视景增强系统发展历程及其在某型机上的应用研究

 视景增强系统发展历程及其在某型机上的应用研究

  ,王硕

中航西安飞机工业集团股份有限公司

内容摘要：视景增强系统（Enhanced Vision System,简称EVS）是现代飞机航空电子系统的一个重要组成部分，是提高飞机起降等级、满足其战术使用灵活性和安全性要求的机载系统。本文主要介绍视景增强系统的发展历程和工作原理。并对系统组成进行了分析和介绍，结合其在某型机上的应用经验，针对视景增强系统典型故障探究其产生原因和解决方法，使其性能更加稳定可靠。

关键词：视景增强     前视红外    平视显示器

0引言

视景增强系统是飞行的主要显示系统之一，主要的飞行及飞机状态都在其上显示，利用前视红外探测并生成飞机前方的景物和跑道图像，在平视显示器上叠加显示红外视频信息，提高地形能见度，增强驾驶员在执行起降、滑行和低空作业时的态势感知能力；使飞机能在夜间以及雨雪雾等恶劣气象条件下顺利起降和低空投放。

1视景增强系统的发展历程

视景增强系统有效的提高了飞机在恶劣及低能见度条件下的起降能力，有力的增强了飞机的战术技术指标。对于军用作战飞机来说，平显已经是标准的配备了，但是在大型运输机上配备平显的历史却不长，这是因为运输机特别是民航客机对于技术可靠性的要求比先进性要高的多，从上世纪60年代开始，军用作战飞机已经运用数据总线、综合显示系统，但是运输机出于成本、可靠性等因素继续采用传统的指针式仪表。不过传统指针式仪表的缺点也比较突出，包括信息容量有限，人机界面不好等，特别是飞机起降的时候，对于航线飞机来说，飞行员必须要在能够看见跑道的决断高度上做出是否进场着陆的决定。而在恶劣气象条件下飞行员能看见跑道的高度非常有限，而且在进近与着陆的关键时刻其工作负荷很大，反复的驾驶舱内外交替观察对于其工作会产生不利影响。为了帮助机组在夜间和恶劣气象条件下进近和着陆，人们就在机场安装了仪表着陆系统，在飞机上加装自动着陆系统。但是并没有从根本上解决问题。

随着技术的进步，平显和多功能显示系统的成本、可靠性有了明显的进步，所以新型运输机开始配备平显和座舱多功能显示器，这样运输机飞行员可以像战斗机飞行员一样，通过平显来得到飞行、航线及地平线等信息，不需要频繁的低头观察座舱的仪表，始终保持对飞机周围态势的掌握，从而大大提高了飞机的起降的安全性能。根据相关资料：利用平显，飞行员发现跑道的概率可以提高到80%以上。这样就具备进入大多数机场的能力。

平视显示器(HUD)位于飞机驾驶员视线正前方，使得驾驶员在完成大多数机动动作时不用下视驾驶舱，这样大大降低了飞行员的负担。不过平显并没有从根本上解决运输机在低能见度降落的问题，人们已经意识到仅凭飞行员自身的能力依旧有一定的局限性，所以出现了视景增强系统（EVS），它主要是通过传感器帮助飞行员看清机场跑道，或者以地形数据库为基础，由计算机生成的画面引导飞行员沿正确的航路飞行，视景增强系统利用计算机生成的3维地形和障碍物数据库为基础形成的虚拟视景，它多数呈现在平视显示器上，并与飞机的精密导航系统相连，为飞行员提供了飞机外环境的描述。并以“空中高速路”的管道方式引导飞行的航路。视景增强系统不仅可与地形回避告警系统（TAWS）、空中交通防撞系统（TCAS）接口，还能与提供告警和提示，甚至与近似于实时的气象信息数据链相结合。该系统还能提供低能见度条件下的滑行和起飞导引。当地形数据库与飞机的GPS位置相结合，飞行员实际上可从三个不同的方式，即从驾驶舱内（以自我为中心）飞机外部（向外）和共用的地图和垂直剖面显示器上清楚地“看”到自己周围的飞行环境。一般认为安装有视景增强系统（EVS）在平显的基础上又将飞机起降的安全性能提高了15%左右。

