電磁態(tài)勢(shì)可視化系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

程芳

【摘 要】各種用頻和電子干擾設(shè)備的電磁輻射構(gòu)成了復(fù)雜的電磁環(huán)境。本文提出了一種電磁態(tài)勢(shì)可視化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)采用C/S/S三層結(jié)構(gòu)，通過統(tǒng)計(jì)圖表、頻譜圖、瀑布圖等綜合展現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)電磁態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)的時(shí)域、頻域分布，結(jié)合地理信息系統(tǒng)與自然環(huán)境信息繪制已知通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗等用頻裝備的輻射區(qū)域，實(shí)時(shí)顯示電磁態(tài)勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】電磁態(tài)勢(shì)；可視化；電磁信號(hào)多維數(shù)據(jù)

中圖分類號(hào)： E91；TN974 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）04-0232-002

Research on Design of Electromagnetic Situation Visualization System

CHENG Fang

（91404 Troops，Qinhuangdao Hebei 066000，China）

【Abstract】Electromagnetic radiation of various frequency and electronic interference devices constitutes a complex electromagnetic environment. This paper proposes a design scheme of the electromagnetic situation visualization system. The system adopts a C/S/S three-tier structure and comprehensively presents the time domain and frequency domain distribution of battlefield electromagnetic situation data through statistical charts， spectrum charts， and waterfall maps， combined with geography. The information system and natural environment information are used to map radiation areas of known communications， radar， electronic countermeasures， and other frequency equipment， and the electromagnetic state is displayed in real time.

【Key words】 Electromagnetic situation； Visualization； Multidimensional data of electromagnetic signals

0 引言

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，各種電子戰(zhàn)裝備不斷投入作戰(zhàn)應(yīng)用，戰(zhàn)場(chǎng)的信號(hào)密度將十分密集，且信號(hào)形式復(fù)雜多樣。戰(zhàn)場(chǎng)電磁態(tài)勢(shì)的分析與顯示一直是制約指揮員實(shí)施準(zhǔn)確、高效指揮的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。科學(xué)、直觀地描述電磁態(tài)勢(shì)，不但有助于指揮員對(duì)電磁環(huán)境準(zhǔn)確判斷、科學(xué)決策、合理部署，而且對(duì)于指揮員準(zhǔn)確把握訓(xùn)練進(jìn)程至關(guān)重要。準(zhǔn)確、全面、直觀的戰(zhàn)場(chǎng)綜合態(tài)勢(shì)能夠讓指揮員以最短的時(shí)間掌握戰(zhàn)場(chǎng)的變化情況，支持指揮員進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確的戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢(shì)分析，有效評(píng)估電子信息裝備與主戰(zhàn)武器在復(fù)雜電磁環(huán)境下的適應(yīng)能力與作戰(zhàn)效能，為復(fù)雜電磁環(huán)境下信息化戰(zhàn)爭(zhēng)的作戰(zhàn)與指揮提供決策依據(jù)。

所謂電磁態(tài)勢(shì)的可視化就是通過二維、三維相結(jié)合的可視化方法將戰(zhàn)場(chǎng)各種電磁信號(hào)的類型、屬性和分布等情況的分析結(jié)果用統(tǒng)計(jì)圖表、頻譜圖、瀑布圖等形式表現(xiàn)出來。電磁態(tài)勢(shì)可視化的意義在于，增強(qiáng)作戰(zhàn)指揮人員對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)電磁態(tài)勢(shì)的直觀感知能力，為雷達(dá)、通信、電子對(duì)抗裝備的使用和試驗(yàn)指揮的正確、及時(shí)決策提供可靠依據(jù)。電子對(duì)抗態(tài)勢(shì)顯示系統(tǒng)主要用于指揮員迅速直觀地了解戰(zhàn)場(chǎng)電磁態(tài)勢(shì)，為雷達(dá)、通信、電子對(duì)抗裝備的使用和訓(xùn)練的指揮決策提供可靠依據(jù)。系統(tǒng)有效結(jié)合空間地理信息系統(tǒng)以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，形象展示特定的戰(zhàn)場(chǎng)空間中、特定的時(shí)間下的電磁態(tài)勢(shì)時(shí)、空、能、頻的分布情況，為指揮人員提供全方位、多視角、各尺度的戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境信息。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

