头位瞄准技术应用与研究∗

张立民 姜 杰 方 伟 刘 凯

（海军航空大学 烟台 264001）

1 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］。

头盔瞄准具的出现源自二十世纪60年代，美国曾做过一次实验，将一架装有头盔瞄准系统和一架没装头盔瞄准系统的飞机进行空中格斗，结果发现，装配有头盔瞄准系统的飞机可以大幅度提升截获目标的速度［2］，由此，头盔瞄准具开始大量的装配到作战飞机上。

最早的头盔瞄准具是由美国陆军装配到眼镜蛇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［3］。

我国也在头盔显示瞄准技术方面投入了大量的研制工作，并且取得了显著的成绩，目前已经在多型战机上装配了头盔显示瞄准系统。

2 头位瞄准技术

2.1 头盔瞄准具的功能

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。头盔瞄准具的主要功能：一是测量飞行员头位信息，提供瞄准线；二是显示飞行和目标瞄准信息，将获取的信息提供给火控雷达，提升其锁定目标的速度［4］。头盔瞄准具主要由头盔、头位测量装置、瞄准镜和计算机组成，飞行员在进行驾驶时，瞄准镜可以为其提供瞄准线，头位测量器对其头盔位置进行实时测量，当飞行员瞄准目标后，测量器会将头盔的方向角、俯仰角等参数传输给计算机，经计算机解算就可以获知目标相对于飞机的距离和方位，火控系统就可以快速地锁定目标，完成攻击动作。头盔瞄准具的出现，大大提升了飞行员空中格斗的能力，受到了各个国家的重视。

早期头盔瞄准具所存在的头盔重量过大，活动范围小，瞄准精度不高，夜间无法使用的弊端，逐渐被改善。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，从而可以保证在激烈的空中战斗环境中，飞行员随时都可以掌握飞机的各种状态信息［5］。特别是随着大离轴发射角空空导弹的出现，头盔瞄准具已成为现代空战中不可或缺装备。

2.2 常用的头位跟踪方法

2.2.1 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。

2.2.2 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。

图1 超声波法原理示意图

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，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［6］。

2.2.3 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［7］。如图2所示。

图2 电磁场法原理示意图

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。

2.2.4 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。

2.2.5 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8］。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。

图3 图像法原理示意图

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［9］。

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。

2.3 多技术融合的头位跟踪技术

单一的定位方法往往存在无法解决的缺陷，比如目前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，通过多技术融合手段，将每种技术优势进行互补，从而保证头位跟踪的高精度、抗干扰和鲁棒性。

2.3.1 光电法与惯性法相结合

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，又可以通过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，法国泰利斯公司研制的Visionix蝎子头盔瞄准具，就运用了这种技术，不过“蝎子”头盔也存在一定的缺陷，它因为集成了过多的传感器，导致重量较大，对飞行员的颈部造成过多压力。因此对于传感器的设计，降低其重量，提高其集成化程度，是未来需要研究的重点。

2.3.2 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［10］，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。

3 头位瞄准系统仿真与实现

3.1 头盔瞄准标志的绘制

头盔瞄准标志的绘制，需要实现瞄准过程的仿真和标志的绘制。标志的绘制需要两个步骤实现，一是根据头位角度测算出的飞行员头位姿态信息，结合头瞄工作流程与火控系统的指示，判断头瞄图标显示类型；二是在确定显示图标类型的基础上，在某种显示转置上进行绘制。

3.2 瞄准过程仿真流程

根据头瞄系统瞄准工作流程，判断头瞄图标显示类型的仿真流程如图4所示，所需要绘制的图标类型如图5所示。

图4 头瞄系统瞄准过程仿真流程

图5 头瞄目标瞄准点显示类型

1）系统初始化：系统程序运行初始化和头位角度测算模块初始化。

2）头位角度校准：飞行员头位角度校准时，清零预存校准数值，进行头位校准。

3）数据采集：采集头盔瞄准具开关量数值，接收头位角度测算模块数据并传输至火控系统。

4）图标显示：在火控仿真系统的控制下，绘制头瞄瞄准信息。

5）头瞄正常工作时，显示一同心圆（图标5），此同心圆即为目标瞄准点，飞行员用于瞄准空中目标。

6）当雷达截获目标（STT）后，同心圆开始闪烁（图标4），头瞄即已完成引导瞄准，此时飞行员可将瞄准点（同心圆）从目标中移开。

7）当导引头截获目标时，头瞄上显示同心圆加十字（图标3），飞行员即可对目标进行攻击。

8）当飞行员头部转动角度过大时，头瞄将只显示一个十字（图标2），表示离轴角已超过范围。

9）当头瞄系统故障无信号时，头瞄上无任何显示（图标1）。

3.3 瞄准信息显示方式

仿真系统中，头瞄瞄准信息的常用显示方式有两种，一种是装置仿真方法，即模拟头盔瞄准具的光学通路，对图标进行绘制，第二种是视景仿真方法，即基于视景系统叠加的头盔瞄准信息绘制方式。

装置仿真方法的本质是对真实头盔瞄准具光学通路的模拟，核心部件为光学棱镜［11］。仿真装置通过光栅和反镜面，将显示信息由光学通道将其投影至棱镜无穷远处，其结构设计与光学通道设计可直接参考真实装置。在仿真装置中，瞄准信息的亮度可由外接计算机通过控制装置中的发光二极管进行调节。虽然该方法的仿真逼真度高，但其硬件设计复杂，所增加的光学系统保养难度较高，提高了模拟器维护成本。

视景仿真方法，为视景系统叠加头盔瞄准信息绘制，即由实景系统对瞄准信息进行绘制［12］。该方法是目前头盔瞄准信息显示较为简便易行的技术途径，其实现流程为，光电仿真系统根据飞行员头位角度的变化，按照头瞄系统瞄准仿真流程，在视景系统中以飞行员瞄准线为方向直接绘制瞄准信息，图标的亮度变化可由视景系统中图标颜色空间的数值变化进行模拟。该交互过程如图6所示。这种方式绘制灵活，无需增加外置光学设备，但在显示方式上不同于真实系统，逼真程度弱于装置仿真方式，适合于对头盔瞄准具仿真要求不高的模拟器中，其实际效果如图7所示。

图6 瞄准信息交互过程

图7 视景叠加的头盔瞄准信息显示效果

4 结语

头盔瞄准具作为战斗机飞行员近距格斗的重要武器装备，在未来空战中发挥越来越重要的作用，通过对传统头位跟踪方法进行比较，提出将不同技术进行融合，发挥其各自优势，借以提升其跟踪精度和抗干扰性能。对于头位瞄准系统进行设计、仿真和实现，并在视景系统进行验证，可以有效跟踪并锁定目标，将在飞行员座舱模拟对战训练中进行应用。但在显示方式上不同于真实系统，逼真程度弱于装置仿真，在后续的研究中，将进行有针对性的改进。