一種基于hud的合成視景指引顯示系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于航空電子系統(tǒng)領(lǐng)域，具體涉及一種基于HUD的合成視景指引顯示系 統(tǒng)，能夠增強(qiáng)態(tài)勢(shì)感知能力的民機(jī)駕駛艙顯示系統(tǒng)，尤其將三維圖形顯示技術(shù)和飛行指引 信息計(jì)算顯示技術(shù)結(jié)合，在駕駛艙平視顯示器上模擬機(jī)外環(huán)境并顯示飛行指引數(shù)據(jù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 儀表參考飛行和目視參考飛行是飛行員獲取飛行狀態(tài)控制飛行的兩種手段，近30 年來，飛機(jī)自身的安全性不斷提高，由于惡劣環(huán)境造成的低能見度使得飛行員難以建立穩(wěn) 定目視參考，導(dǎo)致對(duì)當(dāng)前綜合飛行狀態(tài)的誤判，進(jìn)而出現(xiàn)的飛行安全事故，已成為飛行安全 事故的主因。雖然民航總局規(guī)定了著陸過程中必須建立目視飛行的條件，但是由于復(fù)飛及 備降給航空公司造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，所以很多飛行員依然在沒有建立穩(wěn)定的目視飛行條 件下，強(qiáng)行降落。
[0003] 針對(duì)上述問題，近年來，各航空制造企業(yè)都致力于盡可能提升儀表顯示能力，降低 目視飛行的條件，其中合成視景系統(tǒng)（SVS)是解決方案之一，它是以飛機(jī)的位置和姿態(tài)為 基準(zhǔn)，將存儲(chǔ)的三維地形的高程數(shù)據(jù)、障礙物數(shù)據(jù)、飛機(jī)跑道信息通過計(jì)算機(jī)圖形繪制技術(shù) 實(shí)時(shí)的顯示在飛行儀表顯示屏上，SVS圖像覆蓋了飛行員通過風(fēng)擋看到的真實(shí)世界，可以提 高夜間和低能見度條件下情景意識(shí)，當(dāng)惡劣環(huán)境導(dǎo)致飛行員難以觀察到艙外視景時(shí)，通過 合成視景系統(tǒng)提供的外部環(huán)境的模擬視景，輔助飛行員了解當(dāng)前飛行狀態(tài)，確保飛行安全。 合成視景系統(tǒng)目前只在飛機(jī)的下視儀表顯示屏上顯示，可以和主飛行顯示數(shù)據(jù)（PFD)、導(dǎo)航 顯示數(shù)據(jù)（ND)疊加顯示，進(jìn)一步增強(qiáng)飛行員態(tài)勢(shì)感知，在著陸的最后階段，難以使用。
[0004] 除此之外，平視導(dǎo)引系統(tǒng)（HGS)也是解決方案之一，HGS是將飛行數(shù)據(jù)投射到駕 駛員正前方透明顯示組件上的系統(tǒng)，其利用高度完整的計(jì)算機(jī)架構(gòu)，接收機(jī)載導(dǎo)航系統(tǒng)或 飛行指引系統(tǒng)的信息，使得飛機(jī)飛行航跡、慣性加速度、人工地平儀等各種符號(hào)，與外部視 景的相應(yīng)特征保持一致，并向飛行員提供自身系統(tǒng)產(chǎn)生的著陸引導(dǎo)。HGS在各飛行階段為 駕駛員提供增強(qiáng)的情景意識(shí)和狀態(tài)管理能力，減少了駕駛員在飛行中頻繁俯視看儀表的動(dòng) 作，使其可以始終保持平視飛行。由于飛行員可以通過HGS的透明投影顯示組件觀察艙外 環(huán)境，有效地將飛行狀態(tài)信息顯示和外部環(huán)境視景結(jié)合，進(jìn)一步提升飛行安全。HGS主要是 將原先在下視儀表顯示屏上顯示的飛行數(shù)據(jù)，移植到平視顯示系統(tǒng)（HUD)，不提供其他的如 合成視景或者紅外增強(qiáng)視景顯示畫面。
