張立民 姜 杰 方 偉 劉 凱

（海軍航空大學(xué) 煙臺 264001）

1 引言

頭盔瞄準(zhǔn)具是一種應(yīng)用于作戰(zhàn)飛機上，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的方向作為目標(biāo)的瞄準(zhǔn)線，再通過計算機解算，將目標(biāo)的位置信息轉(zhuǎn)換為對火控武器的控制指令，從而實現(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，美國曾做過一次實驗，將一架裝有頭盔瞄準(zhǔn)系統(tǒng)和一架沒裝頭盔瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的飛機進(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)具開始大量的裝配到作戰(zhàn)飛機上。

最早的頭盔瞄準(zhǔn)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(zhàn)場上，控制機炮對地面目標(biāo)進(jìn)行攻擊，此時的頭盔瞄準(zhǔn)具主要是采用準(zhǔn)直光學(xué)原理，飛行員通過其右眼前目鏡里的十字標(biāo)線瞄準(zhǔn)目標(biāo)，這時候的頭盔主要是通過機械聯(lián)桿帶動機炮轉(zhuǎn)動，因而十分笨重，無法完成大機動作戰(zhàn)任務(wù)；70年代，光學(xué)法和電磁場法被應(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)精度和實時性還有待提高；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到飛機的各項參數(shù)同時還可以瞄準(zhǔn)目標(biāo)與武器系統(tǒng)的參考線［3］。

我國也在頭盔顯示瞄準(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，目前已經(jīng)在多型戰(zhàn)機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單的頭部防護(hù)裝備，隨著科技的發(fā)展，通過與符號顯示技術(shù)相結(jié)合，可以使飛行員實時地獲取戰(zhàn)場信息，并在近距離空中格斗中搶占先機。頭盔瞄準(zhǔn)具的主要功能：一是測量飛行員頭位信息，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、頭位測量裝置、瞄準(zhǔn)鏡和計算機組成，飛行員在進(jìn)行駕駛時，瞄準(zhǔn)鏡可以為其提供瞄準(zhǔn)線，頭位測量器對其頭盔位置進(jìn)行實時測量，當(dāng)飛行員瞄準(zhǔn)目標(biāo)后，測量器會將頭盔的方向角、俯仰角等參數(shù)傳輸給計算機，經(jīng)計算機解算就可以獲知目標(biāo)相對于飛機的距離和方位，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，受到了各個國家的重視。

早期頭盔瞄準(zhǔn)具所存在的頭盔重量過大，活動范圍小，瞄準(zhǔn)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(zhǔn)顯示系統(tǒng)，其視場范圍廣，瞄準(zhǔn)器隨頭盔轉(zhuǎn)動靈活，幾乎不存在限制，特別是無論飛行員頭部轉(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，飛行員隨時都可以掌握飛機的各種狀態(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 機電法

最早采用的機電法是在頭盔頂部座艙兩側(cè)安裝兩根導(dǎo)軌，機械桿通過電磁離合器連接頭盔和導(dǎo)軌，從而可以在導(dǎo)軌內(nèi)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(xiàn)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(fā)射器發(fā)射超聲波脈沖，經(jīng)接收器接收后，建立一個六自由度的坐標(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，在計算過程中需要考慮到座艙內(nèi)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(chǎn)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(fā)生器具有體積小，質(zhì)量輕的優(yōu)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(yīng)的原理來計算出頭位信息，通過在座艙頂部安裝電磁發(fā)射器形成一個特定的磁場區(qū)，在頭盔上裝有感應(yīng)器，利用磁感應(yīng)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(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驅(qū)動后，便可形成三個特定方向的磁場，感應(yīng)器所對應(yīng)的三組線圈中包含有頭部的位置信息，根據(jù)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(fā)射器和感應(yīng)器以其結(jié)構(gòu)簡單，體積小，質(zhì)量輕，易配置的優(yōu)點，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(nèi)的金屬產(chǎn)生渦流，從而生成與發(fā)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(nèi)的磁場進(jìn)行測量，當(dāng)座艙內(nèi)設(shè)備改裝后還需重新對磁場進(jìn)行調(diào)整，而且在使用過程中易受周圍磁場的干擾產(chǎn)生跟蹤誤差。

