美軍氣象影響決策輔助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法及應(yīng)用

申偉強(qiáng)，孫姣

（1.61741部隊(duì)，北京 100081；2.北京應(yīng)用氣象研究所，北京 100029）

氣象環(huán)境復(fù)雜多變，氣象條件的影響無處不在。即便軍事行動(dòng)按照氣象預(yù)報(bào)作了周密的計(jì)劃，還是會(huì)因?yàn)橐恍┩话l(fā)氣象條件的出現(xiàn)而打亂軍事行動(dòng)的部署，比如科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)中的粉塵云。為了有效地執(zhí)行任務(wù)，軍事指揮官必須對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)天氣條件及其對(duì)武器系統(tǒng)、人員、設(shè)備操作的影響有充分、全面的掌握。目前，有很多判斷天氣因素對(duì)任務(wù)裝備選擇及操作影響程度的天氣影響決策輔助（WIDAs）系統(tǒng)，通常將其分為兩類：基于規(guī)則推理的決策輔助系統(tǒng)和基于物理分析的系統(tǒng)。

基于規(guī)則推理的WIDAs，如美國陸軍的綜合天氣影響決策輔助系統(tǒng)，主要基于從戰(zhàn)地手冊(cè)、軍事院校和相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业韧緩绞占玫降奶鞖庥绊懸?guī)則而建立。通過IWEDA系統(tǒng)，可以得出在特定天氣條件下性能發(fā)揮最好的武器系統(tǒng)。

基于物理分析的戰(zhàn)術(shù)決策輔助工具（TDAs），比較典型的是三軍通用的目標(biāo)探測(cè)器天氣影響輔助決策軟件（TAWS，Target Acquisition Weather Software System），它采用以物理理論和測(cè)量為基礎(chǔ)的物理計(jì)算。通過TAWS可以得出在當(dāng)前或預(yù)測(cè)的天氣條件下，給定范圍內(nèi)某給定目標(biāo)的捕獲概率。因此，不同于以上基于規(guī)則推理的WIDAs提供簡(jiǎn)單的紅綠燈顯示，這類基于物理分析得出的性能指標(biāo)是一個(gè)連續(xù)的值。

1 綜合天氣影響決策輔助系統(tǒng)（IWEDA）

綜合天氣影響決策輔助系統(tǒng)是基于UNIX系統(tǒng)的Java程序，它是一個(gè)相關(guān)臨界值的規(guī)則集合，通過提供定量化的天氣影響信息來協(xié)助指揮官在給定或預(yù)測(cè)的天氣條件下為作戰(zhàn)任務(wù)選擇合適的平臺(tái)、系統(tǒng)或傳感器。

該系統(tǒng)針對(duì)陸軍、空軍、海軍設(shè)有不同的推理規(guī)則。紅色-黃色-綠色（不利-臨界-有利）等臨界閾值代表一個(gè)或一系列環(huán)境參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響。通過時(shí)間跨度的天氣影響矩陣（如圖1所示）及“影響-地圖疊加”模型可以顯示感興趣區(qū)域的影響信息（如圖2所示）。所有興趣區(qū)域的環(huán)境數(shù)據(jù)主要由美國陸軍的短期預(yù)報(bào)模式來提供。環(huán)境條件對(duì)每種系統(tǒng)的影響規(guī)則和臨界值則由訓(xùn)練和條令司令部、戰(zhàn)地手冊(cè)和陸軍的國家地面情報(bào)中心來確定。

IWEDA作為一種氣象影響集成系統(tǒng)，目前已成為美軍指揮、控制、通信、計(jì)算機(jī)和情報(bào)（C4I）戰(zhàn)術(shù)天氣系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。作為C4I戰(zhàn)術(shù)工具，IWEDA只是提供天氣對(duì)軍隊(duì)行動(dòng)的影響（有利或不利），而不決定行動(dòng)的具體過程。

圖1 IWEDA天氣影響矩陣Fig.1 IWEDAweathereffectmatrices

圖2 針對(duì)AH-64中TV/DVO系統(tǒng)的戰(zhàn)術(shù)決策輔助工具疊加圖Fig.2 IWEDAmap overlay for AH-64 tads TV/DVO

