復(fù)雜陣地態(tài)勢可視化關(guān)鍵技術(shù)研究*

申良強(qiáng)，劉 健，任 煜，杜慧琦，于佳杰

（北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所，太原030006）

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信、圖形圖像等技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)今作戰(zhàn)訓(xùn)練和戰(zhàn)時(shí)指揮，態(tài)勢可視化由軍事地圖或沙盤模型已經(jīng)過渡到目前的二維數(shù)字地圖圖上作業(yè)，同時(shí)態(tài)勢圖上的戰(zhàn)場變化實(shí)時(shí)表現(xiàn)，極大地提高了作戰(zhàn)員的指揮水平。但二維態(tài)勢重點(diǎn)表現(xiàn)整個(gè)戰(zhàn)場形勢的全局變化情況，也存在很大的局限性，比如武器部署問題，目前武器部署規(guī)劃研究大都基于二維平面GIS圖，比較適用于平原、地勢平坦無遮擋等情形，而在復(fù)雜的地理環(huán)境中（尤其山溝），由于存在碰撞等問題導(dǎo)致的探測威力覆蓋、攔截威力覆蓋、射界等出現(xiàn)急劇變化，導(dǎo)致部署武器復(fù)雜化，無法用傳統(tǒng)的方法實(shí)施武器部署；還有大量的多維空間信息無法得到利用［1］、地形的坡度分析以及基于抽象符號的態(tài)勢不能給人以自然界的本原感受等問題［2］。因此，在應(yīng)用需求的強(qiáng)烈推動(dòng)下（核心陣地地形的復(fù)雜性與防御的重要性），需要構(gòu)建“真實(shí)”（航拍，渲染，貼圖等）的三維態(tài)勢（與二維態(tài)勢聯(lián)動(dòng)），提供多視點(diǎn)、多視向、多視界、多視態(tài)的三維態(tài)勢可視化，準(zhǔn)確顯示戰(zhàn)場環(huán)境、氣象環(huán)境、電磁環(huán)境、部署位置、武器實(shí)時(shí)狀態(tài)、威力范圍，實(shí)時(shí)顯示空中目標(biāo)及屬性等，具有逼真的地理信息和完整的信息分析功能，來極大豐富空間環(huán)境表現(xiàn)，為提升空間環(huán)境感知能力提供支撐。

1 總體設(shè)計(jì)

固定核心陣地防范系統(tǒng)與傳統(tǒng)野戰(zhàn)防空不同，探測攔截的作戰(zhàn)區(qū)域是一定的，攔截武器裝備也是固定部署在陣地使用，采用光纖組網(wǎng)（傳輸速度快，抗干擾性強(qiáng)等），實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的互聯(lián)互通，二三維態(tài)勢展現(xiàn)通過實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)庫信息，實(shí)現(xiàn)態(tài)勢信息的一致性，流程圖見圖1，示意圖見圖2。

圖1 二三維態(tài)勢可視化流程圖

圖2 二三維態(tài)勢可視化實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)示意圖

核心陣地通過采集探測告警信息，進(jìn)行信息處理與融合，威脅度評估計(jì)算，基于態(tài)勢圖的目標(biāo)分配，實(shí)現(xiàn)對配屬的攔截武器實(shí)施綜合火力指揮與打擊控制功能，完成全天時(shí)監(jiān)視告警、分類識別、威脅判斷、協(xié)同攔截。

2 二維態(tài)勢可視化

二維態(tài)勢可視化基于全軍通用軍事地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)平臺來開發(fā)，通過初始化圖形系統(tǒng)，創(chuàng)建一個(gè)圖形顯示工作站接口對象；打開圖形顯示工作站，獲取圖形顯示工作站ID，初始化標(biāo)繪動(dòng)態(tài)連接庫；設(shè)置地圖背景，獲取地圖接口指針、地圖顯示控制接口指針、選擇的地圖圖層數(shù)、選擇的地圖圖層名稱；設(shè)置地圖類型、地圖比例尺、地圖名稱或map文件全路徑名；確定要打開地圖的地圖類型、比例尺、地理范圍和圖層信息；設(shè)置動(dòng)目標(biāo)的大小、展開方式、顯示批號、軌跡單位和長度；根據(jù)三維態(tài)勢部署的我軍裝備，通過讀取數(shù)據(jù)庫信息同步到二維態(tài)勢圖上（可顯示探測范圍和火力范圍）；根據(jù)融合處理的信息展現(xiàn)戰(zhàn)場態(tài)勢；地圖重畫刷新等。二維態(tài)勢以軍標(biāo)形式顯示實(shí)體，在二維地圖上顯示戰(zhàn)場環(huán)境、部署位置、武器實(shí)時(shí)狀態(tài)、威力范圍，空中目標(biāo)、運(yùn)動(dòng)軌跡及屬性等?？赏ㄟ^放大、縮小、漫游等方式操控地圖，二維態(tài)勢可視化示意圖如圖3所示。

