海域靶场导弹武器试验相关信息指挥管理系统*

张彦忠 王 娜

(92941部队93分队 葫芦岛 125000)

海域靶场导弹武器试验相关信息指挥管理系统*

张彦忠 王 娜

(92941部队93分队 葫芦岛 125000)

靶场导弹武器试验涉及大量人员和装设备相关信息的集结、调动、展开、评估等各项试验活动,这样的多种目标信息不易准确定位掌控,提出试验中涉及此类多目标识别、定位、导航等信息综合系统构建思想。并对靶场地理信息与导弹武器试验结合、关键问题解决方法、系统设计技术等环节分别进行了具体说明。

导弹武器试验； 人员与装备； 地理信息； 综合信息系统

(Unit 93, No. 92941 Troops of PLA, Huludao 125000)

Class Number TP393

1 引言

具有海域特点的靶场在进行导弹武器试验时,经常会牵涉到海、陆、空多区域各型装备和人员的集结调动,主要包括导弹装备运输、发射载体的机动、舰(机)靶机(弹)的航行、参试保障人员变更所在地点的确定、测控装备地理位置的规划等。试验展开过程中,各类目标载体布局大多呈现出散乱或不固定的状态,而且相互之间经常机动变化,导致位置关系非常复杂,很难准确导航定位,这就给处于导弹武器试验管理的各级试验部门调度使用兵力与装备带来极大的难度。以往由于单一的试验模式,需要掌握控制的目标载体有限,通常利用语音通信与测控装备测量相结合的方式加以解决,其结果是可用信息滞后,连续性、可视性不足。随着新型导弹武器装备信息化的提升,参与导弹试验的装备需要满足多项试验跨区域行动同时进行。这种复合型试验模式占用的区域空间扩大,需要调动使用的装设备与试验保障人员更多,加之参试部门系统经常询问反馈试验信息繁杂,显然运用以往的方法已不适应逐渐增多的目标信息管理要求[1]。

为适应靶场信息化建设条件下目标信息管理的需要,合理设计靶场导弹武器试验多目标信息管理系统,就是把试验涉及的装备与人员信息有机结合地理信息用网络联系起来,实时为参试各部门提供指定目标的定位、导航、分析数据等试验信息。通过靶场信息系统来保证指控监管中心对参与试验的装备与人员状况实时监控,各种试验数据信息传输和有序管理,便于试验指挥、全面筹划、调度装设备和人员参与的合理使用,为掌握控制试验目标单元之间的联系协调将发挥积极的作用。

2 靶场地理信息系统技术与试验信息 结合

2.1 靶场地理信息系统技术

靶场地理信息系统是以靶场地理空间数据库作为基础,在计算机软硬件的支持下对空间相关数据进行采集、传递、管理、操作、分析和显示的计算机系统。靶场地理空间数据库主要是靶场地理环境构建而成的,地理环境包括地理位置及周边的地形、地物等因素,如内陆、沿海、海洋。这些主要指平原、丘陵、山脉、河流、城市、乡村、交通、深海、水上、水下、近岸、军事设施、石油平台、测控基站、码头等。从图形学的角度出发来看,靶场地理信息系统实质是一种便于计算机处理和网络传输的数字化地图。可以方便地对空间数据进行输入、编辑、显示、查询、分析。另外系统可利用三维动态仿真技术,对各种要素进行仿真模拟,构造符合靶场地域实际的模拟空间,展现各种地物之间复杂的时空关系。采用地理模型分析方法,适宜提供多种空间靶场地理信息,便于对相关依附地理信息进行分析研究、决策。地理信息系统主要是把靶场地理空间进行模型化并存储与计算机里,这样才能对研究目标进行描述,从而完成非常形象化的模拟,保证在功能上预测能力。一般的地理信息系统,具有空间分析能力强、数据来源广泛、工作方式直观形象的特点,对空间数据的查询和分析在要求较高的靶场信息化领域具有广泛的前景。

2.2 导弹武器系统试验信息

参与具有试验海域特点的靶场武器试验,其试验系统涉及海上和陆地试验装设备和兵力,主要包括被试设备、试验指挥、试验总体分析,被试装备试验测试与操作、测量与测控、试验通信、靶标与目标特性模拟,试验勤务保障等试验分系统。围绕着导弹武器试验系统的各组成巧妙地形成并选择目标标的,赋予目标定位导航,便于形象地展示个体与局部相互关系信息,当然其以往经历通过查询系统,应易于找到。试验过程中,不同数据信息的分析、解算、模拟、比较、筛选、判断、推理、归类,其形式繁多。这些试验信息若按信源特征划分,基本上可以归纳为:试验资料档案信息、被试装备产品测试信息、动目标观测信息、目标特性信息、环境物理场信息、作战与对抗试验信息、模型与仿真信息、计量标校信息等。

