海域靶場導彈武器試驗相關信息指揮管理系統*

張彥忠 王 娜

(92941部隊93分隊 葫蘆島 125000)

海域靶場導彈武器試驗相關信息指揮管理系統*

張彥忠 王 娜

(92941部隊93分隊 葫蘆島 125000)

靶場導彈武器試驗涉及大量人員和裝設備相關信息的集結、調動、展開、評估等各項試驗活動,這樣的多種目標信息不易準確定位掌控,提出試驗中涉及此類多目標識別、定位、導航等信息綜合系統構建思想。并對靶場地理信息與導彈武器試驗結合、關鍵問題解決方法、系統設計技術等環節分別進行了具體說明。

導彈武器試驗； 人員與裝備； 地理信息； 綜合信息系統

(Unit 93, No. 92941 Troops of PLA, Huludao 125000)

Class Number TP393

1 引言

具有海域特點的靶場在進行導彈武器試驗時,經常會牽涉到海、陸、空多區域各型裝備和人員的集結調動,主要包括導彈裝備運輸、發射載體的機動、艦(機)靶機(彈)的航行、參試保障人員變更所在地點的確定、測控裝備地理位置的規劃等。試驗展開過程中,各類目標載體布局大多呈現出散亂或不固定的狀態,而且相互之間經常機動變化,導致位置關系非常復雜,很難準確導航定位,這就給處于導彈武器試驗管理的各級試驗部門調度使用兵力與裝備帶來極大的難度。以往由于單一的試驗模式,需要掌握控制的目標載體有限,通常利用語音通信與測控裝備測量相結合的方式加以解決,其結果是可用信息滯后,連續性、可視性不足。隨著新型導彈武器裝備信息化的提升,參與導彈試驗的裝備需要滿足多項試驗跨區域行動同時進行。這種復合型試驗模式占用的區域空間擴大,需要調動使用的裝設備與試驗保障人員更多,加之參試部門系統經常詢問反饋試驗信息繁雜,顯然運用以往的方法已不適應逐漸增多的目標信息管理要求[1]。

為適應靶場信息化建設條件下目標信息管理的需要,合理設計靶場導彈武器試驗多目標信息管理系統,就是把試驗涉及的裝備與人員信息有機結合地理信息用網絡聯系起來,實時為參試各部門提供指定目標的定位、導航、分析數據等試驗信息。通過靶場信息系統來保證指控監管中心對參與試驗的裝備與人員狀況實時監控,各種試驗數據信息傳輸和有序管理,便于試驗指揮、全面籌劃、調度裝設備和人員參與的合理使用,為掌握控制試驗目標單元之間的聯系協調將發揮積極的作用。

2 靶場地理信息系統技術與試驗信息 結合

2.1 靶場地理信息系統技術

靶場地理信息系統是以靶場地理空間數據庫作為基礎,在計算機軟硬件的支持下對空間相關數據進行采集、傳遞、管理、操作、分析和顯示的計算機系統。靶場地理空間數據庫主要是靶場地理環境構建而成的,地理環境包括地理位置及周邊的地形、地物等因素,如內陸、沿海、海洋。這些主要指平原、丘陵、山脈、河流、城市、鄉村、交通、深海、水上、水下、近岸、軍事設施、石油平臺、測控基站、碼頭等。從圖形學的角度出發來看,靶場地理信息系統實質是一種便于計算機處理和網絡傳輸的數字化地圖。可以方便地對空間數據進行輸入、編輯、顯示、查詢、分析。另外系統可利用三維動態仿真技術,對各種要素進行仿真模擬,構造符合靶場地域實際的模擬空間,展現各種地物之間復雜的時空關系。采用地理模型分析方法,適宜提供多種空間靶場地理信息,便于對相關依附地理信息進行分析研究、決策。地理信息系統主要是把靶場地理空間進行模型化并存儲與計算機里,這樣才能對研究目標進行描述,從而完成非常形象化的模擬,保證在功能上預測能力。一般的地理信息系統,具有空間分析能力強、數據來源廣泛、工作方式直觀形象的特點,對空間數據的查詢和分析在要求較高的靶場信息化領域具有廣泛的前景。

