復雜陣地態勢可視化關鍵技術研究*

申良強，劉 健，任 煜，杜慧琦，于佳杰

（北方自動控制技術研究所，太原030006）

0 引言

隨著計算機、網絡通信、圖形圖像等技術的發展，當今作戰訓練和戰時指揮，態勢可視化由軍事地圖或沙盤模型已經過渡到目前的二維數字地圖圖上作業，同時態勢圖上的戰場變化實時表現，極大地提高了作戰員的指揮水平。但二維態勢重點表現整個戰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，而在復雜的地理環境中（尤其山溝），由于存在碰撞等問題導致的探測威力覆蓋、攔截威力覆蓋、射界等出現急劇變化，導致部署武器復雜化，無法用傳統的方法實施武器部署；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勢不能給人以自然界的本原感受等問題［2］。因此，在應用需求的強烈推動下（核心陣地地形的復雜性與防御的重要性），需要構建“真實”（航拍，渲染，貼圖等）的三維態勢（與二維態勢聯動），提供多視點、多視向、多視界、多視態的三維態勢可視化，準確顯示戰場環境、氣象環境、電磁環境、部署位置、武器實時狀態、威力范圍，實時顯示空中目標及屬性等，具有逼真的地理信息和完整的信息分析功能，來極大豐富空間環境表現，為提升空間環境感知能力提供支撐。

1 總體設計

固定核心陣地防范系統與傳統野戰防空不同，探測攔截的作戰區域是一定的，攔截武器裝備也是固定部署在陣地使用，采用光纖組網（傳輸速度快，抗干擾性強等），實現系統的互聯互通，二三維態勢展現通過實時讀取數據庫信息，實現態勢信息的一致性，流程圖見圖1，示意圖見圖2。

圖1 二三維態勢可視化流程圖

圖2 二三維態勢可視化實時聯動示意圖

核心陣地通過采集探測告警信息，進行信息處理與融合，威脅度評估計算，基于態勢圖的目標分配，實現對配屬的攔截武器實施綜合火力指揮與打擊控制功能，完成全天時監視告警、分類識別、威脅判斷、協同攔截。

2 二維態勢可視化

二維態勢可視化基于全軍通用軍事地理信息系統基礎平臺來開發，通過初始化圖形系統，創建一個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，初始化標繪動態連接庫；設置地圖背景，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、選擇的地圖圖層名稱；設置地圖類型、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；設置動目標的大小、展開方式、顯示批號、軌跡單位和長度；根據三維態勢部署的我軍裝備，通過讀取數據庫信息同步到二維態勢圖上（可顯示探測范圍和火力范圍）；根據融合處理的信息展現戰場態勢；地圖重畫刷新等。二維態勢以軍標形式顯示實體，在二維地圖上顯示戰場環境、部署位置、武器實時狀態、威力范圍，空中目標、運動軌跡及屬性等。可通過放大、縮小、漫游等方式操控地圖，二維態勢可視化示意圖如圖3所示。

圖3 二維態勢可視化示意圖

二維表達和可視化手段已經比較成熟［3］，在指揮控制實際應用中已經非常廣泛，具體細節在此不再贅述，下面針對三維態勢重點進行闡述。

3 三維態勢

三維視景選用Virspace平臺，可以利用衛星圖、航拍照片圖、高程數據、矢量數據，生成地形，進行圖形圖像、特效的渲染和仿真，創新性的支持點云技術，能夠加載點云數據，實現快速構建地形地貌。以虛擬戰場的數據組織與調度為中心，采用先進的計算機通信、圖形圖像等技術，模擬高度逼真的地理環境、氣象環境、作戰實體的外部特征，以及武器發射的特殊效果，并能夠精確地輸出目標方位、速度等數據。

核心陣地三維視景主要負責陣地裝備輔助部署，三維虛擬環境的構建和渲染，裝備與目標實體建模，對象管理，視點控制，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，為陣地直觀地部署探測設備和各類武器提供可視化輔助顯示，通過分布式布局，可以對探測設備和各類武器的部署進行人工調整，合理配系，以最小的資源實現無盲區探測和攔截（火力圈，探測圈、交疊區顏色等進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 裝備與目標建模

根據實體的實際尺寸和照片對實體進行建模模擬，以逼真地反映實體的外觀特性。對設備、武器裝備和目標進行建模與仿真，包括動力學、探測距離、火力范圍、光學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，統一創建為未知飛行實體，實體效果示意圖如圖5所示。