IWEDA與氣象數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互，確定對(duì)所選系統(tǒng)的影響。影響結(jié)果由武器系統(tǒng)本身的特性決定，并輸出到綁定臨界值的數(shù)據(jù)庫中。臨界值是指可明顯降低戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)可執(zhí)行性和武器系統(tǒng)有效性的氣象要素?cái)?shù)值。

1.1 IWEDA的功能實(shí)現(xiàn)

IWEDA中系統(tǒng)、子系統(tǒng)和組件按照層次化的方式進(jìn)行排列。系統(tǒng)的一組稱為一個(gè)任務(wù)；一個(gè)系統(tǒng)中往往包含一個(gè)或多個(gè)子系統(tǒng)；一個(gè)子系統(tǒng)通常有一個(gè)或多個(gè)組件。用戶可以對(duì)哪些系統(tǒng)屬于某個(gè)任務(wù)進(jìn)行定義，也可以從一個(gè)系統(tǒng)中刪除已選好的子系統(tǒng)和組件。也就是說，通過IWEDA，可以得到天氣條件對(duì)于上至軍事任務(wù)，下至武器系統(tǒng)、子系統(tǒng)和組件的多層次影響信息。

在選定的時(shí)間范圍內(nèi)，天氣條件對(duì)任務(wù)、系統(tǒng)、子系統(tǒng)和組件的影響顯示在IWEDA的天氣影響矩陣中（WEMS，見圖1）。WEM是一種顏色編碼，若使用非彩色打印機(jī)，則注釋為R（紅色），A（黃色），G（綠色）。紅色（R）區(qū)域表明行動(dòng)將受到嚴(yán)重影響，有很大程度的行動(dòng)限制。黃色(A)表示作戰(zhàn)行動(dòng)將受到微小的影響，行動(dòng)能力和效果可能會(huì)有輕微的受挫。綠色（G）表示沒有任何軍事行動(dòng)上的限制[1]。

1.2 IWEDA實(shí)例

在下面的例子中，創(chuàng)建一個(gè)用戶自定義的任務(wù)，選擇三個(gè)無威脅和兩個(gè)有威脅的武器系統(tǒng)。任務(wù)配置完成以后，就可以通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫來確定某一時(shí)間、地點(diǎn)，某種天氣條件對(duì)系統(tǒng)、子系統(tǒng)和組件的影響。

在要構(gòu)建的示例任務(wù)中，從IWEDA的無威脅及有威脅的圖形用戶界面（GUI）中選擇A-10（雷電飛機(jī)）、AH-64（阿帕奇直升機(jī)）、人員、SA-14（防空導(dǎo)彈）和SA-16（防空導(dǎo)彈）等系統(tǒng)。這些系統(tǒng)一旦被選中，IWEDA就能夠確定天氣對(duì)任務(wù)的影響，結(jié)果以WEM矩陣的形式呈現(xiàn)給用戶，如圖1所示。

顯示結(jié)果時(shí)，WEM的上半部分給出特定系統(tǒng)及時(shí)間的天氣影響標(biāo)識(shí)。下半部分在一開始是空白的。右鍵單擊色彩單元格，如AH-64，22/12（日期/時(shí)間），簡(jiǎn)要的影響結(jié)果將顯示在位于WEM下半部分的可滾動(dòng)窗口中（對(duì)AH-64系統(tǒng)的影響被復(fù)制在表1中）。但用戶無法知道詳細(xì)的影響，比如將會(huì)對(duì)預(yù)測(cè)區(qū)域的哪個(gè)位置產(chǎn)生影響等。

表1 12月22日天氣對(duì)AH-64系統(tǒng)的影響Table1 Impacts for the AH-64 system for22/12

WEM中的彩色單元格顯示了所選任務(wù)在選定的時(shí)間和預(yù)測(cè)區(qū)域中最壞天氣條件下的影響情況。如果用戶想知道某個(gè)單元格為什么呈紅色或黃色，可以在影響描述中找到答案，它解釋了這個(gè)單元格存在的依據(jù)。在彩色編碼地圖上還可以獲取受影響系統(tǒng)或傳感器的詳細(xì)分析。