2.3 试验信息管理的内容

导弹武器试验地理信息综合系统,是对靶场试验海域内所涉及的人员与装备等多目标信息的利用、管理等方面在系统层次上的定量分析和综合集成。导弹武器试验需要占用的试验海域,完成试验必须配置的装设备和保障兵力,联系协调试验系统的指挥调度,传递分发接收信息的网络通信、信息采集录取、解算、试验目标的定位、实时导航处理、导弹与靶弹飞行的安全边界、电磁对抗与信息战划区运作等等。按照试验规划与任务分工的目标指导下,实施管理选择上可考虑:由上至下(由上级至下级)、由里而外(由主系统,然后分系统)、由点至面(由重点到总体)或选择抽检排查。

靶场导弹武器试验多目标地理信息系统,通过各类图形的收集和矢量化数据处理,建立起试验区域的地形地貌图和导弹武器试验目标的分布图。有数据库技术构建目标基础地理信息数据库作支撑,有机地使电子地图与数据库的紧密地联系,对创设查询试验涉及多目标的特征、属性和空间位置提供了技术支持。将靶场试验信息数据库系统与指挥系统进行集成,对靶场试验管理和武器装备试验信息化与评估决策会有很大的益处。

3 空间问题解决方法

以靶场导论信息为基础所构建的导弹武器试验多目标信息系统是一项复杂的工程,需要试验全方位的资源做配合,必须根据靶场试验海域的实际情况,来决定技术路线实施。在系统设计中需要解决如下关键问题: 1) 空间模型的问题； 2) 空间数据的组织结构问题。

3.1 空间模型的分析

利用空间聚类分析模型可以有效地解决完成分析处理空间分布上的一种或几种结构特征,如空间模式的远近关系、拓扑关系、方位关系、大小关系、疏密关系等等。

1) 基于MST的空间分析模型的概念与特征

对于连通的带权图G,其生成树也是带权的。生成树T各边的权值总和称为该树的权,记作:

其中:TE表示T的边集,ω(u,v)表示边(u,v)的权。权最小的生成树称为G的最小生成树(Minimun Spanning Tree)。最小生成树可简记为MST。

将最小生成树应用于空间聚类,在于MST自身具有的特征—最小跨度特征。MST的最小跨度性质,即MST任一条边都是某个点到其余节点的最小跨度,与人的聚类思维相符,因此,基于MST的聚类结果在空间上的分布模式就有别于其它以最小均方误差标准的聚类方法。

2) 空间聚类模型算法流程图

基于MST的可视化空间聚类分析模型算法最大特色在于利用Delaunay三角网工具和MST(最小生成树)将地理实体的邻接度(空间相邻关系)与其它属性一起作为空间聚类处理对象。具体算法流程如下。

图1 算法流程图

3.2 空间数据输入与组织结构

在分析靶场导弹武器试验涉及的多目标性质、特征、关联性、拓扑性等的时候,往往并不需要分析所有的地形、地貌要素,换言之大多数的地形要素只是作为专业实体的参考背景。所以,在上述空间分析模型的支持下提出了基于MST的可视化的矢栅结合的技术路线:

1) 扫描全部的各种比例尺的地图及资料,通过几何变换和图形整饰后结构化集成为电子地图。

2) 在上述电子地图的基础上通过系统的符号标注功能,标注各种目标专题信息实体；并在该目标专题信息实体上挂接相应的图表、文字、相片、多媒体、影像等属性数据信息。

3) 通过MST的空间聚类分析模型将目标聚类,解出目标之间和目标群中的各个目标之间的拓扑关系实现目标信息在距离上的相关属性。

靶场地理信息系统的数据结构,适宜选用金字塔型层次来集成导弹武器试验涉及多区域用不同的比例尺的大量地图来表述。所谓金字塔层次结构即在图层结构中最上层是小比利尺的数据层,向下依次是比例尺逐渐变大的数据层,精确表述数据层都与地面相应地区配准。

4 系统设计

4.1 系统功能设计

海域靶场导弹武器试验人员与装备多目标地理信息综合管理系统,它是以空间信息的输入、查询与分析为中心任务为基点,形成对导弹武器试验管理从信息技术层次上给予保障支持。整个系统主要集成以下分系统:数据录入输出系统、检索和查询系统、试验方案自动生成系统、专家评估系统、目标定位导航系统、空间分析系统、模拟演示系统、辅助决策分析系统。

1) 数据信息录入输出系统

用于地理信息系统中空间和属性数据的获取与更新。空间和属性的数据录入和输出有多种方式,可通过键盘、扫描仪及数字化仪等,也可以通过网络或其他系统直接将数据信息进行对接转入。另外系统还提供对数据信息的适时更改和补充功能,同时在信息数据输出方面,应便利地将统计、分析、决策、咨询的结果以文本、报表、图形的方式输出。

2) 检索与查询系统

提供属性与空间之间的逻辑查询功能,相应的空间与属性寻找查询应该方便使用。由于靶场地理信息系统中,数据同数字地图中的点、线、面对应,操作起来的结果应与实际是一致。数据库的操作使用能及时反映在地图上,对地图的操作使用也会在数据库中表现。

3) 试验方案自动生成系统

根据导弹武器试验的模式,围绕着被试品的作战环境、作战态势和战技性能指标选取试验资源,如保障装备设备与兵力部署配备等。基于试验测控和通信需要,不留死角地协调安排相应系统,做到单项试验与多项试验组织管理上的有机结合。按照轻重缓急的需求,考虑所有可能按优先级自动生成试验方案,从而检验有限靶场资源配置的合理性。