圖5 實體模型效果示意圖

3.3 虛擬環境

包括氣象與地理，以及電磁環境等效果模擬，之間的關系如圖6所示，虛擬地理環境是構建整個虛擬戰場環境的基礎，虛擬氣象環境和虛擬電磁環境依托虛擬地理環境發生作用。

圖6 虛擬戰場環境之間的關系

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

重點區域對植被、建筑和水文進行獨立建模，逼真的展示仿真區域地形地貌，地理環境和水文模擬效果，示意圖如圖7所示。

虛擬氣象模擬用來構建核心陣地的復雜氣象環境，主要構建陰晴、氣溫、風、雨、雪、霧等常見的且具有重要影響的天氣現象，其組成如圖8所示。

使用動態光照技術，對不同時刻的氣象環境效果進行模擬，如圖9所示；使用粒子系統對環境中的片云以及體積云效果進行模擬，云密度、高度和云密度根據需要可以進行調節；使用粒子系統來模擬環境中的雨、雪效果，使用渲染引擎中的粒子系統，將雨、雪效果處理成粒子特效；使用GPU編程技術實現霧（霾）的效果，物體受到的霧化濃度和物體與視點之間的距離成正比關系，通過在GPU渲染階段逐像素檢測每個像素點距離視點的距離，結合霧化公式，實現全場景霧化效果，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境，具有對短波、超短波、微波波段、光學波段等設備的電磁干擾和對抗可視化功能。

3.4 對象管理模塊

為實體對象的維護者，提供三維模型對象的創建、查找、銷毀等接口。當從控制臺仿真節點或者人機接口得到創建的實體類型、名稱指令后，對象管理器將創建一個實例化的實體對象，并在對象管理器中注冊，同時根據對象的類型為實體裝配組件，如為導彈、飛機加上尾跡特效。

3.5 視點控制模塊

提供多種觀察模式（多視點、多視向、多視界、多視態）來控制視點，實現三維戰場環境中任意視點和視角的三維顯示。提供目標跟蹤、自由視角和全景顯示3種控制方式。通常采用目標跟蹤顯示方式，即通過實時目標數據或專用操控鍵盤來靈活驅動控制場景的變化。

3.6 聲音仿真

聲音仿真通過專業的引擎OpenAL來實現，主要的功能是在來源物體、音效緩沖和收聽者中編碼；來源物體包含一個指向緩沖區的指標、聲音的強度、位置及全部聲音的整體增益。仿真的戰場聲源包括報警器聲、開火聲音、爆炸聲音、下雨聲音、風的聲音等。

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，三維態勢在真實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，高度逼真地模擬現實中的各類場景、聲效和行為，真實地顯示現實環境，作為核心陣地重要的顯示平臺，極大地豐富了空間環境的表現，為作戰指揮員提供形象、逼真、可度量、可分析的戰場環境，提升了核心陣地作戰指揮員的空間環境感知能力，與二維態勢結合使用大大提升作戰效率。

4 數據庫設計

針對核心陣地構建的數據庫，要遵循一體化標準，提供系統所需的數據，主要包括作戰基礎數據庫（我情庫）、情報綜合數據庫（敵情庫）和戰場環境數據庫（環境庫），如圖10所示，二三維態勢聯動依托實時讀取數據庫獲取信息，結合時間戳在各自的態勢圖上完成態勢聯動并進行不同模式的態勢展現。

圖10 數據庫組成圖

4.1 作戰基礎數據庫

根據作戰使用需求進行必要的擴充和細化，建立以作戰力量、武器裝備和物資器材為主要內容的核心陣地作戰基礎數據庫，實現數據的采集與更新，為指揮所和作戰單元提供我情數據共享支持。核心陣地作戰基礎數據庫的主要內容。

1）作戰力量：包括陣地探測設備、武器裝備情況、物資器材等情況。2）指揮控制：包括作戰方案（計劃）、指定搜索區域等基本情況。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、物資、裝備技術保障等基本情況。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管理的信息。6）部署及狀態數據庫：描述核心陣地作戰力量的部署、行為及狀態信息。7）戰損/戰果數據庫：描述防范作戰過程中物資消耗情況及擊傷、擊斃、擊毀繳獲目標等情況。8）實時空情數據庫：描述空情活動信息，包括運動軌跡和預測軌跡數據等。

4.2 情報綜合數據庫

根據作戰使用需求進行必要的細化和擴充，制定核心陣地情報綜合數據庫，實現以探測告警、動向情報、態勢情報、威脅目標、作戰預案為主要內容的情報綜合數據庫。核心陣地情報綜合數據庫的主要內容：1）探測告警：描述探測的威脅目標屬性信息。2）動向情報：描述當前運動狀態軌跡和預測未來軌跡。3）戰場態勢：以情報動態和實時目標融合結果為主線，描述目標涉及到的情報動態、目標的性能參數等情況。

4.3 戰場環境數據庫

戰場環境數據庫的主要內容包括：軍事地理、氣象水文、電磁環境等基本情況。

5 結論

態勢可視化在未來作戰指揮自動化系統和軍事訓練模擬系統中扮演著重要角色［4］，可以準確實時表現核心陣地態勢信息，充分發揮作戰指揮員的視覺來獲取防范信息。二維態勢與三維態勢實時聯動的態勢可視化技術，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，既有效解決了復雜地形武器部署的難題，又很好地把握了態勢全局和空間環境感知等，為核心陣地作戰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，從而大大提升作戰效率。