Улучшенная система обзора полета - Enhanced flight vision system

Передняя камера, используемая в PlaneView EVS на Gulfstream G450.

An Улучшенная система обзора полета (EFVS, иногда EVS) является бортовая система который предоставляет изображение сцены и отображает его пилоту, чтобы обеспечить изображение, на котором сцена и объекты в ней могут быть лучше обнаружены. Другими словами, EFVS - это система, которая предоставляет пилоту изображение, которое лучше, чем невооруженное зрение. EFVS включает датчики изображения (один или несколько), такие как цветная камера, инфракрасная камера или же радар, и обычно дисплей для пилота, который может быть Шлем виртуальной реальности или же проекционный дисплей. EFVS можно комбинировать с система синтетического зрения создать комбинированную систему зрения.^[1]

EFVS может быть установлен на военном или гражданском самолете, неподвижном крыле (самолет) или винтокрыле (вертолет). Изображение должно отображаться пилоту в соответствии с сценой, т.е. пилот должен видеть искусственно отображаемые элементы в точных положениях относительно реального мира. Обычно вместе с улучшенным изображением система будет отображать визуальные подсказки например, горизонтальная полоса и расположение взлетно-посадочной полосы.

Улучшенное зрение

Камера EVS под Глобальный 6000 ветровое стекло

Улучшенное зрение связано с Система синтетического зрения который включает информацию от датчиков на борту самолета (например, камер ближнего инфракрасного диапазона, радаров миллиметрового диапазона) для обеспечения обзора в условиях ограниченной видимости.

Системы ночного видения уже много лет доступны пилотам военных самолетов. Совсем недавно бизнес-джеты добавили к самолетам аналогичные возможности для повышения ситуационной осведомленности пилотов в условиях плохой видимости из-за погоды или тумана, а также в ночное время. Первая гражданская сертификация системы улучшенного обзора на самолете была впервые проведена Gulfstream Aerospace с помощью ИК-камеры Kollsman. Первоначально предлагавшийся в качестве опции для самолета Gulfstream V, он стал стандартным оборудованием в 2003 году, когда Gulfstream G550 был представлен и отслеживался на Gulfstream G450 и Gulfstream G650. По состоянию на 2009 год Gulfstream поставила более 500 самолетов с установленным сертифицированным EVS. Последовали и другие производители самолетов, и теперь EVS доступна на некоторых бизнес-джетах Bombardier и Dassault. Boeing начал предлагать EVS для своей линейки бизнес-джетов Boeing и, вероятно, включит его в качестве опции для B787 и B737 MAX.

Gulfstream EVS^[2] и более поздние системы EVS II используют ИК-камеру, установленную в носовой части самолета, для проецирования растрового изображения на проекционный дисплей (HUD). ИК-изображение на HUD соответствует внешней сцене, а это означает, что объекты, обнаруженные ИК-камерой, имеют одинаковый размер и выровнены с объектами вне самолета. Таким образом, в условиях плохой видимости пилот может видеть изображение с ИК-камеры и может плавно и легко переходить к внешнему миру по мере приближения самолета.

Преимущество EVS в том, что безопасность почти на всех этапах полета повышается, особенно во время захода на посадку и посадки в условиях ограниченной видимости. Пилот, выполняющий стабилизированный заход на посадку, может заранее распознать обстановку на ВПП (огни, маркировку ВПП и т. Д.) При подготовке к приземлению. На ИК-изображении четко видны препятствия, такие как местность, конструкции, автомобили или другие летательные аппараты на взлетно-посадочной полосе, которые иначе не были бы видны.

FAA предоставляет некоторые дополнительные эксплуатационные минимумы для самолетов, оборудованных сертифицированными системами улучшенного обзора, позволяющими осуществлять заходы на посадку по Категории I и минимумы Категории II. Обычно эксплуатанту разрешается снижаться на более низкие высоты ближе к поверхности взлетно-посадочной полосы (обычно до 100 футов) в условиях плохой видимости, чтобы повысить шансы обнаружения места на ВПП перед посадкой. Самолетам, не оборудованным такими системами, не будет разрешено снижаться так низко, и им часто придется выполнять уход на второй круг и лететь в подходящий запасной аэропорт.

