民用飞机头戴式显示器设计研究

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　　摘  要：头戴式显示器（HWD）除了具有传统平视显示器（HUD）的优点，可以大大减轻飞行员的工作负担，提升飞行员的态势感知，提高飞行安全，而且具有自身的典型特点。针对民用飞机HWD的设计，提出了对其功能及性能、安全性评估及设计保证等级、组成及架构、人机接口、安装布局、验证及适航等方面的通用考虑和设计指南。
　　关键词：头戴式显示器;民用飞机;平视显示器
　　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
　　随着航空电子技术、微处理器器件和波导显示技术的飞速发展，一种可用于航空领域的可穿戴显示器（HWD）已经被研发出来，并在2000年后开始应用于民用支线飞机、通飞飞机、直升机领域。研究和实践表明，HWD能够使飞行员平视操纵飞机，对改善飞行品质、提升飞行安全、减轻飞行员的工作负担等方面具有显著作用。特别是在应对低能见度起降过程中，HWD的应用可以实现低能见度起飞和降落，减少航班延误，提高乘客满意度，降低航空公司运营成本。
　　随着产品技术成熟度的提高以及试飞取证经验的累积，HWD应用于民用支线飞机的可能性将变大，有鉴于此，有必要对其设计进行预先研究。
　　1 HWD概念定义
　　HWD是一种可以穿戴在头部的无盔体的显示设备，它采用波导显示技术，通过头部定位设备的辅助，使飞行员穿戴在头部以任意姿态观察飞机周围全方位视景时都能够获得HWD的显示画面支持。本文中描述的HWD仅限于民用飞机，因为直升机领域还有一种带盔体的具有防护功能的HWD，如Elbit System公司的SkyVis产品[1]。
　　2 HWD设计研究
　　2.1 HWD特点
　　HWD作为一种新兴的机载光学显示设备，除了具有传统HUD的透过性、平视性、准直性和等角性这四个显著特点外，还具有价格低廉、安装简易、重量轻、体积小、视野不受限的典型特点。
　　（1）价格低廉。Thales公司在2015年推出了该公司的HWD产品TopMax[2]，其造价仅是传统HUD的1/2。（2）安装简易。HWD与传统HUD安装相比而言，无需安装支架，仅需佩戴在飞行员头部，进行横纵两个方向的紧固即可。（3）重量轻。Thales公司的TopMax产品重量小于0.37kg，而该公司的传统HUD产品重量为15kg。（4）体积小。HWD可与BOSE耳机配合使用，较传统HUD的体积而言，相当小巧。（5）视野不受限。由于HWD佩戴在飞行员的头部，可以随飞行员的头部运动而不会丢失对显示画面的观察，而传统HUD受眼盒限制，飞行员必须在HUD的眼盒范围内才能观察到显示画面。
　　2.2 HWD功能及性能
　　HWD的预期功能是为飞行员提供主飞行信息、导航信息、引导信息、异常姿态信息等符号画面，使飞行员可以平视操纵飞机，增强对飞机周围环境的感知能力，提升飞行安全，具体体现在：（1）为飞行员提供平视操纵飞机所需的关键飞行信息，免除了机组在低头俯视仪表抬头观察外景的频繁切换。（2）为飞行员提供低能见度起飞（LVTO）和特殊Ⅰ类进近引导（SA CAT Ⅰ）信息，减轻了飞行员在終端区的飞行操作的工作负荷。（3）为飞行员提供空中交通信息及其与当前飞机航向/位置的相对关系，提升了飞行员在航线飞行途中的态势感知能力。
　　根据Thales公司关于TopMax的介绍资料，民用飞机加装具有LVTO和SA CATⅠ能力的HWD可以为飞机带来额外的运行置信度，即HWD的安装可以降低当前的最低运行标准[2]。当前，各适航当局（FAA、EASA、CAAC）已经批准了装备HUD的飞机可以在跑道视程低于75m的低能见度条件下起飞，以及在跑道视程不低于450m，决断高度不低于45m的Ⅰ类机场实施SA CATⅠ进近[3]，因此，需要针对HWD的使用制定专门的运行程序，飞行员才能按照批准的LVTO和SA CATⅠ运行程序和公布的最低标准完成操作。
