海戰場空間態勢模擬系統設計?

李海燕 王 娟 毛 杰

（海軍指揮學院 南京 210016）

1 引言

空間戰場是未來海戰場的重要組成部分，空間信息支援以其無可比擬的位置優勢、技術優勢和能量優勢，已成為信息化海戰制勝的重要保障［1～3］。指揮員只有充分掌握我空間信息支援能力和敵空間作戰威脅情況，才能做到“知己知彼，百戰不殆”。建設海戰場空間態勢模擬系統，是利用空間信息支援力量提高海軍體系作戰能力的重要途徑。海戰場空間態勢模擬系統旨在通過展現對海戰場進行偵察、預警、導航、通信等信息支援的衛星平臺，為指揮員提供直觀形象的二維、三維空間態勢顯示以及相關分析和服務的能力。

2 海戰場空間態勢模擬系統功能

空間態勢主要包括空間目標和空間環境兩個方面，其中空間目標包括各類航天器和空間碎片；空間環境是指空間中各種自然和人造的物質及其變化，包括中性大氣、等離子體、電磁場和粒子等。海軍作戰主要考慮的是如何利用空間信息支援力量，即各種類別的衛星平臺，保障海軍兵力部署及其作戰行動，從而提升海軍部隊的體系作戰能力。因此，海戰場空間態勢模擬系統側重于對海戰場參戰兵力及其作戰行動產生影響的衛星平臺進行模擬［4～7］。

電子偵察衛星主要通過監測對方雷達信號和電磁信息，為實施有效的電子戰提供重要情報保障；海洋監視衛星主要用于對海上艦船和潛艇進行實時的偵測定位和跟蹤監視；預警衛星主要用于監視和發現作戰海域及周邊可能發射的各類彈道導彈和巡航導彈，并提前發出警報；導航定位衛星主要是幫助確定導航位置和精確授時；氣象衛星主要利用空間遙感技術，為海上作戰提供可靠的氣象預報和戰場環境信息保障；通信衛星主要負責為各級指揮機構提供重要通信保障等。這些衛星都是打贏現代海戰必不可少的重要手段。因此，海戰場空間態勢模擬系統的模擬對象包括電子偵察衛星、海洋監視衛星、預警衛星、導航定位衛星、氣象衛星、通信衛星等多種類別的各國在軌運行衛星。

海戰場空間態勢模擬系統是整個海軍作戰模擬系統的重要組成部分。它是通過對空間衛星平臺的模擬，為受訓人員提供一個逼真的海戰場空間態勢分析訓練環境。在功能需求上，以提高海軍部隊指揮人員對海戰場空間態勢掌控能力為目的，著重解決指揮人員對空間目標情況、空間態勢信息對海戰的支持以及對敵方空間威脅認識不足、不清的問題，同時幫助指揮參謀人員了解空間力量對海上作戰信息支援的流程與方法［8～10］。

系統建設從信息化海戰對空間態勢的需求出發，綜合采用計算機模擬技術、數據庫技術、可視化技術等先進手段，構建一個空間信息支援條件下的海軍作戰環境。通過建設衛星平臺數據庫和衛星平臺一系列仿真模型，模擬出空間衛星在軌運行的狀態和作戰支援能力，實時生成海戰場空間態勢，為指揮人員提供一個貼近實戰的直觀、全面的海戰場空間態勢，同時能夠進行空間態勢的分析與評估，并用可視化的方式將分析結果以二、三維態勢和表頁形式顯示出來。主要功能如下:

1）為指揮人員展現海戰場空間態勢

通過對衛星平臺運行軌道的計算與仿真［11～12］，可以清晰地將不被人眼直接察覺的空間態勢呈現出來，支持二維、三維場景形式，為指揮人員提供直觀的空間全局展示，幫助他們感知衛星平臺在空間的分布與運動。

2）輔助指揮人員進行衛星作戰能力分析

通過衛星探測覆蓋模型、鏈路通信模型和衛星平臺數據庫的建立［13～15］，可以方便地進行衛星屬性參數的查詢，衛星過頂時間、覆蓋能力和通信能力的查詢與分析，支持分析結果可視化顯示與分析報告按需定制，便于指揮人員全面掌握空間態勢。

3）支持空間態勢的導調干預

根據導調或其它系統對空間態勢的需要，允許在當前空間態勢的基礎上增刪衛星平臺的類型和數量，便于指揮人員觀察空間態勢的變化情況，允許對衛星運行情況進行仿真回放。

3 海戰場空間態勢模擬系統組成

海戰場空間態勢模擬系統主要由衛星平臺數據庫、衛星平臺仿真模型、空間態勢顯示、空間態勢分析和想定數據管理等五個模塊組成，如圖1所示。

圖1 海戰場空間態勢模擬系統組成結構圖

3.1 衛星平臺數據庫

衛星平臺數據庫主要是提供面向對我海戰場有影響的各國在軌衛星的基本信息、軌道參數、配載裝備等數據。

1）衛星裝備數據

衛星裝備數據主要包括衛星名稱、類型、國籍、配載裝備等性能參數。

2）衛星軌道數據

衛星軌道數據主要包括衛星星歷數據即軌道根數等數據。

3.2 衛星平臺仿真模型

衛星平臺仿真模型主要包括衛星軌道機動模型、衛星探測覆蓋模型和衛星鏈路通信模型等，分別用于對空間衛星平臺的飛行、覆蓋和鏈路情況進行仿真計算，為海戰場空間態勢的顯示與分析提供模型支撐。

