Ulepszony system widzenia w locie
.JPG)
Ulepszony system wizyjny lotu ( EFVS , czasami EVS ) to system pokładowy , który zapewnia obraz sceny i wyświetla go pilotowi, aby zapewnić obraz, na którym scena i znajdujące się w niej obiekty mogą być lepiej wykryte. Innymi słowy, EFVS to system, który zapewnia pilotowi obraz lepszy niż nieuzbrojony ludzki wzrok. EFVS obejmuje czujniki obrazowania (jeden lub wiele), takie jak kamera kolorowa, kamera na podczerwień lub radar , i zwykle wyświetlacz dla pilota, którym może być wyświetlacz montowany na głowie lub wyświetlacz przezierny . EFVS można połączyć z syntetycznym systemem wizyjnym, aby stworzyć połączony system wizyjny.
EFVS można zamontować na wojskowym lub cywilnym statku powietrznym, stałopłatu (samolot) lub wiropłatu (helikopter). Obraz musi być wyświetlany pilotowi zgodnie ze sceną, tj. pilot musi widzieć sztucznie wyświetlane elementy w dokładnych pozycjach względem świata rzeczywistego. Zwykle wraz z ulepszonym obrazem system wyświetla wskazówki wizualne , takie jak pasek horyzontu i położenie pasa startowego.
Lepsze widzenie
Ulepszone widzenie jest związane z syntetycznym systemem wizyjnym , który zawiera informacje z czujników pokładowych (np. kamer bliskiej podczerwieni, radaru fal milimetrowych) w celu zapewnienia widzenia w środowiskach o ograniczonej widoczności.
Systemy noktowizyjne są dostępne dla pilotów samolotów wojskowych od wielu lat. Niedawno odrzutowce biznesowe dodały podobne możliwości do samolotów, aby poprawić świadomość sytuacyjną pilota przy słabej widoczności spowodowanej pogodą lub mgłą oraz w nocy. Pierwsza cywilna certyfikacja ulepszonego systemu wizyjnego w samolocie została zapoczątkowana przez Gulfstream Aerospace przy użyciu kamery Kollsman IR. Pierwotnie oferowany jako opcja w samolotach Gulfstream V, stał się standardowym wyposażeniem w 2003 roku, kiedy wprowadzono Gulfstream G550 , a następnie w samolotach Gulfstream G450 i Gulfstream G650 . Od 2009 roku Gulfstream dostarczył ponad 500 samolotów z zainstalowanym certyfikowanym EVS. W ślad za nimi poszli inni producenci samolotów, a EVS jest teraz dostępny w niektórych odrzutowcach biznesowych Bombardier i Dassault. Boeing zaczął oferować EVS w swojej linii odrzutowców biznesowych Boeinga i prawdopodobnie włączy go jako opcję w B787 i B737 MAX.
Systemy Gulfstream EVS, a później EVS II, wykorzystują kamerę na podczerwień zamontowaną w nosie samolotu do wyświetlania obrazu rastrowego na wyświetlaczu przeziernym (HUD). Obraz w podczerwieni na HUD jest zgodny ze sceną na zewnątrz, co oznacza, że obiekty wykrywane przez kamerę na podczerwień mają ten sam rozmiar i są wyrównane z obiektami na zewnątrz drona. Dzięki temu przy słabej widoczności pilot jest w stanie zobaczyć obraz z kamery na podczerwień i płynnie i łatwo przejść do świata zewnętrznego, gdy samolot się zbliża.
Zaletą EVS jest zwiększenie bezpieczeństwa w prawie wszystkich fazach lotu, zwłaszcza podczas podejścia i lądowania w warunkach ograniczonej widoczności. Pilot na ustabilizowanym podejściu jest w stanie rozpoznać otoczenie drogi startowej (światła, oznaczenia drogi startowej itp.) wcześniej, przygotowując się do przyziemienia. Przeszkody, takie jak teren, konstrukcje i pojazdy lub inne statki powietrzne na pasie startowym, które w innym przypadku mogłyby nie być widoczne, są wyraźnie widoczne na obrazie w podczerwieni.
