頭位瞄準(zhǔn)技術(shù)應(yīng)用與研究?

張立民 姜 杰 方 偉 劉 凱

（海軍航空大學(xué) 煙臺(tái) 264001）

1 引言

頭盔瞄準(zhǔn)具是一種應(yīng)用于作戰(zhàn)飛機(jī)上，輔助飛行員在近距離空中格斗進(jìn)行瞄準(zhǔn)的裝置，它主要是將飛行員頭盔所面對(duì)的方向作為目標(biāo)的瞄準(zhǔn)線，再通過(guò)計(jì)算機(jī)解算，將目標(biāo)的位置信息轉(zhuǎn)換為對(duì)火控武器的控制指令，從而實(shí)現(xiàn)快速瞄準(zhǔn)目標(biāo)的目的，在空戰(zhàn)中得到了廣泛的應(yīng)用［1］。

頭盔瞄準(zhǔn)具的出現(xiàn)源自二十世紀(jì)60年代，美國(guó)曾做過(guò)一次實(shí)驗(yàn)，將一架裝有頭盔瞄準(zhǔn)系統(tǒng)和一架沒(méi)裝頭盔瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的飛機(jī)進(jìn)行空中格斗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，裝配有頭盔瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的飛機(jī)可以大幅度提升截獲目標(biāo)的速度［2］，由此，頭盔瞄準(zhǔn)具開(kāi)始大量的裝配到作戰(zhàn)飛機(jī)上。

最早的頭盔瞄準(zhǔn)具是由美國(guó)陸軍裝配到眼鏡蛇AH-1G直升機(jī)上，被投入到越南戰(zhàn)場(chǎng)上，控制機(jī)炮對(duì)地面目標(biāo)進(jìn)行攻擊，此時(shí)的頭盔瞄準(zhǔn)具主要是采用準(zhǔn)直光學(xué)原理，飛行員通過(guò)其右眼前目鏡里的十字標(biāo)線瞄準(zhǔn)目標(biāo)，這時(shí)候的頭盔主要是通過(guò)機(jī)械聯(lián)桿帶動(dòng)機(jī)炮轉(zhuǎn)動(dòng)，因而十分笨重，無(wú)法完成大機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)任務(wù)；70年代，光學(xué)法和電磁場(chǎng)法被應(yīng)用到頭盔瞄準(zhǔn)具中，頭盔的重量得到大大的減輕，但是其瞄準(zhǔn)精度和實(shí)時(shí)性還有待提高；到了80年代，平視顯示技術(shù)（HUD）已經(jīng)成熟，第三代的頭盔瞄準(zhǔn)具結(jié)合了平視顯示器形成了全新的綜合頭盔顯示瞄準(zhǔn)系統(tǒng)（IHADSS），它主要有頭盔顯示分系統(tǒng)（HMD）和頭盔瞄準(zhǔn)分系統(tǒng)（HMS）組成，在頭盔顯示器中，飛行員可以直接觀測(cè)到飛機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)同時(shí)還可以瞄準(zhǔn)目標(biāo)與武器系統(tǒng)的參考線［3］。

我國(guó)也在頭盔顯示瞄準(zhǔn)技術(shù)方面投入了大量的研制工作，并且取得了顯著的成績(jī)，目前已經(jīng)在多型戰(zhàn)機(jī)上裝配了頭盔顯示瞄準(zhǔn)系統(tǒng)。

2 頭位瞄準(zhǔn)技術(shù)

2.1 頭盔瞄準(zhǔn)具的功能

飛行員頭盔最初只是作為一種簡(jiǎn)單的頭部防護(hù)裝備，隨著科技的發(fā)展，通過(guò)與符號(hào)顯示技術(shù)相結(jié)合，可以使飛行員實(shí)時(shí)地獲取戰(zhàn)場(chǎng)信息，并在近距離空中格斗中搶占先機(jī)。頭盔瞄準(zhǔn)具的主要功能：一是測(cè)量飛行員頭位信息，提供瞄準(zhǔn)線；二是顯示飛行和目標(biāo)瞄準(zhǔn)信息，將獲取的信息提供給火控雷達(dá)，提升其鎖定目標(biāo)的速度［4］。頭盔瞄準(zhǔn)具主要由頭盔、頭位測(cè)量裝置、瞄準(zhǔn)鏡和計(jì)算機(jī)組成，飛行員在進(jìn)行駕駛時(shí)，瞄準(zhǔn)鏡可以為其提供瞄準(zhǔn)線，頭位測(cè)量器對(duì)其頭盔位置進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，當(dāng)飛行員瞄準(zhǔn)目標(biāo)后，測(cè)量器會(huì)將頭盔的方向角、俯仰角等參數(shù)傳輸給計(jì)算機(jī)，經(jīng)計(jì)算機(jī)解算就可以獲知目標(biāo)相對(duì)于飛機(jī)的距離和方位，火控系統(tǒng)就可以快速地鎖定目標(biāo)，完成攻擊動(dòng)作。頭盔瞄準(zhǔn)具的出現(xiàn)，大大提升了飛行員空中格斗的能力，受到了各個(gè)國(guó)家的重視。