圖3 二維態(tài)勢可視化示意圖

二維表達(dá)和可視化手段已經(jīng)比較成熟［3］，在指揮控制實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)非常廣泛，具體細(xì)節(jié)在此不再贅述，下面針對三維態(tài)勢重點(diǎn)進(jìn)行闡述。

3 三維態(tài)勢

三維視景選用Virspace平臺，可以利用衛(wèi)星圖、航拍照片圖、高程數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)，生成地形，進(jìn)行圖形圖像、特效的渲染和仿真，創(chuàng)新性的支持點(diǎn)云技術(shù)，能夠加載點(diǎn)云數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)快速構(gòu)建地形地貌。以虛擬戰(zhàn)場的數(shù)據(jù)組織與調(diào)度為中心，采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)通信、圖形圖像等技術(shù)，模擬高度逼真的地理環(huán)境、氣象環(huán)境、作戰(zhàn)實(shí)體的外部特征，以及武器發(fā)射的特殊效果，并能夠精確地輸出目標(biāo)方位、速度等數(shù)據(jù)。

核心陣地三維視景主要負(fù)責(zé)陣地裝備輔助部署，三維虛擬環(huán)境的構(gòu)建和渲染，裝備與目標(biāo)實(shí)體建模，對象管理，視點(diǎn)控制，聲音仿真等。

3.1 輔助部署

以三維可視化方式輔助完成陣地部署作業(yè)，為陣地直觀地部署探測設(shè)備和各類武器提供可視化輔助顯示，通過分布式布局，可以對探測設(shè)備和各類武器的部署進(jìn)行人工調(diào)整，合理配系，以最小的資源實(shí)現(xiàn)無盲區(qū)探測和攔截（火力圈，探測圈、交疊區(qū)顏色等進(jìn)行光電探測威力覆蓋檢查，攔截威力覆蓋檢查，射界沖突檢測），示意圖如下頁圖4所示。

圖4 裝備部署界面效果圖

3.2 裝備與目標(biāo)建模

根據(jù)實(shí)體的實(shí)際尺寸和照片對實(shí)體進(jìn)行建模模擬，以逼真地反映實(shí)體的外觀特性。對設(shè)備、武器裝備和目標(biāo)進(jìn)行建模與仿真，包括動(dòng)力學(xué)、探測距離、火力范圍、光學(xué)與電磁特性等性能的仿真，對于探測到的未識別的飛行目標(biāo)，統(tǒng)一創(chuàng)建為未知飛行實(shí)體，實(shí)體效果示意圖如圖5所示。

圖5 實(shí)體模型效果示意圖

3.3 虛擬環(huán)境

包括氣象與地理，以及電磁環(huán)境等效果模擬，之間的關(guān)系如圖6所示，虛擬地理環(huán)境是構(gòu)建整個(gè)虛擬戰(zhàn)場環(huán)境的基礎(chǔ)，虛擬氣象環(huán)境和虛擬電磁環(huán)境依托虛擬地理環(huán)境發(fā)生作用。

圖6 虛擬戰(zhàn)場環(huán)境之間的關(guān)系

虛擬地理環(huán)境主要包括地形、二維實(shí)體、三維實(shí)體，氣象環(huán)境影響地理環(huán)境，雨雪天、晴天和霧霾對探測裝備有影響；氣象環(huán)境限制著電磁波的傳遞效果與干擾，地理環(huán)境影響電子設(shè)施的分布，對電磁環(huán)境影響很大。