FAA przyznaje pewne dodatkowe minima operacyjne statkom powietrznym wyposażonym w certyfikowane ulepszone systemy wizyjne, umożliwiające podejścia kategorii I do minimów kategorii II. Zazwyczaj operator może schodzić na niższe wysokości bliżej powierzchni drogi startowej (zwykle nawet do 100 stóp) przy słabej widoczności, aby zwiększyć szanse na wykrycie otoczenia drogi startowej przed lądowaniem. Samoloty nie wyposażone w takie systemy nie mogłyby zniżać się tak nisko i często byłyby zobowiązane do wykonania nieudanego podejścia i lotu na odpowiednie lotnisko zapasowe.
Do celów badawczych latano innymi typami czujników, w tym aktywnym i pasywnym radarem fal milimetrowych. W 2009 roku DARPA zapewniła fundusze na opracowanie „Sandblaster”, systemu ulepszonego widzenia opartego na radarze fal milimetrowych, instalowanego na helikopterach, który umożliwia pilotowi dostrzeganie i omijanie przeszkód w obszarze lądowania, które mogą być zasłonięte dymem, piaskiem lub pyłem.
Połączenie odmiennych typów czujników, takich jak długofalowa podczerwień, krótkofalowa podczerwień i radar fal milimetrowych, może pomóc w zapewnieniu pilotowi obrazu wideo w czasie rzeczywistym sceny zewnętrznej we wszystkich typach warunków widoczności. Na przykład wydajność czujnika podczerwieni o długich falach może ulec pogorszeniu w przypadku niektórych rodzajów opadów dużych kropel wody, w których wpływ na radar fal milimetrowych byłby mniejszy.
Historia
Noktowizory dla personelu wojskowego funkcjonują od czasów II wojny światowej . Ich zastosowanie przyjęli również piloci wojskowi, głównie w wiropłatach (śmigłowcach). Stosowanie takich urządzeń było sugerowane do użytku przez pilotów komercyjnych od lat 70. XX wieku, ale dopiero w 1999 r. Pierwszy komercyjny system z certyfikatem FAA znalazł się w powietrzu. Mimo to pilot nie mógł użyć systemu do obniżenia samolotu poniżej wymaganej naturalnej granicy widoczności.
Gulfstream w 2001 roku został pierwszym cywilnym producentem samolotów, który opracował i uzyskał certyfikat dla swoich samolotów dla EVS produkowanych przez firmę Elbit 's Kollsman. FAA zezwoliła na użycie EVS do zejścia do 100 stóp nad strefą przyziemienia, jeśli nie mają zastosowania żadne inne ograniczenia. W tamtym czasie nie było jasne, czy EFVS może być używany do schodzenia poniżej tej wysokości. Sytuacja została zmieniona w 2004 r. poprzez poprawki do FAA FAR 91.175. To pierwszy raz, kiedy EFVS dał konkretną przewagę komercyjną nad widzeniem bez pomocy.
EFVS generacji I
Pierwsze EVS składały się z chłodzonej kamery średniej fali (MWIR) skierowanej do przodu na podczerwień (FLIR) oraz HUD, certyfikowanego do lotu samolotem Gulfstream V. Kamera posiada chłodzony sensor MWIR
Lotniskowe przejścia LED i multispektralne EFVS
EVS są tradycyjnie oparte na skierowanej do przodu kamerze na podczerwień, która daje termiczny obraz świata i pokazuje ciepło uwalniane przez światła podejścia na lotnisku . Większość lotnisk używa żarowych parabolicznych aluminiowanych reflektorów , chociaż normy efektywności energetycznej (takie jak ustawa o niezależności energetycznej i bezpieczeństwie z 2007 r .) spowodowały, że niektóre lotniska przestawiły się na oświetlenie LED , które ma niższą sygnaturę termiczną.
Jednak od 2007 roku lotniska przechodzą na bardziej energooszczędne oświetlenie LED , które ma niższy profil termiczny. Nowe projekty EVS są multispektralne , aby uchwycić zarówno światło widzialne z lamp LED, jak i obraz termiczny poprzednich generacji EVS. Przyszłe projekty EVS koncentrują się na widzeniu w każdych warunkach pogodowych, co można osiągnąć poprzez inteligentne łączenie obrazów i danych z kamer działających w świetle widzialnym, podczerwieni i falach milimetrowych .
