空袭与反空袭体系作战态势显示需求分析

吴正雄，薛芳侠，张 阳

（电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室，河南 洛阳 471000）

0 引言

态势显示系统主要将作战指挥所需的信息以即时直观的形式标绘在屏幕上，能够及时反映战场的动态变化，为指挥人员或作战人员提供可视化的综合态势显示界面，以此来辅助指挥决策、提升战场认知，是作战指挥与作战决策的重要组成部分［1］。

当前，态势显示系统的研究主要聚焦于态势显示软件的总体架构设计和实现以及一些关键技术研究［2-5］，诸如军标显示、态势数据接入与采集、图形处理和可视化方法、态势认知与评估方法等［3-15］。现有的态势显示系统一般能够展示战场地理环境、装备部署及雷达装备威力图、红蓝方兵力部署、运动目标航迹/轨迹等信息，但没有系统地阐释态势显示需求。基于此，本文以空袭与反空袭为作战背景，就态势显示需求作了一些相对系统地讨论和分析，以便更形象地展示作战过程。

1 空袭与反空袭体系作战的一般过程

根据防空作战的典型流程［16］，空袭与反空袭场景构建如图1 所示。场景中布置两方阵营，红方阵营执行防空任务，蓝方阵营执行对地攻击任务。红方兵力及武器组成包括：警戒雷达单元、地对空雷达侦察干扰系统单元、搜索雷达、跟踪雷达、地空导弹导引头、防空导弹、高炮。其中，警戒雷达单元执行全空域警戒任务，作用区域如图1 红色区域所示；地对空雷达侦察干扰系统单元执行全空域雷达侦察和雷达干扰任务，作用区域如图1 黄色区域所示。蓝方兵力及武器组成包括雷达电子战飞机、攻击机编队、预警机、对地攻击导弹/炸弹、反辐射导弹。

图1 空袭与反空袭对抗场景Fig.1 Air raid and anti-air raid confrontation scenario

整个作战过程大致可如下描述：1）蓝方保持静默，或利用地形遮蔽，机动接近红方目标阵地；2）红方警戒雷达探测到蓝方对地攻击飞机，向指挥所报告探测目标信息；3）蓝方雷达电子战飞机侦察截获红方警戒雷达辐射信号，选择干扰策略，对红方警戒雷达实施压制或欺骗干扰；4）红方警戒雷达受到蓝方雷达电子战飞机的干扰，威力减小，甚至导致目标丢失；5）红方警戒雷达识别敌方干扰信号样式后，根据抗干扰决策，采取相应的抗干扰措施；6）蓝方攻击机继续接近红方阵地，攻击机编队进入红方防空干扰区域；7）蓝方电子战飞机做盘旋机动保持对红方警戒雷达的干扰；8）蓝方战斗机进入防空火力打击区域，如果被地面跟踪雷达锁定，对地面跟踪雷达进行干扰；9）蓝方对地攻击飞机编队启动机载火控雷达，对重点区域进行目标探测及跟踪；10）蓝方发现高价值目标，发射对地导弹，若持续受到红方干扰，则考虑发射反辐射导弹；11）红方伺机发射防空导弹，若蓝方进一步靠近，则启用便携式导弹武器系统或高炮系统。

2 态势显示需求分析

2.1 态势显示总体思路

现有态势显示一般是在地理信息系统的基础上，通过统一的综合界面集成框架完成态势标绘和业务处理，利用插件集成技术完成态势显示。由此可知，态势显示涉及地理信息系统自身的功能特点以及态势标绘和业务处理方面的功能特点。二者应当同时保留，彼此互补才能较好地展现态势，态势与二者的关系如图2 所示。

图2 态势生成与各功能之间的关系Fig.2 The relationship among the generation of situation and each function

展开来说，地理信息系统自身的功能特点，一般是指，包括地形建模、三维实体建模和渲染在内的战场环境构建功能，电子地图显示功能，显示控制功能（如二/三维战场态势的缩放、漫游、定位中心、局部放大、图层设置、分层分类显示、俯瞰图等）。

态势标绘和业务处理功能是与仿真过程中的态势显示和变化直接相关的操作或功能。如引言所述，现有的态势显示系统能对装备部署及雷达装备威力图、红蓝方兵力部署、运动目标航迹/轨迹等进行展示。这是态势所需的必要组分，应予以保留。但是，上述组分往往只是在二维视角下呈现出不错的效果，三维下的展现效果差强人意。因此，态势标绘和业务处理功能是后文需要拓展和考虑的重点。

