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（中國人民解放軍戰(zhàn)略支援部隊(duì)航天工程大學(xué) 北京 101416）

1 引言

通過星間、星地鏈路連接在一起的不同軌道、種類的衛(wèi)星、星座及相應(yīng)空中、地面設(shè)施組成天基信息網(wǎng)絡(luò)，對天基信息網(wǎng)絡(luò)的組成要素及其特征進(jìn)行可視化表達(dá)有助于在航天任務(wù)中了解和掌握空間態(tài)勢。

潘忠石等[1]分析了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行環(huán)境、覆蓋和數(shù)據(jù)包傳輸、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)等天基信息可視化要素；李娜娜等[2]設(shè)計(jì)了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可視化方案，其可視化要素包括地球、實(shí)體、網(wǎng)絡(luò)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)圖表。在典型天基信息要素可視化技術(shù)方面，賀歡[3]針對空間環(huán)境可視化技術(shù)進(jìn)行了深入研究，文獻(xiàn)[4]探討了全球地形實(shí)時(shí)繪制技術(shù)，汪榮峰[5]對天基信息節(jié)點(diǎn)的繪制技術(shù)進(jìn)行了研究，劉海洋等[6]研究了空間鏈路的可視化方法，劉立娜等[7]研究了測控范圍及鏈路的可視化方法。此外，在電磁環(huán)境可視化方面的諸多研究成果[8～9]都對天基信息特征可視化具有重要的借鑒意義。

現(xiàn)有研究并未系統(tǒng)梳理天基信息特征可視化需求和手段，尤其是未考慮對抗因素的影響，如美軍太空作戰(zhàn)條令[10]將信息對抗分為削弱、干擾等多個(gè)等級。本文針對航天任務(wù)中指揮控制和對抗的要求，系統(tǒng)分析和總結(jié)需要可視化的信息特征，探討可供選擇的可視化標(biāo)記與視覺通道，并結(jié)合信息傳遞任務(wù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)面向?qū)沟亩嗑S天基信息特征的可視化表達(dá)方法。

2 面向指控與對抗的天基信息可視化需求研究

天基信息是通過天基網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行獲取、處理和傳輸分發(fā)的信息，包括遙感、通信和導(dǎo)航定位等信息。航天任務(wù)指揮控制過程中，使用者關(guān)注信息獲取、處理、存儲和傳遞分發(fā)等任務(wù)的執(zhí)行情況?，F(xiàn)有研究往往以實(shí)體模型或幾何圖元表示網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、以直線圖元表現(xiàn)鏈路，相當(dāng)于僅對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)及鏈路存在性進(jìn)行了可視化表達(dá)；文獻(xiàn)[11]針對傳感器探測過程，對信息傳遞的方向性、頻率等的可視化表達(dá)進(jìn)行了研究。總體而言，對天基信息特征的可視化需求尚無系統(tǒng)梳理與研究。

針對航天任務(wù)指揮控制對信息可視化的需求，定義5種信息任務(wù)，梳理出12種需可視化的信息特征，從而得到天基信息特征可視化需求矩陣，如圖1所示。圖中“√”表示水平方向任務(wù)需對垂直方向特征進(jìn)行可視化，“●”表示僅有較少場合需對該特征進(jìn)行可視化。

圖1 面向指控與對抗的天基信息特征可視化需求矩陣

圖1中，信息獲取表示測繪、氣象、預(yù)警等信息的獲取；信息傳遞表示衛(wèi)星通信、中繼、數(shù)據(jù)回傳、指令上注等；信息分發(fā)表示利用衛(wèi)星進(jìn)行的信息廣播，如導(dǎo)航、氣象信息；信息處理與存儲表示對衛(wèi)星獲取的圖像等信號進(jìn)行的處理和存儲。