[0005] SVS系統(tǒng)通過對(duì)飛機(jī)外部的地形、障礙物以及跑道等環(huán)境的模擬，在低能見度環(huán)境 下為飛行員提供情形認(rèn)識(shí)，但目前SVS系統(tǒng)只能在下視顯示器上顯示，而在高速滑跑時(shí)，即 便是以最快的速度掃視一次下部傳統(tǒng)儀表也會(huì)導(dǎo)致與外部世界的視景中斷，而駕駛員必須 花費(fèi)幾秒鐘才能恢復(fù)該情景意識(shí)。在低能見度運(yùn)行中尤其是這樣。因此在下視顯示器上顯 示SVS會(huì)三個(gè)主要問題，一是根據(jù)民航相關(guān)規(guī)定，即使采用儀表飛行，在著陸過程中也必須 建立目視參考，這意味著飛行員不能一直低頭觀察儀表數(shù)據(jù)，需經(jīng)常平視觀察艙外環(huán)境，特 別是當(dāng)飛機(jī)下降到?jīng)Q斷高度后，基本上是以平視狀態(tài)操控飛機(jī)接地，因此在下視顯示器上 的SVS系統(tǒng)則很難發(fā)揮較大作用；二是SVS系統(tǒng)要求的"所見即所得"，合成視景的模擬圖像 和飛行員所看到的外部視景應(yīng)當(dāng)匹配，當(dāng)SVS位于下顯上時(shí)難以判斷其與外部視景的匹配 程度，當(dāng)SVS系統(tǒng)出現(xiàn)故障、性能下降時(shí)，飛行員很難察覺到，容易影響飛行安全；三是SVS 系統(tǒng)目前只能和PFD畫面或ND畫面相結(jié)合，缺少飛行指引信息提示，許多在HUD上顯示的 輔助降落的信息（例如：機(jī)場(chǎng)位置提示、剩余跑道距離提示、擦機(jī)尾提示、低能見度引導(dǎo)起 飛，III類進(jìn)近偏差）沒有在降落過程中提供給飛行員，因此現(xiàn)階段SVS系統(tǒng)在提高飛行 員態(tài)勢(shì)、輔助著陸方面發(fā)揮的作用并不大，因此目前FAA和CAAC沒有針對(duì)SVS降低起飛和 降落的最低天氣標(biāo)準(zhǔn)的特殊批準(zhǔn)程序。
[0006] HGS是在平視顯示器上進(jìn)行飛行數(shù)據(jù)、指引信息、輔助信息的顯示，并且可以和外 部視景疊加，增強(qiáng)飛行員情景意識(shí)，當(dāng)與可靠的ILS和低能見度運(yùn)行程序相結(jié)合，經(jīng)局方特 殊批準(zhǔn)可在I類儀表著陸地面設(shè)施上實(shí)施特殊批準(zhǔn)的I類、II類運(yùn)行。但HGS系統(tǒng)不具備 三維地形合成視景的顯示能力，當(dāng)遭遇惡劣天氣時(shí)，難以為飛行員提供更好的情景意識(shí)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：綜合SVS系統(tǒng)和HGS系統(tǒng)各自的優(yōu)勢(shì)，將兩者的功能 高度集成，將主飛行數(shù)據(jù)、導(dǎo)航數(shù)據(jù)、飛行指引數(shù)據(jù)、起飛降落輔助決策數(shù)據(jù)通過符合設(shè)計(jì) 和畫面布局形成指引畫面與三維地形模擬、障礙物模擬、跑道模擬生成的仿真畫面重合疊 加，并投影顯示在HUD的組合鏡上，為飛行員提供平視狀態(tài)下的合成視景及飛行指引，在低 能見度下，為飛行員提供高度沉浸感，大幅度增強(qiáng)飛行員情景意識(shí)和態(tài)勢(shì)感知能力，最終提 高同等機(jī)場(chǎng)條件下飛機(jī)的盲降等級(jí)。
[0008] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種基于HUD的合成視景指引顯示系統(tǒng)，在平視顯 示系統(tǒng)HUD上實(shí)現(xiàn)合成視景系統(tǒng)SVS的合成圖像與飛行指引畫面的融合顯示；其中所述合 成視景系統(tǒng)SVS基于地形及障礙物數(shù)據(jù)庫(kù)生成三維環(huán)境圖像，該合成視景指引顯示系統(tǒng)還 通過計(jì)算飛行指引數(shù)據(jù)生成飛行指引圖像；所述三維環(huán)境圖像是以設(shè)計(jì)眼位為視點(diǎn)生成的 帶有深度信息的三維畫面，所述飛行指引圖像是不包含深度信息的二維畫面，兩種圖像疊 加時(shí)，飛行指引圖像疊加在三維環(huán)境圖像之上，并將合成圖像傳輸?shù)紿UD上顯示；其中，所 述基于HUD的合成視景指引顯示系統(tǒng)HSVGS虛擬圖像與真實(shí)場(chǎng)景的匹配融合，包括：確定 HUD顯示屏尺寸和設(shè)計(jì)眼位的相對(duì)位置，計(jì)算設(shè)計(jì)眼位相對(duì)飛機(jī)重心的位置和視場(chǎng)范圍，計(jì) 算虛擬眼位的絕對(duì)位置，以虛擬眼位的位置生成虛擬地形、障礙物以及跑道的虛擬視圖，并 可通過手動(dòng)校準(zhǔn)，對(duì)HUD顯示圖像進(jìn)行視點(diǎn)位置以及視線方向和視場(chǎng)角度的手動(dòng)調(diào)節(jié)。
