基于GIS的航天指挥辅助决策平台研究

唐立文 肖斌

航天技术的发展,使得无论是当前的航天试验指挥,还是未来可能的航天作战指挥,都必须要快速处理各类航天信息,并能够充分利用这些信息为指挥员提供指挥的辅助决策依据.然而,国内包含航天指挥信息系统在内的军事指挥信息系统,大部分还是基于Windows操作系统进行开发和运行,其信息的安全性难以保证,对国家和军队信息安全构成了严重威胁.为此,急需开发和使用基于国产平台的航天指挥信息系统,为航天指挥提供安全、可靠的技术保障,确保指挥决策的顺利实施.

指挥员的指挥决策,除了利用各级上报的作战文书之外,还可以利用另一种有效的信息管理、加工和展示手段—计算机辅助决策.本文拟从自主可控的角度出发,研究基于国产操作系统和国产GIS软件的航天指挥辅助决策平台,将基础地理信息以电子地图的形式进行展现,并在此基础上,叠加经过分析和处理的各类指挥情报信息,以可视化的形式展现各类战场态势情况,其目的就是要为指挥员提供准确、详实、有价值的大尺度航天信息资源服务,为决策提供依据和参考,提高指挥决策效率.

1 军事需求

现代化战争处于陆、海、空、天、电五维的作战空间,作战武器和作战指挥普遍采用高技术,战场环境瞬息万变.航天指挥中的态势信息,主要是将战场环境数据与情报数据、作战力量数据和作战行动数据等进行整合表达,分别形成战场态势和作战态势图.表达战场态势就是要在简要表达战场地理环境的基础上,叠加作战力量的时态数据,用于研究作战行动或制定作战计划等.航天指挥中,情报是进行作战指挥的基础,对于情报分析,需要指挥员利用各种航天信息进行整理和甄别,用于研究战场、进行决策、制定作战计划[1].此外,部队遂行作战行动需要利用航天信息生成地图,为其确定位置、识别目标、选择行进路线等提供基本保证,航天信息成为辅助指挥决策平台的基本数据来源.

在航天指挥中,指挥员需了解描述战场中各类环境要素特性、空间位置或分布范围,需面对千头万绪的信息做出决策.那么,作为作战信息的重要组成部分,这些信息以什么样的形式展示给指挥员,才能更好地为指挥员指挥作战提供更加详实和准确的战场态势信息？基于此,有必要为作战指挥员提供一定程度的支持,航天指挥辅助决策平台正是提供这种支持的有效手段,它的优势表现在以下3个方面:

1)航天指挥辅助决策平台的目标是通过信息技术的运用,以改善指挥员的指挥决策能力,它并不是把本来与人有关的任务与人割裂开来完全计算机化,而是要把决策过程划分为可选模块,由用户自己调整和控制,也就是说,辅助决策平台的出发点是从决策者的观点出发,把技术看作是用于决策的从属性内容,要服务于决策者,这样就容易被决策者接受.

2)航天指挥辅助决策平台的处理方法并不是要替代人的判断,它只是利用相关的理论知识和计算工具,使计算机像具有智慧的人那样,在充分观察、分析和仿真后,根据数学模型进行定量分析,为指挥员提供明确而又有数据依据的作战方案.

3)航天指挥辅助决策平台能为指挥员提供决策所需要的数据信息,并且按照相应模型对各种数据信息进行不同的处理,帮助明确决策目标和进行问题的识别,提供各种被选方案,通过分析、比较和判断,为正确的决策提供有益的帮助,从而使决策更合理、更科学.

2 平台功能设计

航天指挥辅助决策平台,是为指挥员提供指挥信息,辅助其决策的重要支撑工具之一,直接关系着最终所提供的辅助决策信息的优劣.

2.1 自主可控平台

从安全角度着眼,未来的军事指挥信息系统应采用自主可控技术,脱离国外操作系统及相关软件的束缚,确保信息安全.本文研究采用如下自主可控技术.

1)操作系统.操作系统采用国产中标麒麟操作系统,该系统严格遵照GB/T 20272-2006技术要求,且通过公安部信息安全产品检测中心第四级结构化保护级检测,以及中国人民解放军信息安全测评中心军用B+级军用信息安全产品测评认证,是目前国内安全级别最高的操作系统之一.该操作系统能为使用者提供更加全面的应用安全保护,防止关键数据被篡改窃取,而且能免受攻击,保障关键应用安全、可控,并稳定的对外提供服务[2].基于中标麒麟操作系统进行软件开发,可为航天指挥辅助决策平台提供安全、可靠的运行环境,确保航天指挥任务的顺利实施.