信息類型是5種任務(wù)都需可視化的特征，對于信息獲取、處理、存儲，信息類型包括可見光圖像、紅外圖像、多光譜圖像、雷達(dá)圖像、電磁信號等；對于信息傳遞，除上述類型外，還包括通信、中繼等類型；對于信息分發(fā)，信息類型主要包括氣象和導(dǎo)航授時(shí)。

存在性特征表示該任務(wù)是否處于執(zhí)行狀態(tài)，如相機(jī)開機(jī)、鏈路建立等，信息獲取、傳遞和分發(fā)任務(wù)具有該特征；信息方向特征表現(xiàn)信息源和信息流向。

頻率具有兩類含義：一是絕對頻率，如每秒成像次數(shù)等視覺可感知的任務(wù)執(zhí)行頻率；二是相對頻率，指視覺難于感知的任務(wù)執(zhí)行頻率，如較長的信息處理周期頻率（幾小時(shí)，頻率太低）；頻段特征主要用于信息傳輸，表示所使用的電磁信號頻段。

信息容量、數(shù)量、存量、增量都用于反映信息數(shù)量特征：信息容量表示任務(wù)所能容納的信息總量，對于信息存儲任務(wù)，信息容量由其存儲空間確定，對于信息傳遞任務(wù)，是其帶寬和通信路數(shù)的表現(xiàn)；信息數(shù)量表征任務(wù)當(dāng)前占用或獲取的信息數(shù)量，如所用通信路數(shù)、電磁信號源數(shù)量；信息存量和信息增量僅針對信息存儲任務(wù)，表示已有數(shù)據(jù)量和增長中的數(shù)據(jù)量。

信息質(zhì)量作用于信息獲取、處理、傳遞和分發(fā)任務(wù)中：在信息獲取任務(wù)中，信息質(zhì)量表示圖像分辨率、成像質(zhì)量等；在信息處理任務(wù)中，表示信息處理的精度、正確率等；在信息傳遞任務(wù)中，反映誤碼率等的影響；在信息分發(fā)任務(wù)中，表現(xiàn)導(dǎo)航定位精度等。

信息對抗廣泛存在于天基信息獲取、傳遞和分發(fā)任務(wù)中，在星上的信息存儲和處理任務(wù)中少量體現(xiàn)。對抗類型和對抗烈度用于反映任務(wù)中對抗的類型和強(qiáng)度：對抗類型表示電子、微波、GPS干擾等不同類型；對抗烈度主要包括削弱、干擾、摧毀等不同程度，或不同的對抗級別。

3 天基信息特征可視化編碼

可視化編碼是信息可視化的核心內(nèi)容，是將數(shù)據(jù)信息映射成可視化元素的技術(shù)，包括標(biāo)記和用于控制標(biāo)記視覺特征的視覺通道[12]。標(biāo)記一般是點(diǎn)、線、面等幾何圖形元素，是數(shù)據(jù)屬性到可視化元素的映射；視覺通道包括位置、大小、形狀、方向、色調(diào)、飽和度、動(dòng)畫等，是數(shù)據(jù)值到標(biāo)記視覺表現(xiàn)屬性的映射。

針對第2節(jié)提出的12種天基信息特征，設(shè)計(jì)可用于對其進(jìn)行可視化表達(dá)的標(biāo)記和視覺通道，如圖2所示，前6種為標(biāo)記，后8種為視覺通道。圖中“√”表示可用該列標(biāo)記（或視覺通道）來表達(dá)該行的天基信息特征。

文字可支持所有天基信息特征的可視化。文字有3種典型的應(yīng)用模式：一是與地理位置無關(guān)的獨(dú)立特征表達(dá)，如在場景中開小窗表示信息特征的參數(shù)，或統(tǒng)計(jì)圖表形式；二是伴隨表達(dá)，附著在信息節(jié)點(diǎn)、鏈路上，或伴隨信息獲取、處理、分發(fā)等任務(wù)的關(guān)鍵空間位置顯示信息；三是作為幾何圖形的特殊紋理。

