陆军装备维修模拟训练战场环境模型研究

郭尚昆 古平

摘要：在陆军装备维修训练领域，随着模拟训练地位的提升，对仿真模型的需求越来越高。在维修训练领域的模型构建研究中，战场环境模型还未引起广泛的关注，为此以模拟训练系统建设为目的，分析了维修训练环境模型的建模需求，构建并描述了地理环境模型、大气环境模型以及电磁环境模型。

Abstract： In the field of army equipment maintenance training， with the improvement of the status of simulation training， the demand for simulation models is increasing. In the model construction research in the field of maintenance training， the battlefield environment model has not attracted much attention. For the purpose of modeling the training system， the modeling requirements of the maintenance training environment model are analyzed， and the geographical environment model and atmosphere are constructed and described. Environmental model and electromagnetic environment model.

关键词：装备维修;模拟训练;战场环境;地理环境;大气环境;电磁环境

Key words： equipment maintenance;simulation training;battlefield environment;geographical environment;atmospheric environment;electromagnetic environment

中图分类号：E919                                        文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）11-0158-03

0  引言

数据模型体系是支撑陆军装备维修模拟训练系统的重要基础。当前，该领域的模型构建多以行为模型、主体模型、装备结构模型和评估分析模型等为主，战场环境模型经常被淡化甚至忽视。

战场环境指战场以及其周围环境中，影响作战效果和作战活动的各种条件和因素的统称，是一切军事活动的空间基础，包括陆地环境、海洋环境、电磁环境等[1]。目前，维修模拟训练不仅包括装备故障排除、战损装备修复，还包括维修方案确定、维修分队机动、维修地点选取以及维修资源调配等環节。在战场环境因素中，地理环境因素决定临时维修地点的选择，关乎维修分队和维修对象的安危，并直接影响维修分队机动路线的选择;大气环境涉及能见度、降雨量、风速等多种因素，对维修分队的作业进度能够造成直接影响;在信息化战争背景下，复杂的电磁环境会严重影响信息系统的运行，制约维修决策的准确性和时效性，影响维修命令的下达和维修分队的信息反馈[2]。因此，在战场环境因素中，地理环境因素、大气环境因素和电磁环境因素是影响装备维修最重要的三方面因素，也是环境模型构建的重点研究对象。本文以陆军装备维修模拟训练为研究背景，从地理环境、大气环境、电磁环境等方面对战场环境模型构建进行了研究，分析了战场环境典型要素的特征，为其仿真实现提供了理论基础。

1  地理环境分析及仿真模型

地理环境是战场和周边空间中，影响作战活动和作战效果的各种地理情况的统称，主要用于描述战区的地形地貌、水文特征、交通状况、通视性及通行性等因素，此处主要研究对地形地貌、通视性和通行性模型的构建。

1.1 地形地貌模型

这里我们所研究的地形地貌指地面的起伏状况，主要通过地理位置坐标、高程等数据予以反映。在计算机仿真中，通常采用规则网格法、不规则三角网格法、等高线表示法等三种方法来具体表示。由于规则网格法比较形象直观且易于处理和实现，故在此使用该方法建立地形地貌模型。

使用规则网络法对地形地貌模型进行构建时，应建立三维笛卡尔坐标系OXYZ，其中X轴与Y轴在水平面上，其数值表示地理位置;Z轴垂直于该平面，且指向地心的相反方向，其数值表示地理高程，即海拔高度。之后，将需要构建模型的战场区域投影到水平面上，并将其投影分成若干相同大小的正方形网格，在网格各顶点的高程值已知的情况下，若假设同一方格内高程值相同，且为该方格4个顶点高程值的平均数，则能得到作战区域连贯地形中任一点的高程值[4]。

如图1所示，将整个战场区域划分成m×n个方格，其中，X方向为m格，Y方向为n格，使用x1，x2，…，xm+1和y1，y2，…，yn+1表示X方向和Y方向上的划分坐标，那么对作战区域内的任一点（x，y）处的标高为：

在现实环境中，战场地形经常出现陡坡、山包等情况，但其地形地貌仍旧具有一定的连贯性，此时只要正方形网格面积取值适当，也可以较为精确地确定各点的高程值，从装备维修角度能够满足对战场地形模型的要求;对于高程值急剧变化的断崖、深坑等特殊地形，应该对其高程值进行测量，再由人工对模型数据进行修正。

1.2 通行性及通视性模型

通过对战场环境分析发现，地理环境对作战行动的影响还体现在对通行性和通视性的影响上。战场通视性模型可以由相关的通视性模型计算得出，如采用美国Santa Clarada大学的George W.Evansll所提出的四点轮廓法，也可以采用基于轮廓草图的三维地形建模方法来完成，但前一种方法需要有具体的地形数据支持，装备维修战场环境模型构建前期获取的地形数据往往达不到要求，后一种方法虽然建模精度高，但在实现上较为复杂[3]。