2)数据库系统.航天指挥的各类业务数据以及协同标绘作业的数据,主要采用人大金仓数据库Kingbase ES管理系统.该数据库是一个大型通用的跨平台系统,可安装运行于Windows、Linux、UNIX等多种操作系统平台下.考虑到多用户协同作业的情况下数据库访问量会比较大,辅助决策平台的实现采用数据库访问中间件形式进行数据库访问管理,即谁访问谁管理,使用完数据库后即刻断开连接.同时,还可灵活地配置数据库的访问IP地址,方便分布式部署与维护工作.

3)地理信息系统.基础的地理环境信息由地理信息系统(Geographic information system,GIS)技术实现.北京超图地理信息技术有限公司的SuperMap GIS软件平台,具有容易开发、伸缩性强、可独立运行等多种特性,方便使用者利用当前较主流的开发语言(Java、NET等)进行专业领域应用系统开发,还可实现在多种开发环境下的GIS功能与业务应用系统的融合,使现有业务系统具备强大的GIS功能[3].基于SuperMap软件开发航天指挥辅助决策平台,通过电子地图、文字、曲线、图表等形式,可以很好地展现各类基础地理信息、空间位置、部队部署;同时还可叠加作战力量的时态数据,有助于研究作战行动、制定作战计划等,辅助指挥员指挥作战.

2.2 平台功能划分

基于GIS的航天指挥辅助决策平台的主要功能如下.

1)基本态势展示.a)基础地图管理与操作:电子地图是整个航天指挥辅助决策平台的基础,平台采用全球1:100万矢量数据,将当前的战场环境以电子地图的方式展现出来.平台支持地图的放大、缩小和漫游等;支持地名查询、拾取查询、经纬度查询,以及地图的距离、面积、方位距离量算等;可实现对不同类别的地理要素分层管理,实时调整当前系统所展示的地图内容等.b)实体部署与操作:平台能按照实际目标的位置进行实时定位,并对实体部署和分布情况以军事标绘的形式展现出来.支持从数据库(或文件)中读取地面实体和单位部署信息,在地图上以军标形式显示的功能,可以拾取地面实体和单位并查看其属性信息.各类信息叠加到电子地图上,可以更好地体现其空间感和位置感.

2)路径选择.在航天指挥中,无论是部队机动、后勤保障,还是有效隐藏实力、躲避打击,都涉及到一个路径规划的问题,主要包括3部分内容:

一是部队机动的性能指标要求,如公路机动要求的公路等级、最高时速的要求、天气对行军速度的限制等,这些都要在路网建设时设计好.

二是路径规划的条件,包括:a)按照2个点之间的距离等级(高速公路、国道、省道、乡镇路等)进行规划;b)按照2个点之间的时间最短(根据当前交通工具的平均速度)进行规划.

三是路径规划的功能,主要包括:a)能够根据车辆性能(不同车辆在不同路段、不同天气的行驶速度),设置行军的平均速度、天气情况(晴、小雨、大雨、小雪、大雪)和天气对速度的影响百分比;b)能实现从出发点到目的地的最短路径分析,并将分析得到的路径显示在地图上;c)能实现根据道路的权重设置(道路等级的设置),计算从出发地到目的地的最优路径,并将分析得到的路径显示在地图上;d)能计算在最短路径情况下,部队行进所需的时间,其计算公式为:时间=(路径长度)/(平均速度×天气影响百分比).

3)协同标绘业务.能够实现在地图上的交互式协同标绘,完成作战指挥信息的集中决策与处理,使得不同地域的各级指挥决策者以及相关人员协同通信,参与作战指挥决策的制定讨论以及态势信息的共享交换.主要包括3部分内容:

a)军标库管理:参照2013年版“军队标号规定”建立军标符号库,方便实现各种军标符号的绘制和编辑,形成各类军事航天态势图,为指挥员提供准确、及时、直观的战场态势情况.

b)协同控制:在协同标绘过程中,由发起者负责邀请协同交互的其他参与者.发起者能够对整张图进行编辑,其他协同标绘的参与者只能对自己标绘的军标进行编辑.所有参与者能够同时在指定范围内进行标图,每个协同标绘的客户端实时展示协同标绘的结果.

c)军标编辑与协同:提供军标选择与编辑的锁定功能与锁定提示,当某一军标被选中后即被锁定,直至编辑完成,确保同一时刻同一军标只能被一人编辑,避免协同过程中的军标编辑冲突.

