基于三維GIS的電磁態勢生成系統*

高 穎，張超琦，段鵬亮，郭淑霞，汪立萍

（1.西北工業大學航海學院，陜西 西安710072；2.西北工業大學無人機特種技術國防重點實驗室，陜西西安710065；3.中國航天科工集團8511研究所，江蘇 南京210007）

0 引言

電磁態勢生成的核心就是將復雜抽象的戰場電磁空間特征進行可視化，為作戰指揮人員提供當前電磁環境狀態和趨勢的知識，為下一步作出判斷和決策提供支撐[1]。目前國內外對電磁態勢生成都做了大量的研究，但是其相應研究比較分散化，主要集中于輻射源識別[2]、雷達探測范圍可視化[3]、電磁環境可視化[4]、電磁環境威脅評估[5]等幾個方面。這些手段大多基于電磁態勢生成中某個子部分，以致于無法完全展示電磁態勢在時域、頻域、空域、能量域的要素與特點，且形成的電磁態勢生成系統擴展性不強，可重用性不高等。同時如何將各電磁態勢信息連貫起來并保持電磁態勢生成的時空一致性[6]，為作戰人員提供有效的、直觀可視的聯合電磁態勢信息，也是目前亟待解決的一個問題[7]。

考慮到電磁態勢生成研究的分散性，且未與真實戰場環境結合，無法整體表現在各個域等問題。本文提出一種基于GIS的電磁態勢生成系統架構，將各個分散的電磁態勢生成模塊與GIS中的地理環境結合，以組件形式集成在系統平臺上[8]。考慮到如何將保持組件的電磁態勢信息連貫性和電磁態勢生成的時空一致性問題，提出一種時間軸腳本的電磁態勢生成方法，將各個組件中按事件類型轉換成腳本文字語言，在腳本編輯器中利用腳本文字語言按時間軸編輯電磁態勢生成過程情節，最后利用腳本執行器調用電磁態勢生成腳本，使得地理空間電磁態勢生成和腳本時間軸相一致，從而為作戰指揮人員呈現豐富直觀且方便理解的電磁態勢表現形式。

1 基于GIS的電磁態勢生成體系架構

脫離真實地理環境的電磁態勢生成是缺乏表現力和說服力的。本文采取與地理信息系統中真實場景相結合的方式，提出一種基于地理信息系統的電磁態勢生成體系架構，該體系架構分為數據資源層、業務邏輯控制層、表現層3層，如圖1所示。數據資源層包含存儲各類數據的數據庫和標準化的數據接口，業務邏輯控制層包含地理信息系統引擎層和電磁態勢生成層，表現層包含人機交互界面。建立各層次之間的數據傳遞方式，并將各個不同功能的電磁態勢生成研究以組件形式開發，形成一個具有良好開放性、可擴展性、資源重用性好的電磁態勢生成系統。

1.1 數據資源層

電磁態勢生成體系架構的底層為數據資源層，包含系統數據庫和標準化數據接口，如圖2所示，目前主要有地理信息接口、三維模型接口、氣象數據接口、標繪數據接口、場景配置接口、電磁數據接口等。其中地理信息系統地理信息數據包含高精度的地形高程數據、高分辨率衛星遙感圖片；三維模型庫中的模型由三維建模軟件Multigen Creator建模，包含地表建筑模型和參戰武器裝備模型，其中參戰武器裝備模型包括戰場環境中紅藍雙方各參戰武器裝備，如無人機、雷達、導航通訊車等。

氣象環境庫中的氣象環境數據用于可視化表征天氣環境和計算氣象環境對電磁傳播的影響；標繪庫包含二維圖片軍標數據和三維圖形資源數據。場景配置數據庫包括場景部署數據、環境部署數據和參戰單元配置數據；電磁數據庫包括電磁輻射源數據，還有典型環境下電磁場仿真數據和實時偵測電磁信號數據。根據范式規則創建數據表和建立表與表之間的聯系來形成一套標準化數據庫，一個靈活性高的標準化數據庫是電磁態勢生成的基礎。數據資源層具備良好的可擴展性，可根據后續進一步的研究對其進行擴充。

