Cesium在武器系统作战演示中的应用

杨玉婷 高 鑫 袁韵洁

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

随着军事作战能力的提升，作战模式已从单一武器作战演变为武器系统的协同作战，空间范围也不再局限于陆地，空中和海面的拓展使战场逐渐成为立体化的形态[1-2]。范围的扩大使本就瞬息万变的战场信息变得更加复杂，传统的单一信息展示已不能全面反映实际战场，多维度的态势演示是未来的发展方向。

结合实际作战情况，作战演示系统一般需提供地图显示控制、战场态势信息显示、空情目标信息显示等功能。Cesium是一种GIS(geo information system地理信息系统)平台，可直观显示态势信息、空情信息等，能够动态展示战场变化，将从战场中实时获得的数据以图形化的方式展示出来。本文首先概述了Cesium平台的特点及场景，然后对Cesium平台涉及的三种数据进行分析，最后对Cesium在武器系统作战演示中的两类典型应用进行介绍。

1 Cesium概述

Cesium是一个基于JavaScript语言的开源三维地理信息库，无需额外安装插件即可在支持html5的浏览器上运行。Cesium具有成本低、支持多种数据可视化方法、跨平台、计算精度高等优势；基于WebGL底层框架进行开发，并在WebGL的基础上做了许多算法优化，能够更加流畅地海量加载三维模型数据与全球的遥感影像数据和地形数据[3]。相比于其他GIS平台，Cesium真正实现了二、三维一体化，支持2D平面地图、2.5D哥伦布地图、3D三维地图的场景切换，图1展示了三种不同场景，通过右上角的地图模式切换选项，即可在三种场景间任意切换。

图1 Cesium场景

此外对于开发者来说，Cesium有详细的API文档，对其属性、方法等进行了说明，还提供了Sandcastle沙盒代码库，可在沙盒中运行测试程序，提高了开发效率。Cesium可用于与GIS相关的各行业，如建筑、水文、城市规划等，Chaturvedi K在Cesium上加载3D城市模型，用于指导城市建设[4]，Meersbergen M V利用Cesium实现了水文预报数据集的可视化[5]，目前Cesium在武器系统作战演示方向的应用鲜有提及。

2 Cesium平台数据

在武器系统作战演示应用中，Cesium作为地理信息平台，能够将实时态势信息等展示在地图上。这其中涉及到地图数据、模型数据以及作战演示数据，下面就三类数据的来源以及加载方式进行详细介绍。

2.1 地图数据

Cesium可加载天地图、Arcgis等在线地图，也支持瓦片地图模式。作战演示软件应用于武器系统局域网内，没有网络环境无法读取在线数据，因此瓦片地图模式是最佳选择。瓦片地图技术的原理是将一定坐标范围内的地图，按照固定的若干个比例尺(瓦片级别)和指定图片尺寸，切成若干行及列的正方形图片，并按一定的命名规则保存到目录系统中[6]。

图2显示了瓦片地图的划分，可以看出下一级瓦片是在上一级瓦片基础上进行了一分四划分，即四叉树划分法，由此可知随着瓦片级别的增多，地图的分辨率会越来越高。在读取地图数据时根据不同的瓦片级别将瓦片图片进行拼接，即可实现地图加载服务。

图2 瓦片地图划分示例

图3是瓦片地图加载代码，该段代码可完成瓦片地图的加载，其中imageryProvider中的url子项是瓦片地图在本地的存储地址，其余项是地图显示特性的描述，加载后的地图可实现移动、放大、缩小操作。

图3 瓦片地图加载代码

2.2 模型数据

武器系统作战态势信息中包含各类装备、飞行导弹、空情目标、环境建筑物等，在演示时需采用不同的模型与其一一对应。对于2D平面地图场景来说，可直接采用图片文件，支持jpg、png、ico等格式。对于3D三维地图场景来说，Cesium支持gltf和bgltf两种格式[7]。gltf是一种交换格式，用于在互联网或者移动设备上展现3D内容，bgltf是gltf二进制格式的扩展。Cesium中提供了多种3D模型参考，包括飞机、越野车、人物等，除自带的3D模型外还可自定义设计3D模型。对于常见的obj、3ds、fbx等模型格式，可先通过3dmax转换为dae格式，再通过dae转gltf工具转换为gltf格式应用于Cesium中。

图4是模型对象的加载代码，在创建模型时可对其位置、方向(包括偏航角、俯仰角、翻滚角)、像素等进行设置。创建后的模型可随地图的移动而移动，地图在一定缩放范围内改变时，模型保持一定的尺度不变。

