空襲與反空襲體系作戰態勢顯示需求分析

吳正雄，薛芳俠，張 陽

（電子信息系統復雜電磁環境效應國家重點實驗室，河南 洛陽 471000）

0 引言

態勢顯示系統主要將作戰指揮所需的信息以即時直觀的形式標繪在屏幕上，能夠及時反映戰場的動態變化，為指揮人員或作戰人員提供可視化的綜合態勢顯示界面，以此來輔助指揮決策、提升戰場認知，是作戰指揮與作戰決策的重要組成部分［1］。

當前，態勢顯示系統的研究主要聚焦于態勢顯示軟件的總體架構設計和實現以及一些關鍵技術研究［2-5］，諸如軍標顯示、態勢數據接入與采集、圖形處理和可視化方法、態勢認知與評估方法等［3-15］。現有的態勢顯示系統一般能夠展示戰場地理環境、裝備部署及雷達裝備威力圖、紅藍方兵力部署、運動目標航跡/軌跡等信息，但沒有系統地闡釋態勢顯示需求?；诖?，本文以空襲與反空襲為作戰背景，就態勢顯示需求作了一些相對系統地討論和分析，以便更形象地展示作戰過程。

1 空襲與反空襲體系作戰的一般過程

根據防空作戰的典型流程［16］，空襲與反空襲場景構建如圖1 所示。場景中布置兩方陣營，紅方陣營執行防空任務，藍方陣營執行對地攻擊任務。紅方兵力及武器組成包括：警戒雷達單元、地對空雷達偵察干擾系統單元、搜索雷達、跟蹤雷達、地空導彈導引頭、防空導彈、高炮。其中，警戒雷達單元執行全空域警戒任務，作用區域如圖1 紅色區域所示；地對空雷達偵察干擾系統單元執行全空域雷達偵察和雷達干擾任務，作用區域如圖1 黃色區域所示。藍方兵力及武器組成包括雷達電子戰飛機、攻擊機編隊、預警機、對地攻擊導彈/炸彈、反輻射導彈。

圖1 空襲與反空襲對抗場景Fig.1 Air raid and anti-air raid confrontation scenario

整個作戰過程大致可如下描述：1）藍方保持靜默，或利用地形遮蔽，機動接近紅方目標陣地；2）紅方警戒雷達探測到藍方對地攻擊飛機，向指揮所報告探測目標信息；3）藍方雷達電子戰飛機偵察截獲紅方警戒雷達輻射信號，選擇干擾策略，對紅方警戒雷達實施壓制或欺騙干擾；4）紅方警戒雷達受到藍方雷達電子戰飛機的干擾，威力減小，甚至導致目標丟失；5）紅方警戒雷達識別敵方干擾信號樣式后，根據抗干擾決策，采取相應的抗干擾措施；6）藍方攻擊機繼續接近紅方陣地，攻擊機編隊進入紅方防空干擾區域；7）藍方電子戰飛機做盤旋機動保持對紅方警戒雷達的干擾；8）藍方戰斗機進入防空火力打擊區域，如果被地面跟蹤雷達鎖定，對地面跟蹤雷達進行干擾；9）藍方對地攻擊飛機編隊啟動機載火控雷達，對重點區域進行目標探測及跟蹤；10）藍方發現高價值目標，發射對地導彈，若持續受到紅方干擾，則考慮發射反輻射導彈；11）紅方伺機發射防空導彈，若藍方進一步靠近，則啟用便攜式導彈武器系統或高炮系統。

2 態勢顯示需求分析

2.1 態勢顯示總體思路

現有態勢顯示一般是在地理信息系統的基礎上，通過統一的綜合界面集成框架完成態勢標繪和業務處理，利用插件集成技術完成態勢顯示。由此可知，態勢顯示涉及地理信息系統自身的功能特點以及態勢標繪和業務處理方面的功能特點。二者應當同時保留，彼此互補才能較好地展現態勢，態勢與二者的關系如圖2 所示。

圖2 態勢生成與各功能之間的關系Fig.2 The relationship among the generation of situation and each function

展開來說，地理信息系統自身的功能特點，一般是指，包括地形建模、三維實體建模和渲染在內的戰場環境構建功能，電子地圖顯示功能，顯示控制功能（如二/三維戰場態勢的縮放、漫游、定位中心、局部放大、圖層設置、分層分類顯示、俯瞰圖等）。

態勢標繪和業務處理功能是與仿真過程中的態勢顯示和變化直接相關的操作或功能。如引言所述，現有的態勢顯示系統能對裝備部署及雷達裝備威力圖、紅藍方兵力部署、運動目標航跡/軌跡等進行展示。這是態勢所需的必要組分，應予以保留。但是，上述組分往往只是在二維視角下呈現出不錯的效果，三維下的展現效果差強人意。因此，態勢標繪和業務處理功能是后文需要拓展和考慮的重點。