因此，结合模拟训练应用和装备维修实际，可以采用参数描述的方法，即先将地形区分为山地、林地、丘陵、平原、草原、沙漠等，将各种地形的最大通视性量化为0到1之间分布的数值，如图2所示。

图2量化了各种地形情况下的最大通视性，在实际的战场环境中，同一战场区域在不同季节的通视性，会因地面植被等因素的影响而存在区别，因此地形通视性模型还要考虑到季节因素S，如图3所示。

E为常数，不考虑其他因素影响时E的值为1，当考虑其他因素的影响时，E作为[0，1]上的一个具体数值可以提高模型的适用性。

与通视性类似，可以建立通行性模型。根据地形情况、道路宽度、路面质量等因素确定最大通行性tmax，根据季节情况确定地面植被等因素对通行性的影响s2，根据不同装备通行能力确定装备影响因素k，因此通行性模型可描述为，

2  大气环境分析及仿真模型

大气环境是指任务区域的气候类型及任务时刻的季节、天气状况。从对部队作战行动和装备维修活动影响的角度进行分析，气象条件包含时段、能见度、降雨量、风级等进行描述，即

式中：ID表示实体编号;Position表示位置信息; Visibility为能见度，每个等级对应的能见距离及对机动速度的影响系数如表1所示;Rainfall为降雨量，依据降水多少可将降雨量分为无雨、小雨、中雨、大雨、暴雨、特大暴雨6个等级，不同等级降雨量对维修效率的影响系数如表2所示;WindLevel为风级，每个等级分别对应的风速及对维修效率的影响系数如表3所示;p，q，ρ，u，v，w，t七个因素间接影响维修活动，其分别代表气压、湿度、空气密度、xyz方向风速以及时间。

除明确的各影响因素外，其他大气数据的生成可以由美国宾夕法尼亚/国家大气研究中心（PSU/NCAR）提出的MM5模型得到，该模型依据大气动力学和大气辐射的原理，可以以任意尺度模拟全球任意地域的大气环境。由5个基本方程来实现[4]：

3  电磁环境模型

战场电磁环境是指与作战相关的区域内，影响作战行动的电磁现象的总和，包括雷达电磁环境、光电电磁环境、通信电磁环境等。对战场电磁环境模型的构建，主要是通过对辐射源空间位置、技术参数、信号特征、部署情况等要素的描述来实现的[5]。

电磁环境是各类辐射信号的集合，在此以雷达信号为主要研究对象，即战场中某一位置的雷达电磁环境是该点接收到的雷达信号形成的脉冲流，其由众多某一时刻来自雷达的射频脉冲组成[6]。此处射频脉冲的基本特征可以用脉冲描述字（Pulse Description Word， PDW）描述，包括脉冲前沿到达时间（TOA）、脉冲载频（RF）、脉冲宽度（PW）、脉冲幅度（PA）、脉冲到达角（AOA）[7]。其中，载频、脉宽、脉冲重复间隔三者模型相近，均包括脉间捷便模型、固定模型及参差模型，可进行统一建模[8]。

4  结语

根据陆军模拟训练系统在装备维修方面对环境模型的要求，从各要素特征和对装备维修的影响等方面综合考虑，通过对战场环境中的地理、大气和电磁的抽象描述，建立了符合需求的地理环境模型、大气环境模型和电磁环境模型，丰富和发展了环境模型体系，同时也为模拟训练系统的进一步研究提供了借鉴。

参考文献：

[1]管清波， 冯书兴.战场环境的抽象化模型设计与仿真[J]. 系统仿真技术，2009，5（4）：219-225.

[2]杨瑞平，高国华，张立勤.计算机生成兵力[M].北京：国防工业出版社，2013：155-156.

[3]蒋秉川，万刚，范承啸，夏青.战场环境体素模型适应性分析及体要素分类方法研究[J].系统仿真学报，2017，29（2）：241-247.

[4]庞国峰.虚拟战场理论研究与工程实践[M].北京：电子工业出版社，2010：230-236.

[5]胡进.复杂电磁环境下雷达探测能力的定量描述[J].航天电子对抗，2017（1）：32-35.

[6]瓮于飞.基于雷达模拟器的电磁环境仿真[D].长沙：国防科学技术大学，2002：5-15.

[7]張杨，石川，耿红峰，乔会东.空战场雷达电磁环境仿真系统设计与实现[J].火力与指挥控制，2015，40（10）：172-177.

[8]赵晶，刘义，来庆福，冯德军，王雪松.防空作战电磁环境建模与仿真[J].系统仿真学报，2012，24（2）：258-262.