圖2 天基信息特征可視化編碼映射矩陣

廣義上直線屬于幾何形狀的一種，在天基信息特征可視化中，直線主要用于表現(xiàn)信息傳遞：通過信息節(jié)點(diǎn)之間直線的有無表達(dá)空間鏈路的存在性，在直線上加繪箭頭表示信息傳遞的方向性。

幾何形狀有3種運(yùn)用方式：一是由載荷作用機(jī)理所確定的形狀，如測繪信息獲取以及氣象信息分發(fā)，采用簡單圓錐、復(fù)雜圓錐、矩形等形狀表示，此時(shí)形狀是對信息類型和存在性的可視化表達(dá)；二是通過不同的形狀表達(dá)信息容量和數(shù)量特征中的帶寬、路數(shù)等；三是通過柱形、扇形等對信息容量、數(shù)量、增量、存量等數(shù)量特征進(jìn)行可視化表達(dá)。

幾何生消和幾何擾動(dòng)都屬于動(dòng)畫，但導(dǎo)致幾何形狀的改變，因此歸類為標(biāo)記而非視覺通道。幾何生消指通過幾何對象的產(chǎn)生、生長和消失來表現(xiàn)信息特征的存在性，也可表達(dá)頻率，但以此技術(shù)表達(dá)頻率計(jì)算量大、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜；幾何擾動(dòng)是按一定規(guī)律、尺度改變幾何形狀，表現(xiàn)任務(wù)受到干擾的視覺效果。

統(tǒng)計(jì)圖表指用各種數(shù)據(jù)可視化圖形、表格對信息特征的數(shù)量特征進(jìn)行可視化表達(dá)，令使用者接收到更多視覺信息。

顏色、紋理、圖型、寬度均代表典型的視覺通道：顏色既可作為一個(gè)整體，也可分別應(yīng)用色調(diào)、亮度、飽和度等特征；圖型有兩個(gè)含義，直線的線型和面狀幾何圖形的填充模式；寬度也有兩個(gè)含義，對于直線是線寬，對于由線衍生的平面圖形則是圖形寬度；紋理與其他3個(gè)特征的不同之處在于紋理可通過重復(fù)配置表達(dá)頻率特征。上述四視覺通道均具有明顯的區(qū)分度（寬度的區(qū)分度相對弱、應(yīng)用面窄），可作用于幾何圖形，表現(xiàn)信息特征的不同值，如通過顏色、圖型表示信息類型；同時(shí)使用兩個(gè)顏色或紋理，可表示信息的方向。

透明度在天基信息特征可視化中具有非常關(guān)鍵的作用，在表現(xiàn)信息獲取、分發(fā)的形狀時(shí)廣泛采用，但透明度本身區(qū)分度并不高，所以一般不獨(dú)立表達(dá)信息特征。

動(dòng)態(tài)顏色、動(dòng)態(tài)紋理、動(dòng)態(tài)文字是3個(gè)動(dòng)態(tài)特征，通過顏色、紋理、文字等動(dòng)態(tài)的、周期或非周期的變化，對頻率、對抗等進(jìn)行可視化表達(dá)。從技術(shù)角度看，動(dòng)態(tài)文字也通過紋理實(shí)現(xiàn)，動(dòng)態(tài)顏色往往表現(xiàn)為色調(diào)或亮度的連續(xù)變化。

4 面向?qū)沟亩嗑S天基信息特征可視化實(shí)例

選擇信息傳遞任務(wù)，基于OSG（OpenScene-Graph）開源引擎進(jìn)行面向?qū)沟奶旎畔⑻卣骺梢暬瘜?shí)踐。

由圖1可知，信息傳遞任務(wù)需可視化的信息特征多達(dá)10個(gè)，從中選擇信息類型、存在性、信息方向、頻率、對抗烈度5個(gè)信息特征進(jìn)行可視化：選擇幾何形狀作為標(biāo)記，以其存在與否表現(xiàn)信息傳遞的存在性；以文字作為紋理，通過紋理流動(dòng)表現(xiàn)信息方向，通過文字內(nèi)容表達(dá)信息類型；通過幾何形狀的擾動(dòng)表現(xiàn)對抗烈度。

