Улучшенная система видения полета

Расширенная система видения полета ( EFVS , иногда EVS ) — это бортовая система , которая обеспечивает 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 обеспечивает пилота изображением, которое лучше, чем невооруженное человеческое зрение. EFVS включает в себя датчики изображения (один или несколько), такие как цветная камера, инфракрасная камера или радар , и, как правило, дисплей для пилота, который может быть дисплеем, установленным на голове, или дисплеем на лобовом стекле . EFVS может быть объединена с системой синтетического зрения для создания комбинированной системы зрения. ^[1]

EFVS может быть установлен на военных или гражданских самолетах, самолетах с фиксированным крылом (самолет) или вертолетах (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 отображает визуальные подсказки, такие как линия горизонта и местоположение взлетно-посадочной полосы.

Улучшенное зрение — это система синтетического зрения , которая использует информацию с бортовых датчиков (например, камер ближнего инфракрасного диапазона, радаров миллиметрового диапазона) для обеспечения зрения в условиях ограниченной видимости.

Системы ночного видения доступны пилотам военных самолетов уже много лет. Совсем недавно бизнес-джеты добавили аналогичные возможности самолетам для улучшения ситуационной осведомленности пилота в условиях плохой видимости из-за погоды или дымки, а также ночью. Первая гражданская сертификация улучшенной системы видения на самолете была проведена Gulfstream Aerospace с использованием ИК-камеры Kollsman. Первоначально предлагавшаяся в качестве опции на самолете Gulfstream V, она стала стандартным оборудованием в 2003 году, когда был представлен Gulfstream G550 , а затем на Gulfstream G450 и Gulfstream G650 . По состоянию на 2009 год Gulfstream поставила более 500 самолетов с установленной сертифицированной EVS. За ней последовали и другие производители самолетов, и теперь EVS доступна на некоторых продуктах бизнес-джетов Bombardier и Dassault. Boeing начала предлагать EVS на своей линейке бизнес-джетов Boeing и, вероятно, включит ее в качестве опции на B787 и B737 MAX.

Системы Gulfstream EVS ^[2] и более поздние 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, что означает, что объекты, обнаруженные ИК-камерой, имеют одинаковый размер и совмещены с объектами снаружи самолета. Таким образом, в условиях плохой видимости пилот может видеть изображение ИК-камеры и может плавно и легко переходить к внешнему миру по мере приближения самолета.

Преимущество EVS заключается 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 распознавать обстановку на взлетно-посадочной полосе (огни, разметку и т. д.) раньше, готовясь к приземлению. Такие препятствия, как рельеф, сооружения и транспортные средства или другие самолеты на взлетно-посадочной полосе, которые в противном случае могли бы быть не видны, четко видны на ИК-изображении.

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

Другие типы датчиков использовались в исследовательских целях, включая активный и пассивный радар миллиметровых волн. В 2009 году DARPA предоставило финансирование для разработки "Sandblaster", системы улучшенного зрения на основе радара миллиметровых волн, устанавливаемой на вертолетах, которая позволяет пилоту видеть и избегать препятствий в зоне приземления, которые могут быть скрыты дымом, песком или пылью.

Сочетание различных типов датчиков, таких как длинноволновый ИК, коротковолновый ИК и радар миллиметрового диапазона, может помочь обеспечить предоставление пилоту видеоизображения внешней сцены в реальном времени при любых условиях видимости. Например, производительность длинноволнового ИК-датчика может ухудшиться при некоторых типах осадков с крупными каплями воды, тогда как радар миллиметрового диапазона будет затронут в меньшей степени.

Приборы ночного видения для военнослужащих эксплуатируются со времен Второй мировой войны . Их использование также было принято военными летчиками, в основном на винтокрылых самолетах (вертолетах). Использование таких приборов предлагалось для использования коммерческими летчиками с 1970-х годов, но только в 1999 году первая коммерческая, сертифицированная FAA система была в воздухе. Тем не менее, летчик не мог использовать систему, чтобы опустить самолет ниже требуемого естественного предела видения.

Gulfstream в 2001 году стал первым производителем гражданских самолетов, который разработал и получил сертификацию для своих самолетов для EVS, производимых Elbit 's Kollsman. ^[3] FAA разрешило использование EVS для снижения до 100 футов над зоной приземления, если не применяются другие ограничения. ^[4] В то время было неясно, можно ли использовать EFVS для снижения ниже этой высоты. Ситуация была изменена в 2004 году с внесением поправок в FAA FAR 91.175. ^[5] Это знаменует собой первый случай, когда EFVS дало конкретное коммерческое преимущество перед невооруженным зрением.

