基于三维GIS的电磁态势生成系统*

高 颖，张超琦，段鹏亮，郭淑霞，汪立萍

（1.西北工业大学航海学院，陕西 西安710072；2.西北工业大学无人机特种技术国防重点实验室，陕西西安710065；3.中国航天科工集团8511研究所，江苏 南京210007）

0 引言

电磁态势生成的核心就是将复杂抽象的战场电磁空间特征进行可视化，为作战指挥人员提供当前电磁环境状态和趋势的知识，为下一步作出判断和决策提供支撑[1]。目前国内外对电磁态势生成都做了大量的研究，但是其相应研究比较分散化，主要集中于辐射源识别[2]、雷达探测范围可视化[3]、电磁环境可视化[4]、电磁环境威胁评估[5]等几个方面。这些手段大多基于电磁态势生成中某个子部分，以致于无法完全展示电磁态势在时域、频域、空域、能量域的要素与特点，且形成的电磁态势生成系统扩展性不强，可重用性不高等。同时如何将各电磁态势信息连贯起来并保持电磁态势生成的时空一致性[6]，为作战人员提供有效的、直观可视的联合电磁态势信息，也是目前亟待解决的一个问题[7]。

考虑到电磁态势生成研究的分散性，且未与真实战场环境结合，无法整体表现在各个域等问题。本文提出一种基于GIS的电磁态势生成系统架构，将各个分散的电磁态势生成模块与GIS中的地理环境结合，以组件形式集成在系统平台上[8]。考虑到如何将保持组件的电磁态势信息连贯性和电磁态势生成的时空一致性问题，提出一种时间轴脚本的电磁态势生成方法，将各个组件中按事件类型转换成脚本文字语言，在脚本编辑器中利用脚本文字语言按时间轴编辑电磁态势生成过程情节，最后利用脚本执行器调用电磁态势生成脚本，使得地理空间电磁态势生成和脚本时间轴相一致，从而为作战指挥人员呈现丰富直观且方便理解的电磁态势表现形式。

1 基于GIS的电磁态势生成体系架构

脱离真实地理环境的电磁态势生成是缺乏表现力和说服力的。本文采取与地理信息系统中真实场景相结合的方式，提出一种基于地理信息系统的电磁态势生成体系架构，该体系架构分为数据资源层、业务逻辑控制层、表现层3层，如图1所示。数据资源层包含存储各类数据的数据库和标准化的数据接口，业务逻辑控制层包含地理信息系统引擎层和电磁态势生成层，表现层包含人机交互界面。建立各层次之间的数据传递方式，并将各个不同功能的电磁态势生成研究以组件形式开发，形成一个具有良好开放性、可扩展性、资源重用性好的电磁态势生成系统。

1.1 数据资源层

电磁态势生成体系架构的底层为数据资源层，包含系统数据库和标准化数据接口，如图2所示，目前主要有地理信息接口、三维模型接口、气象数据接口、标绘数据接口、场景配置接口、电磁数据接口等。其中地理信息系统地理信息数据包含高精度的地形高程数据、高分辨率卫星遥感图片；三维模型库中的模型由三维建模软件Multigen Creator建模，包含地表建筑模型和参战武器装备模型，其中参战武器装备模型包括战场环境中红蓝双方各参战武器装备，如无人机、雷达、导航通讯车等。

气象环境库中的气象环境数据用于可视化表征天气环境和计算气象环境对电磁传播的影响；标绘库包含二维图片军标数据和三维图形资源数据。场景配置数据库包括场景部署数据、环境部署数据和参战单元配置数据；电磁数据库包括电磁辐射源数据，还有典型环境下电磁场仿真数据和实时侦测电磁信号数据。根据范式规则创建数据表和建立表与表之间的联系来形成一套标准化数据库，一个灵活性高的标准化数据库是电磁态势生成的基础。数据资源层具备良好的可扩展性，可根据后续进一步的研究对其进行扩充。