2.2 導彈武器系統試驗信息

參與具有試驗海域特點的靶場武器試驗,其試驗系統涉及海上和陸地試驗裝設備和兵力,主要包括被試設備、試驗指揮、試驗總體分析,被試裝備試驗測試與操作、測量與測控、試驗通信、靶標與目標特性模擬,試驗勤務保障等試驗分系統。圍繞著導彈武器試驗系統的各組成巧妙地形成并選擇目標標的,賦予目標定位導航,便于形象地展示個體與局部相互關系信息,當然其以往經歷通過查詢系統,應易于找到。試驗過程中,不同數據信息的分析、解算、模擬、比較、篩選、判斷、推理、歸類,其形式繁多。這些試驗信息若按信源特征劃分,基本上可以歸納為:試驗資料檔案信息、被試裝備產品測試信息、動目標觀測信息、目標特性信息、環境物理場信息、作戰與對抗試驗信息、模型與仿真信息、計量標校信息等。

2.3 試驗信息管理的內容

導彈武器試驗地理信息綜合系統,是對靶場試驗海域內所涉及的人員與裝備等多目標信息的利用、管理等方面在系統層次上的定量分析和綜合集成。導彈武器試驗需要占用的試驗海域,完成試驗必須配置的裝設備和保障兵力,聯系協調試驗系統的指揮調度,傳遞分發接收信息的網絡通信、信息采集錄取、解算、試驗目標的定位、實時導航處理、導彈與靶彈飛行的安全邊界、電磁對抗與信息戰劃區運作等等。按照試驗規劃與任務分工的目標指導下,實施管理選擇上可考慮:由上至下(由上級至下級)、由里而外(由主系統,然后分系統)、由點至面(由重點到總體)或選擇抽檢排查。

靶場導彈武器試驗多目標地理信息系統,通過各類圖形的收集和矢量化數據處理,建立起試驗區域的地形地貌圖和導彈武器試驗目標的分布圖。有數據庫技術構建目標基礎地理信息數據庫作支撐,有機地使電子地圖與數據庫的緊密地聯系,對創設查詢試驗涉及多目標的特征、屬性和空間位置提供了技術支持。將靶場試驗信息數據庫系統與指揮系統進行集成,對靶場試驗管理和武器裝備試驗信息化與評估決策會有很大的益處。

3 空間問題解決方法

以靶場導論信息為基礎所構建的導彈武器試驗多目標信息系統是一項復雜的工程,需要試驗全方位的資源做配合,必須根據靶場試驗海域的實際情況,來決定技術路線實施。在系統設計中需要解決如下關鍵問題: 1) 空間模型的問題； 2) 空間數據的組織結構問題。

3.1 空間模型的分析

利用空間聚類分析模型可以有效地解決完成分析處理空間分布上的一種或幾種結構特征,如空間模式的遠近關系、拓撲關系、方位關系、大小關系、疏密關系等等。

1) 基于MST的空間分析模型的概念與特征

對于連通的帶權圖G,其生成樹也是帶權的。生成樹T各邊的權值總和稱為該樹的權,記作:

其中:TE表示T的邊集,ω(u,v)表示邊(u,v)的權。權最小的生成樹稱為G的最小生成樹(Minimun Spanning Tree)。最小生成樹可簡記為MST。

將最小生成樹應用于空間聚類,在于MST自身具有的特征—最小跨度特征。MST的最小跨度性質,即MST任一條邊都是某個點到其余節點的最小跨度,與人的聚類思維相符,因此,基于MST的聚類結果在空間上的分布模式就有別于其它以最小均方誤差標準的聚類方法。

2) 空間聚類模型算法流程圖

基于MST的可視化空間聚類分析模型算法最大特色在于利用Delaunay三角網工具和MST(最小生成樹)將地理實體的鄰接度(空間相鄰關系)與其它屬性一起作為空間聚類處理對象。具體算法流程如下。

圖1 算法流程圖

3.2 空間數據輸入與組織結構

在分析靶場導彈武器試驗涉及的多目標性質、特征、關聯性、拓撲性等的時候,往往并不需要分析所有的地形、地貌要素,換言之大多數的地形要素只是作為專業實體的參考背景。所以,在上述空間分析模型的支持下提出了基于MST的可視化的矢柵結合的技術路線:

