備HUD的飛機可以在跑道視程低于75m的低能見度條件下起飛，以及在跑道視程不低于450m，決斷高度不低于45m的Ⅰ類機場實施SA CATⅠ進近[3]，因此，需要針對HWD的使用制定專門的運行程序，飛行員才能按照批準的LVTO和SA CATⅠ運行程序和公布的最低標準完成操作。

在進行HWD設計時，需考慮以下總體功能需求：

（1）HWD應顯示主飛行信息：飛行模式通告、風速、攻角、速度刻度帶、姿態(tài)（俯仰和橫滾）、高度刻度帶、水平態(tài)勢儀表盤等。（2）HWD應顯示導航信息：VOR臺、DME臺、指點標、航向臺、下滑道等。（3）HWD應顯示引導信息：LVTO和SA CATⅠ飛行導引提示等。（4）HWD應顯示異常姿態(tài)信息：俯仰異常、橫滾異常。（5）HWD應顯示飛行模式通告信息：自動油門、飛行指引儀的模式信息。（6）HWD應向機組應通告設備的工作模式。（7）HWD的符號畫面不能妨礙飛行員對外景的感知。（8）HWD應具有字符亮度（手動/自動）、畫面防擁調節(jié)功能。（9）HWD不能影響機上其他設備的運行。

在進行HWD設計時，應考慮一下總體性能需求：（1）顯示視場：不小于28°×21°。（2）顯示方式：單目顯示或雙目顯示。（3）顯示分辨率：不低于1024×768。（4）顯示刷新率：60Hz。（5）顯示色彩：單色或全色。（6）環(huán)境適應性：DO-160G。

2.3 HWD安全性評估及設計保證等級

根據(jù)2.2節(jié)所述，HWD可以為飛機帶來額外的運行置信度，因此HWD失效能夠造成的最大安全性影響應是危險的，即HWD為飛行員提供了錯誤的飛行引導指令，而飛行員沒有及時發(fā)現(xiàn)，這將大大降低飛機的安全裕度，導致機組的工作負荷更重以致不能準確地或全部地執(zhí)行飛行任務，并對客艙乘員產(chǎn)生不利影響。HWD應設計成當出現(xiàn)任何可能誤導飛行員的飛行導引指令時，給出告警提示，及時采取復飛等措施。根據(jù)ARP4761《民用飛機機載系統(tǒng)和設備安全性評估過程的指南和方法》[4]和ARP5288A《運輸類飛機平視顯示器系統(tǒng)》[5]，HWD典型的功能危險性分析見表1。因此，根據(jù)DO-178B《機載系統(tǒng)和設備合格審定中的軟件考慮》[6]，HWD的軟件設計保證等級應至少為B級;根據(jù)DO-254《機載電子硬件設計保證指南》[7]，HWD的機載電子硬件的設計保證等級應至少為B級。

2.4 HWD組成

HWD一般由結構模塊、顯示模塊、定位模塊和控制模塊以及符號生成軟件（含導引計算功能）等組成，其中：（1）顯示模塊主要包含中繼光學部件、波導鏡片、像源、信號處理單元等;（2）定位模塊一部分（如天線、陀螺、攝像機等）位于結構模塊，另一部分（如反光標記等）位于在駕駛艙的其他合適位置;（3）控制模塊安裝在儀表板的遮光罩處;（4）符號生成軟件則駐留在其他計算組件實體中。HWD的符號生成軟件接收各種航電數(shù)據(jù)，如速度、高度、姿態(tài)、位置、風速、導航信息、導引指令等，經(jīng)過計算和顯示處理，生成HWD字符圖像，并與飛機外景疊加在一起顯示在波導鏡片上。飛行員通過波導鏡片，就可以同時觀察到飛行、導航、導引信息和外景。HWD的控制模塊是飛行員控制HWD工作模式的接口，可以進行字符亮度調節(jié)、圖像疊加模式切換等。

2.5 HWD人機接口

HWD的波導鏡片上顯示的字符畫面不能妨礙飛行員觀察外景，而且應確保飛行員在所有可預見的環(huán)境背景條件下提供可用的字符畫面，這些環(huán)境背景條件包括：34000cd/m2（10000fL）的太陽光照和燈光稀少的跑道夜間進近。因此HWD應提供字符亮度的手動＼自動亮度調節(jié)能力。

HWD的顯示控制部件，應使飛行員在處于正常坐姿時容易看到、辨識和使用，并能預防誤操作。另外，控制部件應具有合適的背光照明功能，使飛行員在正常的駕駛艙燈光條件下能識別控制部件上的所有標記。