電磁態(tài)勢(shì)可視化系統(tǒng)的基本功能是以圖形圖像的形式表現(xiàn)以下三個(gè)方面內(nèi)容：電磁環(huán)境中的主要用頻裝備和電子干擾裝備的作戰(zhàn)效能評(píng)估；空間中敵我頻譜利用態(tài)勢(shì)感知；戰(zhàn)場(chǎng)空間中信號(hào)情報(bào)的分析與獲取。

運(yùn)用多種可視化手段，將模型仿真數(shù)據(jù)和電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)的、形象的表現(xiàn)，幫助指揮員分析與預(yù)測(cè)戰(zhàn)場(chǎng)電磁態(tài)勢(shì)，增強(qiáng)對(duì)看不見、摸不著的戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的感知能力，進(jìn)而做出正確的指揮決策。

可視化的具體實(shí)現(xiàn)方法是：使用科學(xué)計(jì)算可視化的體繪制和面繪制技術(shù)，表現(xiàn)雷達(dá)三維作用范圍以及雷達(dá)探測(cè)概率的空間分布、通信干擾機(jī)的壓制范圍、戰(zhàn)場(chǎng)空間中各頻段頻譜時(shí)頻分布圖；使用信息可視化的平行坐標(biāo)和雷達(dá)圖等技術(shù)，表現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)電磁信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特征。

2 系統(tǒng)體系設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成

電磁態(tài)勢(shì)可視化系統(tǒng)包括協(xié)議適配器、傳輸分發(fā)服務(wù)器、地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)處理器、態(tài)勢(shì)顯示分系統(tǒng)、實(shí)兵模型管理分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)等六個(gè)分系統(tǒng)，如圖1所示。

2.2 分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

協(xié)議適配器主要完成試驗(yàn)區(qū)各種訓(xùn)練、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的協(xié)議適配，對(duì)各種格式、內(nèi)容的數(shù)據(jù)進(jìn)行適配，轉(zhuǎn)化成實(shí)兵對(duì)抗研練戰(zhàn)場(chǎng)綜合態(tài)勢(shì)系統(tǒng)所能識(shí)別、應(yīng)用的數(shù)據(jù)；協(xié)議適配器根據(jù)篩選規(guī)則提供數(shù)據(jù)篩選的功能，減少系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的流量。

傳輸分發(fā)服務(wù)器主要完成系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的路由和分發(fā)，體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一方面完成適配后的數(shù)據(jù)的路由和分發(fā)，滿足系統(tǒng)內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)對(duì)適配后數(shù)據(jù)的訂閱需求，另一方面可以完成態(tài)勢(shì)類原始數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

數(shù)據(jù)處理器完成對(duì)通信監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、雷達(dá)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及實(shí)兵數(shù)據(jù)的處理。體現(xiàn)在四個(gè)方面：融合、分析、統(tǒng)計(jì)、處理（依據(jù)試驗(yàn)任務(wù)的不同需求）。

態(tài)勢(shì)顯示分系統(tǒng)包括三方面內(nèi)容：通信數(shù)據(jù)顯示、雷達(dá)數(shù)據(jù)顯示和實(shí)兵數(shù)據(jù)顯示，提供對(duì)各種數(shù)據(jù)的通用顯示手段，依據(jù)具體的顯示需求，對(duì)數(shù)據(jù)處理器提供各種處理結(jié)果進(jìn)行顯示。

裝備編成庫(kù)，對(duì)參訓(xùn)、配訓(xùn)和受訓(xùn)裝備進(jìn)行管理。

兵力編成庫(kù)，依據(jù)試驗(yàn)、訓(xùn)練和演習(xí)活動(dòng)的需要，對(duì)紅軍、藍(lán)軍進(jìn)行編成；按照試驗(yàn)區(qū)目前的試驗(yàn)、訓(xùn)練和研練的模式，從配屬關(guān)系、信息關(guān)系建立實(shí)兵模型。

數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)，為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐，除為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐外，還為系統(tǒng)提供Web數(shù)據(jù)訪問服務(wù)。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

3.1 態(tài)勢(shì)實(shí)時(shí)顯示功能

（1）以二維和三維可視化的形式在數(shù)字地圖上，以三維模型的形式顯示艦船編隊(duì)、飛機(jī)編隊(duì)的實(shí)時(shí)位置和行動(dòng)態(tài)勢(shì)；

（2）具有二維、三維戰(zhàn)場(chǎng)綜合態(tài)勢(shì)聯(lián)動(dòng)顯示功能。利用消息同步機(jī)制，實(shí)現(xiàn)二維、三維態(tài)勢(shì)的同步聯(lián)動(dòng)顯示，利用二維、三維顯示各自的特點(diǎn)顯示戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)；

