头盔瞄准具跟踪定位方法研究

姜杰 方伟 于嘉晖 张杨 贾舒宜

摘 要：随着技术的不断进步，头盔瞄准具的功能也越来越强大，本文介绍了头盔瞄准具出现、发展和最新技术，着重阐述了头盔瞄准具常用的定位方法，及每种方法的优缺点，通过对不同定位方法的比较分析，讨论了运用多技术融合的手段来解决头部位置解算的关键技术难题，并对未来头盔瞄准具的发展趋势作出了展望。

关键词：头盔瞄准具;定位方法;头部位置解算

0  引言

头盔瞄准具是一种应用于作战飞机上，辅助飞行员在近距离空中格斗进行瞄准的装置，它主要是将飞行员头盔所面对的方向作为的目标的瞄准线，再通过计算机解算，将目标的位置信息转换为对火控武器的控制指令，从而实现快速瞄准目标的目的，在空战中得到了广泛的应用[1]。最早的头盔瞄准具是由美国陆军装配到眼鏡蛇AH-1G直升机上，被投入到越南战场上，控制机炮对地面目标进行攻击，此时的头盔瞄准具主要是采用准直光学原理，飞行员通过其右眼前目镜里的十字标线瞄准目标，这时候的头盔主要是通过机械联杆带动机炮转动，因而十分笨重，无法完成大机动作战任务;70年代，光学法和电磁场法被应用到头盔瞄准具中，头盔的重量得到大大的减轻，但是其瞄准精度和实时性还有待提高;到了80年代，平视显示技术（HUD）已经成熟，第三代的头盔瞄准具结合了平视显示器形成了全新的综合头盔显示瞄准系统（IHADSS），它主要有头盔显示分系统（HMD）和头盔瞄准分系统（HMS）组成，在头盔显示器中，飞行员可以直接观测到飞机的各项参数同时还可以瞄准目标与武器系统的参考线。

1   概述

飞行员头盔最初只是作为一种简单的头部防护装备，随着科技的发展，通过与头部跟踪和符号显示技术相结合，可以使飞行员实时地获取战场信息，并在近距离空中格斗中抢占先机。最新的头盔瞄准显示系统，其视场范围广，瞄准器随头盔转动灵活，几乎不存在限制，特别是无论飞行员头部转向何处，它都可以把图像呈现在飞行员眼前的头盔显示器里。配备了头盔瞄准具的战机，可以大大提升其杀伤率并降低损失率，在同等时间内发射导弹的数量相比未装备头盔瞄准具的战机，可以提升一倍;二是飞行员的开火速度可以提升一倍以上;三是可以支持飞行员完成多种遂行任务。

2   头盔瞄准具常用跟踪定位方法

2.1  机电法

最早采用的机电法是在头盔顶部座舱两侧安装两根导轨，机械杆通过电磁离合器连接头盔和导轨，从而可以在导轨内来回移动，机械杆两端安装有测量器，可以测量出头盔相对于飞机轴线的角度，这种方法实现简单，但是头盔重量极大，头部活动的范围也很受限。

2.2  超声波法

超声波法通常是利用超声波发射器发射超声波脉冲，经接收器接收后，建立一个六自由度的坐标系解算出头盔所在的平面位置，发射器一般安装在头盔两侧，接收器安装在座舱后侧壁上，所用超声波频率一般在40kHz左右。如图1所示。

使用超声波脉冲，在计算过程中需要考虑到座舱内实时的温度、湿度、大气压强等因素，同时超声波还易受噪声的影响，从而会产生较大的误差，另一方面，超声波测量法的刷新率较低，实时性差[4]，尽管超声波发生器具有体积小，质量轻的优点，但是这种方法存在一定的缺陷。

2.3  电磁场法

电磁场法是利用电磁感应的原理来计算出头位信息，通过在座舱顶部安装电磁发射器形成一个特定的磁场区，在头盔上装有感应器，利用磁感应原理便可计算出头部相对于参考系的位置。

电磁辐射器和感应器均由三组互相正交的线圈组成，辐射器被确知的电信号驱动后，便可形成三个特定方向的磁场，感应器所对应的三组线圈中包含有头部的位置信息，根据其相对于定向磁场的偏差信号，就可计算出头位的六自由度参量[5]。如图2所示。

磁发射器和感应器以其结构简单，体积小，质量轻，易配置的优点，被广泛采用，例如美军在F15采用上的联合头盔提示系统（JHMCS），就运用了电磁场法。

电磁线圈可以通直流或交流电，使用直流电，可以减少抗磁场的影响，却容易受地磁、外部磁场的干扰;使用交流电，会使飞机内的金属产生涡流，从而生成与发射器磁场相反的抗磁场。因此，采用电磁法需要在安装前，对座舱内的磁场进行测量，当座舱内设备改装后还需重新对磁场进行调整，而且在使用过程中易受周围磁场的干扰产生跟踪误差。