圖1 電磁態勢生成體系架構

1.2 業務邏輯控制層

電磁態勢生成是指從利用基本的地理信息數據和戰場想定環境，到計算電磁環境數據，再到形成電磁態勢這一過程中涉及到的可視化表征。其最關鍵的是業務邏輯控制層。業務邏輯控制層包含地理信息系統引擎層和電磁態勢生成層。地理信息引擎層作為電磁態勢生成層的核心支撐，如圖3所示，其包括三維地球加載渲染、三維地形數據管理調度、三維模型加載和管理、空間漫游控制、地理信息數據分析等。對三維仿真渲染相關功能函數進行封裝，使上層電磁態勢可視化相關的開發人員不用再考慮底層復雜的地理三維信息相關的問題，在與地理環境結合時調用預留的API即可。

圖2 數據資源層

為了使電磁態勢可視化與地理信息系統相結合，電磁態勢生成層通過接入地理信息引擎層來實現對不同的電磁態勢信息可視化。電磁態勢生成模塊采用組件式開發形式，將每個電磁態勢生成模塊封裝成*.dll（動態鏈接庫）。如圖4所示，將不同的電磁態勢生成組件利用分層的形式展現電磁態勢。主要分為電磁環境基礎要素態勢、電磁環境輔助態勢、電磁環境數據態勢、電磁行為威脅態勢。電磁環境基礎要素態勢主要包含地形場景繪制、氣象天氣繪制、建筑設施模型繪制、電磁裝備模型繪制；電磁環境輔助態勢主要包括二、三維軍標繪制、文字標記繪制、符號標記繪制、矢量圖形繪制；電磁環境數據態勢主要包含傳播衰減可視化、電磁云圖可視化、雷達探測范圍可視化、實測信號數據可視化、天線數據可視化；電磁行為威脅態勢主要包含裝備平臺路徑繪制、通信數據鏈繪制、壓制干擾繪制、偵查信號波速繪制、輻射源可視化等。

圖3 地理信息系統引擎層

圖4 電磁態勢生成基本組件

1.3 表現層

表現層為作戰指揮人員提供良好的人機交互，包括電磁態勢生成系統整體界面框架，各部分組件功能模塊的菜單設計等。作戰人員通過人機界面交互，主要以按鈕、參數控制、鼠標在三維地形場景中選點、鼠標滾輪的方式發送請求消息來調用各模塊的業務邏輯層，從而在系統界面對請求的消息做出可視化響應，如圖5所示，電磁態勢表現層的界面分為各組件功能窗口界面和三維地形場景界面2類。各組件窗口界面通過參數輸入、按鈕控制和鼠標在地形場景選點3類消息指令傳遞給業務邏輯控制層，業務邏輯控制層再通過訪問數據資源層獲取相關數據進行計算，最后將消息響應給窗口或者三維地形場景。在三維地形場景界面中則通過鼠標滾輪和鼠標移動的消息指令實現對三維地形場景放大、縮小和視點變換功能。

圖5 表現層工作流程

2 基于時間軸腳本的電磁態勢生成方法

電磁態勢生成系統各個獨立的組件所展現的電磁態勢層級不同、表達方式不同、作用范圍不同等，如何擺脫單一的電磁態勢生成，將各個電磁態勢生成組件的信息串聯起來，以及如何保持電磁態勢生成時間和電磁態勢與空間配準的一致性，形成一個動態直觀、層次清晰、時空一致性的電磁態勢生成過程。本文提出一種基于時間軸腳本的電磁態勢生成方法，通過時間序列配準的方式來控制各個電磁態勢生成組件的觸發順序。

本文設計了腳本編輯組件來使各個電磁態勢生成組件的信息形成時空一致性和連貫的電磁態勢生成過程。該組件包含事件類型設計、腳本編輯器和腳本執行器3個部分。各個獨立的電磁態勢生成組件可拆分成一個或多個事件類型，如圖6所示，以雷達探測范圍可視化組件為例，將其拆分成探測范圍顯示隱藏和添加干擾機2個事件類型，每個事件類型用腳本文字表示，再設計觸發事件類型對應的事件參數，一個文本文字與對應的事件參數綁定在腳本執行器中可觸發該事件執行。通過上述方式可將系統所有的電磁態勢生成組件轉化為文本文字來表示。