Другие типы датчиков использовались для исследовательских целей, включая активные и пассивные радары миллиметрового диапазона. В 2009 году DARPA предоставило финансирование для разработки «Sandblaster», системы улучшенного обзора на основе радара миллиметрового диапазона, устанавливаемой на вертолеты, которая позволяет пилоту видеть и избегать препятствий в зоне приземления, которые могут быть закрыты дымом, песком или пылью.

Комбинация разнородных типов датчиков, таких как радар длинноволнового ИК, коротковолнового ИК и миллиметрового диапазонов, может помочь гарантировать, что видеоизображение окружающей обстановки в реальном времени может быть предоставлено пилоту в любых условиях видимости. Например, характеристики длинноволнового ИК-датчика могут ухудшиться при некоторых типах выпадения крупных капель воды, когда это меньше влияет на радар миллиметрового диапазона.

История

тепловое изображение рассматривается через проекционный дисплей

Приборы ночного видения для военнослужащих действуют со времен Вторая Мировая Война. Их использовали и военные летчики, в основном в винтокрылый самолет (вертолеты). Такие устройства предлагалось использовать коммерческими пилотами с 1970-х годов, но только в 1999 году первый коммерческий FAA сертифицированная система, находилась в воздухе, однако пилот не мог использовать эту систему для снижения самолета ниже необходимого предела естественного обзора.

Гольфстрим в 2001 году стал первым производителем гражданских самолетов, который разработал и получил сертификат на свои самолеты для EVS, произведенные Эльбит с Коллсман.^[3] FAA разрешило использование EVS для снижения на 100 футов над зоной приземления, если не применяются другие ограничения.^[4] В то время не было ясно, можно ли использовать EFVS для спуска ниже этой высоты. Ситуация была исправлена в 2004 году с поправками к FAA FAR 91.175.^[5] Это первый раз, когда EFVS дала конкретное коммерческое преимущество перед невооруженным зрением.

Поколение I EFVS

Первые EVS включали охлаждаемую среднюю волну (MWIR) Передний инфракрасный порт (FLIR) и HUD, сертифицированный для полета с самолетом Gulfstream V. Камера оснащена охлаждаемым датчиком MWIR.

Светодиодный переход аэропорта и мультиспектральный EFVS

EVS традиционно основаны на Передний инфракрасный порт камера, которая дает тепловое изображение мира и показывает тепло, исходящее от аэропорта приближающие огни. В большинстве аэропортов используются лампы накаливания. Параболические алюминизированные отражатели,^[6] хотя стандарты энергоэффективности (такие как Закон об энергетической независимости и безопасности 2007 г. ) заставили некоторые аэропорты перейти на ВЕЛ освещение, имеющее меньшую тепловую подпись.

Однако с 2007 года аэропорты переходят на более энергоэффективные. ВЕЛ освещение, имеющее более низкий тепловой профиль. Новые конструкции EVS мультиспектральный, для захвата как визуального света от светодиодных фонарей, так и теплового изображения предыдущих поколений EVS. Будущие проекты EVS ориентированы на всепогодное видение, которое может быть достигнуто путем интеллектуального объединения изображений и данных с камер, работающих в видимом свете, инфракрасном и инфракрасном диапазонах. миллиметровая волна.

Самолет

EFVS может быть установлен на любой тип судна. Типичная платформа представляет собой небольшой пассажирский самолет, поскольку использование EFVS более рентабельно, чем инструментальная система посадки, которая используется в более крупных пассажирских самолетах.

НАСА разрабатывает новый сверхзвуковой самолет, X-59 QueSST, изучить технологии, связанные с лучшими сверхзвуковыми пассажирскими самолетами. Ключевой особенностью является непрозрачный носовой наконечник, сквозь который пилот не может видеть. НАСА рассматривает возможность использования EFVS, чтобы пилот мог видеть на этом самолете.^[7]

Технологии

Датчики

Сенсорный блок EFVS может включать в себя один датчик изображения, несколько камер, а также дополнительные датчики, помогающие навигации.

FLIR

Традиционно датчик EVS был одиночным перспективный инфракрасный (FLIR) камера. FLIR бывают двух основных типов: высококлассные, охлаждаемые, Диапазон MWIR (3–5 мкм) камера, которая имеет лучшее температурное разрешение и частоту кадров, но более дорогая и громоздкая, а другая - неохлаждаемые микроболометры, которые работают в Группа LWIR (8–14 мкм) светового спектра, маленькие и дешевые, но менее «резкие» в отношении температурного контраста.