2.4  光电法

光电法通过安装在座舱两侧的红外发射装置，以红外光为媒介，形成扇形光束在水平面上以匀速进行扫描，装在头盔两侧的光敏接收器，将接收到的定时基准信号和传感器的实时信号发送至计算机进行解算，从而可以计算出头盔的相关位置参量。

使用光电法进行扫描的得到的数据较为精准，头盔重量轻，对头部负担小，然而其测量范围有限，使用红外光还存在遮挡问题。

2.5  图像法

运用图像识别技术对头部姿态进行解算的基本原理是使用CCD摄像机拍摄头部图像，对拍摄到的头部图像进行分析解算，从而得到头位的数据信息。具体实现方法有很多，通常可以在头盔上安装发光装置或者彩色标记物，根据不同的算法方程，建立二维或三维坐标，得到头部姿态数据。如图3所示。

以LED灯组作为头盔标记物为例，一般在飞行员座椅后方座舱两侧安装两台CCD摄像机，运用双目视觉测量方法，利用空间直线交汇算法，可以计算出空间视场内任意物体的三维坐标信息，我们通过在头盔顶部安装LED灯组，CCD摄像机实时拍摄LED灯组图像，将得到的图像经过计算就可以得到灯组的三维坐标，再与初始状态时的LED灯组坐标相比较，就可以知道当前头盔方向角、俯仰角等信息[6]。

运用图像法进行跟踪定位精度高，效率快，输出数据准确，系统稳定性好，但因其受限于摄像机的公共视场，所以观测范围相对较小，并且当飞行员的头部在进行大角度转动时，会存在对摄像机视角的遮挡问题。

2.6  惯性法

惯性法是运用陀螺仪的原理，通过磁敏传感器和加速度计感知物体运动姿态，通过坐标变换和积分运算，可以实时的计算出物体当前的三维姿态，使用惯性法，无需再在座舱壁上安装其他设备，只需通过姿态解算器自身进行实时解算。然而运用陀螺仪原理，会产生累计误差，且在静止状态下，会产生漂移。

3  多技术融合的头盔定位方法

单一的定位方法往往存在无法解决的缺陷，比如目前我们主要采用的光电法存在遮挡问题，惯性法存在漂移缺陷，图像法实时性差、活动范围有限，能否通过多技术融合，将每种技术优势相结合，并弥补其不足，是我们目前研究的主要方向。

3.1  光电法与惯性法相结合

法国泰利斯公司研制的Visionix蝎子头盔瞄准具，就运用了多技术融合的手段，它将光电法和惯性法相结合，既可以通过光电法可以消除惯性法的累计误差和漂移问题，又可以通過惯性法解决光电法测量范围小，易被遮挡的问题，两者互相弥补，从而可以更好地实现对头位的测量，不过，“蝎子”头盔也存在一定的缺陷，它因为集成了过多地传感器，导致重量较大，对飞行员的颈部造成过多压力。

3.2  图像法与惯性法相结合

基于图像跟踪定位系统和惯性跟踪定位系统建立一个综合跟踪定位系统，两个子系统分别独立运行，计算机将两个子系统解算的得到头位数据进行比较，若图像子系统数据有效，可用来校准惯性子系统，若图像子系统数据无效，则将惯性子系统得到的数据用作下一步的计算，由此可以解决惯性法存在的漂移和累计误差，图像法存在的大范围头部转动出现的遮挡，从而实现在全方位、大视场情况下，依旧保持高精度。

在未来，多技术融合的技术手段必然是头盔瞄准具的主流，然而从目前来看，功能强大的头盔瞄准显示系统，因为搭载了太多的传感器，导致重量过大，使飞行员十分不适，一种全新的全息座舱成像理念被提出，它采用了眼位跟踪技术，图像的发生和显示直接成像在座舱上，通过对飞行员的眼部的跟踪识别，可以完成对目标的瞄准。

4   总结

目前，各个国家都在斥巨资研究头盔显示系统，其在未来战场中的重要性不言而喻，采用一种行之有效的头位跟踪定位方法，是这个系统中至关重要的一环，本文列举了目前提出的所有方法，对每种方法的优缺点进行了比较，如何提高定位的精度和实时性，并且兼顾到头盔的重量，是我们亟待解决的难题，使用多技术融合的方法，是我们目前的出路，未来相信随着技术的不断进步，新型材料的不断研发，头盔跟踪定位技术将越来越先进。

参考文献：

[1]王永年，祝梁生等.头盔瞄准/显示系统[M].国防工业出版社，1994，3.

[2]丁贤澄，王永生等.光电头盔瞄准具研制[J].电光与控制，1997，（3）：46-50.

[3]陈涛，袁东等.头盔显示瞄准系统仿真技术研究 [J].系统仿真学报，2008，（8）：14-17.

[4]Frank J.Ferrin.Survey of helmet tracking technologies [J].Proc.SPIE，1991，（1456）：86- 96.

[5]陈滇民.头盔瞄准具入门[J].现代兵器，1995，（2）：32-33.

[6]闫龙.图像式头盔瞄准具定位模型研究与仿真[J].电光与控制，2010，（9）：69-73.