4)作战态势显示.根据作战任务的要求,选择显示敌方空间目标过境情况,以实际时间驱动的方式展示部队行军路线,以闪烁和列表的方式显示是否有敌方空间目标经过我关键地区或关键地点,由此,指挥员能够根据相关的态势情况,制定部队的下一步行动计划,指挥部队作战.

5)多类型显示.a)多样化显示:能够通过接入部队的实时位置和行动轨迹、装备的实时状态等动、静态数据,以地图、文字、表格、曲线等多种方式,通过不同的线型、不同颜色、不同符号等多种手段,展现战场地理环境及综合态势,使情报信息呈现多样化显示,更加直观.b)多屏幕显示:可以通过配置文件设置系统可显示的画面内容,实现多屏或分屏的联动展示,使得平台可以针对不同的任务,为用户提供不同的操作和显示界面.这样,不仅能够使得指挥员在决策时有足够的辅助信息,同时又能使指挥员可以针对不同的战场情况,分门别类地显示不同战场信息,为指挥员灵活指挥作战,避免混淆指挥提供信息决策支持.

2.3 计算模型

2.3.1 路径规划设计

在GIS中,“网络系统”是指由许多相互连接的线段构成的网状系统,网络模型就是对现实世界中网络系统的抽象表达,例如城市交通网中,道路等线状物被抽象为线段,在网络中称为网络弧段;十字路口、车站等点状物被抽象为点,在网络中称为网络结点等.在网络模型中,资源和信息能够从一个结点到达另一个结点.而网络分析就是在网络模型上通过分析解决实际问题的过程,如路径分析、服务区分析、最近设施查找等.图1为网络模型的基本概念示意图.最优路径分析解决的问题,是在网络数据集中,给定N个点(N≥2),找出按照搜索条件,以给定点的次序依次经过这N个点的花费最小的路径.“花费最小”有多种理解,如距离最短、时间最短、费用最低、路况最佳、过桥最少等.

图1 网络模型基本概念示意图

2.3.2 侦察范围计算模型

在一定的仰角限制下,在给定时刻能与航天器进行联络的区域称为覆盖区.随着航天器的运动,覆盖区移动,形成顺着地面轨迹的地球表面带,在这个带的范围内的地面目标才能被观测到,故称“观测带”,也称航天器的地面覆盖带[4].在航天指挥中,为有效机动、躲避敌方侦察,部队在进行作战行动时,要尽量避开敌方卫星的侦察范围.下面分析卫星侦察范围的计算.

设轨道上飞行的卫星高度为h,在此考虑一般性情况,即安装于卫星上的仪器设备的视轴不与指向地球中心的方向重合,其偏离角为α,如图2所示.

图2 计算侦察范围示意图

在4OSP1中,根据正弦定理可得到

类似地,由4OSP2得到

相对于地面轨迹沿两边分布的覆盖带,可视地心角为

而对于只有一边分布的覆盖带,可视地心角为

因此,侦察范围的宽度为

得到卫星的侦察范围之后,指挥员就可以根据当前部队的位置信息,判断部队行进过程中,在特定的时刻,是否会与该侦察范围存在交叉,以此来规划部队下一步的行动计划.

3 平台开发与实现

3.1 平台的结构设计

基于GIS的航天指挥辅助决策平台,采用面向服务的架构实现,所有的功能均以服务化的形态实现,并通过服务总线集成,以保证系统的动态可扩展性.主要包括以下几部分:客户端、协同服务集成环境以及数据源.平台的体系结构如图3所示.