Датчик EVS в одном FLIR EVS обычно представляет собой охлаждаемый датчик высокого класса. В многоспектральных приложениях предпочтительный датчик обычно не охлаждается, так как в большинстве случаев он лучше проникает в атмосферу (будет видно дальше), в то время как мелкие детали изображения будут обеспечиваться дополнительным датчиком.

VIS и NIR

Естественное зрение без посторонней помощи в видимый часть светового спектра вместе с ближний инфракрасный, можно улучшить, используя камеры высокого класса. Такой камерой может быть камера с высоким динамическим диапазоном для дневного видения, при слабом освещении. CMOS камера (иногда называемый научным CMOS или sCMOS) и очки ночного видения.

При дневном зрении и ярком свете может показаться, что нет необходимости улучшать естественное зрение, но в некоторых случаях это может быть необходимо. Например, в ситуации сильной дымки, когда вся сцена очень яркая и детали не различимы, камера с широким динамическим диапазоном может фильтровать фон и представлять высококонтрастное изображение, а также обнаруживать огни приближения к ВПП дальше, чем естественное зрение.

SWIR

SWIR (коротковолновый инфракрасный ) камера - относительно новая технология. Он может предложить преимущества для EFVS, такие как: лучшее проникновение в дымку, чем VIS, естественный контраст сцены, аналогичный VIS, в отличие от MWIR или LWIR. Камеры SWIR имеются в продаже, но нет сообщений об использовании камеры SWIR в коммерческих EFVS.

Камера миллиметрового диапазона

Пассивная камера миллиметрового диапазона (PMMW) способна создавать видеоизображение в реальном времени с преимуществом видимости сквозь облака, туман и песок. Использование пассивных камер миллиметрового диапазона является многообещающей технологией для авиационных систем улучшенного обзора полета.^[8]^{[циркулярная ссылка ]} а также судоходство в условиях плохой видимости и промышленное применение. Первая коммерчески доступная пассивная камера миллиметрового диапазона для использования в самолетах была создана Vū Systems.^[9] и запущен на конференции Национальной ассоциации деловой авиации (NBAA) в октябре 2019 года.^[10]

Пассивные сканеры миллиметрового диапазона ближнего действия используются сегодня для досмотра в аэропортах.^[11] и множество научно-исследовательских программ.^[12]^[13]

Работа пассивной камеры миллиметрового диапазона основана на измерении разницы или контраста температур, но на частотах миллиметрового диапазона в диапазоне от 30 до 300 ГГц.^[14]^{[циркулярная ссылка ]}

Радиолокатор изображения

В 1990-х годах НАСА также предложило радар для получения изображений.^[15] Он может предложить такое же разрешение сцены, что и PMMW, но имеет другие свойства. Он не полагается на естественное излучение, но излучает радиоволны, которые отражаются от цели и улавливаются приемником. Изображение будет практически одинаковым при любых условиях, поскольку оно не зависит от температуры объекта. Радиолокатор изображения требует очень больших ресурсов для вычислений, поскольку изображение формируется цифровым вычислением, а не линзой. Были летающие прототипы, но они еще не поступили в продажу.

Лидар

А лидар - это лазерная система, которая сканирует окружающий объем и обеспечивает трехмерное расположение объектов. Из этих данных можно получить синтетическое изображение, а также другие важные полетные данные. Рабочее расстояние лидара зависит от выходной мощности. Обычно это расстояние менее 1 км, но в принципе не ограничено. Из-за относительно небольшого расстояния он больше подходит для вертолетов, чем для самолетов. Он также может помочь в проникновении света в умеренные атмосферные условия с плохой видимостью, такие как туман и пыль. Лидар используется в автомобильной промышленности (автомобили) и проходит испытания для вертолетной посадки.

Навигационные датчики

Навигационный датчик может помочь дополнить изображение. Синтетическое изображение может быть создано на основе данных сцены в памяти и местоположения самолета и отображено на экране пилота. В принципе, пилот мог бы приземлиться на основе этого синтетического изображения, при условии его точности и верности.