[0009] 其中，設(shè)α為視點(diǎn)方向向量的水平投影與視錐體邊界的夾角，F(xiàn)OVy表示視錐體垂 直視場(chǎng)角，F(xiàn)OVr表示視錐體寬高比，則α的取值范圍為：
[0010]
[0011] 其中，對(duì)地形高度、障礙物、跑道以及疊加的飛行指引信息進(jìn)行顏色分級(jí)，且對(duì)地 形高度、障礙物和跑道設(shè)置不同的色階。
[0012] 其中，當(dāng)飛機(jī)當(dāng)前位置低于航路前方地形和障礙物高度或者按照當(dāng)前航路飛行一 段時(shí)間后可能發(fā)生碰撞時(shí)，HSVGS將提供畫面閃爍方式告警。
[0013] 有益效果：本發(fā)明提出的HSVGS系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)的SVS系統(tǒng)更加實(shí)用，之前的SVS 系統(tǒng)在飛行員最需要情景意識(shí)的狀況下（低能見度著陸），反而無法發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，因此民航 業(yè)沒有針對(duì)該系統(tǒng)提出特殊氣象條件下的運(yùn)行批準(zhǔn)，而HGS系統(tǒng)無法為飛行員提供逼真的 外部環(huán)境模擬，HSVGS實(shí)現(xiàn)了上述兩個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，該系統(tǒng)在HUD上運(yùn)行，使得飛行員 在降落過程中可以保持正常平視狀態(tài)，通過HSVGS系統(tǒng)實(shí)時(shí)掌握當(dāng)前飛行狀態(tài)和外部環(huán)境 態(tài)勢(shì)，多維著陸輔助信息更為飛行員實(shí)施安全著陸提供了可靠保障。綜上，HSVGS系統(tǒng)由于 其顯著的輔助優(yōu)勢(shì)，有望經(jīng)民航局批準(zhǔn)，在不具備或只具備CATI類運(yùn)行的機(jī)場(chǎng)，實(shí)施特殊 批準(zhǔn)的II，III類運(yùn)行，將為機(jī)場(chǎng)節(jié)省巨額的升級(jí)改造費(fèi)用，同時(shí)也為航空公司帶來巨大經(jīng) 濟(jì)效益。
【附圖說明】
[0014] 圖1是本發(fā)明HSVGS系統(tǒng)的原理圖；
[0015] 圖2是本發(fā)明HSVGS系統(tǒng)的功能架構(gòu)圖；
[0016] 圖3是眼點(diǎn)位置示意圖；
[0017] 圖4是視場(chǎng)范圍不意圖；
[0018] 圖5是飛行輔助信息計(jì)算及顯示；
[0019] 圖6是障礙物告警方式示意圖；
[0020] 圖7是地形告警方式示意圖；
[0021] 圖8是擴(kuò)展視錐的保守估計(jì)方法示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 系統(tǒng)概述及功能架構(gòu)
[0023] HSVGS核心功能是當(dāng)飛行過程中遇到低能見度天氣狀態(tài)時(shí)，HSGVS可以在HUD系 統(tǒng)的組合鏡上為飛行員提供當(dāng)前飛機(jī)外部地形、障礙物以及機(jī)場(chǎng)的模擬仿真圖像，為飛行 員提供當(dāng)前飛機(jī)的狀態(tài)信息顯示，為飛行員提供飛行指引信息以及其他輔助決策信息，增 強(qiáng)飛行員對(duì)外部環(huán)境的感知，實(shí)現(xiàn)等效目視飛行。HSGVS系統(tǒng)的目標(biāo)是幫助飛機(jī)在不具備 CATII著陸條件的機(jī)場(chǎng)完成CATII條件下的著陸。
[0024] 根據(jù)以上HSGVS系統(tǒng)的總體功能如下：
[0025] a)提供以飛行員眼點(diǎn)為視點(diǎn)的360度視場(chǎng)區(qū)域范圍內(nèi)三維地形畫面實(shí)時(shí)模擬；
[0026] b)提供地面一定高度范圍以上的障礙物顯示；
[0027] c)提供機(jī)場(chǎng)周邊環(huán)境和機(jī)場(chǎng)跑道的顯示；<