上世纪80年代以后，我国航空电子系统进入大发展时期，在数据总线、机载计算机、先进显示系统等领域取得长足发展，在军用作战飞机方面，平显系统已经成为国产作战飞机的标准配备，较为先进的衍射平显、玻璃化座舱已经配备国产作战飞机，在军用作战飞机显示系统的基础上，我国研制了用于运输机的航空显示系统。

进入新世纪我国开始研制视景增强系统，2006年由洛阳光电中心研制的视景增强系统完成技术验收，“视景增强系统”是“十五”期间国防重点基础科研项目，是国防科工委自成立以来最大的军民两用项目之一的高新技术。2006年珠海航展，洛阳光电中心首次公开展出用于国产运输机的“视景增强系统”该系统是一种先进的机载航电系统，由信息处理与控制组件、前视红外分系统、显示分系统（衍射光栅平显）和系统控制板组成。它利用前视红外分系统获取跑道及周边环境图像，在信息处理和控制组件中与飞机的指引画面进行图像相叠加及增强等综合处理，输出到衍射光栅平显上，从而提高外界地形的能见度，使飞行员能在有雾、阴雨等恶劣气象条件下顺利进行起飞和着陆。

2视景增强设备（EVS）工作原理

某型机视景增强系统采用前视红外组件探测、生成飞机前方的景物红外图像，在平显上叠加显示，通过视景增强控制板，进行平显、红外加电控制；平显字符/叠加红外视频选择,平显显示亮度控制等。从而产生各种方式下的平显显示画面，支持飞行员完成起飞、巡航、进场以及着陆操作与控制，增加复杂气象条件下驾驶员的态势感知能力，辅助提高飞机起降等级。

前视红外组件安装在机头前雷达罩三角区飞机中心线上，红外镜头伸出蒙皮部分设计有整流罩。      

工作原理：前视红外组件提供昼夜和不良气候条件下的跑道及其周边环境图像信息，通过DVI视频接口给视景增强电子组件；视景增强电子组件对输入的图像进行处理，并对载机航电系统传来的其它信息进行采集、存储、加工，红外图像和载机航电信息经综合处理后输出到平显的电子驱动器，经过数字化液晶像源和组合光学系统，将平显画面投影到全息组合镜上。在某型机上，视景增强系统与机载航电系统交联框图如下图1。

图1 视景增强设备交联框图

3视景增强系统典型故障及解决方案

视景增强系统在使用过程中常见典型故障为“平显画面显示红外图像与物体实际位置偏差”。经分析产生偏差的原因有以下两种情况：

（1）首次安装前视红外后前视红外组件安装误差引起的显示误差。

（2）更换前视红外组件后原前视红外校靶参数丢失引起的显示误差。

出现以上情况需对前视红外组件重新校靶即可排除。前视红外电校靶的基本工作原理如图2所示：

      图3　前视红外电校靶工作原理

以HUD做为前视红外校靶的显示终端，操作人员通过校靶终端控制进入前视红外校靶模式后，HUD上会显示包含“前视红外靶板十字线”和“HUD画面中心十字线”的前视红外校靶画面。操作人员通过观察两十字线之间的相对位置关系，判断红外画面需要平移的俯仰、方位方向，并操纵校靶终端发送方位、俯仰调节指令控制红外画面在俯仰、方位方向上平移，使“前视红外靶板十字线”向“HUD画面中心十字线”靠拢并与之重合（或在误差范围内）。当完成校准后，视景增强电子组件会将最终累计获得的方位、俯仰调节参数存储在前视红外的存储器中，校靶完成红外图像显示功能正常，红外图像与物体实际位置偏差故障排除。

4结束语

通过对视景增强系统的发展历程和工作原理的分析，及在某型机上的具体应用研究，使我们对视景增强系统有了进一步的认识和理解，认可视景增强系统对飞机安全的重要性，视景增强系统能有效的提高了飞机在恶劣及低能见度条件下的起降能力，有效保证飞行安全。有力的增强了飞机的战术技术指标。并为今后其他机型的普及应用及试验积累了宝贵的经验。