早期頭盔瞄準(zhǔn)具所存在的頭盔重量過(guò)大，活動(dòng)范圍小，瞄準(zhǔn)精度不高，夜間無(wú)法使用的弊端，逐漸被改善。最新的頭盔瞄準(zhǔn)顯示系統(tǒng)，其視場(chǎng)范圍廣，瞄準(zhǔn)器隨頭盔轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，幾乎不存在限制，特別是無(wú)論飛行員頭部轉(zhuǎn)向何處，它都可以把圖像呈現(xiàn)在飛行員眼前的頭盔顯示器里，從而可以保證在激烈的空中戰(zhàn)斗環(huán)境中，飛行員隨時(shí)都可以掌握飛機(jī)的各種狀態(tài)信息［5］。特別是隨著大離軸發(fā)射角空空導(dǎo)彈的出現(xiàn)，頭盔瞄準(zhǔn)具已成為現(xiàn)代空戰(zhàn)中不可或缺裝備。

2.2 常用的頭位跟蹤方法

2.2.1 機(jī)電法

最早采用的機(jī)電法是在頭盔頂部座艙兩側(cè)安裝兩根導(dǎo)軌，機(jī)械桿通過(guò)電磁離合器連接頭盔和導(dǎo)軌，從而可以在導(dǎo)軌內(nèi)來(lái)回移動(dòng)，機(jī)械桿兩端安裝有測(cè)量器，可以測(cè)量出頭盔相對(duì)于飛機(jī)軸線的角度，這種方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但是頭盔重量極大，頭部活動(dòng)的范圍也很受限。

2.2.2 超聲波法

超聲波法通常是利用超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波脈沖，經(jīng)接收器接收后，建立一個(gè)六自由度的坐標(biāo)系解算出頭盔所在的平面位置，發(fā)射器一般安裝在頭盔兩側(cè)，接收器安裝在座艙后側(cè)壁上，所用超聲波頻率一般在40kHz左右。如圖1所示。

圖1 超聲波法原理示意圖

使用超聲波脈沖，在計(jì)算過(guò)程中需要考慮到座艙內(nèi)實(shí)時(shí)的溫度、濕度、大氣壓強(qiáng)等因素，同時(shí)超聲波還易受噪聲的影響，從而會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，另一方面，超聲波測(cè)量法的刷新率較低，實(shí)時(shí)性差，盡管超聲波發(fā)生器具有體積小，質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)，但是這種方法存在一定的缺陷［6］。

2.2.3 電磁場(chǎng)法

電磁場(chǎng)法是利用電磁感應(yīng)的原理來(lái)計(jì)算出頭位信息，通過(guò)在座艙頂部安裝電磁發(fā)射器形成一個(gè)特定的磁場(chǎng)區(qū)，在頭盔上裝有感應(yīng)器，利用磁感應(yīng)原理便可計(jì)算出頭部相對(duì)于參考系的位置。

電磁輻射器和感應(yīng)器均由三組互相正交的線圈組成，輻射器被確知的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)后，便可形成三個(gè)特定方向的磁場(chǎng)，感應(yīng)器所對(duì)應(yīng)的三組線圈中包含有頭部的位置信息，根據(jù)其相對(duì)于定向磁場(chǎng)的偏差信號(hào)，就可計(jì)算出頭位的六自由度參量［7］。如圖2所示。

圖2 電磁場(chǎng)法原理示意圖

磁發(fā)射器和感應(yīng)器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，質(zhì)量輕，易配置的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛采用，例如美軍在F15采用上的聯(lián)合頭盔提示系統(tǒng)（JHMCS），就運(yùn)用了電磁場(chǎng)法。