Самым распространенным средством навигации является GPS. Усовершенствованный GPS может определять трехмерное местоположение самолета с точностью до 10 см (4 дюйма). Существуют проблемы с целостностью, которые не позволяют использовать его в качестве полноценного навигационного решения. Его можно заблокировать или обманом заставить сообщить о ложном местоположении или потерять положение и невозможность сообщить о проблеме в первые несколько секунд.Эти недостатки не позволяют использовать GPS в качестве автономного датчика на критических этапах полета, таких как посадка.
Регистрация изображения представляет собой сравнение изображения, полученного с датчика изображения, с записанным изображением (обычно со спутника), имеющим известное глобальное положение. Сравнение позволяет разместить изображение и, следовательно, камеру (а вместе с ней и самолет) в точном глобальном положении и ориентации с точностью, которая зависит от разрешения изображения.
An инерциальная навигационная система (INS) или инерциальная единица измерения (IMU) - это устройство, которое измеряет ускорение, угловая скорость, а иногда магнитное поле, используя комбинацию акселерометры и гироскопы, иногда также магнитометры. ИНС использует эту информацию для определения положения и ориентации с течением времени путем счисление, т.е. только относительно ранее известной позиции. В сочетании с GPS или регистрацией изображений он может обеспечить точное абсолютное положение.
А радиолокационный высотомер может обеспечить возвышение самолета над землей с высокой точностью и точностью. Высота - это информация, которая может быть объединена с другими данными для определения точного местоположения.

Отображать

Не отображается, HUD, Шлем виртуальной реальности

Дисплей пилоту - это прозрачный дисплей, что означает, что он позволяет видеть сцену непосредственно невооруженным взглядом и видеть проецируемое изображение. Дисплей может быть одного из двух типов:

Шлем виртуальной реальности или нашлемный дисплей. Это включает в себя очки -подобные поверхности перед глазами пилота, установленные на голове, и проекционная система, проецирующая изображение на очки для отражения или преломленный в глаза пилоту. Очки дополненной реальности - яркий пример такого дисплея. Поскольку он движется вместе с головой пилота, он должен включать датчики слежения для проецирования правильного изображения в соответствии с направлением, в котором он смотрит.
Проекционный дисплей представляет собой систему, состоящую из большой отражающей пластины (называемой сумматором), расположенной перед пилотом, и проекционной системы. Система генерирует изображение, которое отражается от комбайнера к пилоту.

А проекционный дисплей ЖК-экран, устанавливаемый под окном, отсюда и название «голова вниз». Обычно он не используется в качестве дисплея EFVS, так как внешняя сцена не видна, когда на нее смотрит.

В дополнение к улучшенному изображению датчиков, изображение, показываемое пилоту, будет включать символика, который представляет собой набор визуальных подсказок, отображаемых пилоту относительно высоты, азимута, ориентации горизонта, траектории полета, состояния топлива, других самолетов и т. д., а также в военной авионике дополнительные символы друзей / врагов, сигналы системы наведения, прицелы оружия и т. д.

Отображаемые изображения и символы EFVS должны быть представлены таким образом, чтобы они были выровнены и масштабированы по внешнему виду. Процесс совмещения называется гармонизация. Проекционный дисплей должен быть согласован с датчиками изображения. Монтируемый на голову дисплей постоянно перемещается вместе с головой пилота, и поэтому его необходимо постоянно отслеживать, чтобы отображаемое изображение соответствовало сцене в реальном времени, см. Дисплей на шлеме. Существует дополнительная проблема, связанная с запаздыванием между изображением и движением головы, которое должно быть очень небольшим, чтобы не вызывать головокружение.

Функциональность

Точный заход на посадку / посадку по приборам^[16]
Категория	Высота решения
я	> 200 футов (60 м)
II	30–60 м (100–200 футов)
III А	<100 футов (30 м)
III B	<50 футов (15 м)
III C	нет ограничений

Основная цель EVS - разрешить взлететь, посадка и руление в условиях плохой видимости, где в противном случае посадка была бы небезопасной. EVS сертифицирован для посадки FAA только если он сочетается с HUD, в этом случае он называется EFVS.^[17]

Критерий посадки известен как высота решения. ИКАО определяет высоту принятия решения как «заданную абсолютную или относительную высоту при точном заходе на посадку, на которой должен быть начат уход на второй круг, если не установлен необходимый визуальный ориентир для продолжения захода на посадку». Когда пилот приближается к земле, он должен видеть визуальный ориентир, чтобы продолжить заход на посадку. Визуальные ссылки должны быть одним из следующих (см. ВПП ):

В система освещения приближения (если есть).
как порог взлетно-посадочной полосы, так и зона приземления, которые идентифицируются по их маркировке или огням.