1) 掃描全部的各種比例尺的地圖及資料,通過幾何變換和圖形整飾后結構化集成為電子地圖。

2) 在上述電子地圖的基礎上通過系統的符號標注功能,標注各種目標專題信息實體；并在該目標專題信息實體上掛接相應的圖表、文字、相片、多媒體、影像等屬性數據信息。

3) 通過MST的空間聚類分析模型將目標聚類,解出目標之間和目標群中的各個目標之間的拓撲關系實現目標信息在距離上的相關屬性。

靶場地理信息系統的數據結構,適宜選用金字塔型層次來集成導彈武器試驗涉及多區域用不同的比例尺的大量地圖來表述。所謂金字塔層次結構即在圖層結構中最上層是小比利尺的數據層,向下依次是比例尺逐漸變大的數據層,精確表述數據層都與地面相應地區配準。

4 系統設計

4.1 系統功能設計

海域靶場導彈武器試驗人員與裝備多目標地理信息綜合管理系統,它是以空間信息的輸入、查詢與分析為中心任務為基點,形成對導彈武器試驗管理從信息技術層次上給予保障支持。整個系統主要集成以下分系統:數據錄入輸出系統、檢索和查詢系統、試驗方案自動生成系統、專家評估系統、目標定位導航系統、空間分析系統、模擬演示系統、輔助決策分析系統。

1) 數據信息錄入輸出系統

用于地理信息系統中空間和屬性數據的獲取與更新。空間和屬性的數據錄入和輸出有多種方式,可通過鍵盤、掃描儀及數字化儀等,也可以通過網絡或其他系統直接將數據信息進行對接轉入。另外系統還提供對數據信息的適時更改和補充功能,同時在信息數據輸出方面,應便利地將統計、分析、決策、咨詢的結果以文本、報表、圖形的方式輸出。

2) 檢索與查詢系統

提供屬性與空間之間的邏輯查詢功能,相應的空間與屬性尋找查詢應該方便使用。由于靶場地理信息系統中,數據同數字地圖中的點、線、面對應,操作起來的結果應與實際是一致。數據庫的操作使用能及時反映在地圖上,對地圖的操作使用也會在數據庫中表現。

3) 試驗方案自動生成系統

根據導彈武器試驗的模式,圍繞著被試品的作戰環境、作戰態勢和戰技性能指標選取試驗資源,如保障裝備設備與兵力部署配備等。基于試驗測控和通信需要,不留死角地協調安排相應系統,做到單項試驗與多項試驗組織管理上的有機結合。按照輕重緩急的需求,考慮所有可能按優先級自動生成試驗方案,從而檢驗有限靶場資源配置的合理性。

4) 專家評估系統

基于產生式系統,將被試品主要戰技性能的考核方法和作戰效能評估模型生成專家系統,根據試驗過程與結果即時生成評估報告。開放的網絡可隨時匯聚各方專家想法思路,擇優提取融合在專家評估系統中,有效地解決專家系統信息更新。

5) 目標定位導航系統

利用北斗多星定位設備、靶場已有的差分定位技術和其軟件接口,在系統內接收導航定位信息,并可編輯文字進行文電通信。系統主要提供試驗涉及的多目標定位、導航、試驗場區監控功能。其中試驗區域監控功能包括保障兵力和各級指揮所在位置、態勢等,為試驗指揮和工程技術人員分析目標屬性,運行協調提供良好專有功能[7]。

6) 空間分析系統

系統負責對圖形進行地形分析、緩沖區分析、空間疊置分析、空間聚類分析、裝備剖面分解、測控設備結構分析、航區航線立體劃分等操作。并能展示各類屬性與詳細尺寸數據,完整地將分析結果進行匯總,以各種專題圖表和統計圖表形式分類輸出,從而滿足不同部門的需求。

7) 模擬演示系統

按時間步長模擬導彈武器試驗過程,實施分解試驗勤務保障兵力與裝設備的投送展開,導彈武器靜態與動態的聯試、目標攻擊區域與安全區域的變動、研究復雜電磁環境條件下導彈武器系統試驗與戰技效能評估。利用虛擬現實技術,展現試驗數據實時驅動,形象演示試驗場景、試驗資源配送運作情況、試驗數據生成和試驗結果的快速處理。

8) 輔助決策分析系統

基于靶場地理數據庫子系統(空間數據庫和專題數據庫)的支持下實現信息獲取,所以它應該是一種由數據、方法、模型和智能作為支持幫助的系統,目的是為輔助各級試驗指揮和工程技術人員,在導彈武器系統作戰試驗過程掌控試驗涉及多目標調度管理作出決策。專家系統在知識表示,信息獲取、推理判斷、適應性學習、容錯能力、故障診斷等方面展示明顯的優越性[8]。