電磁線圈可以通直流或交流電，使用直流電，可以減少抗磁場(chǎng)的影響，卻容易受地磁、外部磁場(chǎng)的干擾；使用交流電，會(huì)使飛機(jī)內(nèi)的金屬產(chǎn)生渦流，從而生成與發(fā)射器磁場(chǎng)相反的抗磁場(chǎng)。因此，采用電磁法需要在安裝前，對(duì)座艙內(nèi)的磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)座艙內(nèi)設(shè)備改裝后還需重新對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行調(diào)整，而且在使用過(guò)程中易受周?chē)艌?chǎng)的干擾產(chǎn)生跟蹤誤差。

2.2.4 光電法

光電法通過(guò)安裝在座艙兩側(cè)的紅外發(fā)射裝置，以紅外光為媒介，形成扇形光束在水平面上以勻速進(jìn)行掃描，裝在頭盔兩側(cè)的光敏接收器，將接收到的定時(shí)基準(zhǔn)信號(hào)和傳感器的實(shí)時(shí)信號(hào)發(fā)送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行解算，從而可以計(jì)算出頭盔的相關(guān)位置參量。

使用光電法進(jìn)行掃描的得到的數(shù)據(jù)較為精準(zhǔn)，頭盔重量輕，對(duì)頭部負(fù)擔(dān)小，然而其測(cè)量范圍有限，使用紅外光還存在遮擋問(wèn)題。

2.2.5 圖像法

運(yùn)用圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)頭部姿態(tài)進(jìn)行解算的基本原理是使用CCD攝像機(jī)拍攝頭部圖像，對(duì)拍攝到的頭部圖像進(jìn)行分析解算，從而得到頭位的數(shù)據(jù)信息8］。具體實(shí)現(xiàn)方法有很多，通?？梢栽陬^盔上安裝發(fā)光裝置或者彩色標(biāo)記物，根據(jù)不同的算法方程，建立二維或三維坐標(biāo)，得到頭部姿態(tài)數(shù)據(jù)。如圖3所示。

圖3 圖像法原理示意圖

以LED燈組作為頭盔標(biāo)記物為例，一般在飛行員座椅后方座艙兩側(cè)安裝兩臺(tái)CCD攝像機(jī)，運(yùn)用雙目視覺(jué)測(cè)量方法，利用空間直線交匯算法，可以計(jì)算出空間視場(chǎng)內(nèi)任意物體的三維坐標(biāo)信息，我們通過(guò)在頭盔頂部安裝LED燈組，CCD攝像機(jī)實(shí)時(shí)拍攝LED燈組圖像，將得到的圖像經(jīng)過(guò)計(jì)算就可以得到燈組的三維坐標(biāo)，再與初始狀態(tài)時(shí)的LED燈組坐標(biāo)相比較，就可以知道當(dāng)前頭盔方向角、俯仰角等信息［9］。

運(yùn)用圖像法進(jìn)行跟蹤定位精度高，效率快，輸出數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，但因其受限于攝像機(jī)的公共視場(chǎng)，所以觀測(cè)范圍相對(duì)較小，并且當(dāng)飛行員的頭部在進(jìn)行大角度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)存在對(duì)攝像機(jī)視角的遮擋問(wèn)題。

2.3 多技術(shù)融合的頭位跟蹤技術(shù)

單一的定位方法往往存在無(wú)法解決的缺陷，比如目前主要采用的光電法存在遮擋問(wèn)題，慣性法存在漂移缺陷，圖像法實(shí)時(shí)性差、活動(dòng)范圍有限，通過(guò)多技術(shù)融合手段，將每種技術(shù)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行互補(bǔ)，從而保證頭位跟蹤的高精度、抗干擾和魯棒性。

2.3.1 光電法與慣性法相結(jié)合

將光電法和慣性法相結(jié)合，既可以通過(guò)光電法可以消除慣性法的累計(jì)誤差和漂移問(wèn)題，又可以通過(guò)慣性法解決光電法測(cè)量范圍小，易被遮擋的問(wèn)題，兩者互相彌補(bǔ)，從而可以更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)頭位的測(cè)量，法國(guó)泰利斯公司研制的Visionix蝎子頭盔瞄準(zhǔn)具，就運(yùn)用了這種技術(shù)，不過(guò)“蝎子”頭盔也存在一定的缺陷，它因?yàn)榧闪诉^(guò)多的傳感器，導(dǎo)致重量較大，對(duì)飛行員的頸部造成過(guò)多壓力。因此對(duì)于傳感器的設(shè)計(jì)，降低其重量，提高其集成化程度，是未來(lái)需要研究的重點(diǎn)。

