فناوری EFVS: همه چیز پیش چشمان خلبان

برای سال‌های متمادی فرود هواپیما پایین‌تر از ارتفاع تصمیم‌گیری (DA) یا حداقل ارتفاع فرود ([1]MDA) تنها با استفاده از دید طبیعی خلبان انجام می‌شد. این چالش هزینه‌های هنگفتی را در شرایط دید کم (به دلیل وضعیت آب‌وهوایی یا مسائل دیگر) به شرکت‌های هواپیمایی اعمال می‌کرد. سال 2004 اداره هوانوردی فدرال با انتشار قانونی، به خلبانان اجازه داد تا با استفاده از سیستم بینایی پیشرفته پرواز ([2]EFVS) بتوانند پرواز را تا پایین‌تر از حداقل ارتفاع فرود ادامه داده و در صورت مشاهده شرایط مناسب، هواپیما را روی باند بنشانند. این قابلیت احتمال لغو فرود هواپیما را در شرایط آب‌وهوایی نامناسب کاهش می‌دهد. در این مطلب قصد داریم به تاریخچه توسعه سیستم بینایی پیشرفته پرواز و مزایای آن در افزایش ایمنی پروازها بپردازیم.

تاریخچه سیستم‌های کمکی بینایی خلبان

موفقیت استفاده از تجهیزات انفرادی دید در شب درجنگ جهانی دوم باعث شد تا خلبانان حوزه نظامی و بخصوص خلبانان بالگرد از آن برای دید بهتر در تاریکی شب استفاده کنند. هر چند ایده استفاده از چنین تجهیزاتی برای استفاده در کابین هواپیماهای تجاری در دهه 1970 مطرح شد، اما بکارگیری رسمی آن در سال 1999 اتفاق افتاد و اداره هوانوردی فدرال گواهینامه صلاحیت پروازی را برای اولین نمونه سیستم دید در شب ارائه کرد. با این حال هنوز خلبانان امکان استفاده از این سیستم برای پایین آوردن هواپیما کمتر از حداقل ارتفاع فرود را نداشتند.

ارتفاع تصمیم‌گیری (DA) یا حداقل ارتفاع فرود هواپیما (MDA) شکل 1- ارتفاع تصمیم‌گیری (DA) یا حداقل ارتفاع فرود هواپیما (MDA)

شرکت گلف‌استریم اولین کارخانه هواپیماسازی بود که در سال 2001 موفق به دریافت گواهینامه برای استفاده از سیستم بینایی پیشرفته (EVS) در محصولات خود شد. این شرکت با استفاده از یک دوربین مادون قرمز نصب شده در دماغه، تصاویر پیش روی هواپیما را روی نمایشگر سر بالا ([3]HUD) و مقابل چشم خلبان قرار می‌داد. کلیه عناصر شناسایی شده توسط سیستم با ابعاد و موقعیت مناسب نسبت به دید واقعی آن در بیرون هواپیما روی نمایشگر ارائه می‌شود. اداره هوانوردی فدرال تایید کرد که با استفاده از این سیستم خلبانان می‌توانند تا ارتفاع 100پا بالاتر از محل تماس چرخ‌های هواپیما با باند فرود (TDZE[4]) پایین بیایند. این بدان معناست که خلبان می‌تواند برای تصمیم‌گیری نهایی فرود، در فاصله نزدیک‌تری از باند نسبت به گذشته قرار گیرد و بنابراین احتمال دیدن باند افزایش می‌یابد.

شکل 2- با استفاده از سیستم‌های بینایی پیشرفته پرواز خلبان می‌تواند برای تصمیم‌گیری تا ارتفاع 100 پا بالاتر از TDZE پایین بیاید.

در سال‌های بعد سیستم EVS علاوه بر حسگرهای موج کوتاه و بلند مادون قرمز، به حسگرهای الکترواپتیکی و رادار نیز مجهز شد. بدین ترتیب سیستم بینایی پیشرفته می‌توانست در تمام شرایط آب‌وهوایی و تاریکی هوا تصاویر بلادرنگ از دنیای واقعی پیش روی هواپیما را در اختیار خلبان قرار دهد.