图3 平台体系结构

3.2 平台的功能实现

1)基于GIS的决策平台功能实现.SuperMap提供了组件式软件二次开发的产品,包括SuperMap Objects.NET组件(适用于微软平台)和SuperMap Objects Java组件(适用于跨平台软件开发).其中,SuperMap Objects Java是基于超图共相式GIS(Universal GIS)内核进行开发的,采用Java技术的组件式GIS开发平台.共相式GIS是一种高性能、跨操作系统的GIS技术架构体系,它基于标准C++重构GIS的功能内核来开发GIS系列平台软件,支持在Unix、Linux和Windows等多种操作系统上高性能运行;在此基础上,该组件采用Java+JNI的方式构建,是纯Java的组件,而不是通过COM 封装或者中间件运行的组件,并且由于Java代码只是负责调用内核功能,比完全采用Java编写的组件或通过中间件调用COM的方式在效率上有极大的提高.SuperMap Objects Java适用于Java平台上的专业GIS应用系统或应用服务器的快速开发,具有跨平台的特性.SuperMap Objects Java支持Eclipse进行开发,并与其开发环境完美结合,具有丰富、强大的GIS功能,可以用来构建处理地图和地理信息的系统[5].

2)协同标绘功能实现.协同标绘作业是通过协同标绘的功能实现图上业务作业和有序信息共享,提供多席位、多角色的协同标绘能力.协同标绘功能是基于协同标绘服务完成的,是在标绘的基础上实现符号的协同显示功能,由协同标绘服务完成方案和符号的共享,通过消息推送的方式同步显示在电子地图中.标绘时,各标绘成员通过地图服务器获取将要标绘的电子地图区域,并根据自身的职能和分工标绘各自的内容,对标绘内容进行属性及风格的修改,标绘完成后,系统将标绘内容上传至服务器,通过消息推送的方式发送到其余标绘客户端.协同标绘功能根据用户权限的不同分为2种形式,一是实时协同,由发起人发起邀请,建立共享方案,所有的受邀人可同时在共享方案中进行标绘军标符号;标绘完成的符号可以及时的上传至服务器,同时推送给其他受邀人,在地图上实时显示出标绘的符号内容;每一个受邀人对每一个军标符号的操作过程,如符号的样式风格修改、符号大小的改变等,均可被其他受邀人看见.此种方式要求谁标绘的符号谁管理,其他的参与标绘人员不能对其操作,只有建议权,可以通过信息通信的形式沟通交流,只有标绘人员可对其标绘的符号进行修改、删除等操作.二是结果显示,是指发起共享方案后,根据职务的不同,可以分为不同的标绘内容,每人标绘一部分,最后将所有人的标绘结果上传至服务器,发起人能看到总的标绘结果.协同标绘功能界面如图4所示.

3.3 平台的应用

1)路径规划.在路径规划模块中,主要是利用了SuperMap GIS中的2个类,一是AnalystControl类,此类中集成了路径规划模块的主要操作,包括选点、路径分析类型选取、影响因子的选取等内容;另一个类是NetAnalyst类,该类中包含了基础的路径分析功能.

航天指挥辅助决策平台中,通过对全国路网数据进行拓扑处理,建立相应的网络模型.其中,路网等级按照国标分为高速公路、国道、省道、乡村路等,而车辆承重、总重、高度限制、转弯限制、宽度限制等对路径规划的限制信息,则存储到路网的属性中.利用最优路径算法获得从出发点到目标点最优路径的各路段号,根据路段号计算出最优路径的行驶距离、行驶时间等并显示.而路径搜索的响应时间,模块初始化时需4∼5s,之后所有的分析最快消耗时间约600ms,最慢约1200ms,满足平台时效性要求.图5是路径优选示意图.

图4 协同标绘功能界面

2)过境预报.航天指挥中,在二维地图上展示卫星的星下点轨迹,可了解卫星的过境情况.平台开发中,采用典型的SGP4卫星轨道计算模型,并通过实时计算、理论预推、周期(时间段)选择、敏感区域(覆盖区)选择等方式,显示卫星的星下点轨迹,分析当前指挥员所关注的卫星在某一时间段对敏感区域的过境情况,提高指挥员指挥决策的效率.如图6所示.

图5 路径优选示意图

图6 卫星过境预报

4 结束语

国外操作系统对我国的垄断,使得自主可控的国产化道路发展缓慢.随着我国信息化建设的发展以及军队指挥信息系统的应用,自主可控技术已逐渐发展起来,国产化的需求也越来越强烈.本文基于国产GIS软件SuperMap,开发了运行于国产中标麒麟操作系统下的航天指挥辅助决策平台,为指挥人员提供详实、可靠的辅助决策信息.