4) 专家评估系统

基于产生式系统,将被试品主要战技性能的考核方法和作战效能评估模型生成专家系统,根据试验过程与结果即时生成评估报告。开放的网络可随时汇聚各方专家想法思路,择优提取融合在专家评估系统中,有效地解决专家系统信息更新。

5) 目标定位导航系统

利用北斗多星定位设备、靶场已有的差分定位技术和其软件接口,在系统内接收导航定位信息,并可编辑文字进行文电通信。系统主要提供试验涉及的多目标定位、导航、试验场区监控功能。其中试验区域监控功能包括保障兵力和各级指挥所在位置、态势等,为试验指挥和工程技术人员分析目标属性,运行协调提供良好专有功能[7]。

6) 空间分析系统

系统负责对图形进行地形分析、缓冲区分析、空间叠置分析、空间聚类分析、装备剖面分解、测控设备结构分析、航区航线立体划分等操作。并能展示各类属性与详细尺寸数据,完整地将分析结果进行汇总,以各种专题图表和统计图表形式分类输出,从而满足不同部门的需求。

7) 模拟演示系统

按时间步长模拟导弹武器试验过程,实施分解试验勤务保障兵力与装设备的投送展开,导弹武器静态与动态的联试、目标攻击区域与安全区域的变动、研究复杂电磁环境条件下导弹武器系统试验与战技效能评估。利用虚拟现实技术,展现试验数据实时驱动,形象演示试验场景、试验资源配送运作情况、试验数据生成和试验结果的快速处理。

8) 辅助决策分析系统

基于靶场地理数据库子系统(空间数据库和专题数据库)的支持下实现信息获取,所以它应该是一种由数据、方法、模型和智能作为支持帮助的系统,目的是为辅助各级试验指挥和工程技术人员,在导弹武器系统作战试验过程掌控试验涉及多目标调度管理作出决策。专家系统在知识表示,信息获取、推理判断、适应性学习、容错能力、故障诊断等方面展示明显的优越性[8]。

4.2 系统逻辑结构控制关系

参与导弹武器试验是在具有海域特点的靶场展开,自然试验区域牵涉到陆、海、空多地点,宽范围。从靶场地理信息系统上自然要形成一种地理上分散、逻辑上具有不同应用功能的结构特点,各分系统之间的通信由通讯网络联结,陆基间以光缆为主,辅助用车载移动通讯解决盲区和适应巡查机动所需,不适合固定联结的目标载体,都应装备无线通讯,划区采用中继接力解决好辖区的覆盖。

在系统数据库设计上,应以图幅为单元建立图幅空间索引,将靶场海域实体按几何特征分为点、线、面数据(如:测控基站、陆基指控中心、舰船、飞机等为点目标；交通枢纽、桥梁等为线目标；军事基地、库房、机场、科技场站等为面目标)。采用多源数据集成与融合技术,又不同类型数据信息汇总集成。做载入流程图时,首先考虑载入各种比例尺地图,按标注专题信息(图表、文字、影像、相片),形成空间聚类模型[9],并根据目标类型信息选择比例。

将收集的试验信息、先验数据、仿真模型、被试品和参试装设备的现场测试数据相结合,利于解决试验过程各阶段试验数据使用率低和检验考核不充分之间的矛盾。可以充分利用网络技术、数据融合技术、专家系统和虚拟现实技术,在靶场地理信息系统强力支持下,提高导弹武器试验效率和管理质量。系统是由地理上分散、逻辑上具有不同应用功能的系统组成,各个子系统间的信息通过通信网络连结,拥有相应的目标基础数据库、应用功能模块和管理系统。其系统逻辑结构关系如图所示[10]。

图2 系统逻辑关系结构图

5 结语

靶场在进行信息化建设创新方面有很多领域可以进行深入地探索,把导弹武器试验所涉及的对象(人员、装备、设备、基站等)用目标形式展现,结合海域靶场特殊地理信息有机地融合,可以演绎出较为真实的试验场景。构建靶场导弹武器试验地理信息系统时,应充分考虑网络开放性原则,做到互联互通,这样会利于试验信息与分析数据的共享并快速交流,能有效直观地帮助参试人员进行空间目标分析和决策的梳理,对掌控靶场空间可视化模式下的导弹武器试验管理与训练分析将是非常有益的。

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Information Command and Control System for Missile Weapon Test in Sea Area Range

ZHANG Yanzhong WANG Na

Multiple test activities such as the massing, mobilization, deployment and evaluation are of a great deal of personnel and equipments in a missile weapon test in range. To deal with the problem that the multiple target information can not be orientated the construction of the information synthesis system for identification, orientation and navigation is proposed. Moreover, the combination of range geography information and missile weapon test, the methods to the key problems and the system design technique have been explained specifically.

missile weapon test, personnel and equipment, geography information, information synthesis system

2016年6月11日,

2016年7月21日

张彦忠,男,硕士,高级工程师,研究方向:导弹武器试验与研究。

TP393

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.12.027