探索新視界： 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在航天航空領(lǐng)域的變革性影響

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Augmented Reality，簡稱 AR），是一種實(shí)時(shí)地計(jì)算攝影機(jī)影像的位置及角度并加上相應(yīng)圖像的技術(shù)，是一種將真實(shí)世界信息和虛擬世界信息“無縫”集成的新技術(shù)，這種技術(shù)的目標(biāo)是在屏幕上把虛擬世界嵌套在現(xiàn)實(shí)世界并進(jìn)行互動(dòng)。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)集成了多媒體、三維建模、實(shí)時(shí)視頻顯示及控制、多傳感器融合、實(shí)時(shí)跟蹤及注冊(cè)、場景融合等新技術(shù)與新手段，具備真實(shí)世界與虛擬世界信息集成、實(shí)時(shí)交互性和在三維尺度空間中增添定位虛擬物體三個(gè)突出特點(diǎn)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供了在一般情況下人類無法感知的信息融合。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用影響著航天員訓(xùn)練與模擬和設(shè)計(jì)與研發(fā)等方面。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)特種人員訓(xùn)練與模擬的影響

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在航天員訓(xùn)練中的應(yīng)用，能夠提供更加真實(shí)和沉浸式的體驗(yàn)。通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，航天員可以侵入式的模擬太空環(huán)境進(jìn)行訓(xùn)練，提高對(duì)太空任務(wù)的適應(yīng)性和應(yīng)對(duì)緊急情況的能力。

2024年8月，英國空軍宣布將使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)來幫助增加一線戰(zhàn)斗機(jī)飛行員的數(shù)量。并于今年10月在一架“鷹”T.Mark 2飛機(jī)上進(jìn)行先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)（ATARS）的飛行演示。

ATARS系統(tǒng)可以讓飛行員識(shí)別、行動(dòng)并擊敗虛擬對(duì)手，這些對(duì)手的行為和反應(yīng)程序與飛行員在敵對(duì)戰(zhàn)斗中的行為和反應(yīng)程序相同，并能在空中與合成支援飛機(jī)合作。這就意味著，在英國上空飛行的“鷹”式戰(zhàn)斗機(jī)飛行員可以透過駕駛艙看到另一架并肩飛行的虛擬飛機(jī)，同時(shí)也可于不同地形和天氣條件下、在虛擬爭奪空域中設(shè)置虛擬敵方戰(zhàn)斗機(jī)。這種合成訓(xùn)練不僅能減少對(duì)實(shí)戰(zhàn)資產(chǎn)的需求，還能提高燃料使用效率，使受訓(xùn)人員每飛行小時(shí)獲得更多訓(xùn)練機(jī)會(huì)。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)設(shè)計(jì)與研發(fā)的影響

上世紀(jì)90年代初，美國波音公司便將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入到飛機(jī)制造中，用于電力線纜連接和接線器裝配。據(jù)公開資料顯示，傳統(tǒng)方式設(shè)計(jì)飛機(jī)需要建造兩個(gè)實(shí)體模型，每個(gè)約60萬美金，采用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)之后，可以顯著地節(jié)省研究經(jīng)費(fèi)、縮短研制時(shí)間，且能夠保證對(duì)接的一次成功。波音公司已將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)成功地應(yīng)用于777和787飛機(jī)的設(shè)計(jì)上，輔助完成了對(duì)飛機(jī)外型、結(jié)構(gòu)、性能的設(shè)計(jì)，所得到的方案與實(shí)際飛機(jī)的偏差小于1‰英寸、設(shè)計(jì)錯(cuò)誤修改量減少90%、研發(fā)周期縮短50%和綜合成本降低60%。

在航天領(lǐng)域，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用也帶來了諸多變革性影響，特別是在設(shè)備維護(hù)與檢修、發(fā)射與測試等方面。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)設(shè)備維護(hù)與檢修的影響

以我國空間站在軌運(yùn)行與維護(hù)為例，空間站內(nèi)外部存在大量儀器設(shè)備與科學(xué)載荷，若發(fā)生故障需迅速處理。為此，我國科研人員開發(fā)了一套基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的智能誘導(dǎo)維修系統(tǒng)。航天員通過佩戴一副特質(zhì)眼鏡，可以實(shí)時(shí)接收語音、文字、視頻等操作指令，使繁雜的維修工作變得更加高效便捷。

圖1 智能誘導(dǎo)維修系統(tǒng)

據(jù)介紹，這套基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的智能誘導(dǎo)維修系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地將所需要的數(shù)字化維修誘導(dǎo)信息疊加到實(shí)物對(duì)象上，使得航天員能夠獲取視覺、聽覺等方式的維修提示，提高了航天員在軌維修作業(yè)效率，為空間站在軌維修維護(hù)、裝調(diào)、實(shí)驗(yàn)操作等任務(wù)提供了可靠的技術(shù)保障。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)發(fā)射與測試的影響

通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，工程師可以在發(fā)射前對(duì)航天器進(jìn)行虛擬檢查，確保所有部件和系統(tǒng)均符合發(fā)射要求。在測試過程中，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以提供實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)監(jiān)測和分析，幫助工程師及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問題，確保發(fā)射任務(wù)的順利進(jìn)行。

圖2 在中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心的神舟十六號(hào)任務(wù)中，中央廣播電視總臺(tái)利用該技術(shù)通過設(shè)置增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)報(bào)道來介紹載人航天發(fā)射任務(wù)的相關(guān)情況

無獨(dú)有偶，在中國文昌航天發(fā)射場發(fā)射升空探月工程四期鵲橋二號(hào)中繼星任務(wù)中，中央廣播電視總臺(tái)利用該技術(shù)來介紹鵲橋二號(hào)中繼星的發(fā)射過程。并通過該技術(shù)，讓公眾了解到鵲橋二號(hào)中繼星究竟長什么樣（如圖3）？

圖3鵲橋二號(hào)中繼星[4]

綜上所述，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)憑借其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢，正在航天航空領(lǐng)域引發(fā)一場深刻的變革。從提升航天員的訓(xùn)練質(zhì)量到優(yōu)化設(shè)備的維護(hù)流程，從加速產(chǎn)品設(shè)計(jì)與研發(fā)到增強(qiáng)發(fā)射前后的測試與監(jiān)控，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用不僅顯著提高了工作效率與安全性，還大幅降低了成本。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在未來有望在更多航天航空任務(wù)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，助力人類更深入地探索宇宙奧秘。

部分信息來源于科普中國、澎湃新聞、央視網(wǎng)、新華網(wǎng)等

（科學(xué)性審核：孔旭，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授，天文與空間科學(xué)學(xué)院副院長）

責(zé)任編輯：王磊