1）衛星軌道機動模型

負責根據衛星軌道根數實時計算衛星的位置，主要包括坐標系轉換、衛星飛行軌跡計算模型、星下點軌跡計算模型等。

2）衛星探測覆蓋模型

負責根據衛星裝備性能參數和運行姿態計算衛星對海戰場的偵察覆蓋范圍，主要包括衛星區域覆蓋計算模型、衛星對給定地面/海上區域的覆蓋時段計算模型、最早覆蓋時間和重訪周期計算模型等。

3）衛星鏈路通信模型

負責在衛星平臺之間以及衛星與其他作戰平臺之間建立通信或者數據傳輸路徑，計算對象之間鏈路連通情況，主要包括衛星鏈路連通計算模型、衛星對給定地面/海上/空中目標或其他衛星平臺的連通時段計算模型等。

海戰場空間態勢面向對海上作戰有影響的衛星平臺，并未涵蓋整個空間環境，這樣既可以突出重點聚焦衛星平臺的建模仿真，又可以有效控制系統的開發工作量。在系統功能定位的基礎上，重點建設空間衛星平臺，描述其在情報信息、指揮信息、打擊信息、保障信息和評估信息等方面的有關功能與流程，營造貼近實戰的虛擬訓練環境，為空間信息支援保障、空間威脅與對抗等分析訓練內容提供技術支撐。

3.3 空間態勢顯示

空間態勢顯示用于顯示對海上作戰區域有影響的空間態勢，主要從衛星飛行軌道、覆蓋范圍、鏈路關系以及衛星實體信息等方面對空間態勢進行顯示，具體有二維、三維和表頁等多種表現形式。

1）衛星飛行軌道實時顯示

根據衛星軌道機動模型實時解算出來的空間位置和星下點位置，在二維、三維場景中顯示衛星的飛行軌跡、星下點軌跡等信息，并動態顯示飛行位置、速度和加速度等參數。

2）衛星覆蓋范圍實時顯示

根據衛星覆蓋模型給出的對指定作戰區域覆蓋的開始/結束時間、覆蓋率等計算結果，在二維、三維場景中實時顯示出區域覆蓋隨時間的變化情況。

3）衛星鏈路關系實時顯示

根據衛星覆蓋模型給出的對指定目標鏈路連接的開始/結束時間、方位/距離等計算結果，在二維、三維場景中實時顯示出目標鏈路隨時間的變化情況。

4）衛星實體信息顯示

對衛星平臺數據庫中衛星裝備性能參數、軌道機動參數等戰術技術參數、覆蓋能力、通信狀態等進行查詢顯示。

空間態勢顯示是受訓人員深刻感知空間態勢的有效手段，系統通過指揮關系線、信息關系線、衛星覆蓋包絡、衛星過頂星下點等不同的顯示手段，為受訓人員呈現一個貼近實戰的空間態勢。后期與其他訓練模擬系統對接，可以為受訓人員提供多角度、全方位的海戰場綜合態勢，既包括海上戰場態勢，又包括對當前海域有影響的空間態勢。

3.4 空間態勢分析

系統主要提供三種空間環境分析功能，包括衛星分布分析、衛星覆蓋分析、衛星鏈路分析等。支持空間態勢分析報告的生成和圖表顯示，允許用戶定制報告的對象、內容和格式等，以Word、Excel文件格式或JPG圖片格式輸出。

1）衛星分布分析

根據想定數據或從戰場獲取的實時數據信息，提供衛星平臺的整體分布情況，生成海戰場空間態勢圖，即某時刻衛星的空間分布與運行態勢。支持按國籍、類型、屬方等不同屬性對衛星分布進行統計，計算每種分類衛星平臺的具體數量和所占比重等。

2）衛星覆蓋分析

主要提供海戰場空間衛星平臺的覆蓋分析能力，尤其是為海戰場提供空間信息支援的偵察衛星的探測覆蓋情況，允許用戶自定義感興趣的區域、觀測站點、時間段等分析要素。

3）衛星鏈路分析

主要提供海戰場空間衛星平臺的鏈路分析能力，即衛星與其他通信設施（如地面通信站、艦載/機載通信裝備等）建立通信或者數據傳輸路徑的情況，允許用戶自定義關注的通信網絡、通信節點、時間段等分析要素。