3.2 自然環(huán)境仿真功能

（1）能夠仿真顯示雨、雪、云、霧等自然天氣狀態(tài)，并根據(jù)時(shí)間進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整；

（2）根據(jù)時(shí)間進(jìn)程，對(duì)黎明、晝間、黃昏和夜間光線變化進(jìn)行仿真顯示；

（3）能夠?qū)Ｑ蟓h(huán)境進(jìn)行仿真顯示，包括海浪的大小、艦船在海面的航跡、船只航行激起的浪花、海水的顏色、海面光線的變化等；

（4）能夠顯示的三維地理環(huán)境包括海洋、平原、山地、島嶼等；

（5）能夠?qū)焿m、爆炸、導(dǎo)彈尾焰等特效進(jìn)行仿真顯示。

4 關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)途徑

4.1 電磁信息融合處理技術(shù)

本系統(tǒng)將利用電磁信息融合處理技術(shù)把來自許多傳感器和信息源的數(shù)據(jù)和信息加以聯(lián)合、相關(guān)和組合，以獲得精確的位置估計(jì)和身份估計(jì)、完整而及時(shí)的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)和威脅分析。

在該系統(tǒng)中，電磁信息融合的最主要目的是將多傳感器和信息源電磁信息進(jìn)行綜合處理，將各傳感器數(shù)據(jù)的時(shí)間信息進(jìn)行統(tǒng)一度量，獲取信號(hào)的時(shí)域、空域、頻域的特征，這包括以下幾個(gè)步驟：

（1）頻域信息整理

將多個(gè)點(diǎn)位的多元傳感器的信息進(jìn)行整理，形成該點(diǎn)位的全頻段的偵察信息；

（2）時(shí)域坐標(biāo)變換

將來自于各傳感器的目標(biāo)數(shù)據(jù)信息統(tǒng)一到同一個(gè)時(shí)間軸上，形成以偵察點(diǎn)位為索引的時(shí)-頻信息；

（3）空域坐標(biāo)變換

將來自于各個(gè)傳感器目標(biāo)數(shù)據(jù)信息變換到同一個(gè)空間坐標(biāo)上。

4.2 云計(jì)算技術(shù)

電磁態(tài)勢(shì)可視化系統(tǒng)電磁態(tài)勢(shì)的解析與計(jì)算需要基于海量的實(shí)時(shí)與歷史電磁感知數(shù)據(jù)，根據(jù)不同的分析目的，采用一套或多套仿真計(jì)算模型或算法，進(jìn)而得出結(jié)論。一方面，電磁環(huán)境復(fù)雜，系統(tǒng)內(nèi)感知設(shè)備、模擬設(shè)備眾多，不同平臺(tái)不同類型的通信體制并存，因此產(chǎn)生的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)規(guī)模龐大。這些數(shù)據(jù)冗余與關(guān)聯(lián)并存，時(shí)序不確定；另一方面，由于戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境要素的增加，相應(yīng)場(chǎng)景也會(huì)有千差萬(wàn)別的分析需求，這些分析與計(jì)算類型不同、涉及數(shù)據(jù)范圍不同、處理流程和協(xié)同關(guān)系復(fù)雜，同時(shí)又需要較高的運(yùn)算速度和精度，應(yīng)采用獨(dú)立化、分布式、并行計(jì)算的方式建立一系列的分析運(yùn)算應(yīng)用單元，靈活部署于運(yùn)算服務(wù)器集群。針對(duì)電子對(duì)抗態(tài)勢(shì)顯示系統(tǒng)大數(shù)據(jù)量計(jì)算與快速分析處理要求，為保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性以及靈活擴(kuò)展，作到上層應(yīng)用軟件與硬件支撐的無(wú)縫結(jié)合，根據(jù)計(jì)算需要，自動(dòng)調(diào)整分配資源集合，本系統(tǒng)基于云計(jì)算模式給出整體的解決途徑。

5 結(jié)束語(yǔ)

電磁態(tài)勢(shì)可視化系統(tǒng)在基礎(chǔ)地理信息顯示、兵力態(tài)勢(shì)顯示、背景電磁環(huán)境顯示的基礎(chǔ)上，結(jié)合輻射源的輻射特性、天線方向圖模型數(shù)據(jù)及電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)信息，通過二維、三維結(jié)合的方式綜合展現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)電磁態(tài)勢(shì)的空域、能域分布，實(shí)時(shí)顯示戰(zhàn)場(chǎng)電磁態(tài)勢(shì)。

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