圖6 態勢生成組件轉化為腳本文字語言

在將電磁態勢生成組件用腳本語言描述后，可利用腳本語言來設計電磁態勢生成過程腳本。基于時間軸的電磁態勢生成過程如圖7所示。在完成事件類型設計后，將每個事件的文本文字按照順序依次放入腳本編輯器，并在腳本編輯器中設置每個事件的執行開始時間和結束時間，形成一個電磁態勢生成腳本后，利用腳本執行器中的腳本翻譯器將態勢生成腳本中的文本文字按時間軸翻譯成一條條系統可識別的腳本指令，每條腳本指令可觸發對應電磁態勢生成組件中的事件執行，事件執行過程中事件參數的地理坐標保證電磁態勢與確定的地理空間配準。該組件同時具備良好的可擴展性，當有新的電磁態勢生成組件集成于系統上時，可將該組件轉換成腳本文字語言描述。

圖7 基于時間軸腳本與電磁態勢生成過程的對應

時間軸腳本組件中的事件類型設計將各個獨立的電磁態勢生成組件轉換成腳本語言描述，通過腳本編輯器設計電磁態勢生成情節，將各個電磁態勢生成信息在腳本編輯器中串聯起來，形成一個總體電磁態勢生成時間軸腳本，最后利用腳本執行器中的腳本翻譯器將電磁態勢生成腳本按時間軸進行翻譯執行，執行過程中與分別對應的地理空間配準，實現電磁態勢生成的時空一致性。基于時間軸腳本的電磁態勢生成方法擺脫了單一電磁態勢生成過程，它能將各種不同的電磁態勢生成組件利用腳本文字語言描述，利用時間軸將各組件的電磁態勢信息串聯起來并與地理空間配準，最終形成一個動態直觀、內容豐富、表述清晰、時空一致性的電磁態勢生成過程。

3 電磁態勢生成系統

利用上述系統架構和方法形成了一個完整的電磁態勢生成系統，所有分散的電磁態勢生成研究都能以組件形式集成于此，與三維地理環境相結合，利用時間軸電磁態勢生成方式設計電磁態勢生成具體情境，從而為作戰人員呈現從局部到全局過程化的電磁態勢信息。下面將給出電磁態勢生成系統中部分局部電磁態勢和全局電磁態勢生成效果。

3.1 局部電磁態勢生成

本文給出部分電磁態勢生成系統中局部電磁態勢生成效果，如圖8所示，雷達探測范圍態勢生成組件將機載雷達受不同方位和不同用頻性能的干擾機干擾情況下探測范圍態勢生成效果。圖8（a）為某一時刻機載雷達受到來自30°方位的干擾機干擾的雷達探測范圍，圖8（b）為某另一時刻機載雷達受到來自30°和120°2個方位的2臺干擾機干擾的雷達探測范圍。

圖8 機載雷達探測范圍態勢生成

如圖9所示，展示的是該系統中裝機天線態勢生成效果，利用天線仿真數據與實際場景相結合，展現無人機受威脅程度的變化，圖9（a）為某一時刻無人機未受到用頻設備干擾態勢生成效果，圖9（b）為無人機某另一時刻受到用頻設備干擾的態勢生成效果。

圖9 無人機裝機天線態勢生成

3.2 全局電磁態勢生成

在電磁態勢生成過程中，在完成局部電磁態勢生成后，通過相應計算最終會形成一個全局的電磁態勢圖，如圖10所示，展示的是某個區域全局范圍內的輻射源態勢生成信息，圖10（a）為某一時刻的某一地理空間三輻射源電磁態勢，圖10（b）為某另一時刻的某另一地理空間的四輻射源電磁態勢。

圖10 全局范圍輻射源態勢生成

4 結束語

基于GIS的電磁態勢生成系統與三維地理環境結合，并利用組件式開發方法將各個電磁態勢生成組件集成在一個系統之上，提高了電磁態勢生成系統的可擴展性和可重用性。利用時間軸腳本的電磁態勢生成方法控制各個電磁態勢生成組件的觸發，將各個態勢生成組件的電磁態勢信息串聯起來，形成一個整體動態的電磁態勢生成故事情節，按照時間軸與各電磁態勢生成配準，同時各電磁態勢與對應的地理空間配準生成地理空間上，可清晰地展現局部到全局整個過程動態的、時空一致性的電磁態勢信息。展示結果表明，該電磁態勢生成系統具備展示動態逼真電磁態勢的能力，并能直觀地反映出電磁態勢的變化，支持作戰人員在三維戰場環境中規劃作戰計劃，完成任務部署。