態勢標繪和業務處理功能與具體作戰場景緊密相關，依據空襲與反空襲體系作戰的一般過程，其態勢顯示應就火力對抗、雷達電子戰對抗、光電對抗等典型作戰場景及效果進行可視化的展現。因此，空襲與反空襲作戰態勢顯示需求主要從通信狀態、電子戰態勢、火力對抗態勢三方面來體現態勢標繪和業務處理功能。而這三者顯示需求，又會進一步拓展顯示控制功能，如圖3 所示。

圖3 空襲與反空襲背景下的態勢顯示需求Fig.3 Situation display requirements under the background of air raid and anti-air raid

2.2 通信狀態顯示需求

在作戰過程中，不論紅方、藍方，指令都是經由通信網或通信鏈路向下級及友鄰作戰單位傳達。為了更好地展示指揮關系以及凸顯作戰指令流轉關系和去向，通信狀態的展示顯得很有必要。因此，在通信狀態顯示時，需要展現以下4 個方面的內容。

1）顯示參戰單位/仿真模型的通信狀態。為方便指揮/作戰人員快速識別參戰單元/仿真模型的通信狀態，應區分通信狀態的正常和障礙，如可考慮用兩種不同顏色塊來表示兩種不同通信狀態。

2）顯示參戰單位/仿真模型的通信關系?？煽紤]將存在通信關系的參戰單位/仿真模型用箭頭線連接；彼此沒有通信時，箭頭線不顯現；如有通信時，箭頭線顯現，且箭頭從信源指向信宿。此外，應考慮用不同顏色的箭頭線區分紅藍陣營。

3）顯示參戰單位/仿真模型的通信能力強弱。需要區別顯示參戰單位/ 仿真模型的通信能力強弱，例如可用磅值線條或文字來顯示不同帶寬的通信能力，高帶寬可用大磅值表示，低帶寬可用小磅值表示，并分別輔以文字說明。

4）多方式展示通信狀態及能力強弱。這主要是對前三者的補充，例如可增添列表以平鋪的方式展現各參戰單位/仿真模型的通信狀態及能力強弱。

2.3 電子戰態勢顯示需求

在空襲與反空襲的一般過程中，藍方對地攻擊機可能利用地勢，進行低空突防，從而藏匿蹤跡。同樣地，紅方的預警雷達、防空武器系統的搜索和跟蹤雷達會受到地勢、氣象等多方面的影響，呈現出不規則的威力范圍。在藍方對地攻擊機進入到一定的作戰區域，很有可能被紅方雷達捕捉到目標。藍方可能會采取壓制干擾、欺騙干擾等手段，隱匿蹤跡或隱真示假。在這樣一個過程中，電子戰態勢顯示應考慮展現5 個方面內容。

1）顯示參戰單元/仿真模型。首先應真實地展現各參戰單元/仿真模型的物理外形。尤其在三維視角下，更應該通過實裝圖片來構建戰場實體的三維顯示模型。其次，區別顯示戰場實體被發現與否的狀態。例如，若藍方戰機被發現后，可令其態勢圖標邊緣不斷地閃爍朦朧紅光；若未被發現，則正常顯示圖標。若紅方作戰單元被發現，則同樣令其態勢圖標邊緣閃爍朦朧藍光；若未被發現，則正常顯示圖標。

2）顯示運動目標的軌跡。可考慮多種形式展現運動目標軌跡，如可用連續線表示途經的空間位置，也可用間斷點表示航跡。同樣地，運動目標的軌跡顯示也應區分不同的陣營。

3）顯示受自然條件（如氣象和地形等因素）干擾后的雷達威力范圍。相較于理想條件，受到自然條件干擾后的雷達威力范圍肯定會受到影響。特別是受到地形影響后，雷達的搜索空間都不會是一個規整的圓錐。所以，應區別顯示紅藍的雷達威力范圍。例如，紅方雷達可用紅色的陰影表示其威力范圍，藍方雷達用藍色陰影表示其威力范圍，特別是考慮受到地形影響后陰影實際所能覆蓋的空間。其次，還需考慮雷達因運動而造成的威力范圍的變化（如藍方戰機掛載的雷達）。