图1 电磁态势生成体系架构

1.2 业务逻辑控制层

电磁态势生成是指从利用基本的地理信息数据和战场想定环境，到计算电磁环境数据，再到形成电磁态势这一过程中涉及到的可视化表征。其最关键的是业务逻辑控制层。业务逻辑控制层包含地理信息系统引擎层和电磁态势生成层。地理信息引擎层作为电磁态势生成层的核心支撑，如图3所示，其包括三维地球加载渲染、三维地形数据管理调度、三维模型加载和管理、空间漫游控制、地理信息数据分析等。对三维仿真渲染相关功能函数进行封装，使上层电磁态势可视化相关的开发人员不用再考虑底层复杂的地理三维信息相关的问题，在与地理环境结合时调用预留的API即可。

图2 数据资源层

为了使电磁态势可视化与地理信息系统相结合，电磁态势生成层通过接入地理信息引擎层来实现对不同的电磁态势信息可视化。电磁态势生成模块采用组件式开发形式，将每个电磁态势生成模块封装成*.dll（动态链接库）。如图4所示，将不同的电磁态势生成组件利用分层的形式展现电磁态势。主要分为电磁环境基础要素态势、电磁环境辅助态势、电磁环境数据态势、电磁行为威胁态势。电磁环境基础要素态势主要包含地形场景绘制、气象天气绘制、建筑设施模型绘制、电磁装备模型绘制；电磁环境辅助态势主要包括二、三维军标绘制、文字标记绘制、符号标记绘制、矢量图形绘制；电磁环境数据态势主要包含传播衰减可视化、电磁云图可视化、雷达探测范围可视化、实测信号数据可视化、天线数据可视化；电磁行为威胁态势主要包含装备平台路径绘制、通信数据链绘制、压制干扰绘制、侦查信号波速绘制、辐射源可视化等。

图3 地理信息系统引擎层

图4 电磁态势生成基本组件

1.3 表现层

表现层为作战指挥人员提供良好的人机交互，包括电磁态势生成系统整体界面框架，各部分组件功能模块的菜单设计等。作战人员通过人机界面交互，主要以按钮、参数控制、鼠标在三维地形场景中选点、鼠标滚轮的方式发送请求消息来调用各模块的业务逻辑层，从而在系统界面对请求的消息做出可视化响应，如图5所示，电磁态势表现层的界面分为各组件功能窗口界面和三维地形场景界面2类。各组件窗口界面通过参数输入、按钮控制和鼠标在地形场景选点3类消息指令传递给业务逻辑控制层，业务逻辑控制层再通过访问数据资源层获取相关数据进行计算，最后将消息响应给窗口或者三维地形场景。在三维地形场景界面中则通过鼠标滚轮和鼠标移动的消息指令实现对三维地形场景放大、缩小和视点变换功能。

图5 表现层工作流程

2 基于时间轴脚本的电磁态势生成方法

电磁态势生成系统各个独立的组件所展现的电磁态势层级不同、表达方式不同、作用范围不同等，如何摆脱单一的电磁态势生成，将各个电磁态势生成组件的信息串联起来，以及如何保持电磁态势生成时间和电磁态势与空间配准的一致性，形成一个动态直观、层次清晰、时空一致性的电磁态势生成过程。本文提出一种基于时间轴脚本的电磁态势生成方法，通过时间序列配准的方式来控制各个电磁态势生成组件的触发顺序。

本文设计了脚本编辑组件来使各个电磁态势生成组件的信息形成时空一致性和连贯的电磁态势生成过程。该组件包含事件类型设计、脚本编辑器和脚本执行器3个部分。各个独立的电磁态势生成组件可拆分成一个或多个事件类型，如图6所示，以雷达探测范围可视化组件为例，将其拆分成探测范围显示隐藏和添加干扰机2个事件类型，每个事件类型用脚本文字表示，再设计触发事件类型对应的事件参数，一个文本文字与对应的事件参数绑定在脚本执行器中可触发该事件执行。通过上述方式可将系统所有的电磁态势生成组件转化为文本文字来表示。