2.3.2 圖像法與慣性法相結(jié)合

基于圖像跟蹤定位系統(tǒng)和慣性跟蹤定位系統(tǒng)建立一個(gè)綜合跟蹤定位系統(tǒng)，兩個(gè)子系統(tǒng)分別獨(dú)立運(yùn)行，計(jì)算機(jī)將兩個(gè)子系統(tǒng)解算的得到頭位數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，若圖像子系統(tǒng)數(shù)據(jù)有效，可用來(lái)校準(zhǔn)慣性子系統(tǒng)，若圖像子系統(tǒng)數(shù)據(jù)無(wú)效，則將慣性子系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)用作下一步的計(jì)算，由此可以解決慣性法存在的漂移和累計(jì)誤差，圖像法存在的大范圍頭部轉(zhuǎn)動(dòng)出現(xiàn)的遮擋，從而實(shí)現(xiàn)在全方位、大視場(chǎng)情況下，依舊保持高精度。

在未來(lái)，多技術(shù)融合的技術(shù)手段必然是頭盔瞄準(zhǔn)具的主流，然而從目前來(lái)看，功能強(qiáng)大的頭盔瞄準(zhǔn)顯示系統(tǒng)，因?yàn)榇钶d了太多的傳感器，導(dǎo)致重量過(guò)大，使飛行員十分不適，一種全新的全息座艙成像理念被提出，它采用了眼位跟蹤技術(shù)［10］，圖像的發(fā)生和顯示直接成像在座艙上，通過(guò)對(duì)飛行員的眼部的跟蹤識(shí)別，可以完成對(duì)目標(biāo)的瞄準(zhǔn)。

3 頭位瞄準(zhǔn)系統(tǒng)仿真與實(shí)現(xiàn)

3.1 頭盔瞄準(zhǔn)標(biāo)志的繪制

頭盔瞄準(zhǔn)標(biāo)志的繪制，需要實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn)過(guò)程的仿真和標(biāo)志的繪制。標(biāo)志的繪制需要兩個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)，一是根據(jù)頭位角度測(cè)算出的飛行員頭位姿態(tài)信息，結(jié)合頭瞄工作流程與火控系統(tǒng)的指示，判斷頭瞄圖標(biāo)顯示類型；二是在確定顯示圖標(biāo)類型的基礎(chǔ)上，在某種顯示轉(zhuǎn)置上進(jìn)行繪制。

3.2 瞄準(zhǔn)過(guò)程仿真流程

根據(jù)頭瞄系統(tǒng)瞄準(zhǔn)工作流程，判斷頭瞄圖標(biāo)顯示類型的仿真流程如圖4所示，所需要繪制的圖標(biāo)類型如圖5所示。

圖4 頭瞄系統(tǒng)瞄準(zhǔn)過(guò)程仿真流程

圖5 頭瞄目標(biāo)瞄準(zhǔn)點(diǎn)顯示類型

1）系統(tǒng)初始化：系統(tǒng)程序運(yùn)行初始化和頭位角度測(cè)算模塊初始化。

2）頭位角度校準(zhǔn)：飛行員頭位角度校準(zhǔn)時(shí)，清零預(yù)存校準(zhǔn)數(shù)值，進(jìn)行頭位校準(zhǔn)。

3）數(shù)據(jù)采集：采集頭盔瞄準(zhǔn)具開(kāi)關(guān)量數(shù)值，接收頭位角度測(cè)算模塊數(shù)據(jù)并傳輸至火控系統(tǒng)。

4）圖標(biāo)顯示：在火控仿真系統(tǒng)的控制下，繪制頭瞄瞄準(zhǔn)信息。

5）頭瞄正常工作時(shí)，顯示一同心圓（圖標(biāo)5），此同心圓即為目標(biāo)瞄準(zhǔn)點(diǎn)，飛行員用于瞄準(zhǔn)空中目標(biāo)。