2 目標(biāo)捕獲天氣軟件系統(tǒng)（TAWS）

TAWS是基于圖形用戶界面（GUI）的，在Windows操作系統(tǒng)上運(yùn)行的一個(gè)軟件。TAWS是一個(gè)三軍通用項(xiàng)目，系統(tǒng)里包括了空軍、陸軍和海軍的傳感器和目標(biāo)，系統(tǒng)主要用于3個(gè)頻譜區(qū)域：可見（0.4～0.9μm）、激光（1.06μm）和紅外（IR）（3～5μm，8～12μm）。該系統(tǒng)可以利用當(dāng)前或預(yù)測(cè)的天氣數(shù)據(jù)來決定所選傳感器和目標(biāo)的探測(cè)范圍。指揮官可以利用這些信息制定任務(wù)計(jì)劃，同時(shí)也可以了解在給定天氣條件下哪些傳感器探測(cè)得最遠(yuǎn)[2]。

TAWS同時(shí)進(jìn)行光照度和性能預(yù)測(cè)計(jì)算（PPC）。PPC可以用在一項(xiàng)任務(wù)中的一個(gè)或多個(gè)位置。光照度分析是指某一位置太陽和月亮星歷信息的計(jì)算。光照度分析可以幫助任務(wù)計(jì)劃人員確定特定任務(wù)日期和地點(diǎn)的日落時(shí)間。針對(duì)某一位置的分析，PPC可以預(yù)測(cè)出不同時(shí)間重要目標(biāo)的探測(cè)范圍；此外，PPC也可以對(duì)任務(wù)沿線的多個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行分析。

要確定一個(gè)給定目標(biāo)的捕獲范圍，需要掌握大量的數(shù)據(jù)：目標(biāo)背景對(duì)比度、大氣條件、太陽或月球的亮度以及傳感器特征等，所有這些要素都隨光譜區(qū)域而變化。

2.1 目標(biāo)背景對(duì)比度

對(duì)比度定義為一個(gè)觀察者從背景中區(qū)分對(duì)象的能力；它隨著大氣層距離的增加而下降。在可見光的波長范圍內(nèi)，大氣顆粒物的輻射散射很重要，其對(duì)比度的數(shù)學(xué)公式與在紅外線（IR）情況下是不同的。

對(duì)于TAWS中的可見光波段，通過Hering和Johnson的快速大氣散射模型（FASCAT）來確定目標(biāo)和背景輻射，該模型可以計(jì)算大氣中指定高度的上升流和下降流輻射。

對(duì)于指定的傳感器和目標(biāo)高度，需要計(jì)算傾斜路徑的視對(duì)比度。在陽光或陰影下的目標(biāo)對(duì)象可以通過比照天空、云、地形背景等來探測(cè)。路徑輻射和背景輻射，是由δ-Eddington近似大氣模型經(jīng)多次散射計(jì)算確定的。

在可見光/近紅外方案中，目標(biāo)可以是在地面或空中?？罩心繕?biāo)可以用向上或向下的瞄準(zhǔn)線（LOS）觀察。天空和云的背景支持向上的瞄準(zhǔn)線；較遠(yuǎn)處陸地和地勢(shì)低洼的云背景支持向下的瞄準(zhǔn)線。

熱對(duì)比模型：熱波長固有的對(duì)比度定義為目標(biāo)溫度減去背景溫度。

在TAWS中，對(duì)比度由多業(yè)務(wù)光電特征模型（MUSES）間接確定，該模型利用之前的光照度和天氣數(shù)據(jù)來計(jì)算平衡背景溫度和目標(biāo)溫度。

MUSES有兩個(gè)主要組成部分：熱分析模塊和簽名模塊。熱分析是對(duì)物理溫度和熱耗率的計(jì)算，該計(jì)算通過微分方程有限差數(shù)值解法來實(shí)現(xiàn)。熱分析模塊的主要輸出結(jié)果是物理溫度和凈熱率[3]。