态势标绘和业务处理功能与具体作战场景紧密相关，依据空袭与反空袭体系作战的一般过程，其态势显示应就火力对抗、雷达电子战对抗、光电对抗等典型作战场景及效果进行可视化的展现。因此，空袭与反空袭作战态势显示需求主要从通信状态、电子战态势、火力对抗态势三方面来体现态势标绘和业务处理功能。而这三者显示需求，又会进一步拓展显示控制功能，如图3 所示。

图3 空袭与反空袭背景下的态势显示需求Fig.3 Situation display requirements under the background of air raid and anti-air raid

2.2 通信状态显示需求

在作战过程中，不论红方、蓝方，指令都是经由通信网或通信链路向下级及友邻作战单位传达。为了更好地展示指挥关系以及凸显作战指令流转关系和去向，通信状态的展示显得很有必要。因此，在通信状态显示时，需要展现以下4 个方面的内容。

1）显示参战单位/仿真模型的通信状态。为方便指挥/作战人员快速识别参战单元/仿真模型的通信状态，应区分通信状态的正常和障碍，如可考虑用两种不同颜色块来表示两种不同通信状态。

2）显示参战单位/仿真模型的通信关系。可考虑将存在通信关系的参战单位/仿真模型用箭头线连接；彼此没有通信时，箭头线不显现；如有通信时，箭头线显现，且箭头从信源指向信宿。此外，应考虑用不同颜色的箭头线区分红蓝阵营。

3）显示参战单位/仿真模型的通信能力强弱。需要区别显示参战单位/ 仿真模型的通信能力强弱，例如可用磅值线条或文字来显示不同带宽的通信能力，高带宽可用大磅值表示，低带宽可用小磅值表示，并分别辅以文字说明。

4）多方式展示通信状态及能力强弱。这主要是对前三者的补充，例如可增添列表以平铺的方式展现各参战单位/仿真模型的通信状态及能力强弱。

2.3 电子战态势显示需求

在空袭与反空袭的一般过程中，蓝方对地攻击机可能利用地势，进行低空突防，从而藏匿踪迹。同样地，红方的预警雷达、防空武器系统的搜索和跟踪雷达会受到地势、气象等多方面的影响，呈现出不规则的威力范围。在蓝方对地攻击机进入到一定的作战区域，很有可能被红方雷达捕捉到目标。蓝方可能会采取压制干扰、欺骗干扰等手段，隐匿踪迹或隐真示假。在这样一个过程中，电子战态势显示应考虑展现5 个方面内容。

1）显示参战单元/仿真模型。首先应真实地展现各参战单元/仿真模型的物理外形。尤其在三维视角下，更应该通过实装图片来构建战场实体的三维显示模型。其次，区别显示战场实体被发现与否的状态。例如，若蓝方战机被发现后，可令其态势图标边缘不断地闪烁朦胧红光；若未被发现，则正常显示图标。若红方作战单元被发现，则同样令其态势图标边缘闪烁朦胧蓝光；若未被发现，则正常显示图标。

2）显示运动目标的轨迹。可考虑多种形式展现运动目标轨迹，如可用连续线表示途经的空间位置，也可用间断点表示航迹。同样地，运动目标的轨迹显示也应区分不同的阵营。

3）显示受自然条件（如气象和地形等因素）干扰后的雷达威力范围。相较于理想条件，受到自然条件干扰后的雷达威力范围肯定会受到影响。特别是受到地形影响后，雷达的搜索空间都不会是一个规整的圆锥。所以，应区别显示红蓝的雷达威力范围。例如，红方雷达可用红色的阴影表示其威力范围，蓝方雷达用蓝色阴影表示其威力范围，特别是考虑受到地形影响后阴影实际所能覆盖的空间。其次，还需考虑雷达因运动而造成的威力范围的变化（如蓝方战机挂载的雷达）。