Если пилот не видит такой отметки на высоте принятия решения, он должен прервать посадку, а затем сделать круг для второго захода на посадку или приземлиться в другом месте.

Выше высоты принятия решения пилот в основном использует дисплеи самолета. Ниже высоты принятия решения пилот должен выглянуть наружу, чтобы определить визуальные ориентиры. На этом этапе пилот попеременно смотрит на дисплеи и смотрит в окно. Этого переключения можно избежать, если установить прозрачный дисплей для отображения информации пилоту, одновременно смотрящего наружу.

В сочетании с синтетическим зрением

HUD затем EVS перешла на бизнес-джеты в 2001 году, а в 2016 году FAA опубликовало правила EVFS для приземления в условиях плохой видимости через HUD, что исключает возможность PFD использование, с комбинированным усилением и синтетическое зрение система (CVS) .Под током ДАЛЕКО 91.175, самолеты с HUD могут достигать высоты 100 футов (30 м) перед переключением на естественный видимость для посадки, что позволяет выполнять посадку в аэропортах без ILS Подходы категории II / III.^[18]Начав работу в 2011 году, Dassault первой сертифицировала CVS с ее Эльбит HUD и камера, Соколиный глаз, в октябре 2016 г. Сокол 2000 и 900, то в 8X в начале 2017 года.^[18]

В июле 2018 года сертификация FAA Gulfstream G500 позволил EFVS предоставить единственные визуальные подсказки для посадка до 1000 футов (300 м) дальность видимости на взлетно-посадочной полосе до приземления и развертывания после 50 тестовых заходов на посадку, а также тестирование на более низкую видимость может позволить снизить предел, с последующими разрешениями для предыдущих Gulfstream.^[19]К октябрю 2018 года Falcon 8X FalconEye был одобрен FAA и EASA для подходов на глубину до 100 футов (30 м).^[20]Falcon 2000 и 900LX были одобрены в начале 2019 года.^[21]Двойной HUD FalconEye позволит EVS приземлиться в 2020 году без использования естественного зрения.^[20]Ожидается, что конформное наложение Rockwell Collins на EVS и SVS будет введено в эксплуатацию с обновленными Global 5500/6500 примерно в 2020 году.^[18]

Bombardier Globals использовать Роквелл Коллинз HUD и камера пока Гольфстримс иметь охлаждаемую камеру Kollsman (Elbit) и HUD Rockwell Collins.^[18]Рано криогенное охлаждение, антимонид индия (InSb) камеры могут обнаруживать 1,0–5,0 микрон средний ИК для горячего накаливания огни взлетно-посадочной полосы и некоторое фоновое излучение от его поверхности, слепое к видимые длины волн за ВЕЛ огни аэропорта или длинноволновый ИК для мельчайших деталей окружающей среды: Elbit FalconEye видит в видимом свете 0,4–1,1 микрон и ближний ИК диапазона и длинноволнового ИК диапазона 8,0–12,5 мкм.^[22]

Альтернативы посадке с помощью EVS

Система посадки по приборам

An Система посадки по приборам, или ILS, полагается на радиосигналы, позволяющие работать в любую погоду. Для того, чтобы была разрешена посадка по системе ILS, система должна быть установлена на земле, и для этого требуются соответствующим образом оборудованный самолет и соответствующим образом квалифицированный экипаж. Не все аэропорты и взлетно-посадочные полосы подходят для установки ILS из-за условий местности (холмы на пути сигнала, неровный уклон при посадке).

Посадка с помощью GPS

Хотя GPS имеет очень высокую точность, надежность недостаточна для посадки. Сигналы GPS могут быть намеренно заблокированы или потерять целостность. В таких случаях приемнику GPS может потребоваться несколько секунд для обнаружения неисправности, что слишком долго для критических этапов полета. GPS можно использовать для снижения высоты принятия решения ниже порога без посторонней помощи до минимумов высоты принятия решения категории I, но не ниже.