图4 模型对象加载代码

2.3 作战演示数据

作战演示数据来源于武器系统、监视测量设备、人工情报等，如来自武器指挥控制系统的导弹发射指令、来自雷达车的空情目标信息、来自光电经纬仪的追踪数据等。作战演示数据具有来源多且格式不同的特点，如采用逐比特读取的方式会降低作战演示系统的兼容性，每适配一种武器系统则需更改一次数据接口。

以空情目标为例，在演示中需要获取其类型、批号、速度、空间位置信息，不同的武器系统均需提供这四类信息给作战演示系统。因此可在武器系统与作战演示系统之间增加一个数据解析模块，设计好数据解析模块与作战演示系统之间的接口，采用数据预处理方式实现作战演示系统对外接口的标准化，提高了作战演示系统的可扩展性。

3 典型应用

作战演示系统最核心的功能是战场态势显示，除此外在Cesium中还可以实现作战前规划布局功能。

3.1 态势显示

作战演示系统能够显示并动态更新战场中的态势信息，以实际卫星地图为背景(二维或三维场景)，真实直观地演示战场中的各种变化。以空情信息为例，来说明态势显示过程(数据解析模块与作战演示系统之间通过MQTT协议[8]通信为例，具体通信方式可根据需求确定)。

图5是态势显示过程流程图，基于Cesium的作战演示系统首先将进行系统初始化配置，设置好接收端口、服务器IP地址并连接到MQTT服务器上；然后订阅空情信息主题，完成空情消息订阅；之后有空情消息到达时，将解析空情信息，得到空情种类、经纬度、高度、速度、批号，判断该批号是否已经存在，若存在则更新模型信息，若不存在则创建该批号模型；最后依据数据完成界面显示更新操作。

图5 态势显示过程流程图

其中空情种类决定了模型的种类；经纬度、高度可确定空情目标位置；速度信息可决定空情行进的方向；批号作为目标实体的id，用于区分不同的空情目标，当空情目标需要更新时，找到对应的目标实体是至关重要的一步，此时id就是其唯一的标识。

图6是二维空情信息显示，视图内共有三架飞机。图7是三维态势显示，视图内有两架飞机，一辆战车，在Cesium中直观地展示了相互之间的态势关系。随着作战数据的更新，地图中的模型会产生相应的动态变化来演示真实场景。

图6 二维态势显示

图7 三维态势显示

3.2 战前规划布局

3.2.1 获取作战区域

在武器系统作战前，指挥人员可根据获取的装备位置信息以及其他人工情报等，对作战区域做一整体规划布局。如在某作战演示系统中，作战前已知导弹发射车位置和目标靶机的相关人工情报信息(目标距离、进入方位、类型等)，通过模型数据加载的方式可在地图的相应位置添加发射车、目标靶机并绘制出作战覆盖区域。图8的灰色矩形即是根据已知信息计算生成的作战区域，通过放大该区域读取高级别的瓦片地图，即可清晰地看到实际的作战区域。若已知作战区域的边界坐标，也可通过直接装订的方式在地图上绘制出作战区域。

图8 作战区域生成

3.2.2 监视测量装备坐标选取

监视测量装备是武器系统作战中必不可少的，覆盖范围是该类设备的重要指标之一。如何根据作战配置合理放置监视测量装备是指挥人员在作战前需要着重考虑的问题，若放置不合理，则可能出现监视测量盲区。Cesium可提供监视区域预览效果，并能够反馈放置点坐标位置。

在Cesium中可通过点选地图的方式获取该点的经纬度坐标，如图9所示，通过点选地图操作，在点击处添加雷达一台，图中圆心处黑色圆点指代雷达设备，灰色区域代表该设备的覆盖范围，同时将得到该点经纬度坐标为(105.542300,38.753265)，可作为雷达放置点参考。

图9 监视测量装备坐标获取

以上两种应用背后的原理均是Cesium灵活的坐标转换机制，对于获取作战区域来说，Cesium支持WGS84经纬度坐标的直接读取，图4中的Position一项即可直接获取经纬度坐标，在地图中对应位置添加模型。对于监视测量装备坐标选取来说，通过获取鼠标点击位置，得到屏幕坐标，然后将其转换为笛卡尔空间直角坐标系，最后再转换为地理坐标，得到点击处的经纬度值，转换代码如图10所示。

图10 屏幕位置转换为经纬度坐标代码

4 结束语

战场环境复杂多变，作战演示系统需要实时显示战场态势。Cesium作为一种可加载离线瓦片地图的开源地理信息库，可为作战演示系统提供一个良好的显示平台。本文介绍了Cesium的优势及场景，分析了Cesium平台涉及的地图数据、模型数据和作战演示数据，详细介绍了态势显示和战前规划布局两种典型应用。Cesium二、三维一体化的体制使实时态势消息可以更好的呈现，灵活的坐标转换使实际位置和地图点完美呼应，Cesium在武器系统作战演示方向有很好的应用潜力。