انواع سیستم‌های کمکی بینایی خلبان

طی سال‌های گذشته سیستم‌های مختلفی به عنوان یک سامانه کمکی برای بینایی بهتر خلبانان در شرایط دید کم معرفی شده است. هر یک از این سیستم‌ها ویژگی‌های خاصی داشته و متناسب با امکانات در دسترس می‌توانند به خلبان در فرود بهتر کمک کنند.

سیستم بینایی پیشرفته

یک سیستم بینایی پیشرفته یا EVS شامل تجهیزات الکترونیکی است که تصویری از توپوگرافی نمای پیش روی هواپیما را با استفاده از حسگرهای مختلف همچون مادون قرمز، رادارهای موج میلیمتری و یا تقویت‌کننده‌های تصویر با سطح نور کم را ارائه می‌دهد.

سیستم EVS نیازی به ارائه اطلاعات و سمبل‌های اضافی روی نمایشگر HUD ندارد و بنابراین نباید با سیستم هدایت پرواز هواپیما تلفیق شود. بطور کلی یک سیستم بینایی پیشرفته شامل تجهیزات زیر می‌شود:

  • مجموعه حسگرها: جهت تولید انواع اطلاعات در قالب تصاویر. این حسگرها معمولا روی سطح بیرونی دماغه هواپیما قرار می‌گیرند.
  • مبدل‌های حسگر: برای جمع‌آوری تصاویر از حسگرهای مختلف نصب شده روی سطح هواپیما و ارسال ‌آنها به پردازشگر
  • پردازشگر نمایش: تصاویر جمع‌آوری شده از منابع مختلف در این پردازنده با یکدیگر تلفیق شده و یک تصویر یکپارچه از نمای بیرون هواپیما تشکیل می‌شود.
  • نمایشگر EVS: تصویر تشکیل شده توسط پردازنده می‌تواند علاوه بر HUD، روی یک نمایشگر اختصاصی کابین یا روی نمایشگر ناوبری (ND) نیز ارائه شود.
  • رابط کنترلی: یک پنل جهت اعمال تغییرات به سیستم توسط خلبانان

 

مقایسه تصویر خروجی EVS و دید طبیعی خلبان
تصویر خروجی EVS دید طبیعی خلبان

شکل 3- مقایسه تصویر خروجی EVS و دید طبیعی خلبان

 

سیستم EVS می‌تواند با توجه به نوع حسگرها به دو دسته تقسیم‌بندی شود:

  • حسگرهای غیرفعال: کنتراست تصویر شناسایی شده توسط حسگرهای مادون قرمز غیرفعال می‌تواند تفاوت زیادی نسبت به دید طبیعی خلبان داشته باشد. در تاریکی شب، تفاوت‌های حرارتی اجسام که با چشم غیرمسلح قابل تشخیص نیستند، توسط بسیاری از سیستم‌های مادون‌قرمز تصویربرداری به راحتی قابل تشخیص خواهند بود. از سوی دیگر، رنگ‌های متضاد در طول موج‌های بصری که با چشم غیرمسلح متمایز می‌شوند ممکن است با استفاده از سیستم تصویربرداری مادون‌قرمز قابل مشاهده نباشند. بنابراین کنتراست حرارتی می‌تواند به خوبی توسط دوربین‌ها شناسایی و در اختیار خلبان قرار گیرد، اما در برخی شرایط تفاوت تصاویر مادون قرمز با دید عادی خلبان می‌تواند نامطلوب باشد.
  • حسگرهای فعال: مقدار کنتراست صحنه برای حسگرهای فعال به پارامترهای مختلفی مانند نصب فرستنده در مرکز بردار سرعت هواپیما، نرخ بروزرسانی نمایشگر، تاخیر، رزولوشن برد، حساسیت، محدوده دینامیکی و وضوع سمت و ارتفاع حسگر وابسته است. این نوع حسگرها می‌توانند جزئیات بیشتر از صحنه را در شرایط دید کم ارائه دهند.

برخلاف دید واقعی خلبان از بیرون هواپیما، تصاویر EVS معمولا تک رنگ و دوبعدی هستند. کیفیت این تصاویر بطور چشمگیری به شرایط آب‌وهوایی و منابع انرژی مرئی و نامرئی صحنه وابسته است. از سوی دیگر تنظیمات گین حسگر، و اعمال تغییر در روشنایی و کنتراست نمایشگر تاثیر قابل ملاحظه‌ای در کیفیت تصویر ارائه شده به خلبان دارد. این بدان معناست که خلبان برای دریافت تصاویر بهتر، حین پرواز باید تنظیمات مربوط به سیستم را تغییر دهد.

