高 穎，張超琦，段鵬亮，郭淑霞，汪立萍

（1.西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，陜西 西安710072；2.西北工業(yè)大學(xué)無人機(jī)特種技術(shù)國防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710065；3.中國航天科工集團(tuán)8511研究所，江蘇 南京210007）

0 引言

電磁態(tài)勢(shì)生成的核心就是將復(fù)雜抽象的戰(zhàn)場電磁空間特征進(jìn)行可視化，為作戰(zhàn)指揮人員提供當(dāng)前電磁環(huán)境狀態(tài)和趨勢(shì)的知識(shí)，為下一步作出判斷和決策提供支撐[1]。目前國內(nèi)外對(duì)電磁態(tài)勢(shì)生成都做了大量的研究，但是其相應(yīng)研究比較分散化，主要集中于輻射源識(shí)別[2]、雷達(dá)探測(cè)范圍可視化[3]、電磁環(huán)境可視化[4]、電磁環(huán)境威脅評(píng)估[5]等幾個(gè)方面。這些手段大多基于電磁態(tài)勢(shì)生成中某個(gè)子部分，以致于無法完全展示電磁態(tài)勢(shì)在時(shí)域、頻域、空域、能量域的要素與特點(diǎn)，且形成的電磁態(tài)勢(shì)生成系統(tǒng)擴(kuò)展性不強(qiáng)，可重用性不高等。同時(shí)如何將各電磁態(tài)勢(shì)信息連貫起來并保持電磁態(tài)勢(shì)生成的時(shí)空一致性[6]，為作戰(zhàn)人員提供有效的、直觀可視的聯(lián)合電磁態(tài)勢(shì)信息，也是目前亟待解決的一個(gè)問題[7]。

考慮到電磁態(tài)勢(shì)生成研究的分散性，且未與真實(shí)戰(zhàn)場環(huán)境結(jié)合，無法整體表現(xiàn)在各個(gè)域等問題。本文提出一種基于GIS的電磁態(tài)勢(shì)生成系統(tǒng)架構(gòu)，將各個(gè)分散的電磁態(tài)勢(shì)生成模塊與GIS中的地理環(huán)境結(jié)合，以組件形式集成在系統(tǒng)平臺(tái)上[8]。考慮到如何將保持組件的電磁態(tài)勢(shì)信息連貫性和電磁態(tài)勢(shì)生成的時(shí)空一致性問題，提出一種時(shí)間軸腳本的電磁態(tài)勢(shì)生成方法，將各個(gè)組件中按事件類型轉(zhuǎn)換成腳本文字語言，在腳本編輯器中利用腳本文字語言按時(shí)間軸編輯電磁態(tài)勢(shì)生成過程情節(jié)，最后利用腳本執(zhí)行器調(diào)用電磁態(tài)勢(shì)生成腳本，使得地理空間電磁態(tài)勢(shì)生成和腳本時(shí)間軸相一致，從而為作戰(zhàn)指揮人員呈現(xiàn)豐富直觀且方便理解的電磁態(tài)勢(shì)表現(xiàn)形式。

1 基于GIS的電磁態(tài)勢(shì)生成體系架構(gòu)

脫離真實(shí)地理環(huán)境的電磁態(tài)勢(shì)生成是缺乏表現(xiàn)力和說服力的。本文采取與地理信息系統(tǒng)中真實(shí)場景相結(jié)合的方式，提出一種基于地理信息系統(tǒng)的電磁態(tài)勢(shì)生成體系架構(gòu)，該體系架構(gòu)分為數(shù)據(jù)資源層、業(yè)務(wù)邏輯控制層、表現(xiàn)層3層，如圖1所示。數(shù)據(jù)資源層包含存儲(chǔ)各類數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫和標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)接口，業(yè)務(wù)邏輯控制層包含地理信息系統(tǒng)引擎層和電磁態(tài)勢(shì)生成層，表現(xiàn)層包含人機(jī)交互界面。建立各層次之間的數(shù)據(jù)傳遞方式，并將各個(gè)不同功能的電磁態(tài)勢(shì)生成研究以組件形式開發(fā)，形成一個(gè)具有良好開放性、可擴(kuò)展性、資源重用性好的電磁態(tài)勢(shì)生成系統(tǒng)。