2.2.4 光電法

光電法通過安裝在座艙兩側(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，將接收到的定時基準(zhǔn)信號和傳感器的實時信號發(fā)送至計算機進(jìn)行解算，從而可以計算出頭盔的相關(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，對頭部負(fù)擔(dān)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(shù)對頭部姿態(tài)進(jìn)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(jìn)行分析解算，從而得到頭位的數(shù)據(jù)信息8］。具體實現(xiàn)方法有很多，通常可以在頭盔上安裝發(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(nèi)任意物體的三維坐標(biāo)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(jīng)過計算就可以得到燈組的三維坐標(biāo)，再與初始狀態(tài)時的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的公共視場，所以觀測范圍相對較小，并且當(dāng)飛行員的頭部在進(jìn)行大角度轉(zhuǎn)動時，會存在對攝像機視角的遮擋問題。

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(shù)融合手段，將每種技術(shù)優(yōu)勢進(jìn)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(jié)合

將光電法和慣性法相結(jié)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(xiàn)對頭位的測量，法國泰利斯公司研制的Visionix蝎子頭盔瞄準(zhǔn)具，就運用了這種技術(shù)，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(dǎo)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(shè)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(jié)合

基于圖像跟蹤定位系統(tǒng)和慣性跟蹤定位系統(tǒng)建立一個綜合跟蹤定位系統(tǒng)，兩個子系統(tǒng)分別獨立運行，計算機將兩個子系統(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，可用來校準(zhǔn)慣性子系統(tǒng)，若圖像子系統(tǒng)數(shù)據(jù)無效，則將慣性子系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)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(zhuǎn)動出現(xiàn)的遮擋，從而實現(xiàn)在全方位、大視場情況下，依舊保持高精度。

在未來，多技術(shù)融合的技術(shù)手段必然是頭盔瞄準(zhǔn)具的主流，然而從目前來看，功能強大的頭盔瞄準(zhǔn)顯示系統(tǒng)，因為搭載了太多的傳感器，導(dǎo)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(shù)［10］，圖像的發(fā)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(biāo)的瞄準(zhǔn)。

3 頭位瞄準(zhǔn)系統(tǒng)仿真與實現(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，需要實現(xiàn)瞄準(zhǔn)過程的仿真和標(biāo)志的繪制。標(biāo)志的繪制需要兩個步驟實現(xiàn)，一是根據(jù)頭位角度測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)過程仿真流程

圖5 頭瞄目標(biāo)瞄準(zhǔn)點顯示類型

1）系統(tǒng)初始化：系統(tǒng)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(zhǔn)：飛行員頭位角度校準(zhǔn)時，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)具開關(guān)量數(shù)值，接收頭位角度測算模塊數(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，顯示一同心圓（圖標(biāo)5），此同心圓即為目標(biāo)瞄準(zhǔn)點，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，同心圓開始閃爍（圖標(biāo)4），頭瞄即已完成引導(dǎo)瞄準(zhǔn)，此時飛行員可將瞄準(zhǔn)點（同心圓）從目標(biāo)中移開。

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

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

9）當(dāng)頭瞄系統(tǒng)故障無信號時，頭瞄上無任何顯示（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)是對真實頭盔瞄準(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窮遠(yuǎn)處，其結(jié)構(gòu)設(shè)計與光學(xué)通道設(shè)計可直接參考真實裝置。在仿真裝置中，瞄準(zhǔn)信息的亮度可由外接計算機通過控制裝置中的發(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，即由實景系統(tǒng)對瞄準(zhǔn)信息進(jìn)行繪制［12］。該方法是目前頭盔瞄準(zhǔn)信息顯示較為簡便易行的技術(shù)途徑，其實現(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。該交互過程如圖6所示。這種方式繪制靈活，無需增加外置光學(xué)設(shè)備，但在顯示方式上不同于真實系統(tǒng)，逼真程度弱于裝置仿真方式，適合于對頭盔瞄準(zhǔn)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(zhǔn)信息交互過程

圖7 視景疊加的頭盔瞄準(zhǔn)信息顯示效果

4 結(jié)語

頭盔瞄準(zhǔn)具作為戰(zhàn)斗機飛行員近距格斗的重要武器裝備，在未來空戰(zhàn)中發(fā)揮越來越重要的作用，通過對傳統(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，借以提升其跟蹤精度和抗干擾性能。對于頭位瞄準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計、仿真和實現(xiàn)，并在視景系統(tǒng)進(jìn)行驗證，可以有效跟蹤并鎖定目標(biāo)，將在飛行員座艙模擬對戰(zhàn)訓(xùn)練中進(jìn)行應(yīng)用。但在顯示方式上不同于真實系統(tǒng)，逼真程度弱于裝置仿真，在后續(xù)的研究中，將進(jìn)行有針對性的改進(jìn)。