Samolot
EFVS można zamontować na każdym typie jednostki. Typową platformą jest mały samolot pasażerski, ponieważ korzystanie z EFVS jest bardziej opłacalne niż instrumentalny system lądowania, który jest używany w większych samolotach pasażerskich.
NASA opracowuje nowy naddźwiękowy samolot, X-59 QueSST , w celu zbadania technologii związanej z lepszymi naddźwiękowymi samolotami pasażerskimi. Kluczową cechą jest nieprzezroczysty nosek, przez który pilot nie może przejrzeć. NASA rozważa użycie EFVS, aby umożliwić pilotowi widzenie na tym samolocie.
Technologia
Czujniki
Jednostka czujnika EFVS może zawierać pojedynczy czujnik obrazowania, wiele kamer, a także dodatkowe czujniki wspomagające nawigację.
FLIR
Tradycyjnie czujnik EVS był pojedynczą skierowaną do przodu kamerą na podczerwień (FLIR). Są dwa główne typy kamer FLIR: jedna to wysokiej klasy, chłodzona MWIR (3–5 um), która ma lepszą rozdzielczość temperaturową i liczbę klatek na sekundę, ale jest droższa i nieporęczna, a druga to niechłodzone mikrobolometry, które działają w pasmo LWIR (8–14 um) widma światła jest małe i tanie, ale mniej „ostre” pod względem kontrastu temperaturowego.
Czujnik EVS w pojedynczym FLIR EVS to zazwyczaj wysokiej klasy czujnik chłodzony. W zastosowaniach wielospektralnych preferowany czujnik jest zwykle niechłodzony, ponieważ w większości przypadków ma lepszą penetrację atmosferyczną (widzie dalej), podczas gdy czujnik uzupełniający zapewni dokładne szczegóły obrazu.
VIS i NIR
Naturalne widzenie bez wspomagania w widzialnej części widma światła, wraz z bliską podczerwienią , można poprawić za pomocą wysokiej klasy kamer. Takim aparatem może być kamera o wysokim zakresie dynamicznym do widzenia w dzień, kamera CMOS do pracy w słabym świetle (czasami nazywana naukową CMOS lub sCMOS) oraz gogle noktowizyjne .
Przy widzeniu dziennym i jasnym świetle może się wydawać, że nie ma potrzeby poprawiania naturalnego widzenia, ale są pewne przypadki, w których może być to konieczne. Na przykład w sytuacji silnego zamglenia, gdy cała scena jest bardzo jasna, a elementy nie są widoczne, kamera o wysokim zakresie dynamicznym może filtrować tło i prezentować obraz o wysokim kontraście oraz wykrywać światła podejścia do pasa startowego z większej odległości niż naturalne widzenie.
SWIR
SWIR (krótkofalowa kamera na podczerwień ) to stosunkowo nowa technologia. Może oferować korzyści dla EFVS, takie jak: lepsza penetracja zamglenia niż VIS, naturalny kontrast sceny podobny do VIS w przeciwieństwie do MWIR lub LWIR. Kamery SWIR są dostępne na rynku, ale nie ma doniesień o użyciu kamery SWIR w komercyjnych EFVS.
Kamera z falą milimetrową
Kamera wykorzystująca pasywne fale milimetrowe (PMMW) jest w stanie generować obraz wideo w czasie rzeczywistym, z przewagą widzenia przez chmury, mgłę i piasek. Wykorzystanie pasywnych kamer fal milimetrowych to obiecująca technologia dla ulepszonych systemów wizyjnych lotu opartych na samolotach [ odniesienie cykliczne ] , a także nawigacji na statkach przy słabej widoczności i zastosowaniach przemysłowych. Pierwsza dostępna na rynku pasywna kamera fal milimetrowych do użytku w samolotach została stworzona przez Vū Systems i zaprezentowana na konferencji National Business Aviation Association (NBAA) w październiku 2019 r.
Pasywne skanery fal milimetrowych krótkiego zasięgu są obecnie używane do kontroli lotnisk i wielu programów badań naukowych.