1.1 數(shù)據(jù)資源層

電磁態(tài)勢(shì)生成體系架構(gòu)的底層為數(shù)據(jù)資源層，包含系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫和標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)接口，如圖2所示，目前主要有地理信息接口、三維模型接口、氣象數(shù)據(jù)接口、標(biāo)繪數(shù)據(jù)接口、場景配置接口、電磁數(shù)據(jù)接口等。其中地理信息系統(tǒng)地理信息數(shù)據(jù)包含高精度的地形高程數(shù)據(jù)、高分辨率衛(wèi)星遙感圖片；三維模型庫中的模型由三維建模軟件Multigen Creator建模，包含地表建筑模型和參戰(zhàn)武器裝備模型，其中參戰(zhàn)武器裝備模型包括戰(zhàn)場環(huán)境中紅藍(lán)雙方各參戰(zhàn)武器裝備，如無人機(jī)、雷達(dá)、導(dǎo)航通訊車等。

氣象環(huán)境庫中的氣象環(huán)境數(shù)據(jù)用于可視化表征天氣環(huán)境和計(jì)算氣象環(huán)境對(duì)電磁傳播的影響；標(biāo)繪庫包含二維圖片軍標(biāo)數(shù)據(jù)和三維圖形資源數(shù)據(jù)。場景配置數(shù)據(jù)庫包括場景部署數(shù)據(jù)、環(huán)境部署數(shù)據(jù)和參戰(zhàn)單元配置數(shù)據(jù)；電磁數(shù)據(jù)庫包括電磁輻射源數(shù)據(jù)，還有典型環(huán)境下電磁場仿真數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)偵測(cè)電磁信號(hào)數(shù)據(jù)。根據(jù)范式規(guī)則創(chuàng)建數(shù)據(jù)表和建立表與表之間的聯(lián)系來形成一套標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)庫，一個(gè)靈活性高的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)庫是電磁態(tài)勢(shì)生成的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)資源層具備良好的可擴(kuò)展性，可根據(jù)后續(xù)進(jìn)一步的研究對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)充。

圖1 電磁態(tài)勢(shì)生成體系架構(gòu)

1.2 業(yè)務(wù)邏輯控制層

電磁態(tài)勢(shì)生成是指從利用基本的地理信息數(shù)據(jù)和戰(zhàn)場想定環(huán)境，到計(jì)算電磁環(huán)境數(shù)據(jù)，再到形成電磁態(tài)勢(shì)這一過程中涉及到的可視化表征。其最關(guān)鍵的是業(yè)務(wù)邏輯控制層。業(yè)務(wù)邏輯控制層包含地理信息系統(tǒng)引擎層和電磁態(tài)勢(shì)生成層。地理信息引擎層作為電磁態(tài)勢(shì)生成層的核心支撐，如圖3所示，其包括三維地球加載渲染、三維地形數(shù)據(jù)管理調(diào)度、三維模型加載和管理、空間漫游控制、地理信息數(shù)據(jù)分析等。對(duì)三維仿真渲染相關(guān)功能函數(shù)進(jìn)行封裝，使上層電磁態(tài)勢(shì)可視化相關(guān)的開發(fā)人員不用再考慮底層復(fù)雜的地理三維信息相關(guān)的問題，在與地理環(huán)境結(jié)合時(shí)調(diào)用預(yù)留的API即可。