簽名分析是視溫度或輻射的計(jì)算過程，實(shí)際上就是傳感器對(duì)目標(biāo)物輻射的測(cè)量，測(cè)量結(jié)果有賴于其物理溫度。因此，簽名模塊為熱模型輸出和簽名分析輸出量希望值之間提供了一定的聯(lián)系。

MUSES規(guī)定的基本熱源包括長波輻射、太陽能吸收、發(fā)動(dòng)機(jī)加熱、發(fā)動(dòng)機(jī)艙的空氣、排氣、履帶和車輪的加熱和對(duì)流。此外，還包括漫射面之間的相互反射。這些溫度和結(jié)果用來計(jì)算ΔT。

激光對(duì)比度模型：激光模型不計(jì)算對(duì)比度。

2.2 大氣信息

要確定輻射穿過大氣層的能量損失，需要知道大氣成分（氣體和氣溶膠）和狀態(tài)（壓力、溫度、相對(duì)濕度等）。能量損失以大氣透過率來表示，其范圍是從0到1的值，具體還依賴于氣溶膠類型[4]。

TAWS包含10種氣溶膠模型和2種降水粒子模型，通過與紅外線、電視/夜視護(hù)目鏡和激光模型組合，得出相應(yīng)的氣溶膠和降水粒子吸收系數(shù)。氣溶膠描述了接近特定區(qū)域地面的氣團(tuán)顆粒物。氣溶膠的形成來自于郊區(qū)、市區(qū)、海上、對(duì)流層、沙漠、平流霧、輻射霧等。有3種類型的隱身煙霧：白磷、霧油和六氯乙烷。第10種氣溶膠，因作戰(zhàn)時(shí)持續(xù)的煙塵而引起，以戰(zhàn)場(chǎng)污染物的形式存在。氣溶膠模型的主要指標(biāo)見表2。此外，TAWS還包含雨、雪降水模型。

TAWS適用于多種氣象條件，用戶可以自由選擇。其中有些氣象條件是通過空軍氣象局（AFWA）或海軍戰(zhàn)術(shù)環(huán)境數(shù)據(jù)服務(wù)器（TEDS）自動(dòng)輸入的。所有的氣象參數(shù)包括（其中帶有星號(hào)的元素可以從AFWA或TEDS下載）：大氣露點(diǎn)溫度*，海面溫度*，風(fēng)速風(fēng)向*，能見度*，降水類型降水率，氣溶膠類型，戰(zhàn)爭(zhēng)引起的污染物，高、中和低層云*，邊界層高度。

表2 TAWS氣溶膠模式Table2 TAWSaerosolmodels

2.3 傳感器信息

確定了光譜區(qū)域后，傳感器由用戶進(jìn)行選擇。相關(guān)的傳感器參數(shù)自動(dòng)從傳感器數(shù)據(jù)庫獲取。

在TAWS中，硅電視（TV）、夜視鏡（NVG）和紅外傳感器的目標(biāo)探測(cè)范圍通過傳感器性能模式來決定，可對(duì)可見光和紅外波段的武器系統(tǒng)進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)。

TAWS支持兩種采用1.06μm激光指示器的系統(tǒng)：激光測(cè)距和激光鎖定系統(tǒng)。這兩個(gè)系統(tǒng)都由指示器和接收器組成。機(jī)載激光測(cè)距系統(tǒng)通過測(cè)量激光脈沖從指示器到目標(biāo)和從目標(biāo)到接收機(jī)的傳播時(shí)間來計(jì)算從測(cè)距儀器到目標(biāo)的距離。測(cè)距系統(tǒng)是一個(gè)整體，指示器和接收器裝置在同一個(gè)硬件中。對(duì)于激光鎖定武器，指示器用來照射目標(biāo)，接收器用來接收反射光束。TAWS可預(yù)測(cè)指示器或鎖定接收器的最大有效范圍[5]。