重點(diǎn)區(qū)域?qū)χ脖?、建筑和水文進(jìn)行獨(dú)立建模，逼真的展示仿真區(qū)域地形地貌，地理環(huán)境和水文模擬效果，示意圖如圖7所示。

虛擬氣象模擬用來構(gòu)建核心陣地的復(fù)雜氣象環(huán)境，主要構(gòu)建陰晴、氣溫、風(fēng)、雨、雪、霧等常見的且具有重要影響的天氣現(xiàn)象，其組成如圖8所示。

使用動(dòng)態(tài)光照技術(shù)，對不同時(shí)刻的氣象環(huán)境效果進(jìn)行模擬，如圖9所示；使用粒子系統(tǒng)對環(huán)境中的片云以及體積云效果進(jìn)行模擬，云密度、高度和云密度根據(jù)需要可以進(jìn)行調(diào)節(jié)；使用粒子系統(tǒng)來模擬環(huán)境中的雨、雪效果，使用渲染引擎中的粒子系統(tǒng)，將雨、雪效果處理成粒子特效；使用GPU編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)霧（霾）的效果，物體受到的霧化濃度和物體與視點(diǎn)之間的距離成正比關(guān)系，通過在GPU渲染階段逐像素檢測每個(gè)像素點(diǎn)距離視點(diǎn)的距離，結(jié)合霧化公式，實(shí)現(xiàn)全場景霧化效果，霧效果也可以用來模擬能見度。

圖7 地形地貌和水文效果示意圖

圖8 虛擬氣象模擬模塊組成圖

圖9 虛擬氣象效果示意圖

虛擬電磁環(huán)境主要仿真對核心陣地的探測攔截裝備效能有影響的電磁環(huán)境，具有對短波、超短波、微波波段、光學(xué)波段等設(shè)備的電磁干擾和對抗可視化功能。

3.4 對象管理模塊

為實(shí)體對象的維護(hù)者，提供三維模型對象的創(chuàng)建、查找、銷毀等接口。當(dāng)從控制臺仿真節(jié)點(diǎn)或者人機(jī)接口得到創(chuàng)建的實(shí)體類型、名稱指令后，對象管理器將創(chuàng)建一個(gè)實(shí)例化的實(shí)體對象，并在對象管理器中注冊，同時(shí)根據(jù)對象的類型為實(shí)體裝配組件，如為導(dǎo)彈、飛機(jī)加上尾跡特效。

3.5 視點(diǎn)控制模塊

提供多種觀察模式（多視點(diǎn)、多視向、多視界、多視態(tài)）來控制視點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)三維戰(zhàn)場環(huán)境中任意視點(diǎn)和視角的三維顯示。提供目標(biāo)跟蹤、自由視角和全景顯示3種控制方式。通常采用目標(biāo)跟蹤顯示方式，即通過實(shí)時(shí)目標(biāo)數(shù)據(jù)或?qū)Ｓ貌倏劓I盤來靈活驅(qū)動(dòng)控制場景的變化。

3.6 聲音仿真

聲音仿真通過專業(yè)的引擎OpenAL來實(shí)現(xiàn)，主要的功能是在來源物體、音效緩沖和收聽者中編碼；來源物體包含一個(gè)指向緩沖區(qū)的指標(biāo)、聲音的強(qiáng)度、位置及全部聲音的整體增益。仿真的戰(zhàn)場聲源包括報(bào)警器聲、開火聲音、爆炸聲音、下雨聲音、風(fēng)的聲音等。

核心陣地三維視景可以更好地輔助指揮員完成陣地部署作業(yè)，三維態(tài)勢在真實(shí)的三維空間中顯示出具有物理景深的三維立體圖像，以提供立體視覺效果，高度逼真地模擬現(xiàn)實(shí)中的各類場景、聲效和行為，真實(shí)地顯示現(xiàn)實(shí)環(huán)境，作為核心陣地重要的顯示平臺，極大地豐富了空間環(huán)境的表現(xiàn)，為作戰(zhàn)指揮員提供形象、逼真、可度量、可分析的戰(zhàn)場環(huán)境，提升了核心陣地作戰(zhàn)指揮員的空間環(huán)境感知能力，與二維態(tài)勢結(jié)合使用大大提升作戰(zhàn)效率。