圖2 數(shù)據(jù)資源層

為了使電磁態(tài)勢(shì)可視化與地理信息系統(tǒng)相結(jié)合，電磁態(tài)勢(shì)生成層通過接入地理信息引擎層來實(shí)現(xiàn)對(duì)不同的電磁態(tài)勢(shì)信息可視化。電磁態(tài)勢(shì)生成模塊采用組件式開發(fā)形式，將每個(gè)電磁態(tài)勢(shì)生成模塊封裝成*.dll（動(dòng)態(tài)鏈接庫）。如圖4所示，將不同的電磁態(tài)勢(shì)生成組件利用分層的形式展現(xiàn)電磁態(tài)勢(shì)。主要分為電磁環(huán)境基礎(chǔ)要素態(tài)勢(shì)、電磁環(huán)境輔助態(tài)勢(shì)、電磁環(huán)境數(shù)據(jù)態(tài)勢(shì)、電磁行為威脅態(tài)勢(shì)。電磁環(huán)境基礎(chǔ)要素態(tài)勢(shì)主要包含地形場景繪制、氣象天氣繪制、建筑設(shè)施模型繪制、電磁裝備模型繪制；電磁環(huán)境輔助態(tài)勢(shì)主要包括二、三維軍標(biāo)繪制、文字標(biāo)記繪制、符號(hào)標(biāo)記繪制、矢量圖形繪制；電磁環(huán)境數(shù)據(jù)態(tài)勢(shì)主要包含傳播衰減可視化、電磁云圖可視化、雷達(dá)探測(cè)范圍可視化、實(shí)測(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)可視化、天線數(shù)據(jù)可視化；電磁行為威脅態(tài)勢(shì)主要包含裝備平臺(tái)路徑繪制、通信數(shù)據(jù)鏈繪制、壓制干擾繪制、偵查信號(hào)波速繪制、輻射源可視化等。

圖3 地理信息系統(tǒng)引擎層

圖4 電磁態(tài)勢(shì)生成基本組件

1.3 表現(xiàn)層

表現(xiàn)層為作戰(zhàn)指揮人員提供良好的人機(jī)交互，包括電磁態(tài)勢(shì)生成系統(tǒng)整體界面框架，各部分組件功能模塊的菜單設(shè)計(jì)等。作戰(zhàn)人員通過人機(jī)界面交互，主要以按鈕、參數(shù)控制、鼠標(biāo)在三維地形場景中選點(diǎn)、鼠標(biāo)滾輪的方式發(fā)送請(qǐng)求消息來調(diào)用各模塊的業(yè)務(wù)邏輯層，從而在系統(tǒng)界面對(duì)請(qǐng)求的消息做出可視化響應(yīng)，如圖5所示，電磁態(tài)勢(shì)表現(xiàn)層的界面分為各組件功能窗口界面和三維地形場景界面2類。各組件窗口界面通過參數(shù)輸入、按鈕控制和鼠標(biāo)在地形場景選點(diǎn)3類消息指令傳遞給業(yè)務(wù)邏輯控制層，業(yè)務(wù)邏輯控制層再通過訪問數(shù)據(jù)資源層獲取相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，最后將消息響應(yīng)給窗口或者三維地形場景。在三維地形場景界面中則通過鼠標(biāo)滾輪和鼠標(biāo)移動(dòng)的消息指令實(shí)現(xiàn)對(duì)三維地形場景放大、縮小和視點(diǎn)變換功能。

圖5 表現(xiàn)層工作流程

2 基于時(shí)間軸腳本的電磁態(tài)勢(shì)生成方法

電磁態(tài)勢(shì)生成系統(tǒng)各個(gè)獨(dú)立的組件所展現(xiàn)的電磁態(tài)勢(shì)層級(jí)不同、表達(dá)方式不同、作用范圍不同等，如何擺脫單一的電磁態(tài)勢(shì)生成，將各個(gè)電磁態(tài)勢(shì)生成組件的信息串聯(lián)起來，以及如何保持電磁態(tài)勢(shì)生成時(shí)間和電磁態(tài)勢(shì)與空間配準(zhǔn)的一致性，形成一個(gè)動(dòng)態(tài)直觀、層次清晰、時(shí)空一致性的電磁態(tài)勢(shì)生成過程。本文提出一種基于時(shí)間軸腳本的電磁態(tài)勢(shì)生成方法，通過時(shí)間序列配準(zhǔn)的方式來控制各個(gè)電磁態(tài)勢(shì)生成組件的觸發(fā)順序。