　　在进行HWD设计时，需考虑以下总体功能需求：
　　（1）HWD应显示主飞行信息：飞行模式通告、风速、攻角、速度刻度带、姿态（俯仰和横滚）、高度刻度带、水平态势仪表盘等。（2）HWD应显示导航信息：VOR台、DME台、指点标、航向台、下滑道等。（3）HWD应显示引导信息：LVTO和SA CATⅠ飞行导引提示等。（4）HWD应显示异常姿态信息：俯仰异常、横滚异常。（5）HWD应显示飞行模式通告信息：自动油门、飞行指引仪的模式信息。（6）HWD应向机组应通告设备的工作模式。（7）HWD的符号画面不能妨碍飞行员对外景的感知。（8）HWD应具有字符亮度（手动/自动）、画面防拥调节功能。（9）HWD不能影响机上其他设备的运行。 　　在进行HWD设计时，应考虑一下总体性能需求：（1）显示视场：不小于28°×21°。（2）显示方式：单目显示或双目显示。（3）显示分辨率：不低于1024×768。（4）显示刷新率：60Hz。（5）显示色彩：单色或全色。（6）环境适应性：DO-160G。
　　2.3 HWD安全性评估及设计保证等级
　　根据2.2节所述，HWD可以为飞机带来额外的运行置信度，因此HWD失效能够造成的最大安全性影响应是危险的，即HWD为飞行员提供了错误的飞行引导指令，而飞行员没有及时发现，这将大大降低飞机的安全裕度，导致机组的工作负荷更重以致不能准确地或全部地执行飞行任务，并对客舱乘员产生不利影响。HWD应设计成当出现任何可能误导飞行员的飞行导引指令时，给出告警提示，及时采取复飞等措施。根据ARP4761《民用飞机机载系统和设备安全性评估过程的指南和方法》[4]和ARP5288A《运输类飞机平视显示器系统》[5]，HWD典型的功能危险性分析见表1。因此，根据DO-178B《机载系统和设备合格审定中的软件考虑》[6]，HWD的软件设计保证等级应至少为B级;根据DO-254《机载电子硬件设计保证指南》[7]，HWD的机载电子硬件的设计保证等级应至少为B级。
　　2.4 HWD组成
　　HWD一般由结构模块、显示模块、定位模块和控制模块以及符号生成软件（含导引计算功能）等组成，其中：（1）显示模块主要包含中继光学部件、波导镜片、像源、信号处理单元等;（2）定位模块一部分（如天线、陀螺、摄像机等）位于结构模块，另一部分（如反光标记等）位于在驾驶舱的其他合适位置;（3）控制模块安装在仪表板的遮光罩处;（4）符号生成软件则驻留在其他计算组件实体中。HWD的符号生成软件接收各种航电数据，如速度、高度、姿态、位置、风速、导航信息、导引指令等，经过计算和显示处理，生成HWD字符图像，并与飞机外景叠加在一起显示在波导镜片上。飞行员通过波导镜片，就可以同时观察到飞行、导航、导引信息和外景。HWD的控制模块是飞行员控制HWD工作模式的接口，可以进行字符亮度调节、图像叠加模式切换等。
　　2.5 HWD人机接口
　　HWD的波导镜片上显示的字符画面不能妨碍飞行员观察外景，而且应确保飞行员在所有可预见的环境背景条件下提供可用的字符画面，这些环境背景条件包括：34000cd/m2（10000fL）的太阳光照和灯光稀少的跑道夜间进近。因此HWD应提供字符亮度的手动＼自动亮度调节能力。
　　HWD的显示控制部件，应使飞行员在处于正常坐姿时容易看到、辨识和使用，并能预防误操作。另外，控制部件应具有合适的背光照明功能，使飞行员在正常的驾驶舱灯光条件下能识别控制部件上的所有标记。
