陸軍裝備維修模擬訓練戰場環境模型研究

郭尚昆 古平

摘要：在陸軍裝備維修訓練領域，隨著模擬訓練地位的提升，對仿真模型的需求越來越高。在維修訓練領域的模型構建研究中，戰場環境模型還未引起廣泛的關注，為此以模擬訓練系統建設為目的，分析了維修訓練環境模型的建模需求，構建并描述了地理環境模型、大氣環境模型以及電磁環境模型。

Abstract： In the field of army equipment maintenance training， with the improvement of the status of simulation training， the demand for simulation models is increasing. In the model construction research in the field of maintenance training， the battlefield environment model has not attracted much attention. For the purpose of modeling the training system， the modeling requirements of the maintenance training environment model are analyzed， and the geographical environment model and atmosphere are constructed and described. Environmental model and electromagnetic environment model.

關鍵詞：裝備維修;模擬訓練;戰場環境;地理環境;大氣環境;電磁環境

Key words： equipment maintenance;simulation training;battlefield environment;geographical environment;atmospheric environment;electromagnetic environment

中圖分類號：E919 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）11-0158-03

0 ?引言

數據模型體系是支撐陸軍裝備維修模擬訓練系統的重要基礎。當前，該領域的模型構建多以行為模型、主體模型、裝備結構模型和評估分析模型等為主，戰場環境模型經常被淡化甚至忽視。

戰場環境指戰場以及其周圍環境中，影響作戰效果和作戰活動的各種條件和因素的統稱，是一切軍事活動的空間基礎，包括陸地環境、海洋環境、電磁環境等[1]。目前，維修模擬訓練不僅包括裝備故障排除、戰損裝備修復，還包括維修方案確定、維修分隊機動、維修地點選取以及維修資源調配等環節。在戰場環境因素中，地理環境因素決定臨時維修地點的選擇，關乎維修分隊和維修對象的安危，并直接影響維修分隊機動路線的選擇;大氣環境涉及能見度、降雨量、風速等多種因素，對維修分隊的作業進度能夠造成直接影響;在信息化戰爭背景下，復雜的電磁環境會嚴重影響信息系統的運行，制約維修決策的準確性和時效性，影響維修命令的下達和維修分隊的信息反饋[2]。因此，在戰場環境因素中，地理環境因素、大氣環境因素和電磁環境因素是影響裝備維修最重要的三方面因素，也是環境模型構建的重點研究對象。本文以陸軍裝備維修模擬訓練為研究背景，從地理環境、大氣環境、電磁環境等方面對戰場環境模型構建進行了研究，分析了戰場環境典型要素的特征，為其仿真實現提供了理論基礎。

1 ?地理環境分析及仿真模型

地理環境是戰場和周邊空間中，影響作戰活動和作戰效果的各種地理情況的統稱，主要用于描述戰區的地形地貌、水文特征、交通狀況、通視性及通行性等因素，此處主要研究對地形地貌、通視性和通行性模型的構建。

1.1 地形地貌模型

這里我們所研究的地形地貌指地面的起伏狀況，主要通過地理位置坐標、高程等數據予以反映。在計算機仿真中，通常采用規則網格法、不規則三角網格法、等高線表示法等三種方法來具體表示。由于規則網格法比較形象直觀且易于處理和實現，故在此使用該方法建立地形地貌模型。

使用規則網絡法對地形地貌模型進行構建時，應建立三維笛卡爾坐標系OXYZ，其中X軸與Y軸在水平面上，其數值表示地理位置;Z軸垂直于該平面，且指向地心的相反方向，其數值表示地理高程，即海拔高度。之后，將需要構建模型的戰場區域投影到水平面上，并將其投影分成若干相同大小的正方形網格，在網格各頂點的高程值已知的情況下，若假設同一方格內高程值相同，且為該方格4個頂點高程值的平均數，則能得到作戰區域連貫地形中任一點的高程值[4]。

如圖1所示，將整個戰場區域劃分成m×n個方格，其中，X方向為m格，Y方向為n格，使用x1，x2，…，xm+1和y1，y2，…，yn+1表示X方向和Y方向上的劃分坐標，那么對作戰區域內的任一點（x，y）處的標高為：

在現實環境中，戰場地形經常出現陡坡、山包等情況，但其地形地貌仍舊具有一定的連貫性，此時只要正方形網格面積取值適當，也可以較為精確地確定各點的高程值，從裝備維修角度能夠滿足對戰場地形模型的要求;對于高程值急劇變化的斷崖、深坑等特殊地形，應該對其高程值進行測量，再由人工對模型數據進行修正。