空間態勢分析是為海上作戰指揮訓練服務的，空間態勢與海上戰場態勢實時聯動起來，實現空間態勢與海戰態勢的無縫集成，將使受訓人員感受到比以往陸、海、空作戰范圍更大的戰場態勢。因此，空間態勢分析著重從空間力量與其他作戰兵力在指揮控制、信息流程等方面考慮衛星的探測、通信能力，并在模型設計和態勢顯示中充分體現這種關聯，從而生成空間態勢與海戰態勢相結合的完整海戰場綜合態勢。

3.5 想定數據管理

想定數據管理主要負責海戰場空間態勢模擬所需的想定編輯和數據管理。

1）想定編輯

想定編輯主要負責管理衛星平臺列表以及觀測站點列表兩部分，為衛星軌道機動仿真和空間態勢分析提供空間態勢想定。

2）數據管理

數據管理主要是對衛星平臺數據庫進行管理和維護，用于增加、修改和刪除衛星平臺裝備數據和軌道數據。

想定和數據是串聯衛星平臺仿真、顯示和分析的手段。系統構建衛星星歷數據導入數據庫的接口，定期更新維護衛星平臺數據庫，保持在軌衛星數據的可靠性和保鮮性。

4 海戰場空間態勢模擬系統體系結構

在體系結構上，海戰場空間態勢模擬系統采取層次化、開放式的“平臺+組件”方法，包括資源層、平臺層、組件層和應用層，如圖2所示。資源層包括硬件資源和軟件資源（如衛星平臺數據庫等），為整個模擬系統的開發、集成和應用提供底層支撐。平臺層提供模擬系統的技術框架，主要實現二維、三維態勢顯示、組件管理等功能，并支持標準規范的數據訪問和網絡通信接口。組件層是模擬系統的功能核心，包括模型計算組件、態勢顯示組件、態勢分析組件以及管理組件等，負責系統功能模塊的具體實現。應用層包括呈現給用戶的不同場景下的功能應用，如空間態勢二維顯示、三維顯示，空間態勢分析、信息查詢等。組件化的設計有利于空間態勢模擬系統與其他基于平臺開發的訓練模擬系統進行集成，從而實現互聯互通。

5 海戰場空間態勢模擬系統服務模式

海戰場空間態勢模擬系統提供三個層次的服務模式:系統級服務、組件級服務和數據級服務。

系統級服務，是指海戰場空間態勢模擬系統獨立運行，直接參與與海戰場空間態勢分析相關的教學訓練活動。系統級服務側重于滿足對空間態勢理解與掌握的專門訓練，可以幫助受訓人員靈活運用空間態勢顯示與分析功能，快速了解各國的空間態勢分布，及時發現敵我空間力量分布的優勢與不足，有助于增強指揮參謀人員的空間戰場意識，為本方空間力量的建設和使用提出建議和意見，提高對空間態勢的運用能力。

組件級服務，是指將海戰場空間態勢模擬系統的功能組件集成在海軍作戰模擬系統中，與原有的海軍作戰兵力兵器模擬相結合。組件級服務不僅要提供空間態勢顯示與分析功能，更要體現出空間態勢對戰場感知、信息對抗、指揮控制、兵力運用、精確打擊和全維防護等信息化條件下海上作戰的關鍵環節和過程產生的影響和作用，以克服傳統海軍作戰模擬系統對空間戰場環境構建的不足。這樣，指揮參謀人員能在更近似實戰的環境中開展指揮對抗演練，更為直觀形象地理解空間態勢對信息化條件下海上作戰的影響，在今后的軍事活動中能夠揚長避短，優化兵力編組和精準指揮，最大限度地發揮戰場各兵力兵器的綜合作戰效益。

數據級服務，是指海戰場空間態勢模擬系統可以為用戶提供衛星數據資源查詢、請領、上傳等數據服務，也可為用戶或其他實驗訓練系統生成空間態勢數據產品。例如，支持衛星分布分析報告、衛星覆蓋分析報告和衛星鏈路分析報告的生成和圖表顯示，允許用戶定制報告的對象、內容和格式等，產品以Word、Excel文件格式或JPG圖片格式輸出。對于衛星平臺基礎信息、空間態勢分析結果等數據產品，可通過訪問數據庫的方式提供服務。

6 結語

海戰場空間態勢模擬系統的設計要切實把握服務于海軍作戰模擬訓練的宗旨。未來發展方向既要實現空間態勢與海戰態勢的無縫鏈接，又要突出描述空間衛星平臺在情報信息、指揮信息、打擊信息、保障信息和評估信息等方面的有關功能與流程，明確空間信息支援力量與其他作戰力量的信息關系及協同方式，為海上作戰空間信息支援保障等分析訓練內容提供技術支撐。運用海戰場空間態勢模擬系統，既滿足對空間態勢理解與掌握的專門訓練，又滿足空間信息支援背景下的海上作戰多層次、多方面的綜合訓練，有助于提升海軍部隊運用空間力量的意識和體系作戰的能力。