　　HWD应向飞行员通告其工作模式，如果有些功能需要由另一名飞行员监控其性能来支持其运行，该工作模式还需向另外一名飞行员进行通告。
　　2.6 HWD安装布局
　　HWD的安装布局应从以下几个方面进行考虑：（1）适航要求：HWD的安装布局应满足本文2.7节中所列的适航条款的要求。（2）机组人员接口要求：HWD在飞行员佩戴后，应能自动校准，并能防止因松脱造成对字符画面的误判;另外佩戴的舒适性应是考虑的重点。（3）维护人员接口要求：HWD的安装较为简单，无需安装支架，仅在首次安装时需要对定位模块进行校准操作。HWD的软件应是现场可加载的，便于对软件的升级维护。（4）安全性要求：HWD的安装布局应满足本文2.3节中所述的安全性要求。（5）环境要求：HWD的安装布局须考虑飞机的内外部环境要求具体如下：a. 所处区域的温度和压力范围。b. 暴露于沙尘、液体的可能性。c. 工作冲击或机动载荷引起的应力。d. 接地和搭接的完好性。e. HWD的布局安装还应充分考虑互联系统的相关要求，包括机载航电系统和地面支持设备的要求。
　　根据HWD的预定功能，首次安装时，应对HWD的显示部件和定位部件进行校准，确保HWD的等角符号与飞机外部环境一致。HWD的校准参数应保存在专用的个性化模块或统一构型模块中，这样在设备更换后无需进行二次校准。
　　2.7 HWD验证与适航
　　HWD具备传统HUD的典型特点，因此其大部分功能和性能的验证都可以参考HUD，其余功能和性能的验证需要与局方进行探讨。表2给出了建议HWD的审定基础和符合性方法，不排除局方在审查时会有不同的意见。此外，由于HWD作为一种新兴的机载显示设备，局方在工业界的大力推广下，对25.773条驾驶舱视界进行了补充，明确了指出了平视显示器、头盔显示器及其他等效显示器必须满足的修订条款，而该条款已于2017年3月正式生效。
　　HWD的验证和适航审定通常应包含以下方面：（1）设计符合性说明（MOC1）：主要包括HWD的安装图纸、原理图、线路图、设计描述、适航符合性说明等图纸或文件。（2）分析计算报告（MOC2）：不适应于HWD。（3）安全性分析报告：主要包括HWD的功能危险性评估、初步系统安全性评估、失效模式与影响分析、系统安全性评估等。（4）试验室试验：主要包括在试验室对HWD的功能和性能进行全面的验证。（5）机上地面试验：主要包括HWD装机后的校准和系统功能检查。（6）飞行试验：主要包括飞行中对HWD的功能、性能、操作以及人为因素等方面进行验证和评估。飞行试验大纲需要覆盖HWD的运行使用场景，包括低能见度起飞、正常条件起飞、正常进近、特殊Ⅰ类进近等。（7）机场检查：主要包括HWD相关控制部件和信息的可达性，以及相关部件的标记表示进行检查。（8）模拟器试验：主要包括在D级模拟器上进行HWD各种运行场景下的功能、性能、操作、人为因素评估以及安全性评估结论的确认。（9）设备鉴定：主要包括HWD的环境鉴定及机载软、硬件的设计保证等级和生命周期数据。
　　 3 结束语
　　本文从设备功能及性能、安全性评估及设计保证等级、组成及架构、人机接口、安装布局、验证与适航等方面提出了民用飛机头戴式显示器设计的通用考虑和设计指南，供民机设计相关人员借鉴参考。
　　参考文献：
　　[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]中国民航局飞行标准司.使用平视显示器（HUD）运行的评估与批准程序[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.
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