1.2 通行性及通視性模型

通過對戰場環境分析發現，地理環境對作戰行動的影響還體現在對通行性和通視性的影響上。戰場通視性模型可以由相關的通視性模型計算得出，如采用美國Santa Clarada大學的George W.Evansll所提出的四點輪廓法，也可以采用基于輪廓草圖的三維地形建模方法來完成，但前一種方法需要有具體的地形數據支持，裝備維修戰場環境模型構建前期獲取的地形數據往往達不到要求，后一種方法雖然建模精度高，但在實現上較為復雜[3]。

因此，結合模擬訓練應用和裝備維修實際，可以采用參數描述的方法，即先將地形區分為山地、林地、丘陵、平原、草原、沙漠等，將各種地形的最大通視性量化為0到1之間分布的數值，如圖2所示。

圖2量化了各種地形情況下的最大通視性，在實際的戰場環境中，同一戰場區域在不同季節的通視性，會因地面植被等因素的影響而存在區別，因此地形通視性模型還要考慮到季節因素S，如圖3所示。

E為常數，不考慮其他因素影響時E的值為1，當考慮其他因素的影響時，E作為[0，1]上的一個具體數值可以提高模型的適用性。

與通視性類似，可以建立通行性模型。根據地形情況、道路寬度、路面質量等因素確定最大通行性tmax，根據季節情況確定地面植被等因素對通行性的影響s2，根據不同裝備通行能力確定裝備影響因素k，因此通行性模型可描述為，

2 ?大氣環境分析及仿真模型

大氣環境是指任務區域的氣候類型及任務時刻的季節、天氣狀況。從對部隊作戰行動和裝備維修活動影響的角度進行分析，氣象條件包含時段、能見度、降雨量、風級等進行描述，即

式中：ID表示實體編號;Position表示位置信息; Visibility為能見度，每個等級對應的能見距離及對機動速度的影響系數如表1所示;Rainfall為降雨量，依據降水多少可將降雨量分為無雨、小雨、中雨、大雨、暴雨、特大暴雨6個等級，不同等級降雨量對維修效率的影響系數如表2所示;WindLevel為風級，每個等級分別對應的風速及對維修效率的影響系數如表3所示;p，q，ρ，u，v，w，t七個因素間接影響維修活動，其分別代表氣壓、濕度、空氣密度、xyz方向風速以及時間。

除明確的各影響因素外，其他大氣數據的生成可以由美國賓夕法尼亞/國家大氣研究中心（PSU/NCAR）提出的MM5模型得到，該模型依據大氣動力學和大氣輻射的原理，可以以任意尺度模擬全球任意地域的大氣環境。由5個基本方程來實現[4]：

3 ?電磁環境模型

戰場電磁環境是指與作戰相關的區域內，影響作戰行動的電磁現象的總和，包括雷達電磁環境、光電電磁環境、通信電磁環境等。對戰場電磁環境模型的構建，主要是通過對輻射源空間位置、技術參數、信號特征、部署情況等要素的描述來實現的[5]。

電磁環境是各類輻射信號的集合，在此以雷達信號為主要研究對象，即戰場中某一位置的雷達電磁環境是該點接收到的雷達信號形成的脈沖流，其由眾多某一時刻來自雷達的射頻脈沖組成[6]。此處射頻脈沖的基本特征可以用脈沖描述字（Pulse Description Word， PDW）描述，包括脈沖前沿到達時間（TOA）、脈沖載頻（RF）、脈沖寬度（PW）、脈沖幅度（PA）、脈沖到達角（AOA）[7]。其中，載頻、脈寬、脈沖重復間隔三者模型相近，均包括脈間捷便模型、固定模型及參差模型，可進行統一建模[8]。

4 ?結語

根據陸軍模擬訓練系統在裝備維修方面對環境模型的要求，從各要素特征和對裝備維修的影響等方面綜合考慮，通過對戰場環境中的地理、大氣和電磁的抽象描述，建立了符合需求的地理環境模型、大氣環境模型和電磁環境模型，豐富和發展了環境模型體系，同時也為模擬訓練系統的進一步研究提供了借鑒。

參考文獻：

[1]管清波， 馮書興.戰場環境的抽象化模型設計與仿真[J]. 系統仿真技術，2009，5（4）：219-225.

[2]楊瑞平，高國華，張立勤.計算機生成兵力[M].北京：國防工業出版社，2013：155-156.

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[8]趙晶，劉義，來慶福，馮德軍，王雪松.防空作戰電磁環境建模與仿真[J].系統仿真學報，2012，24（2）：258-262.