Cesium在武器系統作戰演示中的應用

楊玉婷 高 鑫 袁韻潔

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

隨著軍事作戰能力的提升，作戰模式已從單一武器作戰演變為武器系統的協同作戰，空間范圍也不再局限于陸地，空中和海面的拓展使戰場逐漸成為立體化的形態[1-2]。范圍的擴大使本就瞬息萬變的戰場信息變得更加復雜，傳統的單一信息展示已不能全面反映實際戰場，多維度的態勢演示是未來的發展方向。

結合實際作戰情況，作戰演示系統一般需提供地圖顯示控制、戰場態勢信息顯示、空情目標信息顯示等功能。Cesium是一種GIS(geo information system地理信息系統)平臺，可直觀顯示態勢信息、空情信息等，能夠動態展示戰場變化，將從戰場中實時獲得的數據以圖形化的方式展示出來。本文首先概述了Cesium平臺的特點及場景，然后對Cesium平臺涉及的三種數據進行分析，最后對Cesium在武器系統作戰演示中的兩類典型應用進行介紹。

1 Cesium概述

Cesium是一個基于JavaScript語言的開源三維地理信息庫，無需額外安裝插件即可在支持html5的瀏覽器上運行。Cesium具有成本低、支持多種數據可視化方法、跨平臺、計算精度高等優勢；基于WebGL底層框架進行開發，并在WebGL的基礎上做了許多算法優化，能夠更加流暢地海量加載三維模型數據與全球的遙感影像數據和地形數據[3]。相比于其他GIS平臺，Cesium真正實現了二、三維一體化，支持2D平面地圖、2.5D哥倫布地圖、3D三維地圖的場景切換，圖1展示了三種不同場景，通過右上角的地圖模式切換選項，即可在三種場景間任意切換。

圖1 Cesium場景

此外對于開發者來說，Cesium有詳細的API文檔，對其屬性、方法等進行了說明，還提供了Sandcastle沙盒代碼庫，可在沙盒中運行測試程序，提高了開發效率。Cesium可用于與GIS相關的各行業，如建筑、水文、城市規劃等，Chaturvedi K在Cesium上加載3D城市模型，用于指導城市建設[4]，Meersbergen M V利用Cesium實現了水文預報數據集的可視化[5]，目前Cesium在武器系統作戰演示方向的應用鮮有提及。

2 Cesium平臺數據

在武器系統作戰演示應用中，Cesium作為地理信息平臺，能夠將實時態勢信息等展示在地圖上。這其中涉及到地圖數據、模型數據以及作戰演示數據，下面就三類數據的來源以及加載方式進行詳細介紹。

2.1 地圖數據

Cesium可加載天地圖、Arcgis等在線地圖，也支持瓦片地圖模式。作戰演示軟件應用于武器系統局域網內，沒有網絡環境無法讀取在線數據，因此瓦片地圖模式是最佳選擇。瓦片地圖技術的原理是將一定坐標范圍內的地圖，按照固定的若干個比例尺(瓦片級別)和指定圖片尺寸，切成若干行及列的正方形圖片，并按一定的命名規則保存到目錄系統中[6]。

圖2顯示了瓦片地圖的劃分，可以看出下一級瓦片是在上一級瓦片基礎上進行了一分四劃分，即四叉樹劃分法，由此可知隨著瓦片級別的增多，地圖的分辨率會越來越高。在讀取地圖數據時根據不同的瓦片級別將瓦片圖片進行拼接，即可實現地圖加載服務。

圖2 瓦片地圖劃分示例

圖3是瓦片地圖加載代碼，該段代碼可完成瓦片地圖的加載，其中imageryProvider中的url子項是瓦片地圖在本地的存儲地址，其余項是地圖顯示特性的描述，加載后的地圖可實現移動、放大、縮小操作。

圖3 瓦片地圖加載代碼

2.2 模型數據

武器系統作戰態勢信息中包含各類裝備、飛行導彈、空情目標、環境建筑物等，在演示時需采用不同的模型與其一一對應。對于2D平面地圖場景來說，可直接采用圖片文件，支持jpg、png、ico等格式。對于3D三維地圖場景來說，Cesium支持gltf和bgltf兩種格式[7]。gltf是一種交換格式，用于在互聯網或者移動設備上展現3D內容，bgltf是gltf二進制格式的擴展。Cesium中提供了多種3D模型參考，包括飛機、越野車、人物等，除自帶的3D模型外還可自定義設計3D模型。對于常見的obj、3ds、fbx等模型格式，可先通過3dmax轉換為dae格式，再通過dae轉gltf工具轉換為gltf格式應用于Cesium中。

圖4是模型對象的加載代碼，在創建模型時可對其位置、方向(包括偏航角、俯仰角、翻滾角)、像素等進行設置。創建后的模型可隨地圖的移動而移動，地圖在一定縮放范圍內改變時，模型保持一定的尺度不變。

圖4 模型對象加載代碼

2.3 作戰演示數據

作戰演示數據來源于武器系統、監視測量設備、人工情報等，如來自武器指揮控制系統的導彈發射指令、來自雷達車的空情目標信息、來自光電經緯儀的追蹤數據等。作戰演示數據具有來源多且格式不同的特點，如采用逐比特讀取的方式會降低作戰演示系統的兼容性，每適配一種武器系統則需更改一次數據接口。