本文設(shè)計(jì)了腳本編輯組件來使各個(gè)電磁態(tài)勢(shì)生成組件的信息形成時(shí)空一致性和連貫的電磁態(tài)勢(shì)生成過程。該組件包含事件類型設(shè)計(jì)、腳本編輯器和腳本執(zhí)行器3個(gè)部分。各個(gè)獨(dú)立的電磁態(tài)勢(shì)生成組件可拆分成一個(gè)或多個(gè)事件類型，如圖6所示，以雷達(dá)探測(cè)范圍可視化組件為例，將其拆分成探測(cè)范圍顯示隱藏和添加干擾機(jī)2個(gè)事件類型，每個(gè)事件類型用腳本文字表示，再設(shè)計(jì)觸發(fā)事件類型對(duì)應(yīng)的事件參數(shù)，一個(gè)文本文字與對(duì)應(yīng)的事件參數(shù)綁定在腳本執(zhí)行器中可觸發(fā)該事件執(zhí)行。通過上述方式可將系統(tǒng)所有的電磁態(tài)勢(shì)生成組件轉(zhuǎn)化為文本文字來表示。

圖6 態(tài)勢(shì)生成組件轉(zhuǎn)化為腳本文字語言

在將電磁態(tài)勢(shì)生成組件用腳本語言描述后，可利用腳本語言來設(shè)計(jì)電磁態(tài)勢(shì)生成過程腳本?；跁r(shí)間軸的電磁態(tài)勢(shì)生成過程如圖7所示。在完成事件類型設(shè)計(jì)后，將每個(gè)事件的文本文字按照順序依次放入腳本編輯器，并在腳本編輯器中設(shè)置每個(gè)事件的執(zhí)行開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，形成一個(gè)電磁態(tài)勢(shì)生成腳本后，利用腳本執(zhí)行器中的腳本翻譯器將態(tài)勢(shì)生成腳本中的文本文字按時(shí)間軸翻譯成一條條系統(tǒng)可識(shí)別的腳本指令，每條腳本指令可觸發(fā)對(duì)應(yīng)電磁態(tài)勢(shì)生成組件中的事件執(zhí)行，事件執(zhí)行過程中事件參數(shù)的地理坐標(biāo)保證電磁態(tài)勢(shì)與確定的地理空間配準(zhǔn)。該組件同時(shí)具備良好的可擴(kuò)展性，當(dāng)有新的電磁態(tài)勢(shì)生成組件集成于系統(tǒng)上時(shí)，可將該組件轉(zhuǎn)換成腳本文字語言描述。

圖7 基于時(shí)間軸腳本與電磁態(tài)勢(shì)生成過程的對(duì)應(yīng)

時(shí)間軸腳本組件中的事件類型設(shè)計(jì)將各個(gè)獨(dú)立的電磁態(tài)勢(shì)生成組件轉(zhuǎn)換成腳本語言描述，通過腳本編輯器設(shè)計(jì)電磁態(tài)勢(shì)生成情節(jié)，將各個(gè)電磁態(tài)勢(shì)生成信息在腳本編輯器中串聯(lián)起來，形成一個(gè)總體電磁態(tài)勢(shì)生成時(shí)間軸腳本，最后利用腳本執(zhí)行器中的腳本翻譯器將電磁態(tài)勢(shì)生成腳本按時(shí)間軸進(jìn)行翻譯執(zhí)行，執(zhí)行過程中與分別對(duì)應(yīng)的地理空間配準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)電磁態(tài)勢(shì)生成的時(shí)空一致性?；跁r(shí)間軸腳本的電磁態(tài)勢(shì)生成方法擺脫了單一電磁態(tài)勢(shì)生成過程，它能將各種不同的電磁態(tài)勢(shì)生成組件利用腳本文字語言描述，利用時(shí)間軸將各組件的電磁態(tài)勢(shì)信息串聯(lián)起來并與地理空間配準(zhǔn)，最終形成一個(gè)動(dòng)態(tài)直觀、內(nèi)容豐富、表述清晰、時(shí)空一致性的電磁態(tài)勢(shì)生成過程。

3 電磁態(tài)勢(shì)生成系統(tǒng)

利用上述系統(tǒng)架構(gòu)和方法形成了一個(gè)完整的電磁態(tài)勢(shì)生成系統(tǒng)，所有分散的電磁態(tài)勢(shì)生成研究都能以組件形式集成于此，與三維地理環(huán)境相結(jié)合，利用時(shí)間軸電磁態(tài)勢(shì)生成方式設(shè)計(jì)電磁態(tài)勢(shì)生成具體情境，從而為作戰(zhàn)人員呈現(xiàn)從局部到全局過程化的電磁態(tài)勢(shì)信息。下面將給出電磁態(tài)勢(shì)生成系統(tǒng)中部分局部電磁態(tài)勢(shì)和全局電磁態(tài)勢(shì)生成效果。