4）顯示搜索和跟蹤的電磁范圍。當前，顯示雷達的搜索過程時，總是在360°范圍內不斷掃面轉圈，給人一種360°全方位搜索的假象。實際上，這不完全正確，對于防空武器系統而言，其各作戰單元都分配了各自的責任扇區，不太可能360°全方位搜索。就所見的態勢顯示系統中，還沒有顯示跟蹤過程的電磁分布。因此，首先可用不同的方式區分顯示搜索過程和跟蹤過程的電磁分布，尤其需考慮受到自然條件影響后的電磁分布。例如，可用不同顏色或不同類型線條（如連續/間斷）展示二者電磁分布。其次，雷達的搜索過程應真實地得到展現。雷達搜索過程的電磁分布需考慮作戰單元的實際工作方式（如考慮其責任扇區），不能簡單地以360°掃描的方式呈現。第三，雷達的跟蹤過程應真實地得到展現。雷達跟蹤過程實際上已經大致地了解到目標的空間位置，可用細線連接雷達/傳感器和目標，同時突出主瓣、旁斑及后瓣。

5）顯示壓制干擾和欺騙干擾的電磁分布。首先，考慮因受到干擾（主要是壓制干擾）而導致的電磁分布及其動態變化。在受壓制干擾時，采取或不采取抗干擾措施，雷達搜索和跟蹤的電磁分布都會受到影響，或是電磁分布的范圍被壓縮，或消失，或者分布范圍偏移。其次，顯示干擾的類型。此處，欺騙干擾假定考慮距離、速度、假目標等手段。例如可用警告符號和文字表明干擾的不同類型以及欺騙干擾的不同手段，若是箔條干擾，還可用一些動畫來呈現。

2.4 火力對抗態勢顯示需求

火力對抗過程以對地攻擊導彈/炸彈、反輻射導彈、防空導彈、高炮為主要武器，因而火力對抗態勢顯示主要考慮以下5 個方面的內容：

1）顯示武器的類型及功能狀態。首先，真實地展現不同武器。應以實裝圖片為依據，構建武器的三維顯示模型。其次，展現武器的功能狀態。應根據不同武器的不同功能狀態，設計其顯示方式。例如，在仿真運行階段，武器的顯示模型受到數據驅動而運動或產生攻擊效果（如爆炸、自毀等）?？煽紤]在戰場實體的顯示模型或圖標增添“X”的標志，以表示戰場實體處于毀傷狀態。如果展現導彈的飛行過程，也應考慮顯示其軌跡，同2.3 節的2）。

2）顯示不同的制導方式。本作戰場景涉及到雷達制導和激光制導，可用不同方式展現兩種制導方式，如雷達制導過程可用波浪線連接導引頭和目標，而激光制導過程則可用淡紅色的射線連接導引頭。另外，如導彈為主動制導，同樣需展現電磁的動態分布。

3）能夠選定發射點為參考點。火力對抗過程應考慮設置發射點為視角參考點，以嵌入窗口的方式展示彈目飛行及交會。

4）呈現多種交戰動畫效果，如爆炸、命中、毀傷等三維效果顯示。

5）呈現關鍵性事件信息。可以表頁文字形式顯示火力/電磁對抗過程中產生的各種關鍵性事件信息，如目標發現、導彈武器攻擊、火力毀傷結果、空戰結果、遭敵攻擊、返航、電子戰情況報告等。

2.5 顯示控制功能拓展

由于顯示控制功能更多地和所依賴的地理信息系統相關，因而在空襲與反空襲的作戰背景下，只考慮顯示控制功能的增量。概括而言，顯示控制功能的增量應考慮6 個方面：

1）通信狀態顯示、電子戰態勢顯示、火力對抗態勢顯示都應可配可控。具體而言，可單獨開啟/關閉上述顯示，也可整體開啟/關閉顯示；可對任意參戰單位/仿真模型開啟或關閉顯示。

2）配備小地圖功能。由于態勢顯示的屏幕或視野有限，可參考DOTA 等游戲，增加小地圖顯示。在小地圖上，可用不同顏色的點區分不同陣營的參戰單元，同時以一定時間間隔刷新所有參戰單元的位置信息。

3）增加多視角顯示［17］。由于對抗過程中有紅方、藍方和白方，紅方與藍方只能觀測到各自的區域，也只能展現各自視角的內容，白方則可以縱覽整個態勢和隨時查看紅方和藍方的態勢。

4）靈活設置態勢顯示刷新率。刷新率直接關系態勢顯示信息的時效性，如刷新率過低，即便計算機能夠滿足計算要求，態勢顯示信息（尤其動目標的顯示信息）也無法及時地反饋真實態勢，甚至貽誤戰機；如刷新率過高，則對計算機以及態勢顯示實現算法提出了很高的要求。

5）能夠根據不同用戶角色展現態勢。這主要基于兩方面考慮，一是不同用戶的認知資源和能力有限且不同；二是用戶的使命任務差異決定了態勢的關注點不同?？找u與反空襲作戰體系下的態勢顯示系統用戶至少包括各級指揮員和火控操作手，火控操作手更關心來襲方向的目標空間位置、速度等三維信息，而指揮員（尤其是高級指揮員）則需要關注某個戰場的全貌。

