复杂阵地态势可视化关键技术研究*

申良强，刘 健，任 煜，杜慧琦，于佳杰

（北方自动控制技术研究所，太原030006）

0 引言

随着计算机、网络通信、图形图像等技术的发展，当今作战训练和战时指挥，态势可视化由军事地图或沙盘模型已经过渡到目前的二维数字地图图上作业，同时态势图上的战场变化实时表现，极大地提高了作战员的指挥水平。但二维态势重点表现整个战场形势的全局变化情况，也存在很大的局限性，比如武器部署问题，目前武器部署规划研究大都基于二维平面GIS图，比较适用于平原、地势平坦无遮挡等情形，而在复杂的地理环境中（尤其山沟），由于存在碰撞等问题导致的探测威力覆盖、拦截威力覆盖、射界等出现急剧变化，导致部署武器复杂化，无法用传统的方法实施武器部署；还有大量的多维空间信息无法得到利用［1］、地形的坡度分析以及基于抽象符号的态势不能给人以自然界的本原感受等问题［2］。因此，在应用需求的强烈推动下（核心阵地地形的复杂性与防御的重要性），需要构建“真实”（航拍，渲染，贴图等）的三维态势（与二维态势联动），提供多视点、多视向、多视界、多视态的三维态势可视化，准确显示战场环境、气象环境、电磁环境、部署位置、武器实时状态、威力范围，实时显示空中目标及属性等，具有逼真的地理信息和完整的信息分析功能，来极大丰富空间环境表现，为提升空间环境感知能力提供支撑。

1 总体设计

固定核心阵地防范系统与传统野战防空不同，探测拦截的作战区域是一定的，拦截武器装备也是固定部署在阵地使用，采用光纤组网（传输速度快，抗干扰性强等），实现系统的互联互通，二三维态势展现通过实时读取数据库信息，实现态势信息的一致性，流程图见图1，示意图见图2。

图1 二三维态势可视化流程图

图2 二三维态势可视化实时联动示意图

核心阵地通过采集探测告警信息，进行信息处理与融合，威胁度评估计算，基于态势图的目标分配，实现对配属的拦截武器实施综合火力指挥与打击控制功能，完成全天时监视告警、分类识别、威胁判断、协同拦截。

2 二维态势可视化

二维态势可视化基于全军通用军事地理信息系统基础平台来开发，通过初始化图形系统，创建一个图形显示工作站接口对象；打开图形显示工作站，获取图形显示工作站ID，初始化标绘动态连接库；设置地图背景，获取地图接口指针、地图显示控制接口指针、选择的地图图层数、选择的地图图层名称；设置地图类型、地图比例尺、地图名称或map文件全路径名；确定要打开地图的地图类型、比例尺、地理范围和图层信息；设置动目标的大小、展开方式、显示批号、轨迹单位和长度；根据三维态势部署的我军装备，通过读取数据库信息同步到二维态势图上（可显示探测范围和火力范围）；根据融合处理的信息展现战场态势；地图重画刷新等。二维态势以军标形式显示实体，在二维地图上显示战场环境、部署位置、武器实时状态、威力范围，空中目标、运动轨迹及属性等。可通过放大、缩小、漫游等方式操控地图，二维态势可视化示意图如图3所示。

图3 二维态势可视化示意图

二维表达和可视化手段已经比较成熟［3］，在指挥控制实际应用中已经非常广泛，具体细节在此不再赘述，下面针对三维态势重点进行阐述。

3 三维态势

三维视景选用Virspace平台，可以利用卫星图、航拍照片图、高程数据、矢量数据，生成地形，进行图形图像、特效的渲染和仿真，创新性的支持点云技术，能够加载点云数据，实现快速构建地形地貌。以虚拟战场的数据组织与调度为中心，采用先进的计算机通信、图形图像等技术，模拟高度逼真的地理环境、气象环境、作战实体的外部特征，以及武器发射的特殊效果，并能够精确地输出目标方位、速度等数据。

核心阵地三维视景主要负责阵地装备辅助部署，三维虚拟环境的构建和渲染，装备与目标实体建模，对象管理，视点控制，声音仿真等。

3.1 辅助部署

以三维可视化方式辅助完成阵地部署作业，为阵地直观地部署探测设备和各类武器提供可视化辅助显示，通过分布式布局，可以对探测设备和各类武器的部署进行人工调整，合理配系，以最小的资源实现无盲区探测和拦截（火力圈，探测圈、交叠区颜色等进行光电探测威力覆盖检查，拦截威力覆盖检查，射界冲突检测），示意图如下页图4所示。

图4 装备部署界面效果图

3.2 装备与目标建模

根据实体的实际尺寸和照片对实体进行建模模拟，以逼真地反映实体的外观特性。对设备、武器装备和目标进行建模与仿真，包括动力学、探测距离、火力范围、光学与电磁特性等性能的仿真，对于探测到的未识别的飞行目标，统一创建为未知飞行实体，实体效果示意图如图5所示。

图5 实体模型效果示意图

3.3 虚拟环境

包括气象与地理，以及电磁环境等效果模拟，之间的关系如图6所示，虚拟地理环境是构建整个虚拟战场环境的基础，虚拟气象环境和虚拟电磁环境依托虚拟地理环境发生作用。

图6 虚拟战场环境之间的关系

虚拟地理环境主要包括地形、二维实体、三维实体，气象环境影响地理环境，雨雪天、晴天和雾霾对探测装备有影响；气象环境限制着电磁波的传递效果与干扰，地理环境影响电子设施的分布，对电磁环境影响很大。