3.1 局部電磁態(tài)勢(shì)生成

本文給出部分電磁態(tài)勢(shì)生成系統(tǒng)中局部電磁態(tài)勢(shì)生成效果，如圖8所示，雷達(dá)探測(cè)范圍態(tài)勢(shì)生成組件將機(jī)載雷達(dá)受不同方位和不同用頻性能的干擾機(jī)干擾情況下探測(cè)范圍態(tài)勢(shì)生成效果。圖8（a）為某一時(shí)刻機(jī)載雷達(dá)受到來自30°方位的干擾機(jī)干擾的雷達(dá)探測(cè)范圍，圖8（b）為某另一時(shí)刻機(jī)載雷達(dá)受到來自30°和120°2個(gè)方位的2臺(tái)干擾機(jī)干擾的雷達(dá)探測(cè)范圍。

圖8 機(jī)載雷達(dá)探測(cè)范圍態(tài)勢(shì)生成

如圖9所示，展示的是該系統(tǒng)中裝機(jī)天線態(tài)勢(shì)生成效果，利用天線仿真數(shù)據(jù)與實(shí)際場景相結(jié)合，展現(xiàn)無人機(jī)受威脅程度的變化，圖9（a）為某一時(shí)刻無人機(jī)未受到用頻設(shè)備干擾態(tài)勢(shì)生成效果，圖9（b）為無人機(jī)某另一時(shí)刻受到用頻設(shè)備干擾的態(tài)勢(shì)生成效果。

圖9 無人機(jī)裝機(jī)天線態(tài)勢(shì)生成

3.2 全局電磁態(tài)勢(shì)生成

在電磁態(tài)勢(shì)生成過程中，在完成局部電磁態(tài)勢(shì)生成后，通過相應(yīng)計(jì)算最終會(huì)形成一個(gè)全局的電磁態(tài)勢(shì)圖，如圖10所示，展示的是某個(gè)區(qū)域全局范圍內(nèi)的輻射源態(tài)勢(shì)生成信息，圖10（a）為某一時(shí)刻的某一地理空間三輻射源電磁態(tài)勢(shì)，圖10（b）為某另一時(shí)刻的某另一地理空間的四輻射源電磁態(tài)勢(shì)。

圖10 全局范圍輻射源態(tài)勢(shì)生成

4 結(jié)束語

基于GIS的電磁態(tài)勢(shì)生成系統(tǒng)與三維地理環(huán)境結(jié)合，并利用組件式開發(fā)方法將各個(gè)電磁態(tài)勢(shì)生成組件集成在一個(gè)系統(tǒng)之上，提高了電磁態(tài)勢(shì)生成系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可重用性。利用時(shí)間軸腳本的電磁態(tài)勢(shì)生成方法控制各個(gè)電磁態(tài)勢(shì)生成組件的觸發(fā)，將各個(gè)態(tài)勢(shì)生成組件的電磁態(tài)勢(shì)信息串聯(lián)起來，形成一個(gè)整體動(dòng)態(tài)的電磁態(tài)勢(shì)生成故事情節(jié)，按照時(shí)間軸與各電磁態(tài)勢(shì)生成配準(zhǔn)，同時(shí)各電磁態(tài)勢(shì)與對(duì)應(yīng)的地理空間配準(zhǔn)生成地理空間上，可清晰地展現(xiàn)局部到全局整個(gè)過程動(dòng)態(tài)的、時(shí)空一致性的電磁態(tài)勢(shì)信息。展示結(jié)果表明，該電磁態(tài)勢(shì)生成系統(tǒng)具備展示動(dòng)態(tài)逼真電磁態(tài)勢(shì)的能力，并能直觀地反映出電磁態(tài)勢(shì)的變化，支持作戰(zhàn)人員在三維戰(zhàn)場環(huán)境中規(guī)劃作戰(zhàn)計(jì)劃，完成任務(wù)部署。