6）結合顯示工效進行態勢展現。設計態勢顯示系統應統籌顯示工效問題，依據用戶的認知特性來展現態勢，主要考慮分層分級、關聯聚合、時空多維和焦點推送等方面［18］。鑒于空襲與反空襲的態勢顯示內容要素復雜，可通過基礎地圖層、環境感知層和目標態勢層對態勢分級過濾，能根據具體的計算機硬件條件靈活調整顯示圖層，但應優先保證目標態勢層的顯示。圍繞目標態勢進行展現時，可將態勢目標的多重特征、關系、指令等信息聚合顯控，宜采用扁平化信息架構和顯示模式，以減少內容層級和展現步驟，便于用戶更快更好地認知和操作態勢信息。此外，縮放地圖會帶來目標顯示密度變化，應適時地將目標（目標群）映射為點或圖標要素，動態實現基于地理距離地聚合和解聚。為了便于用戶理清和認識態勢信息地時序邏輯和空間關系，可考慮將過去、現在和未來的態勢信息綜合展現，以及增加二、三維空間同步顯示和按需切換。如在展現航跡時，可通過不同顏色和線條區分歷史航跡、當前航跡及預測航跡，直觀展現目標狀態和行動意圖。為在復雜態勢縮短決策時間，提高主要任務處理的專注度，應考慮將關注目標、告警信息、預測信息、決策信息等關鍵要素實時、快速地推送給用戶。此外，為增加焦點推送的友好性，應支持用戶自定義內容推送。

3 關鍵技術分析

由于態勢顯示的內容較為精細，這意味著完成顯示需要巨大的計算量。這種計算量主要來源于3個方面：

1）接入態勢顯示系統的數據多源。態勢顯示系統需要接入大量而又紛繁復雜的數據，包括電子地圖數據、紅/藍仿真模型的仿真數據、實裝/仿真模擬器數據、視頻流數據。以紅/藍仿真模型的仿真數據為例，要支撐起空襲與反空襲這個作戰場景，參與的仿真模型至少5 個（藍方預警機、長機、僚機，紅方預警雷達、防空武器系統）。而就其仿真數據分類來看，則又包括電磁信息（雷達輻射信號字、RCS值等）、運動信息（位置、速度等）、光電信息等。如此大量多源的數據，除了數據接收，還需要數據適配和數據融合。

2）戰場要素構建及渲染。戰場要素構建用于戰場三維場景構建（包括地形、地貌等自然環境因素）以及紅藍雙方作戰單位實體三維模型構建等。三維渲染主要分為要素配置與顯示、沙盤顯示。要素配置基于數字地圖實現要素加載、標繪。標繪按照要素分類可以分層顯示。沙盤顯示基于要素配置信息加載并顯示對應地理數據（三維場景）、地物模型、裝備模型，利用可視化效果顯示空天背景、氣象條件（云、雨、霧、雪）等。

3）可視化展示?？梢暬故局饕盏貞B勢可視化、仿真模型界面圖像采集、展示界面整合?？盏貞B勢以二維+三維圖形的方式顯示，主要包括敵我雙方對抗兵力、武器裝備、傳感器等的實時狀態、運動航跡、探測范圍、作戰效能、毀傷情況等信息，以及作戰區域、戰場環境等信息，同時還可提供一定的標繪、計算功能。在仿真運行過程中，通過動態配置信號源、拼接預案、單路全屏觀看、手工拖拽、放大及縮小信號顯示窗口等操作，采集和整合仿真模型界面圖像，以便從局部觀察和管理態勢。

事實上，上述3 個方面亦是態勢生成的一般過程，即數據融合（對應第1 點）和態勢顯示（對應第2和第3 點）。上述過程需要巨大的計算量，而這會帶來顯著的態勢顯示時延。從應用角度來看，毫秒級別的時延是能夠接受的最大限度。因此，高效的數據管理技術和圖形優化顯示算法，是實現態勢顯示系統必須解決的問題。

4 結論

本文以空襲與反空襲作戰為作戰背景，主要從通信狀態、電子戰態勢、火力對抗態勢和顯示控制4個方面，分析和討論了顯示內容及方式，進而分析了顯示實現所需的巨大計算量的來源，指出了態勢顯示實現的關鍵技術是高效的數據管理技術和圖形優化顯示算法。這兩種關鍵技術，往往會催生新的或改進原有的態勢顯示系統的整體設計架構。此外，基于工效的顯示問題也應特別重視，這是輔助用戶快速、準確地理解態勢和作出決策的關鍵環節。綜上所述，本文較為系統地闡釋了態勢顯示有關需求，清晰羅列了態勢涉及的諸多要素，有利于設計最為復雜的電子戰態勢顯示系統架構及開展其工程實踐，以此更好地服務作戰。