Первые EVS включали охлаждаемую средневолновую (MWIR) инфракрасную камеру переднего обзора (FLIR) и HUD, сертифицированную для полетов на самолете Gulfstream V. Камера имеет охлаждаемый датчик MWIR

Традиционно EVS базируются на инфракрасной камере переднего обзора , которая дает тепловое изображение окружающего мира и показывает тепло, выделяемое огнями приближения аэропорта . Большинство аэропортов используют лампы накаливания с параболическим алюминизированным отражателем ^{[6] [ проверка не пройдена ],} хотя стандарты энергоэффективности (такие как Закон об энергетической независимости и безопасности 2007 года ) заставили некоторые аэропорты перейти на светодиодное освещение, которое имеет более низкую тепловую сигнатуру.

Однако с 2007 года аэропорты переходят на более энергоэффективное светодиодное освещение, которое имеет более низкий тепловой профиль. Новые конструкции EVS являются многоспектральными , чтобы захватывать как визуальный свет от светодиодных ламп, так и тепловое изображение предыдущих поколений EVS. Будущие конструкции EVS фокусируются на всепогодном зрении, которое может быть достигнуто путем интеллектуального слияния изображений и данных с камер, работающих в видимом свете, инфракрасном и миллиметровом диапазоне .

EFVS может быть установлена ​​на любом типе судна. Типичная платформа — небольшой пассажирский самолет, поскольку использование EFVS более экономически эффективно, чем система инструментальной посадки, которая используется в более крупных пассажирских самолетах.

NASA разрабатывает новый сверхзвуковой самолет X-59 QueSST для изучения технологий, связанных с лучшими сверхзвуковыми пассажирскими самолетами. Ключевой особенностью является непрозрачный носовой обтекатель, через который пилот не может видеть. NASA рассматривает возможность использования EFVS для обеспечения обзора пилота на этом самолете. ^[7]

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

Традиционно датчик EVS представлял собой одну переднюю инфракрасную камеру (FLIR). FLIR бывают двух основных типов: один — это высококлассная охлаждаемая камера диапазона MWIR (3–5 мкм), которая имеет лучшее температурное разрешение и частоту кадров, но более дорогая и громоздкая, а другой — неохлаждаемые микроболометры, которые работают в диапазоне LWIR (8–14 мкм) светового спектра, они маленькие и дешевые, но менее «резкие» в отношении температурного контраста.

Датчик EVS в одном FLIR EVS обычно является охлаждаемым датчиком высокого класса. В многоспектральных приложениях предпочтительный датчик обычно неохлаждаемый, поскольку в большинстве случаев он имеет лучшее проникновение в атмосферу (будет видеть дальше), в то время как мелкие детали изображения будут предоставлены дополнительным датчиком.

Естественное невооруженное зрение в видимой части спектра света, а также в ближнем инфракрасном диапазоне , можно улучшить, используя камеры высокого класса. Такая камера может быть камерой с высоким динамическим диапазоном для дневного видения, камерой CMOS для слабого освещения (иногда называемой научной CMOS или sCMOS) и очками ночного видения .

При дневном зрении и ярком свете может показаться, что нет необходимости улучшать естественное зрение, но есть определенные случаи, в которых это может быть необходимо. Например, в ситуации сильной дымки, когда вся сцена очень яркая и детали неразличимы, камера с высоким динамическим диапазоном может отфильтровать фон и представить высококонтрастное изображение, а также обнаружить огни приближения ВПП дальше, чем естественное зрение.

Камера SWIR (коротковолновая инфракрасная ) — относительно новая технология. Она может предложить преимущества для EFVS, такие как: лучшее проникновение в дымку, чем VIS, естественная контрастность сцены, похожая на VIS в отличие от MWIR или LWIR. Камеры SWIR доступны в продаже, но не сообщается об использовании камеры SWIR в коммерческих EFVS.

Пассивная камера миллиметрового диапазона (PMMW) способна создавать видеоизображение в реальном времени, с преимуществом видения сквозь облака, туман и песок. Использование пассивных камер миллиметрового диапазона является перспективной технологией для систем улучшенного видения полета на основе самолетов, а также для навигации судов в условиях плохой видимости и промышленных приложений. Первая коммерчески доступная пассивная камера миллиметрового диапазона для использования в самолетах была создана Vū Systems ^[8] и представлена ​​на конференции Национальной ассоциации деловой авиации (NBAA) в октябре 2019 года. ^[9]

Пассивные сканеры миллиметровых волн ближнего действия сегодня используются для досмотра в аэропортах ^[10] и во многих научно-исследовательских программах. ^{[11] [12]}

Работа пассивной камеры миллиметрового диапазона основана на измерении разницы или контраста температур, но на частотах миллиметровых волн, в диапазоне от 30 ГГц до 300 ГГц. ^{[13] [ циклическая ссылка ]}

В 1990-х годах NASA также предложило радар визуализации. ^[14] Он может предложить такое же разрешение сцены, как PMMW, но имеет другие свойства. Он не полагается на естественное излучение, а излучает радиоволны, которые отражаются от цели и улавливаются в приемнике. Изображение будет почти одинаковым при любых условиях, поскольку оно не зависит от температуры объекта. Радар визуализации требует очень больших вычислительных ресурсов, поскольку изображение формируется с помощью цифровых вычислений, а не линз. Были летающие прототипы, но они пока не доступны для коммерческого использования.