سیستم دید مصنوعی

دید مصنوعی یک تصویر از توپوگرافی نمای بیرونی هواپیما است که توسط کامپیوتر تولید می‌شود. اطلاعات لازم برای تشکیل این تصویر از منابع مختلفی مانند سیستم‌های ناوبری، سامانه‌های نظارتی و همچنین دیتابیس عوارض زمینی و موانع مصنوعی اطراف هواپیما جمع‌آوری می‌شود. سیستم دید مصنوعی ([5]SVS) می‌تواند تصاویر مصنوعی اما با کیفیت از نمای پیش روی هواپیما ارائه دهد. هرچند این سیستم می‌تواند یک آگاهی از وضعیت (situation awareness) را برای خلبان ایجاد کند، اما نمی‌توان از آن در شرایط عدم وجود دید طبیعی استفاده کرد.

تصاویر تهیه شده توسط سیستم SVS به صورت سه‌بعدی بوده و می‌تواند روی نمایشگر اولیه یا ثانویه پرواز نمایش داده شود. با این حال همانطور که در شکل 4 مشاهده می‌شود، نمای بیرونی هواپیما هیچ تاثیر و نقشی در تصویر ارائه شده در سیستم SVS ندارد.

شکل 4- بلوک دیاگرام یک سیستم SVS و نمونه تصویر خروجی آن

سیستم بینایی پیشرفته پرواز

سیستم EFVS از لحاظ عملکرد شباهت زیادی به سیستم بینایی پیشرفته دارد، اما طبق تعریف ارائه شده توسط اداره هوانوردی فدرال، منابع جمع‌آوری اطلاعات و حسگرهای آن محدود به مادون قرمز، رادارهای موج میلیمتری و تقویت‌کننده‌های تصویر با سطح نور کم نمی‌شود. سیستم EFVS تصاویر جمع‌‌آوری شده از حسگرها را با اطلاعات مربوط به هدایت و ناوبری هواپیما ترکیب کرده و روی HUD یا یک نمایشگر معادل دیگر نمایش می‌دهد.

 اطلاعات هدایت و ناوبری هواپیما به صورت اعداد و سمبل‌های قابل فهم برای خلبان بصورت مختصر و در موقعیت مناسب روی تصاویر بلادرنگ نمای بیرونی هواپیما قرار می‌گیرند. این اطلاعات باید شامل سرعت هوایی، سرعت عمودی، جهت و هدینگ، ارتفاع از سطح دریا و ارتفاع از سطح زمین، علائم انحراف از مسیر و بردارهای مسیر پرواز باشد.

اداره هوانوردی فدرال متناسب با قابلیت‌های یک EFVS نصب‌شده روی هواپیما به خلبان اجازه می‌دهد تا محدودیت‌های فرود و برد بصری باند (RVR[6]) را تا 1000 پا کاهش دهد.

بلوک دیاگرام سیستم‌های EVS و EFVS. بخش خاکستری رنگ و ناحیه محصور شده با خط چین‌ مرزهای بین دو سیستم را نشان می‌دهد.شکل 5- بلوک دیاگرام سیستم‌های EVS و EFVS. بخش خاکستری رنگ و ناحیه محصور شده با خط چین‌ مرزهای بین دو سیستم را نشان می‌دهد.

دید طبیعی خلبان تصویر خروجی EFVS

 

  

شکل 6- مقایسه تصویر خروجی EFVS و دید طبیعی خلبان

سیستم بینایی ترکیبی

مفهوم سیستم بینایی ترکیبی ([7]CVS) شامل ترکیبی از سیستم دید مصنوعی با EVS یا EFVS است. بدین ترتیب خلبان می‌تواند از مزایای تمام سیستم‌های مذکور استفاده کند. به عنوان مثال در مرحله کاهش ارتفاع و اپروچ که هنوز هواپیما با فرودگاه فاصله زیادی دارد، سیستم دید مصنوعی مورد استفاده قرار می‌گیرد و با نزدیک‌تر شدن هواپیما به باند فرود، تصاویر مصنوعی کم کم جای خود را به تصاویر زمان واقعی دریافتی از حسگرهای سیستم EVS یا EFVS خواهند داد.