4.2 系統邏輯結構控制關系

參與導彈武器試驗是在具有海域特點的靶場展開,自然試驗區域牽涉到陸、海、空多地點,寬范圍。從靶場地理信息系統上自然要形成一種地理上分散、邏輯上具有不同應用功能的結構特點,各分系統之間的通信由通訊網絡聯結,陸基間以光纜為主,輔助用車載移動通訊解決盲區和適應巡查機動所需,不適合固定聯結的目標載體,都應裝備無線通訊,劃區采用中繼接力解決好轄區的覆蓋。

在系統數據庫設計上,應以圖幅為單元建立圖幅空間索引,將靶場海域實體按幾何特征分為點、線、面數據(如:測控基站、陸基指控中心、艦船、飛機等為點目標；交通樞紐、橋梁等為線目標；軍事基地、庫房、機場、科技場站等為面目標)。采用多源數據集成與融合技術,又不同類型數據信息匯總集成。做載入流程圖時,首先考慮載入各種比例尺地圖,按標注專題信息(圖表、文字、影像、相片),形成空間聚類模型[9],并根據目標類型信息選擇比例。

將收集的試驗信息、先驗數據、仿真模型、被試品和參試裝設備的現場測試數據相結合,利于解決試驗過程各階段試驗數據使用率低和檢驗考核不充分之間的矛盾。可以充分利用網絡技術、數據融合技術、專家系統和虛擬現實技術,在靶場地理信息系統強力支持下,提高導彈武器試驗效率和管理質量。系統是由地理上分散、邏輯上具有不同應用功能的系統組成,各個子系統間的信息通過通信網絡連結,擁有相應的目標基礎數據庫、應用功能模塊和管理系統。其系統邏輯結構關系如圖所示[10]。

圖2 系統邏輯關系結構圖

5 結語

靶場在進行信息化建設創新方面有很多領域可以進行深入地探索,把導彈武器試驗所涉及的對象(人員、裝備、設備、基站等)用目標形式展現,結合海域靶場特殊地理信息有機地融合,可以演繹出較為真實的試驗場景。構建靶場導彈武器試驗地理信息系統時,應充分考慮網絡開放性原則,做到互聯互通,這樣會利于試驗信息與分析數據的共享并快速交流,能有效直觀地幫助參試人員進行空間目標分析和決策的梳理,對掌控靶場空間可視化模式下的導彈武器試驗管理與訓練分析將是非常有益的。

[1] 陳述彭,魯學軍,周成虎.地理信息系統導論[M].北京:科學出版社,2003:51-54.

[2] 涂建東.可視化空間聚類挖掘算法及系統實現[M].福州:科學出版社,2004:144-149.

[3] Arthur Brooks,Steve Bankes,Bart Bennett.Weapon Mix and Exploratory Analysis[M].RAND,USA,1997:28-34.

[4] 文仲輝.戰術導彈系統分析[M].北京:國防工業出版社,2001:32-36.

[5] 楊峰,李群,王維平,等.基于仿真的探索性評估方法論[J].系統仿真學報,2003,15(11):1561-1564.

[6] 楊鏡宇,司光亞,胡曉峰.信息化戰爭體系對抗探索性仿真分析方法研究[J].系統仿真學報,2005,17(6):1469-1472.

[7] 張冬興,繆旭東.美航母編隊防空作戰能力分析[J].飛航導彈,2010(8):60-55.

[8] 趙新,雷永林,等.艦艇編隊區域防空探索性建模與分析[J].國防科技大學學報,2011,34(2):143-148.

[9] 姚躍亭,等.艦艇編隊防空目標分配優化算法研究[J].計算機與數字工程,2011,39(1):31-34.

[10] 徐怡鋒,等.網絡化艦艇編隊協同防空目標分配模型研究[J].海軍航空工程學院學報,2009,24(5):333-336.

Information Command and Control System for Missile Weapon Test in Sea Area Range

ZHANG Yanzhong WANG Na

Multiple test activities such as the massing, mobilization, deployment and evaluation are of a great deal of personnel and equipments in a missile weapon test in range. To deal with the problem that the multiple target information can not be orientated the construction of the information synthesis system for identification, orientation and navigation is proposed. Moreover, the combination of range geography information and missile weapon test, the methods to the key problems and the system design technique have been explained specifically.

missile weapon test, personnel and equipment, geography information, information synthesis system

2016年6月11日,

2016年7月21日

張彥忠,男,碩士,高級工程師,研究方向:導彈武器試驗與研究。

TP393

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.12.027