2.4 例子

假設(shè)在冬天，目標(biāo)是運(yùn)動(dòng)和靜止兩種狀態(tài)下的蘇聯(lián)T-80主戰(zhàn)坦克，主要針對(duì)雪地背景下的紅外光束。將傳感器和坦克排列整齊，傳感器位于坦克前；傳感器高度為3.04m。假定日期是在12月21日，地點(diǎn)是北緯37°32'，東經(jīng)127°00'（首爾，韓國）。天氣條件是陰，能見度是4.828 km（小雪）和1.609 km（大雪），有偏西的微風(fēng)（～3m/s）。從氣候數(shù)據(jù)庫獲取相對(duì)濕度和溫度資料，結(jié)合當(dāng)?shù)貢r(shí)間的函數(shù)關(guān)系見表3。

表3 輸入時(shí)間、溫度和相對(duì)濕度等相關(guān)數(shù)據(jù)Table 3 Input relative humidity（RH）and temperature as a function of time

模型的運(yùn)行結(jié)果如圖3所示，使用TAWS的解釋分析能力可以作出決定，兩條垂直線代表了日出和日落的時(shí)間。正如預(yù)期的那樣，當(dāng)能見度好的時(shí)候探測(cè)范圍是相當(dāng)大的，在給定的天氣條件下，相對(duì)于靜止?fàn)顟B(tài)下的坦克，運(yùn)動(dòng)中的坦克更容易被探測(cè)到。

圖3 探測(cè)范圍與時(shí)間的變化關(guān)系Fig.3 Detection range vs.time

熱交叉，即一天中熱對(duì)比度最小且對(duì)比度極性即將反轉(zhuǎn)的時(shí)刻，一般發(fā)生在早晨和下午。例如，清晨的背景溫度可能大于目標(biāo)溫度。熱交叉后，目標(biāo)溫度可能高于背景溫度。在這個(gè)例子中，熱交叉點(diǎn)大約出現(xiàn)在上午9點(diǎn)和下午17點(diǎn)，在這些時(shí)間段探測(cè)效率是比較低的。而指揮官/用戶可以通過選擇最大探測(cè)范圍，來避開熱交叉發(fā)生，探測(cè)效率較低的時(shí)間段來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置。

如果不是這個(gè)例子中的靜態(tài)情況，而是再結(jié)合更新的天氣預(yù)報(bào)信息的話，將能夠獲得更多的相關(guān)結(jié)果。例如，圖3中的“坦克”曲線圖。如果預(yù)測(cè)天氣條件將在12∶00由大雪變?yōu)樾⊙綔y(cè)距離將從大約1.5 km增加到4.5 km左右，這將給指揮員提供一個(gè)增加探測(cè)距離的機(jī)會(huì)。同理，這個(gè)功能也可用于友好/威脅對(duì)比，以確定由于不同的系統(tǒng)造成的探測(cè)范圍的變化。

3 結(jié)語

IWEDA系統(tǒng)是一個(gè)易用的戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用程序，可幫助指揮官對(duì)傳感器的選擇和使用進(jìn)行接近實(shí)時(shí)的評(píng)估。預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)集可以自動(dòng)進(jìn)行環(huán)境參數(shù)反演，進(jìn)一步增強(qiáng)了該應(yīng)用程序的功能。此外，該系統(tǒng)還可根據(jù)不斷變化的天氣條件作出合理的軍事規(guī)劃。

TAWS系統(tǒng)通過傳感器性能和氣溶膠模型，加上成熟的大氣傳輸模型和對(duì)比度模式計(jì)算，幫助作戰(zhàn)人員在不利的天氣條件下選擇合適的傳感器或武器系統(tǒng)，以最好效果對(duì)抗既定目標(biāo)。除了確定目標(biāo)探測(cè)范圍之外，TAWS還可用于任務(wù)規(guī)劃，以及測(cè)定友好和威脅系統(tǒng)之間的探測(cè)范圍變化等。

協(xié)同使用這些TDA系統(tǒng)可為指揮官在不利天氣條件下選擇合適的武器系統(tǒng)提供很好的決策支持。

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