6）當(dāng)雷達(dá)截獲目標(biāo)（STT）后，同心圓開(kāi)始閃爍（圖標(biāo)4），頭瞄即已完成引導(dǎo)瞄準(zhǔn)，此時(shí)飛行員可將瞄準(zhǔn)點(diǎn)（同心圓）從目標(biāo)中移開(kāi)。

7）當(dāng)導(dǎo)引頭截獲目標(biāo)時(shí)，頭瞄上顯示同心圓加十字（圖標(biāo)3），飛行員即可對(duì)目標(biāo)進(jìn)行攻擊。

8）當(dāng)飛行員頭部轉(zhuǎn)動(dòng)角度過(guò)大時(shí)，頭瞄將只顯示一個(gè)十字（圖標(biāo)2），表示離軸角已超過(guò)范圍。

9）當(dāng)頭瞄系統(tǒng)故障無(wú)信號(hào)時(shí)，頭瞄上無(wú)任何顯示（圖標(biāo)1）。

3.3 瞄準(zhǔn)信息顯示方式

仿真系統(tǒng)中，頭瞄瞄準(zhǔn)信息的常用顯示方式有兩種，一種是裝置仿真方法，即模擬頭盔瞄準(zhǔn)具的光學(xué)通路，對(duì)圖標(biāo)進(jìn)行繪制，第二種是視景仿真方法，即基于視景系統(tǒng)疊加的頭盔瞄準(zhǔn)信息繪制方式。

裝置仿真方法的本質(zhì)是對(duì)真實(shí)頭盔瞄準(zhǔn)具光學(xué)通路的模擬，核心部件為光學(xué)棱鏡［11］。仿真裝置通過(guò)光柵和反鏡面，將顯示信息由光學(xué)通道將其投影至棱鏡無(wú)窮遠(yuǎn)處，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與光學(xué)通道設(shè)計(jì)可直接參考真實(shí)裝置。在仿真裝置中，瞄準(zhǔn)信息的亮度可由外接計(jì)算機(jī)通過(guò)控制裝置中的發(fā)光二極管進(jìn)行調(diào)節(jié)。雖然該方法的仿真逼真度高，但其硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜，所增加的光學(xué)系統(tǒng)保養(yǎng)難度較高，提高了模擬器維護(hù)成本。

視景仿真方法，為視景系統(tǒng)疊加頭盔瞄準(zhǔn)信息繪制，即由實(shí)景系統(tǒng)對(duì)瞄準(zhǔn)信息進(jìn)行繪制［12］。該方法是目前頭盔瞄準(zhǔn)信息顯示較為簡(jiǎn)便易行的技術(shù)途徑，其實(shí)現(xiàn)流程為，光電仿真系統(tǒng)根據(jù)飛行員頭位角度的變化，按照頭瞄系統(tǒng)瞄準(zhǔn)仿真流程，在視景系統(tǒng)中以飛行員瞄準(zhǔn)線為方向直接繪制瞄準(zhǔn)信息，圖標(biāo)的亮度變化可由視景系統(tǒng)中圖標(biāo)顏色空間的數(shù)值變化進(jìn)行模擬。該交互過(guò)程如圖6所示。這種方式繪制靈活，無(wú)需增加外置光學(xué)設(shè)備，但在顯示方式上不同于真實(shí)系統(tǒng)，逼真程度弱于裝置仿真方式，適合于對(duì)頭盔瞄準(zhǔn)具仿真要求不高的模擬器中，其實(shí)際效果如圖7所示。

圖6 瞄準(zhǔn)信息交互過(guò)程

圖7 視景疊加的頭盔瞄準(zhǔn)信息顯示效果

4 結(jié)語(yǔ)

頭盔瞄準(zhǔn)具作為戰(zhàn)斗機(jī)飛行員近距格斗的重要武器裝備，在未來(lái)空戰(zhàn)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)頭位跟蹤方法進(jìn)行比較，提出將不同技術(shù)進(jìn)行融合，發(fā)揮其各自優(yōu)勢(shì)，借以提升其跟蹤精度和抗干擾性能。對(duì)于頭位瞄準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真和實(shí)現(xiàn)，并在視景系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，可以有效跟蹤并鎖定目標(biāo)，將在飛行員座艙模擬對(duì)戰(zhàn)訓(xùn)練中進(jìn)行應(yīng)用。但在顯示方式上不同于真實(shí)系統(tǒng)，逼真程度弱于裝置仿真，在后續(xù)的研究中，將進(jìn)行有針對(duì)性的改進(jìn)。