頭位瞄準技術應用與研究?

張立民 姜 杰 方 偉 劉 凱

（海軍航空大學 煙臺 264001）

1 引言

頭盔瞄準具是一種應用于作戰飛機上，輔助飛行員在近距離空中格斗進行瞄準的裝置，它主要是將飛行員頭盔所面對的方向作為目標的瞄準線，再通過計算機解算，將目標的位置信息轉換為對火控武器的控制指令，從而實現快速瞄準目標的目的，在空戰中得到了廣泛的應用［1］。

頭盔瞄準具的出現源自二十世紀60年代，美國曾做過一次實驗，將一架裝有頭盔瞄準系統和一架沒裝頭盔瞄準系統的飛機進行空中格斗，結果發現，裝配有頭盔瞄準系統的飛機可以大幅度提升截獲目標的速度［2］，由此，頭盔瞄準具開始大量的裝配到作戰飛機上。

最早的頭盔瞄準具是由美國陸軍裝配到眼鏡蛇AH-1G直升機上，被投入到越南戰場上，控制機炮對地面目標進行攻擊，此時的頭盔瞄準具主要是采用準直光學原理，飛行員通過其右眼前目鏡里的十字標線瞄準目標，這時候的頭盔主要是通過機械聯桿帶動機炮轉動，因而十分笨重，無法完成大機動作戰任務；70年代，光學法和電磁場法被應用到頭盔瞄準具中，頭盔的重量得到大大的減輕，但是其瞄準精度和實時性還有待提高；到了80年代，平視顯示技術（HUD）已經成熟，第三代的頭盔瞄準具結合了平視顯示器形成了全新的綜合頭盔顯示瞄準系統（IHADSS），它主要有頭盔顯示分系統（HMD）和頭盔瞄準分系統（HMS）組成，在頭盔顯示器中，飛行員可以直接觀測到飛機的各項參數同時還可以瞄準目標與武器系統的參考線［3］。

我國也在頭盔顯示瞄準技術方面投入了大量的研制工作，并且取得了顯著的成績，目前已經在多型戰機上裝配了頭盔顯示瞄準系統。

2 頭位瞄準技術

2.1 頭盔瞄準具的功能

飛行員頭盔最初只是作為一種簡單的頭部防護裝備，隨著科技的發展，通過與符號顯示技術相結合，可以使飛行員實時地獲取戰場信息，并在近距離空中格斗中搶占先機。頭盔瞄準具的主要功能：一是測量飛行員頭位信息，提供瞄準線；二是顯示飛行和目標瞄準信息，將獲取的信息提供給火控雷達，提升其鎖定目標的速度［4］。頭盔瞄準具主要由頭盔、頭位測量裝置、瞄準鏡和計算機組成，飛行員在進行駕駛時，瞄準鏡可以為其提供瞄準線，頭位測量器對其頭盔位置進行實時測量，當飛行員瞄準目標后，測量器會將頭盔的方向角、俯仰角等參數傳輸給計算機，經計算機解算就可以獲知目標相對于飛機的距離和方位，火控系統就可以快速地鎖定目標，完成攻擊動作。頭盔瞄準具的出現，大大提升了飛行員空中格斗的能力，受到了各個國家的重視。

早期頭盔瞄準具所存在的頭盔重量過大，活動范圍小，瞄準精度不高，夜間無法使用的弊端，逐漸被改善。最新的頭盔瞄準顯示系統，其視場范圍廣，瞄準器隨頭盔轉動靈活，幾乎不存在限制，特別是無論飛行員頭部轉向何處，它都可以把圖像呈現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斗環境中，飛行員隨時都可以掌握飛機的各種狀態信息［5］。特別是隨著大離軸發射角空空導彈的出現，頭盔瞄準具已成為現代空戰中不可或缺裝備。

2.2 常用的頭位跟蹤方法

2.2.1 機電法

最早采用的機電法是在頭盔頂部座艙兩側安裝兩根導軌，機械桿通過電磁離合器連接頭盔和導軌，從而可以在導軌內來回移動，機械桿兩端安裝有測量器，可以測量出頭盔相對于飛機軸線的角度，這種方法實現簡單，但是頭盔重量極大，頭部活動的范圍也很受限。

2.2.2 超聲波法

超聲波法通常是利用超聲波發射器發射超聲波脈沖，經接收器接收后，建立一個六自由度的坐標系解算出頭盔所在的平面位置，發射器一般安裝在頭盔兩側，接收器安裝在座艙后側壁上，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，在計算過程中需要考慮到座艙內實時的溫度、濕度、大氣壓強等因素，同時超聲波還易受噪聲的影響，從而會產生較大的誤差，另一方面，超聲波測量法的刷新率較低，實時性差，盡管超聲波發生器具有體積小，質量輕的優點，但是這種方法存在一定的缺陷［6］。