重点区域对植被、建筑和水文进行独立建模，逼真的展示仿真区域地形地貌，地理环境和水文模拟效果，示意图如图7所示。

虚拟气象模拟用来构建核心阵地的复杂气象环境，主要构建阴晴、气温、风、雨、雪、雾等常见的且具有重要影响的天气现象，其组成如图8所示。

使用动态光照技术，对不同时刻的气象环境效果进行模拟，如图9所示；使用粒子系统对环境中的片云以及体积云效果进行模拟，云密度、高度和云密度根据需要可以进行调节；使用粒子系统来模拟环境中的雨、雪效果，使用渲染引擎中的粒子系统，将雨、雪效果处理成粒子特效；使用GPU编程技术实现雾（霾）的效果，物体受到的雾化浓度和物体与视点之间的距离成正比关系，通过在GPU渲染阶段逐像素检测每个像素点距离视点的距离，结合雾化公式，实现全场景雾化效果，雾效果也可以用来模拟能见度。

图7 地形地貌和水文效果示意图

图8 虚拟气象模拟模块组成图

图9 虚拟气象效果示意图

虚拟电磁环境主要仿真对核心阵地的探测拦截装备效能有影响的电磁环境，具有对短波、超短波、微波波段、光学波段等设备的电磁干扰和对抗可视化功能。

3.4 对象管理模块

为实体对象的维护者，提供三维模型对象的创建、查找、销毁等接口。当从控制台仿真节点或者人机接口得到创建的实体类型、名称指令后，对象管理器将创建一个实例化的实体对象，并在对象管理器中注册，同时根据对象的类型为实体装配组件，如为导弹、飞机加上尾迹特效。

3.5 视点控制模块

提供多种观察模式（多视点、多视向、多视界、多视态）来控制视点，实现三维战场环境中任意视点和视角的三维显示。提供目标跟踪、自由视角和全景显示3种控制方式。通常采用目标跟踪显示方式，即通过实时目标数据或专用操控键盘来灵活驱动控制场景的变化。

3.6 声音仿真

声音仿真通过专业的引擎OpenAL来实现，主要的功能是在来源物体、音效缓冲和收听者中编码；来源物体包含一个指向缓冲区的指标、声音的强度、位置及全部声音的整体增益。仿真的战场声源包括报警器声、开火声音、爆炸声音、下雨声音、风的声音等。

核心阵地三维视景可以更好地辅助指挥员完成阵地部署作业，三维态势在真实的三维空间中显示出具有物理景深的三维立体图像，以提供立体视觉效果，高度逼真地模拟现实中的各类场景、声效和行为，真实地显示现实环境，作为核心阵地重要的显示平台，极大地丰富了空间环境的表现，为作战指挥员提供形象、逼真、可度量、可分析的战场环境，提升了核心阵地作战指挥员的空间环境感知能力，与二维态势结合使用大大提升作战效率。

4 数据库设计

针对核心阵地构建的数据库，要遵循一体化标准，提供系统所需的数据，主要包括作战基础数据库（我情库）、情报综合数据库（敌情库）和战场环境数据库（环境库），如图10所示，二三维态势联动依托实时读取数据库获取信息，结合时间戳在各自的态势图上完成态势联动并进行不同模式的态势展现。

图10 数据库组成图

4.1 作战基础数据库

根据作战使用需求进行必要的扩充和细化，建立以作战力量、武器装备和物资器材为主要内容的核心阵地作战基础数据库，实现数据的采集与更新，为指挥所和作战单元提供我情数据共享支持。核心阵地作战基础数据库的主要内容。

1）作战力量：包括阵地探测设备、武器装备情况、物资器材等情况。2）指挥控制：包括作战方案（计划）、指定搜索区域等基本情况。3）空情信息：包括阵地航空管制等基本情况。4）综合保障：包括后勤和装备保障体系，给养、物资、装备技术保障等基本情况。5）文书库：包括拟制各种类型文书所需的模板库、拟制的文书及文书收发管理的信息。6）部署及状态数据库：描述核心阵地作战力量的部署、行为及状态信息。7）战损/战果数据库：描述防范作战过程中物资消耗情况及击伤、击毙、击毁缴获目标等情况。8）实时空情数据库：描述空情活动信息，包括运动轨迹和预测轨迹数据等。

4.2 情报综合数据库

根据作战使用需求进行必要的细化和扩充，制定核心阵地情报综合数据库，实现以探测告警、动向情报、态势情报、威胁目标、作战预案为主要内容的情报综合数据库。核心阵地情报综合数据库的主要内容：1）探测告警：描述探测的威胁目标属性信息。2）动向情报：描述当前运动状态轨迹和预测未来轨迹。3）战场态势：以情报动态和实时目标融合结果为主线，描述目标涉及到的情报动态、目标的性能参数等情况。

4.3 战场环境数据库

战场环境数据库的主要内容包括：军事地理、气象水文、电磁环境等基本情况。

5 结论

态势可视化在未来作战指挥自动化系统和军事训练模拟系统中扮演着重要角色［4］，可以准确实时表现核心阵地态势信息，充分发挥作战指挥员的视觉来获取防范信息。二维态势与三维态势实时联动的态势可视化技术，集抽象、具体为一体，从不同角度、不同层面上描绘同一防范阵地空间信息，既有效解决了复杂地形武器部署的难题，又很好地把握了态势全局和空间环境感知等，为核心阵地作战指挥员提供了更灵活的使用方式和更完善、更逼真的信息展现，从而大大提升作战效率。