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)，能夠增強態(tài)勢感知能力的民機駕駛艙顯示系統(tǒng)，尤其將三維圖形顯示技術(shù)和飛行指引 信息計算顯示技術(shù)結(jié)合，在駕駛艙平視顯示器上模擬機外環(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，導致對當前綜合飛行狀態(tài)的誤判，進而出現(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，但是由于復飛及 備降給航空公司造成較大的經(jīng)濟損失，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，強行降落。
[0003] 針對上述問題，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，它是以飛機的位置和姿態(tài)為 基準，將存儲的三維地形的高程數(shù)據(jù)、障礙物數(shù)據(jù)、飛機跑道信息通過計算機圖形繪制技術(shù) 實時的顯示在飛行儀表顯示屏上，SVS圖像覆蓋了飛行員通過風擋看到的真實世界，可以提 高夜間和低能見度條件下情景意識，當惡劣環(huán)境導致飛行員難以觀察到艙外視景時，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)、導航 顯示數(shù)據(jù)（ND)疊加顯示，進一步增強飛行員態(tài)勢感知，在著陸的最后階段，難以使用。
[0004] 除此之外，平視導引系統(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算機架構(gòu)，接收機載導航系統(tǒng)或 飛行指引系統(tǒng)的信息，使得飛機飛行航跡、慣性加速度、人工地平儀等各種符號，與外部視 景的相應特征保持一致，并向飛行員提供自身系統(tǒng)產(chǎn)生的著陸引導。HGS在各飛行階段為 駕駛員提供增強的情景意識和狀態(tài)管理能力，減少了駕駛員在飛行中頻繁俯視看儀表的動 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視景顯示畫面。
[0005] SVS系統(tǒng)通過對飛機外部的地形、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識，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，即 便是以最快的速度掃視一次下部傳統(tǒng)儀表也會導致與外部世界的視景中斷，而駕駛員必須 花費幾秒鐘才能恢復該情景意識。在低能見度運行中尤其是這樣。因此在下視顯示器上顯 示SVS會三個主要問題，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 別是當飛機下降到?jīng)Q斷高度后，基本上是以平視狀態(tài)操控飛機接地，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當匹配，當SVS位于下顯上時難以判斷其與外部視景的匹配 程度，當SVS系統(tǒng)出現(xiàn)故障、性能下降時，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：機場位置提示、剩余跑道距離提示、擦機尾提示、低能見度引導起 飛，III類進近偏差）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、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SVS降低起飛和 降落的最低天氣標準的特殊批準程序。
[0006] HGS是在平視顯示器上進行飛行數(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，增強飛行員情景意識，當與可靠的ILS和低能見度運行程序相結(jié)合，經(jīng)局方特 殊批準可在I類儀表著陸地面設(shè)施上實施特殊批準的I類、II類運行。但HGS系統(tǒng)不具備 三維地形合成視景的顯示能力，當遭遇惡劣天氣時，難以為飛行員提供更好的情景意識。

【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，將兩者的功能 高度集成，將主飛行數(shù)據(jù)、導航數(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 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，大幅度增強飛行員情景意識和態(tài)勢感知能力，最終提 高同等機場條件下飛機的盲降等級。
[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)計眼位為視點生成的 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，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虛擬圖像與真實場景的匹配融合，包括：確定 HUD顯示屏尺寸和設(shè)計眼位的相對位置，計算設(shè)計眼位相對飛機重心的位置和視場范圍，計 算虛擬眼位的絕對位置，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 可通過手動校準，對HUD顯示圖像進行視點位置以及視線方向和視場角度的手動調(diào)節(jié)。
[0009] 其中，設(shè)α為視點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，對地形高度、障礙物、跑道以及疊加的飛行指引信息進行顏色分級，且對地 形高度、障礙物和跑道設(shè)置不同的色階。
[0012] 其中，當飛機當前位置低于航路前方地形和障礙物高度或者按照當前航路飛行一 段時間后可能發(fā)生碰撞時，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)更加實用，之前的SVS 系統(tǒng)在飛行員最需要情景意識的狀況下（低能見度著陸），反而無法發(fā)揮其優(yōu)勢，因此民航 業(yè)沒有針對該系統(tǒng)提出特殊氣象條件下的運行批準，而HGS系統(tǒng)無法為飛行員提供逼真的 外部環(huán)境模擬，HSVGS實現(xiàn)了上述兩個系統(tǒng)的優(yōu)勢互補，該系統(tǒng)在HUD上運行，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)實時掌握當前飛行狀態(tài)和外部環(huán)境 態(tài)勢，多維著陸輔助信息更為飛行員實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，有望經(jīng)民航局批準，在不具備或只具備CATI類運行的機場，實施特殊 批準的II，III類運行，將為機場節(jié)省巨額的升級改造費用，同時也為航空公司帶來巨大經(jīng) 濟效益。
【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是眼點位置示意圖；
[0017] 圖4是視場范圍不意圖；
[0018] 圖5是飛行輔助信息計算及顯示；
[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是擴展視錐的保守估計方法示意圖。
【具體實施方式】
[0022] 系統(tǒng)概述及功能架構(gòu)
[0023] HSVGS核心功能是當飛行過程中遇到低能見度天氣狀態(tài)時，HSGVS可以在HUD系 統(tǒng)的組合鏡上為飛行員提供當前飛機外部地形、障礙物以及機場的模擬仿真圖像，為飛行 員提供當前飛機的狀態(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 強飛行員對外部環(huán)境的感知，實現(xiàn)等效目視飛行。HSGVS系統(tǒng)的目標是幫助飛機在不具備 CATII著陸條件的機場完成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)提供以飛行員眼點為視點的360度視場區(qū)域范圍內(nèi)三維地形畫面實時模擬；
[0026] b)提供地面一定高度范圍以上的障礙物顯示；
[0027] c)提供機場周邊環(huán)境和機場跑道的顯示；<