2.2.3 電磁場法

電磁場法是利用電磁感應的原理來計算出頭位信息，通過在座艙頂部安裝電磁發射器形成一個特定的磁場區，在頭盔上裝有感應器，利用磁感應原理便可計算出頭部相對于參考系的位置。

電磁輻射器和感應器均由三組互相正交的線圈組成，輻射器被確知的電信號驅動后，便可形成三個特定方向的磁場，感應器所對應的三組線圈中包含有頭部的位置信息，根據其相對于定向磁場的偏差信號，就可計算出頭位的六自由度參量［7］。如圖2所示。

圖2 電磁場法原理示意圖

磁發射器和感應器以其結構簡單，體積小，質量輕，易配置的優點，被廣泛采用，例如美軍在F15采用上的聯合頭盔提示系統（JHMCS），就運用了電磁場法。

電磁線圈可以通直流或交流電，使用直流電，可以減少抗磁場的影響，卻容易受地磁、外部磁場的干擾；使用交流電，會使飛機內的金屬產生渦流，從而生成與發射器磁場相反的抗磁場。因此，采用電磁法需要在安裝前，對座艙內的磁場進行測量，當座艙內設備改裝后還需重新對磁場進行調整，而且在使用過程中易受周圍磁場的干擾產生跟蹤誤差。

2.2.4 光電法

光電法通過安裝在座艙兩側的紅外發射裝置，以紅外光為媒介，形成扇形光束在水平面上以勻速進行掃描，裝在頭盔兩側的光敏接收器，將接收到的定時基準信號和傳感器的實時信號發送至計算機進行解算，從而可以計算出頭盔的相關位置參量。

使用光電法進行掃描的得到的數據較為精準，頭盔重量輕，對頭部負擔小，然而其測量范圍有限，使用紅外光還存在遮擋問題。

2.2.5 圖像法

運用圖像識別技術對頭部姿態進行解算的基本原理是使用CCD攝像機拍攝頭部圖像，對拍攝到的頭部圖像進行分析解算，從而得到頭位的數據信息8］。具體實現方法有很多，通?？梢栽陬^盔上安裝發光裝置或者彩色標記物，根據不同的算法方程，建立二維或三維坐標，得到頭部姿態數據。如圖3所示。

圖3 圖像法原理示意圖

以LED燈組作為頭盔標記物為例，一般在飛行員座椅后方座艙兩側安裝兩臺CCD攝像機，運用雙目視覺測量方法，利用空間直線交匯算法，可以計算出空間視場內任意物體的三維坐標信息，我們通過在頭盔頂部安裝LED燈組，CCD攝像機實時拍攝LED燈組圖像，將得到的圖像經過計算就可以得到燈組的三維坐標，再與初始狀態時的LED燈組坐標相比較，就可以知道當前頭盔方向角、俯仰角等信息［9］。

運用圖像法進行跟蹤定位精度高，效率快，輸出數據準確，系統穩定性好，但因其受限于攝像機的公共視場，所以觀測范圍相對較小，并且當飛行員的頭部在進行大角度轉動時，會存在對攝像機視角的遮擋問題。

2.3 多技術融合的頭位跟蹤技術

單一的定位方法往往存在無法解決的缺陷，比如目前主要采用的光電法存在遮擋問題，慣性法存在漂移缺陷，圖像法實時性差、活動范圍有限，通過多技術融合手段，將每種技術優勢進行互補，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合

將光電法和慣性法相結合，既可以通過光電法可以消除慣性法的累計誤差和漂移問題，又可以通過慣性法解決光電法測量范圍小，易被遮擋的問題，兩者互相彌補，從而可以更好地實現對頭位的測量，法國泰利斯公司研制的Visionix蝎子頭盔瞄準具，就運用了這種技術，不過“蝎子”頭盔也存在一定的缺陷，它因為集成了過多的傳感器，導致重量較大，對飛行員的頸部造成過多壓力。因此對于傳感器的設計，降低其重量，提高其集成化程度，是未來需要研究的重點。

2.3.2 圖像法與慣性法相結合

基于圖像跟蹤定位系統和慣性跟蹤定位系統建立一個綜合跟蹤定位系統，兩個子系統分別獨立運行，計算機將兩個子系統解算的得到頭位數據進行比較，若圖像子系統數據有效，可用來校準慣性子系統，若圖像子系統數據無效，則將慣性子系統得到的數據用作下一步的計算，由此可以解決慣性法存在的漂移和累計誤差，圖像法存在的大范圍頭部轉動出現的遮擋，從而實現在全方位、大視場情況下，依舊保持高精度。