Działanie pasywnej kamery fal milimetrowych opiera się na pomiarze różnicy lub kontrastu temperatur, ale przy częstotliwościach fal milimetrowych, w dowolnym zakresie od 30 GHz do 300 GHz. [ okólnik ]
Radar obrazowy
Radar obrazujący został również zaproponowany przez NASA w latach 90. Może oferować taką samą rozdzielczość sceny jak PMMW, ale ma inne właściwości. Nie opiera się na naturalnym promieniowaniu, ale emituje fale radiowe, które odbijają się od celu i wychwytują w odbiorniku. Obraz będzie prawie taki sam we wszystkich warunkach, ponieważ nie zależy od temperatury obiektu. Radar obrazowania wymaga bardzo dużych zasobów obliczeniowych, ponieważ obraz jest tworzony przez obliczenia cyfrowe, a nie przez soczewkę. Były latające prototypy, ale nie jest jeszcze dostępny na rynku.
Lidar
Lidar to system laserowy , który skanuje otaczającą przestrzeń i zapewnia trójwymiarową lokalizację obiektów. Z danych można wytworzyć syntetyczny obraz, a także inne krytyczne dane dotyczące lotu. Zasięg działania lidara zależy od mocy wyjściowej. Zwykle jest to odległość poniżej 1 km, ale w zasadzie nie jest ograniczona. Ze względu na stosunkowo niewielką odległość jest uważany bardziej za helikopter niż samolot. Może również pomóc w przeniknięciu światła do umiarkowanych warunków atmosferycznych o słabej widoczności, takich jak mgła i kurz. Lidar jest używany w zastosowaniach motoryzacyjnych (samochodach) i jest testowany pod kątem zastosowań do lądowania helikopterów.
Czujnik nawigacyjny może pomóc w uzupełnieniu obrazu. Syntetyczny obraz może zostać utworzony na podstawie danych sceny w pamięci i lokalizacji statku powietrznego i wyświetlony na górze pilota. W zasadzie pilot mógłby wylądować na podstawie tego syntetycznego obrazu, pod warunkiem jego precyzji i wierności.
- Najpopularniejszą pomocą nawigacyjną jest GPS . Udoskonalony GPS może zapewnić lokalizację samolotu w 3D z dokładnością do 10 cm (4"). Istnieją problemy z integralnością, które uniemożliwiają pełne rozwiązanie nawigacyjne. Może zostać zablokowany lub nakłoniony do zgłaszania fałszywej pozycji lub utraty pozycji i nie być w stanie zgłosić problemu w ciągu pierwszych kilku sekund.Wady te uniemożliwiają wykorzystanie GPS jako samodzielnego czujnika w krytycznych fazach lotu, takich jak lądowanie.
- Rejestracja obrazu to porównanie obrazu uzyskanego z przetwornika obrazu z zarejestrowanym obrazem (zwykle z satelity), który ma znaną pozycję globalną. Porównanie pozwala na ustawienie obrazu, a co za tym idzie kamery (a wraz z nią i samolotu) w precyzyjnej globalnej pozycji i orientacji, z dokładnością zależną od rozdzielczości obrazu.
- Inercyjny system nawigacyjny (INS) lub inercyjna jednostka pomiarowa (IMU) to urządzenie, które mierzy przyspieszenie , prędkość kątową , a czasem pole magnetyczne , za pomocą kombinacji akcelerometrów i żyroskopów , czasem także magnetometrów . INS wykorzystuje te informacje do określenia pozycji i orientacji w czasie, metodą martwego rachunku , tj. tylko w odniesieniu do wcześniej znanej pozycji. W połączeniu z GPS lub rejestracją obrazu może zapewnić dokładną pozycję bezwzględną.
- Wysokościomierz radarowy może zapewnić wysokość samolotu nad terenem z dużą precyzją i dokładnością. Wysokość to informacja, którą można połączyć z innymi danymi w celu określenia dokładnej lokalizacji.