4）显示搜索和跟踪的电磁范围。当前，显示雷达的搜索过程时，总是在360°范围内不断扫面转圈，给人一种360°全方位搜索的假象。实际上，这不完全正确，对于防空武器系统而言，其各作战单元都分配了各自的责任扇区，不太可能360°全方位搜索。就所见的态势显示系统中，还没有显示跟踪过程的电磁分布。因此，首先可用不同的方式区分显示搜索过程和跟踪过程的电磁分布，尤其需考虑受到自然条件影响后的电磁分布。例如，可用不同颜色或不同类型线条（如连续/间断）展示二者电磁分布。其次，雷达的搜索过程应真实地得到展现。雷达搜索过程的电磁分布需考虑作战单元的实际工作方式（如考虑其责任扇区），不能简单地以360°扫描的方式呈现。第三，雷达的跟踪过程应真实地得到展现。雷达跟踪过程实际上已经大致地了解到目标的空间位置，可用细线连接雷达/传感器和目标，同时突出主瓣、旁斑及后瓣。

5）显示压制干扰和欺骗干扰的电磁分布。首先，考虑因受到干扰（主要是压制干扰）而导致的电磁分布及其动态变化。在受压制干扰时，采取或不采取抗干扰措施，雷达搜索和跟踪的电磁分布都会受到影响，或是电磁分布的范围被压缩，或消失，或者分布范围偏移。其次，显示干扰的类型。此处，欺骗干扰假定考虑距离、速度、假目标等手段。例如可用警告符号和文字表明干扰的不同类型以及欺骗干扰的不同手段，若是箔条干扰，还可用一些动画来呈现。

2.4 火力对抗态势显示需求

火力对抗过程以对地攻击导弹/炸弹、反辐射导弹、防空导弹、高炮为主要武器，因而火力对抗态势显示主要考虑以下5 个方面的内容：

1）显示武器的类型及功能状态。首先，真实地展现不同武器。应以实装图片为依据，构建武器的三维显示模型。其次，展现武器的功能状态。应根据不同武器的不同功能状态，设计其显示方式。例如，在仿真运行阶段，武器的显示模型受到数据驱动而运动或产生攻击效果（如爆炸、自毁等）。可考虑在战场实体的显示模型或图标增添“X”的标志，以表示战场实体处于毁伤状态。如果展现导弹的飞行过程，也应考虑显示其轨迹，同2.3 节的2）。

2）显示不同的制导方式。本作战场景涉及到雷达制导和激光制导，可用不同方式展现两种制导方式，如雷达制导过程可用波浪线连接导引头和目标，而激光制导过程则可用淡红色的射线连接导引头。另外，如导弹为主动制导，同样需展现电磁的动态分布。

3）能够选定发射点为参考点。火力对抗过程应考虑设置发射点为视角参考点，以嵌入窗口的方式展示弹目飞行及交会。

4）呈现多种交战动画效果，如爆炸、命中、毁伤等三维效果显示。

5）呈现关键性事件信息。可以表页文字形式显示火力/电磁对抗过程中产生的各种关键性事件信息，如目标发现、导弹武器攻击、火力毁伤结果、空战结果、遭敌攻击、返航、电子战情况报告等。

2.5 显示控制功能拓展

由于显示控制功能更多地和所依赖的地理信息系统相关，因而在空袭与反空袭的作战背景下，只考虑显示控制功能的增量。概括而言，显示控制功能的增量应考虑6 个方面：

1）通信状态显示、电子战态势显示、火力对抗态势显示都应可配可控。具体而言，可单独开启/关闭上述显示，也可整体开启/关闭显示；可对任意参战单位/仿真模型开启或关闭显示。

2）配备小地图功能。由于态势显示的屏幕或视野有限，可参考DOTA 等游戏，增加小地图显示。在小地图上，可用不同颜色的点区分不同阵营的参战单元，同时以一定时间间隔刷新所有参战单元的位置信息。

3）增加多视角显示［17］。由于对抗过程中有红方、蓝方和白方，红方与蓝方只能观测到各自的区域，也只能展现各自视角的内容，白方则可以纵览整个态势和随时查看红方和蓝方的态势。

4）灵活设置态势显示刷新率。刷新率直接关系态势显示信息的时效性，如刷新率过低，即便计算机能够满足计算要求，态势显示信息（尤其动目标的显示信息）也无法及时地反馈真实态势，甚至贻误战机；如刷新率过高，则对计算机以及态势显示实现算法提出了很高的要求。

5）能够根据不同用户角色展现态势。这主要基于两方面考虑，一是不同用户的认知资源和能力有限且不同；二是用户的使命任务差异决定了态势的关注点不同。空袭与反空袭作战体系下的态势显示系统用户至少包括各级指挥员和火控操作手，火控操作手更关心来袭方向的目标空间位置、速度等三维信息，而指挥员（尤其是高级指挥员）则需要关注某个战场的全貌。