以空情目標為例，在演示中需要獲取其類型、批號、速度、空間位置信息，不同的武器系統均需提供這四類信息給作戰演示系統。因此可在武器系統與作戰演示系統之間增加一個數據解析模塊，設計好數據解析模塊與作戰演示系統之間的接口，采用數據預處理方式實現作戰演示系統對外接口的標準化，提高了作戰演示系統的可擴展性。

3 典型應用

作戰演示系統最核心的功能是戰場態勢顯示，除此外在Cesium中還可以實現作戰前規劃布局功能。

3.1 態勢顯示

作戰演示系統能夠顯示并動態更新戰場中的態勢信息，以實際衛星地圖為背景(二維或三維場景)，真實直觀地演示戰場中的各種變化。以空情信息為例，來說明態勢顯示過程(數據解析模塊與作戰演示系統之間通過MQTT協議[8]通信為例，具體通信方式可根據需求確定)。

圖5是態勢顯示過程流程圖，基于Cesium的作戰演示系統首先將進行系統初始化配置，設置好接收端口、服務器IP地址并連接到MQTT服務器上；然后訂閱空情信息主題，完成空情消息訂閱；之后有空情消息到達時，將解析空情信息，得到空情種類、經緯度、高度、速度、批號，判斷該批號是否已經存在，若存在則更新模型信息，若不存在則創建該批號模型；最后依據數據完成界面顯示更新操作。

圖5 態勢顯示過程流程圖

其中空情種類決定了模型的種類；經緯度、高度可確定空情目標位置；速度信息可決定空情行進的方向；批號作為目標實體的id，用于區分不同的空情目標，當空情目標需要更新時，找到對應的目標實體是至關重要的一步，此時id就是其唯一的標識。

圖6是二維空情信息顯示，視圖內共有三架飛機。圖7是三維態勢顯示，視圖內有兩架飛機，一輛戰車，在Cesium中直觀地展示了相互之間的態勢關系。隨著作戰數據的更新，地圖中的模型會產生相應的動態變化來演示真實場景。

圖6 二維態勢顯示

圖7 三維態勢顯示

3.2 戰前規劃布局

3.2.1 獲取作戰區域

在武器系統作戰前，指揮人員可根據獲取的裝備位置信息以及其他人工情報等，對作戰區域做一整體規劃布局。如在某作戰演示系統中，作戰前已知導彈發射車位置和目標靶機的相關人工情報信息(目標距離、進入方位、類型等)，通過模型數據加載的方式可在地圖的相應位置添加發射車、目標靶機并繪制出作戰覆蓋區域。圖8的灰色矩形即是根據已知信息計算生成的作戰區域，通過放大該區域讀取高級別的瓦片地圖，即可清晰地看到實際的作戰區域。若已知作戰區域的邊界坐標，也可通過直接裝訂的方式在地圖上繪制出作戰區域。

圖8 作戰區域生成

3.2.2 監視測量裝備坐標選取

監視測量裝備是武器系統作戰中必不可少的，覆蓋范圍是該類設備的重要指標之一。如何根據作戰配置合理放置監視測量裝備是指揮人員在作戰前需要著重考慮的問題，若放置不合理，則可能出現監視測量盲區。Cesium可提供監視區域預覽效果，并能夠反饋放置點坐標位置。

在Cesium中可通過點選地圖的方式獲取該點的經緯度坐標，如圖9所示，通過點選地圖操作，在點擊處添加雷達一臺，圖中圓心處黑色圓點指代雷達設備，灰色區域代表該設備的覆蓋范圍，同時將得到該點經緯度坐標為(105.542300,38.753265)，可作為雷達放置點參考。

圖9 監視測量裝備坐標獲取

以上兩種應用背后的原理均是Cesium靈活的坐標轉換機制，對于獲取作戰區域來說，Cesium支持WGS84經緯度坐標的直接讀取，圖4中的Position一項即可直接獲取經緯度坐標，在地圖中對應位置添加模型。對于監視測量裝備坐標選取來說，通過獲取鼠標點擊位置，得到屏幕坐標，然后將其轉換為笛卡爾空間直角坐標系，最后再轉換為地理坐標，得到點擊處的經緯度值，轉換代碼如圖10所示。

圖10 屏幕位置轉換為經緯度坐標代碼

4 結束語

戰場環境復雜多變，作戰演示系統需要實時顯示戰場態勢。Cesium作為一種可加載離線瓦片地圖的開源地理信息庫，可為作戰演示系統提供一個良好的顯示平臺。本文介紹了Cesium的優勢及場景，分析了Cesium平臺涉及的地圖數據、模型數據和作戰演示數據，詳細介紹了態勢顯示和戰前規劃布局兩種典型應用。Cesium二、三維一體化的體制使實時態勢消息可以更好的呈現，靈活的坐標轉換使實際位置和地圖點完美呼應，Cesium在武器系統作戰演示方向有很好的應用潛力。