برخی نمونه‌های سیستم EFVS

در حال حاضر رقابت شدیدی بین شرکت‌های بزرگ تولیدکننده سیستم‌های کمکی دید خلبان وجود دارد. شرکت البیت سیستمز (Elbit Systems) را می‌توان از مهم‌ترین و بزرگترین رقبای این بازار در حال رشد دانست. این شرکت با بیش از 20 سال سابقه در تولید تجهیزات کمکی دید خلبان برای هواپیماهای غیر نظامی، تجربه موفقی در تجهیز بیش از 800 فروند هواپیمای شرکت گلف‌استریم را دارد. درحال حاضر مهم‌ترین محصول این شرکت در زمینه سیستم‌های کمک بصری خلبان ClearVision EFVS نام دارد. این سیستم شامل یک نمایشگر روی کلاه خلبان با نام SkyLens و یک نمایشگر سر بالای پیشرفته است. نمایشگر موجود روی SkyLens دارای شفافیت بالایی بوده و علائم و سمبل‌ها را با تفکیک‌پذیری زیاد ارائه می‌دهد. در واقع این کلاه ترکیبی از یک سیستم بینایی ترکیبی است که به خلبان در انجام یک پرواز امن با ایستایی بالا در تمام شرایط آب‌وهوایی شبانه‌روز کمک می‌کند.

شرکت تالس نیز یکی دیگر از پیشتازان توسعه سیستم‌های کمک بصری خلبان است. این شرکت در حال حاضر تامین‌کننده اصلی سیستم‌های EFVS برای بمباردیر است. اطلاعات جمع‌آوری شده از حسگرهای روی بدنه هواپیما بر روی یک نمایشگر HUD با میدان دید 40×26 درجه نمایش داده می‌شود. این اطلاعات همچنین بطور همزمان روی یکی از نمایشگرهای مدیریت پرواز کمک خلبان ارائه می‌شود.

شرکت راکول‌کالینز نیز محصولی با نام تجاری EFVS-4860 ارائه کرده است. این سیستم از دوربین‌های مادون‌قرمز مدل SureSight CMA-2600 با رزولوشن 512 در512 پیکسل استفاده می‌کند.

بکارگیری سیستم EFVS

سال 2021 شرکت ایرباس اعلام کرد قصد نصب یک سیستم بینایی پیشرفته پرواز برای هواپیماهای خانواده A320 را دارد. این سیستم توسط شرکت کالینز طراحی خواهد شد و شامل یک مجموعه حسگر مادون‌قرمز، سیستم‌های دوربین چندگانه، نمایشگر HUD و پنل تنظیمات می‌شود. امکان نصب سیستم مذکور با تغییرات محدود روی سایر هواپیماهای تولید شده توسط ایرباس وجود خواهد داشت.

در حال حاضر بزرگترین مشتری سیستم‌های بینایی پیشرفته پرواز هواپیماهای جت کوچک و متوسط هستند. بیش از 80 درصد از هواپیماهای ساخت شرکت گلف‌استریم از سری G280 گرفته تا G650 مجهز به این سیستم کمکی شده‌اند. شرکت داسو نیز روی برخی از هواپیماهای خانواده فالکن این سیستم را بکار گرفته است. شرکت بمباردیر نیز سیستم بینایی پیشرفته پرواز تالس را برای هواپیماهای خانواده گلوبال اکسپرس و گلوبال 5000 در نظر گرفته است.

نصب حسگرهای ClearVision EFVS روی بدنه هواپیمای فالکن 8X

بوئینگ نیز سیستم بینایی پیشرفته پرواز شرکت‌های کالینز و البیت را برای نسخه‌های مختلف هواپیمای 737 و 777 خود در نظر گرفته است.

[1] Minimum Descent Altitude

[2] Enhanced Flight Vision System

[3] Head-Up Display

[4] Touchdown Zone

[5] Synthetic Vision System

[6] Runway Visual Range

[7] Combined Vision System