图6 态势生成组件转化为脚本文字语言

在将电磁态势生成组件用脚本语言描述后，可利用脚本语言来设计电磁态势生成过程脚本。基于时间轴的电磁态势生成过程如图7所示。在完成事件类型设计后，将每个事件的文本文字按照顺序依次放入脚本编辑器，并在脚本编辑器中设置每个事件的执行开始时间和结束时间，形成一个电磁态势生成脚本后，利用脚本执行器中的脚本翻译器将态势生成脚本中的文本文字按时间轴翻译成一条条系统可识别的脚本指令，每条脚本指令可触发对应电磁态势生成组件中的事件执行，事件执行过程中事件参数的地理坐标保证电磁态势与确定的地理空间配准。该组件同时具备良好的可扩展性，当有新的电磁态势生成组件集成于系统上时，可将该组件转换成脚本文字语言描述。

图7 基于时间轴脚本与电磁态势生成过程的对应

时间轴脚本组件中的事件类型设计将各个独立的电磁态势生成组件转换成脚本语言描述，通过脚本编辑器设计电磁态势生成情节，将各个电磁态势生成信息在脚本编辑器中串联起来，形成一个总体电磁态势生成时间轴脚本，最后利用脚本执行器中的脚本翻译器将电磁态势生成脚本按时间轴进行翻译执行，执行过程中与分别对应的地理空间配准，实现电磁态势生成的时空一致性。基于时间轴脚本的电磁态势生成方法摆脱了单一电磁态势生成过程，它能将各种不同的电磁态势生成组件利用脚本文字语言描述，利用时间轴将各组件的电磁态势信息串联起来并与地理空间配准，最终形成一个动态直观、内容丰富、表述清晰、时空一致性的电磁态势生成过程。

3 电磁态势生成系统

利用上述系统架构和方法形成了一个完整的电磁态势生成系统，所有分散的电磁态势生成研究都能以组件形式集成于此，与三维地理环境相结合，利用时间轴电磁态势生成方式设计电磁态势生成具体情境，从而为作战人员呈现从局部到全局过程化的电磁态势信息。下面将给出电磁态势生成系统中部分局部电磁态势和全局电磁态势生成效果。

3.1 局部电磁态势生成

本文给出部分电磁态势生成系统中局部电磁态势生成效果，如图8所示，雷达探测范围态势生成组件将机载雷达受不同方位和不同用频性能的干扰机干扰情况下探测范围态势生成效果。图8（a）为某一时刻机载雷达受到来自30°方位的干扰机干扰的雷达探测范围，图8（b）为某另一时刻机载雷达受到来自30°和120°2个方位的2台干扰机干扰的雷达探测范围。

图8 机载雷达探测范围态势生成

如图9所示，展示的是该系统中装机天线态势生成效果，利用天线仿真数据与实际场景相结合，展现无人机受威胁程度的变化，图9（a）为某一时刻无人机未受到用频设备干扰态势生成效果，图9（b）为无人机某另一时刻受到用频设备干扰的态势生成效果。

图9 无人机装机天线态势生成

3.2 全局电磁态势生成

在电磁态势生成过程中，在完成局部电磁态势生成后，通过相应计算最终会形成一个全局的电磁态势图，如图10所示，展示的是某个区域全局范围内的辐射源态势生成信息，图10（a）为某一时刻的某一地理空间三辐射源电磁态势，图10（b）为某另一时刻的某另一地理空间的四辐射源电磁态势。

图10 全局范围辐射源态势生成

4 结束语

基于GIS的电磁态势生成系统与三维地理环境结合，并利用组件式开发方法将各个电磁态势生成组件集成在一个系统之上，提高了电磁态势生成系统的可扩展性和可重用性。利用时间轴脚本的电磁态势生成方法控制各个电磁态势生成组件的触发，将各个态势生成组件的电磁态势信息串联起来，形成一个整体动态的电磁态势生成故事情节，按照时间轴与各电磁态势生成配准，同时各电磁态势与对应的地理空间配准生成地理空间上，可清晰地展现局部到全局整个过程动态的、时空一致性的电磁态势信息。展示结果表明，该电磁态势生成系统具备展示动态逼真电磁态势的能力，并能直观地反映出电磁态势的变化，支持作战人员在三维战场环境中规划作战计划，完成任务部署。