探索新視界：增強現(xiàn)實技術在航天航空領域的變革性影響

增強現(xiàn)實技術（Augmented Reality，簡稱 AR），是一種實時地計算攝影機影像的位置及角度并加上相應圖像的技術，是一種將真實世界信息和虛擬世界信息“無縫”集成的新技術，這種技術的目標是在屏幕上把虛擬世界嵌套在現(xiàn)實世界并進行互動。

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

增強現(xiàn)實技術在航空領域的應用影響著航天員訓練與模擬和設計與研發(fā)等方面。

增強現(xiàn)實技術對特種人員訓練與模擬的影響

增強現(xiàn)實技術在航天員訓練中的應用，能夠提供更加真實和沉浸式的體驗。通過增強現(xiàn)實技術，航天員可以侵入式的模擬太空環(huán)境進行訓練，提高對太空任務的適應性和應對緊急情況的能力。

2024年8月，英國空軍宣布將使用增強現(xiàn)實技術來幫助增加一線戰(zhàn)斗機飛行員的數(shù)量。并于今年10月在一架“鷹”T.Mark 2飛機上進行先進戰(zhàn)術增強現(xiàn)實系統(tǒng)（ATARS）的飛行演示。

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

增強現(xiàn)實技術對設計與研發(fā)的影響

上世紀90年代初，美國波音公司便將增強現(xiàn)實技術引入到飛機制造中，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)方式設計飛機需要建造兩個實體模型，每個約60萬美金，采用增強現(xiàn)實技術之后，可以顯著地節(jié)省研究經(jīng)費、縮短研制時間，且能夠保證對接的一次成功。波音公司已將增強現(xiàn)實技術成功地應用于777和787飛機的設計上，輔助完成了對飛機外型、結構、性能的設計，所得到的方案與實際飛機的偏差小于1‰英寸、設計錯誤修改量減少90%、研發(fā)周期縮短50%和綜合成本降低60%。

在航天領域，增強現(xiàn)實技術的應用也帶來了諸多變革性影響，特別是在設備維護與檢修、發(fā)射與測試等方面。

增強現(xiàn)實技術對設備維護與檢修的影響

以我國空間站在軌運行與維護為例，空間站內(nèi)外部存在大量儀器設備與科學載荷，若發(fā)生故障需迅速處理。為此，我國科研人員開發(fā)了一套基于增強現(xiàn)實技術的智能誘導維修系統(tǒng)。航天員通過佩戴一副特質(zhì)眼鏡，可以實時接收語音、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 智能誘導維修系統(tǒng)

據(jù)介紹，這套基于增強現(xiàn)實技術的智能誘導維修系統(tǒng)真正實現(xiàn)了實時準確地將所需要的數(shù)字化維修誘導信息疊加到實物對象上，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、裝調(diào)、實驗操作等任務提供了可靠的技術保障。

增強現(xiàn)實技術對發(fā)射與測試的影響

通過增強現(xiàn)實技術，工程師可以在發(fā)射前對航天器進行虛擬檢查，確保所有部件和系統(tǒng)均符合發(fā)射要求。在測試過程中，增強現(xiàn)實技術可以提供實時的數(shù)據(jù)監(jiān)測和分析，幫助工程師及時發(fā)現(xiàn)和解決問題，確保發(fā)射任務的順利進行。

圖2 在中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心的神舟十六號任務中，中央廣播電視總臺利用該技術通過設置增強現(xiàn)實報道來介紹載人航天發(fā)射任務的相關情況

無獨有偶，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中繼星任務中，中央廣播電視總臺利用該技術來介紹鵲橋二號中繼星的發(fā)射過程。并通過該技術，讓公眾了解到鵲橋二號中繼星究竟長什么樣（如圖3）？

圖3鵲橋二號中繼星[4]

綜上所述，增強現(xiàn)實技術憑借其獨特的技術優(yōu)勢，正在航天航空領域引發(fā)一場深刻的變革。從提升航天員的訓練質(zhì)量到優(yōu)化設備的維護流程，從加速產(chǎn)品設計與研發(fā)到增強發(fā)射前后的測試與監(jiān)控，增強現(xiàn)實技術的應用不僅顯著提高了工作效率與安全性，還大幅降低了成本。隨著技術的不斷進步和完善，增強現(xiàn)實技術在未來有望在更多航天航空任務中發(fā)揮關鍵作用，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

（科學性審核：孔旭，中國科學技術大學教授，天文與空間科學學院副院長）