Wyświetlacz
Wyświetlacz dla pilota jest przezroczysty , co oznacza, że umożliwia zarówno bezpośrednią obserwację sceny nieuzbrojonym wzrokiem, jak i rzutowany obraz. Wyświetlacz jest jednym z dwóch rodzajów:
- Wyświetlacz montowany na głowie lub wyświetlacz montowany na hełmie. Obejmuje okularów przed oczami pilota i zamontowane na głowie oraz system projekcji, który wyświetla obraz na okularach, który ma zostać odbity lub załamany w oczach pilota. Gogle rzeczywistości rozszerzonej są godnym uwagi przykładem takiego wyświetlacza. Ponieważ porusza się wraz z głową pilota, musi zawierać czujniki śledzące, aby wyświetlać prawidłowy obraz zgodnie z kierunkiem, w którym jest skierowany.
- Wyświetlacz przezierny to system składający się z dużej płyty odblaskowej (zwanej sumatorem) umieszczonej przed pilotem oraz systemu projekcyjnego. System generuje obraz, który jest odbijany od sumatora do pilota.
Wyświetlacz typu head-down to ekran LCD montowany pod oknem, stąd nazwa „head-down”. Zwykle nie jest używany jako wyświetlacz EFVS, ponieważ nie można na niego zobaczyć sceny zewnętrznej.
Oprócz ulepszonego obrazu z czujników, obraz wyświetlany pilotowi będzie zawierał symbolikę, która jest zbiorem wskazówek wizualnych wyświetlanych pilotowi dotyczących wysokości, azymutu, orientacji horyzontalnej, toru lotu, stanu paliwa, innego statku powietrznego itp. awionika wojskowa dodatkowe symbole przyjaciel/wróg, wskazówki systemu celowania, celowniki broni itp.
Wyświetlane obrazy i symbole EFVS muszą być przedstawione w taki sposób, aby były wyrównane i przeskalowane do widoku zewnętrznego. Proces dopasowywania nazywa się harmonizacją . Wyświetlacz head-up musi być zharmonizowany z czujnikami obrazu. Wyświetlacz montowany na głowie porusza się stale wraz z głową pilota i dlatego musi być stale śledzony, aby wyświetlany obraz był zgodny ze sceną w czasie rzeczywistym, patrz Wyświetlacz montowany na hełmie . Dodatkową kwestią jest opóźnienie między obrazem a ruchem głowy, które musi być bardzo małe, aby nie powodować zawrotów głowy.
Funkcjonalność
| Kategoria | Wysokość decyzji |
|---|---|
| I | > 200 stóp (60 m) |
| II | 30–60 m (100–200 stóp) |
| IIIA | < 100 stóp (30 m) |
| III B | < 50 stóp (15 m) |
| IIIc | bez limitu |
Głównym celem EVS jest umożliwienie startu , lądowania i kołowania w warunkach słabej widoczności, gdzie inaczej lądowanie nie byłoby bezpieczne. EVS jest certyfikowany do lądowania przez FAA tylko wtedy, gdy jest połączony z HUD , w którym to przypadku nazywa się EFVS.
Kryterium lądowania jest znane jako wysokość decyzji . ICAO definiuje wysokość decyzyjną jako „określoną wysokość lub wysokość w podejściu precyzyjnym, na której należy rozpocząć nieudane podejście, jeśli nie zostało ustalone wizualne odniesienie do kontynuacji podejścia”. Kiedy pilot zbliża się do ziemi, musi widzieć wizualne odniesienie, aby kontynuować podejście. Wizualne odniesienia muszą być jednym z poniższych (patrz droga startowa ):
- System świateł podejścia (jeśli istnieje).
- zarówno próg drogi startowej, jak i strefa przyziemienia, które można rozpoznać po ich oznakowaniu lub światłach.
Jeśli pilot nie widzi takiego odniesienia na wysokości decyzji, musi przerwać lądowanie, a następnie zawrócić w celu wykonania drugiego podejścia lub wylądować w innym miejscu.
Powyżej wysokości decyzji pilot korzysta głównie z wyświetlaczy samolotu. Poniżej wysokości decyzji pilot musi wyglądać na zewnątrz, aby zidentyfikować odniesienia wizualne. Na tym etapie pilot na przemian patrzy na wyświetlacze i wygląda przez okno. Tego przełączania można uniknąć, jeśli zainstalowany jest przezroczysty wyświetlacz, który wyświetla informacje pilotowi, jednocześnie patrząc na zewnątrz.