6）结合显示工效进行态势展现。设计态势显示系统应统筹显示工效问题，依据用户的认知特性来展现态势，主要考虑分层分级、关联聚合、时空多维和焦点推送等方面［18］。鉴于空袭与反空袭的态势显示内容要素复杂，可通过基础地图层、环境感知层和目标态势层对态势分级过滤，能根据具体的计算机硬件条件灵活调整显示图层，但应优先保证目标态势层的显示。围绕目标态势进行展现时，可将态势目标的多重特征、关系、指令等信息聚合显控，宜采用扁平化信息架构和显示模式，以减少内容层级和展现步骤，便于用户更快更好地认知和操作态势信息。此外，缩放地图会带来目标显示密度变化，应适时地将目标（目标群）映射为点或图标要素，动态实现基于地理距离地聚合和解聚。为了便于用户理清和认识态势信息地时序逻辑和空间关系，可考虑将过去、现在和未来的态势信息综合展现，以及增加二、三维空间同步显示和按需切换。如在展现航迹时，可通过不同颜色和线条区分历史航迹、当前航迹及预测航迹，直观展现目标状态和行动意图。为在复杂态势缩短决策时间，提高主要任务处理的专注度，应考虑将关注目标、告警信息、预测信息、决策信息等关键要素实时、快速地推送给用户。此外，为增加焦点推送的友好性，应支持用户自定义内容推送。

3 关键技术分析

由于态势显示的内容较为精细，这意味着完成显示需要巨大的计算量。这种计算量主要来源于3个方面：

1）接入态势显示系统的数据多源。态势显示系统需要接入大量而又纷繁复杂的数据，包括电子地图数据、红/蓝仿真模型的仿真数据、实装/仿真模拟器数据、视频流数据。以红/蓝仿真模型的仿真数据为例，要支撑起空袭与反空袭这个作战场景，参与的仿真模型至少5 个（蓝方预警机、长机、僚机，红方预警雷达、防空武器系统）。而就其仿真数据分类来看，则又包括电磁信息（雷达辐射信号字、RCS值等）、运动信息（位置、速度等）、光电信息等。如此大量多源的数据，除了数据接收，还需要数据适配和数据融合。

2）战场要素构建及渲染。战场要素构建用于战场三维场景构建（包括地形、地貌等自然环境因素）以及红蓝双方作战单位实体三维模型构建等。三维渲染主要分为要素配置与显示、沙盘显示。要素配置基于数字地图实现要素加载、标绘。标绘按照要素分类可以分层显示。沙盘显示基于要素配置信息加载并显示对应地理数据（三维场景）、地物模型、装备模型，利用可视化效果显示空天背景、气象条件（云、雨、雾、雪）等。

3）可视化展示。可视化展示主要包括空地态势可视化、仿真模型界面图像采集、展示界面整合。空地态势以二维+三维图形的方式显示，主要包括敌我双方对抗兵力、武器装备、传感器等的实时状态、运动航迹、探测范围、作战效能、毁伤情况等信息，以及作战区域、战场环境等信息，同时还可提供一定的标绘、计算功能。在仿真运行过程中，通过动态配置信号源、拼接预案、单路全屏观看、手工拖拽、放大及缩小信号显示窗口等操作，采集和整合仿真模型界面图像，以便从局部观察和管理态势。

事实上，上述3 个方面亦是态势生成的一般过程，即数据融合（对应第1 点）和态势显示（对应第2和第3 点）。上述过程需要巨大的计算量，而这会带来显著的态势显示时延。从应用角度来看，毫秒级别的时延是能够接受的最大限度。因此，高效的数据管理技术和图形优化显示算法，是实现态势显示系统必须解决的问题。

4 结论

本文以空袭与反空袭作战为作战背景，主要从通信状态、电子战态势、火力对抗态势和显示控制4个方面，分析和讨论了显示内容及方式，进而分析了显示实现所需的巨大计算量的来源，指出了态势显示实现的关键技术是高效的数据管理技术和图形优化显示算法。这两种关键技术，往往会催生新的或改进原有的态势显示系统的整体设计架构。此外，基于工效的显示问题也应特别重视，这是辅助用户快速、准确地理解态势和作出决策的关键环节。综上所述，本文较为系统地阐释了态势显示有关需求，清晰罗列了态势涉及的诸多要素，有利于设计最为复杂的电子战态势显示系统架构及开展其工程实践，以此更好地服务作战。