首先生成字符串紋理數(shù)據(jù)，方法為：根據(jù)鏈路顯示需求，生成對應(yīng)字符串，采用由0、1組成的隨機(jī)串表示；獲得字形數(shù)據(jù)osgText：：Glyph，繪制到圖像osg：：Image中；圖像綁定到紋理對象osg：：Texture2D。

圖3 信息傳遞可視化幾何數(shù)據(jù)生成

然后生成可視化所需幾何數(shù)據(jù)，方法如圖3所示，信息傳遞起點(diǎn)為A，終點(diǎn)為B，視點(diǎn)為E，視線矢量方向?yàn)閑，起點(diǎn)到終點(diǎn)矢量d，矢量e與d的矢量積為v，由于該矢量同時(shí)垂直于視線方向和空間鏈路方向，因此作為確定幾何數(shù)據(jù)平面的依據(jù)，據(jù)此生成幾何數(shù)據(jù)離散點(diǎn)：

其中n為離散個(gè)數(shù)，w0和w1為起點(diǎn)和終點(diǎn)對應(yīng)寬度；?i為擾動(dòng)函數(shù)，為計(jì)算結(jié)果加入周期性的偏移，產(chǎn)生被干擾效果，通過控制擾動(dòng)幅度表現(xiàn)對抗烈度。得到的Pi為對稱2點(diǎn)，構(gòu)成四邊形帶圖元進(jìn)行繪制。

為表現(xiàn)信息方向和頻率，文字需由起點(diǎn)向終點(diǎn)移動(dòng)，同時(shí)文字不能產(chǎn)生變形，因此必須正確計(jì)算頂點(diǎn)紋理坐標(biāo)并隨時(shí)間動(dòng)態(tài)調(diào)整：首先根據(jù)幾何體投影到屏幕的像素?cái)?shù)、紋理圖像的長寬比確定紋理坐標(biāo)u分量的范圍；頂點(diǎn)紋理坐標(biāo)v值保持不變，固定為0和1；紋理坐標(biāo)u值隨時(shí)間調(diào)整，通過該值隨時(shí)間的改變實(shí)現(xiàn)文字流動(dòng)效果，以計(jì)數(shù)器控制紋理坐標(biāo)調(diào)整的快慢來表達(dá)頻率特征。

上述技術(shù)實(shí)現(xiàn)效果如圖4（a）所示。

圖4 面向?qū)沟男畔鬟f可視化效果

為表現(xiàn)信息對抗的更強(qiáng)烈度，采用多重紋理技術(shù)：以具有斷裂效果的圖像（僅使用Alpha分量）作為紋理，疊加在文字紋理之上，同時(shí)進(jìn)行幾何擾動(dòng)，效果如圖4（b）所示。

根據(jù)需要，可進(jìn)一步支持其他5個(gè)信息特征的可視化表達(dá)：文字內(nèi)容中加入頻段信息；以幾何形狀的寬度表示信息數(shù)量/容量；文字顏色表示對抗類型；文字加噪聲表示信息質(zhì)量。

5 結(jié)語

本文提出的天基信息特征可視化需求、設(shè)計(jì)的可視化編碼體系以及研究的面向?qū)沟目臻g鏈路可視化關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)一步豐富了空間態(tài)勢可視化形式，有助于使用者了解和掌握空間態(tài)勢。

本文針對信息域進(jìn)行研究，天基信息可視化物理域要素，如實(shí)體、地球等可采用已有成熟技術(shù)和表現(xiàn)形式。此外，本文討論的信息特征本身均具有空間位置屬性，與空間位置無關(guān)的信息屬性、信息參數(shù)可采用圖形、表格等方式進(jìn)行可視化表達(dá)，以其作為多視圖中的其他視圖，共同表現(xiàn)天基信息特征。