在未來，多技術融合的技術手段必然是頭盔瞄準具的主流，然而從目前來看，功能強大的頭盔瞄準顯示系統，因為搭載了太多的傳感器，導致重量過大，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［10］，圖像的發生和顯示直接成像在座艙上，通過對飛行員的眼部的跟蹤識別，可以完成對目標的瞄準。

3 頭位瞄準系統仿真與實現

3.1 頭盔瞄準標志的繪制

頭盔瞄準標志的繪制，需要實現瞄準過程的仿真和標志的繪制。標志的繪制需要兩個步驟實現，一是根據頭位角度測算出的飛行員頭位姿態信息，結合頭瞄工作流程與火控系統的指示，判斷頭瞄圖標顯示類型；二是在確定顯示圖標類型的基礎上，在某種顯示轉置上進行繪制。

3.2 瞄準過程仿真流程

根據頭瞄系統瞄準工作流程，判斷頭瞄圖標顯示類型的仿真流程如圖4所示，所需要繪制的圖標類型如圖5所示。

圖4 頭瞄系統瞄準過程仿真流程

圖5 頭瞄目標瞄準點顯示類型

1）系統初始化：系統程序運行初始化和頭位角度測算模塊初始化。

2）頭位角度校準：飛行員頭位角度校準時，清零預存校準數值，進行頭位校準。

3）數據采集：采集頭盔瞄準具開關量數值，接收頭位角度測算模塊數據并傳輸至火控系統。

4）圖標顯示：在火控仿真系統的控制下，繪制頭瞄瞄準信息。

5）頭瞄正常工作時，顯示一同心圓（圖標5），此同心圓即為目標瞄準點，飛行員用于瞄準空中目標。

6）當雷達截獲目標（STT）后，同心圓開始閃爍（圖標4），頭瞄即已完成引導瞄準，此時飛行員可將瞄準點（同心圓）從目標中移開。

7）當導引頭截獲目標時，頭瞄上顯示同心圓加十字（圖標3），飛行員即可對目標進行攻擊。

8）當飛行員頭部轉動角度過大時，頭瞄將只顯示一個十字（圖標2），表示離軸角已超過范圍。

9）當頭瞄系統故障無信號時，頭瞄上無任何顯示（圖標1）。

3.3 瞄準信息顯示方式

仿真系統中，頭瞄瞄準信息的常用顯示方式有兩種，一種是裝置仿真方法，即模擬頭盔瞄準具的光學通路，對圖標進行繪制，第二種是視景仿真方法，即基于視景系統疊加的頭盔瞄準信息繪制方式。

裝置仿真方法的本質是對真實頭盔瞄準具光學通路的模擬，核心部件為光學棱鏡［11］。仿真裝置通過光柵和反鏡面，將顯示信息由光學通道將其投影至棱鏡無窮遠處，其結構設計與光學通道設計可直接參考真實裝置。在仿真裝置中，瞄準信息的亮度可由外接計算機通過控制裝置中的發光二極管進行調節。雖然該方法的仿真逼真度高，但其硬件設計復雜，所增加的光學系統保養難度較高，提高了模擬器維護成本。

視景仿真方法，為視景系統疊加頭盔瞄準信息繪制，即由實景系統對瞄準信息進行繪制［12］。該方法是目前頭盔瞄準信息顯示較為簡便易行的技術途徑，其實現流程為，光電仿真系統根據飛行員頭位角度的變化，按照頭瞄系統瞄準仿真流程，在視景系統中以飛行員瞄準線為方向直接繪制瞄準信息，圖標的亮度變化可由視景系統中圖標顏色空間的數值變化進行模擬。該交互過程如圖6所示。這種方式繪制靈活，無需增加外置光學設備，但在顯示方式上不同于真實系統，逼真程度弱于裝置仿真方式，適合于對頭盔瞄準具仿真要求不高的模擬器中，其實際效果如圖7所示。

圖6 瞄準信息交互過程

圖7 視景疊加的頭盔瞄準信息顯示效果

4 結語

頭盔瞄準具作為戰斗機飛行員近距格斗的重要武器裝備，在未來空戰中發揮越來越重要的作用，通過對傳統頭位跟蹤方法進行比較，提出將不同技術進行融合，發揮其各自優勢，借以提升其跟蹤精度和抗干擾性能。對于頭位瞄準系統進行設計、仿真和實現，并在視景系統進行驗證，可以有效跟蹤并鎖定目標，將在飛行員座艙模擬對戰訓練中進行應用。但在顯示方式上不同于真實系統，逼真程度弱于裝置仿真，在后續的研究中，將進行有針對性的改進。