面向对抗的天基信息特征可视化方法研究*

2020-12-02

舰船电子工程 2020年10期

（中国人民解放军战略支援部队航天工程大学北京 101416）

1 引言

通过星间、星地链路连接在一起的不同轨道、种类的卫星、星座及相应空中、地面设施组成天基信息网络，对天基信息网络的组成要素及其特征进行可视化表达有助于在航天任务中了解和掌握空间态势。

潘忠石等[1]分析了卫星网络运行环境、覆盖和数据包传输、网络参数等天基信息可视化要素；李娜娜等[2]设计了卫星网络可视化方案，其可视化要素包括地球、实体、网络和统计数据图表。在典型天基信息要素可视化技术方面，贺欢[3]针对空间环境可视化技术进行了深入研究，文献[4]探讨了全球地形实时绘制技术，汪荣峰[5]对天基信息节点的绘制技术进行了研究，刘海洋等[6]研究了空间链路的可视化方法，刘立娜等[7]研究了测控范围及链路的可视化方法。此外，在电磁环境可视化方面的诸多研究成果[8～9]都对天基信息特征可视化具有重要的借鉴意义。

现有研究并未系统梳理天基信息特征可视化需求和手段，尤其是未考虑对抗因素的影响，如美军太空作战条令[10]将信息对抗分为削弱、干扰等多个等级。本文针对航天任务中指挥控制和对抗的要求，系统分析和总结需要可视化的信息特征，探讨可供选择的可视化标记与视觉通道，并结合信息传递任务设计实现面向对抗的多维天基信息特征的可视化表达方法。

2 面向指控与对抗的天基信息可视化需求研究

天基信息是通过天基网络进行获取、处理和传输分发的信息，包括遥感、通信和导航定位等信息。航天任务指挥控制过程中，使用者关注信息获取、处理、存储和传递分发等任务的执行情况。现有研究往往以实体模型或几何图元表示网络节点、以直线图元表现链路，相当于仅对网络节点及链路存在性进行了可视化表达；文献[11]针对传感器探测过程，对信息传递的方向性、频率等的可视化表达进行了研究。总体而言，对天基信息特征的可视化需求尚无系统梳理与研究。

针对航天任务指挥控制对信息可视化的需求，定义5种信息任务，梳理出12种需可视化的信息特征，从而得到天基信息特征可视化需求矩阵，如图1所示。图中“√”表示水平方向任务需对垂直方向特征进行可视化，“●”表示仅有较少场合需对该特征进行可视化。

图1 面向指控与对抗的天基信息特征可视化需求矩阵

图1中，信息获取表示测绘、气象、预警等信息的获取；信息传递表示卫星通信、中继、数据回传、指令上注等；信息分发表示利用卫星进行的信息广播，如导航、气象信息；信息处理与存储表示对卫星获取的图像等信号进行的处理和存储。

信息类型是5种任务都需可视化的特征，对于信息获取、处理、存储，信息类型包括可见光图像、红外图像、多光谱图像、雷达图像、电磁信号等；对于信息传递，除上述类型外，还包括通信、中继等类型；对于信息分发，信息类型主要包括气象和导航授时。

存在性特征表示该任务是否处于执行状态，如相机开机、链路建立等，信息获取、传递和分发任务具有该特征；信息方向特征表现信息源和信息流向。

频率具有两类含义：一是绝对频率，如每秒成像次数等视觉可感知的任务执行频率；二是相对频率，指视觉难于感知的任务执行频率，如较长的信息处理周期频率（几小时，频率太低）；频段特征主要用于信息传输，表示所使用的电磁信号频段。

信息容量、数量、存量、增量都用于反映信息数量特征：信息容量表示任务所能容纳的信息总量，对于信息存储任务，信息容量由其存储空间确定，对于信息传递任务，是其带宽和通信路数的表现；信息数量表征任务当前占用或获取的信息数量，如所用通信路数、电磁信号源数量；信息存量和信息增量仅针对信息存储任务，表示已有数据量和增长中的数据量。

信息质量作用于信息获取、处理、传递和分发任务中：在信息获取任务中，信息质量表示图像分辨率、成像质量等；在信息处理任务中，表示信息处理的精度、正确率等；在信息传递任务中，反映误码率等的影响；在信息分发任务中，表现导航定位精度等。

信息对抗广泛存在于天基信息获取、传递和分发任务中，在星上的信息存储和处理任务中少量体现。对抗类型和对抗烈度用于反映任务中对抗的类型和强度：对抗类型表示电子、微波、GPS干扰等不同类型；对抗烈度主要包括削弱、干扰、摧毁等不同程度，或不同的对抗级别。

3 天基信息特征可视化编码

可视化编码是信息可视化的核心内容，是将数据信息映射成可视化元素的技术，包括标记和用于控制标记视觉特征的视觉通道[12]。标记一般是点、线、面等几何图形元素，是数据属性到可视化元素的映射；视觉通道包括位置、大小、形状、方向、色调、饱和度、动画等，是数据值到标记视觉表现属性的映射。