Лидар — это лазерная система, которая сканирует окружающий объем и обеспечивает трехмерное местоположение объектов. Из данных можно получить синтетическое изображение, а также другие критические данные полета. Рабочее расстояние лидара зависит от выходной мощности. Обычно оно составляет 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 низкой видимости, такие как туман и пыль. Лидар используется в автомобильных приложениях (автомобилях) и проходит испытания для применения при посадке вертолетов.

Навигационный датчик может помочь в дополнении изображения. Синтетическое изображение может быть создано на основе данных о сцене в памяти и местоположении самолета и отображено пилоту. В принципе, пилот может приземлиться на основе этого синтетического изображения, при условии его точности и достоверности.

• Наиболее распространенным навигационным средством является GPS . Улучшенный GPS может предоставить трехмерное местоположение самолета с точностью до 10 см (4"). Существуют проблемы с целостностью, которые не позволяют ему быть полноценным навигационным решением. Его можно заблокировать или обмануть, заставив сообщать ложное местоположение, или потерять местоположение и не иметь возможности 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 — это сравнение изображения, полученного с датчика изображения, с записанным изображением (обычно со спутника), имеющим известное глобальное положение. Сравнение позволяет поместить изображение, а следовательно, и камеру (а вместе с ней и самолет) в точное глобальное положение и ориентацию, вплоть до точности, которая зависит от разрешения изображения.
• Инерциальная навигационная система ( ИНС ) или инерциальный измерительный блок (ИМБ) — это устройство, которое измеряет ускорение , угловую скорость , а иногда и магнитное поле , используя комбинацию акселерометров и гироскопов , иногда также магнитометров . ИНС использует информацию для определения положения и ориентации с течением времени, путем счисления пути , т.е. только относительно заранее известного положения. В сочетании с GPS или регистрацией изображений он может обеспечить точное абсолютное положение.
• Радиолокационный высотомер может предоставить данные о высоте самолета над землей с высокой точностью и достоверностью. Высота — это информация, которую можно объединить с другими данными для получения точного местоположения.

Дисплей для пилота — это прозрачный дисплей , что означает, что он позволяет как видеть сцену непосредственно невооруженным зрением, так и видеть проецируемое изображение. Дисплей бывает двух типов:

1. Дисплей, устанавливаемый на голову или шлем. Он включает в себя поверхности, похожие на очки, которые располагаются перед глазами пилота и устанавливаются на голове, а также проекционную систему, которая проецирует изображение на очки, которое отражается или преломляется в глазах пилота. Очки дополненной реальности являются ярким примером 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.
2. Head-up display — это система, состоящая из большой отражающей пластины (называемой комбинатором), расположенной перед пилотом, и проекционной системы. Система генерирует изображение, которое отражается от комбинатора к пилоту.

Head -down display — это ЖК-экран, установленный под окном, отсюда и название «head-down». Обычно он не используется в качестве EFVS-дисплея, поскольку при взгляде на него невозможно увидеть внешнюю сцену.

Помимо улучшенного изображения с датчиков, изображение, отображаемое пилоту, будет включать в себя символы, представляющие собой набор визуальных подсказок, отображаемых пилоту относительно высоты, азимута, ориентации по горизонту, траектории полета, уровня топлива, других воздушных судов и т. д., а в военной авионике — дополнительные символы «свой/чужой», сигналы системы наведения, прицелы оружия и т. д.

Отображаемые изображения и символы EFVS должны быть представлены так, чтобы они были выровнены и масштабированы по отношению к внешнему виду. Процесс выравнивания называется гармонизацией . Дисплей на лобовом стекле должен быть согласован с датчиками изображения. Дисплей на голове постоянно движется вместе с головой пилота и, следовательно, должен непрерывно отслеживаться, чтобы отображаемое изображение соответствовало сцене в реальном времени, см. Дисплей, монтируемый на шлеме . Существует дополнительная проблема времени задержки между изображением и движением головы, которое должно быть очень малым, чтобы не вызывать головокружение.