4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

針對核心陣地構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫，要遵循一體化標(biāo)準(zhǔn)，提供系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)，主要包括作戰(zhàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫（我情庫）、情報(bào)綜合數(shù)據(jù)庫（敵情庫）和戰(zhàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)庫（環(huán)境庫），如圖10所示，二三維態(tài)勢聯(lián)動(dòng)依托實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)庫獲取信息，結(jié)合時(shí)間戳在各自的態(tài)勢圖上完成態(tài)勢聯(lián)動(dòng)并進(jìn)行不同模式的態(tài)勢展現(xiàn)。

圖10 數(shù)據(jù)庫組成圖

4.1 作戰(zhàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫

根據(jù)作戰(zhàn)使用需求進(jìn)行必要的擴(kuò)充和細(xì)化，建立以作戰(zhàn)力量、武器裝備和物資器材為主要內(nèi)容的核心陣地作戰(zhàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與更新，為指揮所和作戰(zhàn)單元提供我情數(shù)據(jù)共享支持。核心陣地作戰(zhàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的主要內(nèi)容。

1）作戰(zhàn)力量：包括陣地探測設(shè)備、武器裝備情況、物資器材等情況。2）指揮控制：包括作戰(zhàn)方案（計(jì)劃）、指定搜索區(qū)域等基本情況。3）空情信息：包括陣地航空管制等基本情況。4）綜合保障：包括后勤和裝備保障體系，給養(yǎng)、物資、裝備技術(shù)保障等基本情況。5）文書庫：包括擬制各種類型文書所需的模板庫、擬制的文書及文書收發(fā)管理的信息。6）部署及狀態(tài)數(shù)據(jù)庫：描述核心陣地作戰(zhàn)力量的部署、行為及狀態(tài)信息。7）戰(zhàn)損/戰(zhàn)果數(shù)據(jù)庫：描述防范作戰(zhàn)過程中物資消耗情況及擊傷、擊斃、擊毀繳獲目標(biāo)等情況。8）實(shí)時(shí)空情數(shù)據(jù)庫：描述空情活動(dòng)信息，包括運(yùn)動(dòng)軌跡和預(yù)測軌跡數(shù)據(jù)等。

4.2 情報(bào)綜合數(shù)據(jù)庫

根據(jù)作戰(zhàn)使用需求進(jìn)行必要的細(xì)化和擴(kuò)充，制定核心陣地情報(bào)綜合數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)以探測告警、動(dòng)向情報(bào)、態(tài)勢情報(bào)、威脅目標(biāo)、作戰(zhàn)預(yù)案為主要內(nèi)容的情報(bào)綜合數(shù)據(jù)庫。核心陣地情報(bào)綜合數(shù)據(jù)庫的主要內(nèi)容：1）探測告警：描述探測的威脅目標(biāo)屬性信息。2）動(dòng)向情報(bào)：描述當(dāng)前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)軌跡和預(yù)測未來軌跡。3）戰(zhàn)場態(tài)勢：以情報(bào)動(dòng)態(tài)和實(shí)時(shí)目標(biāo)融合結(jié)果為主線，描述目標(biāo)涉及到的情報(bào)動(dòng)態(tài)、目標(biāo)的性能參數(shù)等情況。

4.3 戰(zhàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)庫

戰(zhàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)庫的主要內(nèi)容包括：軍事地理、氣象水文、電磁環(huán)境等基本情況。

5 結(jié)論

態(tài)勢可視化在未來作戰(zhàn)指揮自動(dòng)化系統(tǒng)和軍事訓(xùn)練模擬系統(tǒng)中扮演著重要角色［4］，可以準(zhǔn)確實(shí)時(shí)表現(xiàn)核心陣地態(tài)勢信息，充分發(fā)揮作戰(zhàn)指揮員的視覺來獲取防范信息。二維態(tài)勢與三維態(tài)勢實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)的態(tài)勢可視化技術(shù)，集抽象、具體為一體，從不同角度、不同層面上描繪同一防范陣地空間信息，既有效解決了復(fù)雜地形武器部署的難題，又很好地把握了態(tài)勢全局和空間環(huán)境感知等，為核心陣地作戰(zhàn)指揮員提供了更靈活的使用方式和更完善、更逼真的信息展現(xiàn)，從而大大提升作戰(zhàn)效率。