W połączeniu z wizją syntetyczną
HUD następnie EVS pojawił się w odrzutowcach biznesowych w 2001 r., A FAA opublikowała zasady EVFS w 2016 r., Aby lądować przy słabej widoczności przez HUD, wykluczając użycie PFD , z połączonym ulepszonym i syntetycznym systemem wizyjnym (CVS). Zgodnie z obowiązującymi FAR 91.175, samoloty z HUD-ami mogą osiągnąć 100 stóp (30 m) przed przełączeniem na naturalną widoczność do lądowania, co pozwala na lądowanie w każdych warunkach pogodowych na lotniskach bez podejść ILS Cat II/III. Po rozpoczęciu pracy w 2011 roku Dassault jako pierwszy certyfikował swój CVS z Elbit HUD i kamerą FalconEye w październiku 2016 roku w Falconach 2000 i 900 , a następnie w 8X na początku 2017 roku.
W lipcu 2018 r. Certyfikat FAA dla Gulfstream G500 pozwolił EFVS zapewnić jedyne wizualne wskazówki dotyczące lądowania do 1000 stóp (300 m) zasięgu widzialności na pasie startowym , do przyziemienia i dobiegu po 50 podejściach testowych, a testy przy niższej widoczności mogą pozwolić zniesienie limitu, z zatwierdzeniami dla poprzednich Gulfstreamów. Do października 2018 roku Falcon 8X FalconEye został zatwierdzony przez FAA i EASA na podejścia do 100 stóp (30 m). Falcon 2000 i 900LX zostały zatwierdzone na początku 2019 r. Podwójny interfejs HUD FalconEye pozwoli EVS wylądować w 2020 r. bez użycia naturalnego widzenia. Oczekuje się, że konforemna nakładka EVS i SVS firmy Rockwell Collins wejdzie do użytku wraz ze zaktualizowanym Global 5500/6500 około 2020 roku.
Bombardier Globals używa Rockwell Collins HUD i kamery, podczas gdy Gulfstreams ma chłodzoną kamerę Kollsman (Elbit) i Rockwell Collins HUD. Wczesne , chłodzone kriogenicznie kamery z antymonkiem indu (InSb) mogły wykrywać 1,0–5,0 mikronów średniej podczerwieni dla gorących żarówek pasa startowego i pewne promieniowanie tła z jego powierzchni, ślepe na widzialne długości fal dla świateł LED na lotniskach lub długofalowe podczerwień dla drobniejszych szczegółów otoczenia : Elbit FalconEye widzi w paśmie widzialnym 0,4–1,1 mikrona i bliskiej podczerwieni oraz w podczerwieni długofalowej 8,0–12,5 mikrona.
Alternatywy dla lądowania wspomaganego przez EVS
System lądowania według przyrządów
System lądowania według wskazań przyrządów lub ILS opiera się na sygnałach radiowych, aby umożliwić działanie w każdych warunkach pogodowych. Aby możliwe było lądowanie ILS, system musi być zainstalowany na ziemi, odpowiednio wyposażony statek powietrzny i odpowiednio wykwalifikowana załoga. Nie wszystkie lotniska i pasy startowe nadają się do instalacji ILS ze względu na warunki terenowe (wzniesienia na drodze sygnału, nieproste zbocze do lądowania).
Lądowanie wspomagane przez GPS
Podczas gdy GPS ma bardzo wysoką naturalną precyzję, niezawodność nie jest wystarczająco wysoka do lądowania. Sygnały GPS mogą być celowo zakłócane lub tracić integralność. W takich przypadkach wykrycie usterki może zająć odbiornikowi GPS kilka sekund, co jest zbyt długim czasem na krytyczne etapy lotu. GPS można wykorzystać do obniżenia wysokości decyzji poniżej progu bez pomocy, do minimów wysokości decyzji kategorii I, ale nie niższych.
Zobacz też
- Zewnętrzny system wizyjny
- Podejście instrumentalne
- System lądowania według przyrządów
- Syntetyczny system wizyjny