Основная цель EVS — разрешить взлет , посадку и руление в условиях плохой видимости, где посадка в противном случае была бы небезопасной. EVS сертифицирован для посадки FAA только в том случае, если он объединен с HUD , в этом случае он называется EFVS. ^[16]

Критерий для посадки известен как высота принятия решения . ИКАО определяет высоту принятия решения как «указанную высоту или высоту при точном заходе на посадку, на которой должен быть начат уход на второй круг, если требуемый визуальный ориентир для продолжения захода на посадку не был установлен». Когда пилот приближается к земле, он должен видеть визуальный ориентир для продолжения захода на посадку. Визуальные ориентиры должны быть одними из следующих (см. взлетно-посадочная полоса ):

1. Система огней приближения (если имеется).
2. Как порог взлетно-посадочной полосы, так и зона приземления, которые можно опознать по маркировке или огням.

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

Выше высоты принятия решения пилот в основном использует дисплеи самолета. Ниже высоты принятия решения пилот должен смотреть наружу, чтобы идентифицировать визуальные ориентиры. На этом этапе пилот попеременно смотрит на дисплеи и смотрит в окно. Этого переключения можно избежать, если установить прозрачный дисплей, чтобы отображать информацию пилоту, одновременно глядя наружу.

HUD, а затем EVS появились в бизнес-джетах в 2001 году, а FAA опубликовало правила EVFS в 2016 году для посадки в условиях плохой видимости через HUD, исключая использование PFD , с комбинированной улучшенной и синтетической системой зрения (CVS). Согласно действующим правилам FAR 91.175, самолеты с HUD могут достигать 100 футов (30 м) перед переключением на естественное зрение для посадки, что позволяет выполнять всепогодную посадку в аэропортах без заходов на посадку ILS Cat II/III. ^[17] После начала работы в 2011 году компания Dassault первой сертифицировала свою CVS с Elbit HUD и камерой FalconEye в октябре 2016 года в Falcon 2000 и 900 , затем в 8X в начале 2017 года. ^[17]

В июле 2018 года сертификация FAA Gulfstream G500 позволила EFVS предоставлять единственные визуальные подсказки для посадки на высоте до 1000 футов (300 м) на взлетно-посадочной полосе , для приземления и выкатывания после 50 тестовых заходов на посадку, а тестирование в условиях более низкой видимости может позволить снизить предел, с последующим одобрением для предыдущих Gulfstream. ^[18] К октябрю 2018 года Falcon 8X FalconEye был одобрен FAA и EASA для заходов на посадку на высоте до 100 футов (30 м). ^[19] Falcon 2000 и 900LX были одобрены в начале 2019 года. ^[20] Двойной HUD FalconEye позволит EVS приземляться в 2020 году без использования естественного зрения. ^[19] Ожидается, что конформное наложение EVS и SVS от Rockwell Collins поступит в эксплуатацию с обновленными моделями Global 5500/6500 примерно в 2020 году. ^[17]

Bombardier Globals используют Rockwell Collins HUD и камеру, в то время как Gulfstream имеют охлаждаемую камеру Kollsman (Elbit) и Rockwell Collins HUD. ^[17] Ранние криогенно охлаждаемые камеры на основе антимонида индия (InSb) могли обнаруживать 1,0–5,0-микронный средний ИК-диапазон для горячих ламп накаливания огней взлетно-посадочной полосы и некоторое фоновое излучение от ее поверхности, слепые к видимым длинам волн для светодиодных огней аэропортов или длинноволновому ИК-диапазону для более тонких деталей окружающей среды: Elbit FalconEye видит в 0,4–1,1-микронном видимом свете и ближнем ИК- диапазоне и 8,0–12,5-микронном длинноволновом ИК-диапазоне. ^[21]

Система посадки по приборам (ILS) использует радиосигналы для обеспечения работы в любую погоду. Чтобы посадка по ILS была разрешена, система должна быть установлена ​​на земле, а также требуются соответствующим образом оборудованный самолет и экипаж с соответствующей квалификацией. Не все аэропорты и взлетно-посадочные полосы подходят для установки ILS из-за особенностей рельефа (холмы на пути сигнала, непрямой посадочный склон).

Хотя GPS имеет очень высокую собственную точность, ее надежность недостаточно высока для посадки. Сигналы GPS могут быть намеренно заглушены или утеряны. В таких случаях приемнику GPS может потребоваться несколько секунд, чтобы обнаружить неисправность, что слишком долго для критических этапов полета. GPS можно использовать для снижения высоты принятия решения ниже порога без помощи, вплоть до минимумов высоты принятия решения категории I, но не ниже.

• Индекс статей по авиации
• Внешняя система зрения
• Инструментальный подход
• Система посадки по приборам
• Система синтетического зрения

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Система улучшенного зрения» .