HWD應向飛行員通告其工作模式，如果有些功能需要由另一名飛行員監(jiān)控其性能來支持其運行，該工作模式還需向另外一名飛行員進行通告。

2.6 HWD安裝布局

HWD的安裝布局應從以下幾個方面進行考慮：（1）適航要求：HWD的安裝布局應滿足本文2.7節(jié)中所列的適航條款的要求。（2）機組人員接口要求：HWD在飛行員佩戴后，應能自動校準，并能防止因松脫造成對字符畫面的誤判;另外佩戴的舒適性應是考慮的重點。（3）維護人員接口要求：HWD的安裝較為簡單，無需安裝支架，僅在首次安裝時需要對定位模塊進行校準操作。HWD的軟件應是現(xiàn)場可加載的，便于對軟件的升級維護。（4）安全性要求：HWD的安裝布局應滿足本文2.3節(jié)中所述的安全性要求。（5）環(huán)境要求：HWD的安裝布局須考慮飛機的內外部環(huán)境要求具體如下：a. 所處區(qū)域的溫度和壓力范圍。b. 暴露于沙塵、液體的可能性。c. 工作沖擊或機動載荷引起的應力。d. 接地和搭接的完好性。e. HWD的布局安裝還應充分考慮互聯(lián)系統(tǒng)的相關要求，包括機載航電系統(tǒng)和地面支持設備的要求。

根據(jù)HWD的預定功能，首次安裝時，應對HWD的顯示部件和定位部件進行校準，確保HWD的等角符號與飛機外部環(huán)境一致。HWD的校準參數(shù)應保存在專用的個性化模塊或統(tǒng)一構型模塊中，這樣在設備更換后無需進行二次校準。

2.7 HWD驗證與適航

HWD具備傳統(tǒng)HUD的典型特點，因此其大部分功能和性能的驗證都可以參考HUD，其余功能和性能的驗證需要與局方進行探討。表2給出了建議HWD的審定基礎和符合性方法，不排除局方在審查時會有不同的意見。此外，由于HWD作為一種新興的機載顯示設備，局方在工業(yè)界的大力推廣下，對25.773條駕駛艙視界進行了補充，明確了指出了平視顯示器、頭盔顯示器及其他等效顯示器必須滿足的修訂條款，而該條款已于2017年3月正式生效。

HWD的驗證和適航審定通常應包含以下方面：（1）設計符合性說明（MOC1）：主要包括HWD的安裝圖紙、原理圖、線路圖、設計描述、適航符合性說明等圖紙或文件。（2）分析計算報告（MOC2）：不適應于HWD。（3）安全性分析報告：主要包括HWD的功能危險性評估、初步系統(tǒng)安全性評估、失效模式與影響分析、系統(tǒng)安全性評估等。（4）試驗室試驗：主要包括在試驗室對HWD的功能和性能進行全面的驗證。（5）機上地面試驗：主要包括HWD裝機后的校準和系統(tǒng)功能檢查。（6）飛行試驗：主要包括飛行中對HWD的功能、性能、操作以及人為因素等方面進行驗證和評估。飛行試驗大綱需要覆蓋HWD的運行使用場景，包括低能見度起飛、正常條件起飛、正常進近、特殊Ⅰ類進近等。（7）機場檢查：主要包括HWD相關控制部件和信息的可達性，以及相關部件的標記表示進行檢查。（8）模擬器試驗：主要包括在D級模擬器上進行HWD各種運行場景下的功能、性能、操作、人為因素評估以及安全性評估結論的確認。（9）設備鑒定：主要包括HWD的環(huán)境鑒定及機載軟、硬件的設計保證等級和生命周期數(shù)據(jù)。

3 結束語

本文從設備功能及性能、安全性評估及設計保證等級、組成及架構、人機接口、安裝布局、驗證與適航等方面提出了民用飛機頭戴式顯示器設計的通用考慮和設計指南，供民機設計相關人員借鑒參考。

參考文獻：

[1]Elbit Systems. Elbit Systems performs successful demonstration flights using SkyVisTM onboard Swiss air-rescue Rega AW-109SP helicopter [DB＼OL]. www.elbitsystems.com， 2014.

[2]Thales Group. Head worn display system for commercial aviation， business Jets and helicopters[DB＼OL]. www.thalesgroup.com， 2014.

[3]中國民航局飛行標準司.使用平視顯示器（HUD）運行的評估與批準程序[S]. AC-91-FS-2017-03R2，2017.

[4]SAE. Guidelines and methods for conducting the safety assessment process on civil airborne systems and equipment [S]. ARP4761， 1996.

[5]SAE. Transport category airplane head-up display （HUD） systems [S]. ARP5288，2001.

[6]RTCA. Software considerations in airborne systems and equipment certification [S]. DO-178B，1992.

[7]RTCA. Design assurance guidance for airborne electronic hardware [S]. DO-254，2000.