针对第2节提出的12种天基信息特征，设计可用于对其进行可视化表达的标记和视觉通道，如图2所示，前6种为标记，后8种为视觉通道。图中“√”表示可用该列标记（或视觉通道）来表达该行的天基信息特征。

文字可支持所有天基信息特征的可视化。文字有3种典型的应用模式：一是与地理位置无关的独立特征表达，如在场景中开小窗表示信息特征的参数，或统计图表形式；二是伴随表达，附着在信息节点、链路上，或伴随信息获取、处理、分发等任务的关键空间位置显示信息；三是作为几何图形的特殊纹理。

图2 天基信息特征可视化编码映射矩阵

广义上直线属于几何形状的一种，在天基信息特征可视化中，直线主要用于表现信息传递：通过信息节点之间直线的有无表达空间链路的存在性，在直线上加绘箭头表示信息传递的方向性。

几何形状有3种运用方式：一是由载荷作用机理所确定的形状，如测绘信息获取以及气象信息分发，采用简单圆锥、复杂圆锥、矩形等形状表示，此时形状是对信息类型和存在性的可视化表达；二是通过不同的形状表达信息容量和数量特征中的带宽、路数等；三是通过柱形、扇形等对信息容量、数量、增量、存量等数量特征进行可视化表达。

几何生消和几何扰动都属于动画，但导致几何形状的改变，因此归类为标记而非视觉通道。几何生消指通过几何对象的产生、生长和消失来表现信息特征的存在性，也可表达频率，但以此技术表达频率计算量大、实现复杂；几何扰动是按一定规律、尺度改变几何形状，表现任务受到干扰的视觉效果。

统计图表指用各种数据可视化图形、表格对信息特征的数量特征进行可视化表达，令使用者接收到更多视觉信息。

颜色、纹理、图型、宽度均代表典型的视觉通道：颜色既可作为一个整体，也可分别应用色调、亮度、饱和度等特征；图型有两个含义，直线的线型和面状几何图形的填充模式；宽度也有两个含义，对于直线是线宽，对于由线衍生的平面图形则是图形宽度；纹理与其他3个特征的不同之处在于纹理可通过重复配置表达频率特征。上述四视觉通道均具有明显的区分度（宽度的区分度相对弱、应用面窄），可作用于几何图形，表现信息特征的不同值，如通过颜色、图型表示信息类型；同时使用两个颜色或纹理，可表示信息的方向。

透明度在天基信息特征可视化中具有非常关键的作用，在表现信息获取、分发的形状时广泛采用，但透明度本身区分度并不高，所以一般不独立表达信息特征。

动态颜色、动态纹理、动态文字是3个动态特征，通过颜色、纹理、文字等动态的、周期或非周期的变化，对频率、对抗等进行可视化表达。从技术角度看，动态文字也通过纹理实现，动态颜色往往表现为色调或亮度的连续变化。

4 面向对抗的多维天基信息特征可视化实例

选择信息传递任务，基于OSG（OpenScene-Graph）开源引擎进行面向对抗的天基信息特征可视化实践。

由图1可知，信息传递任务需可视化的信息特征多达10个，从中选择信息类型、存在性、信息方向、频率、对抗烈度5个信息特征进行可视化：选择几何形状作为标记，以其存在与否表现信息传递的存在性；以文字作为纹理，通过纹理流动表现信息方向，通过文字内容表达信息类型；通过几何形状的扰动表现对抗烈度。

首先生成字符串纹理数据，方法为：根据链路显示需求，生成对应字符串，采用由0、1组成的随机串表示；获得字形数据osgText：：Glyph，绘制到图像osg：：Image中；图像绑定到纹理对象osg：：Texture2D。

图3 信息传递可视化几何数据生成

然后生成可视化所需几何数据，方法如图3所示，信息传递起点为A，终点为B，视点为E，视线矢量方向为e，起点到终点矢量d，矢量e与d的矢量积为v，由于该矢量同时垂直于视线方向和空间链路方向，因此作为确定几何数据平面的依据，据此生成几何数据离散点：

其中n为离散个数，w0和w1为起点和终点对应宽度；∅i为扰动函数，为计算结果加入周期性的偏移，产生被干扰效果，通过控制扰动幅度表现对抗烈度。得到的Pi为对称2点，构成四边形带图元进行绘制。

为表现信息方向和频率，文字需由起点向终点移动，同时文字不能产生变形，因此必须正确计算顶点纹理坐标并随时间动态调整：首先根据几何体投影到屏幕的像素数、纹理图像的长宽比确定纹理坐标u分量的范围；顶点纹理坐标v值保持不变，固定为0和1；纹理坐标u值随时间调整，通过该值随时间的改变实现文字流动效果，以计数器控制纹理坐标调整的快慢来表达频率特征。

上述技术实现效果如图4（a）所示。