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(tǒng)*

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(jié)、調(diào)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(tǒng)構建思想。并對靶場地理信息與導彈武器試驗結(jié)合、關鍵問題解決方法、系統(tǒng)設計技術等環(huán)節(jié)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(tǒng)

(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(jīng)常會牽涉到海、陸、空多區(qū)域各型裝備和人員的集結(jié)調(diào)動,主要包括導彈裝備運輸、發(fā)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(guī)劃等。試驗展開過程中,各類目標載體布局大多呈現(xiàn)出散亂或不固定的狀態(tài),而且相互之間經(jīng)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(diào)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(jié)合的方式加以解決,其結(jié)果是可用信息滯后,連續(xù)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(qū)域行動同時進行。這種復合型試驗模式占用的區(qū)域空間擴大,需要調(diào)動使用的裝設備與試驗保障人員更多,加之參試部門系統(tǒng)經(jīng)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(tǒng),就是把試驗涉及的裝備與人員信息有機結(jié)合地理信息用網(wǎng)絡聯(lián)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(shù)據(jù)等試驗信息。通過靶場信息系統(tǒng)來保證指控監(jiān)管中心對參與試驗的裝備與人員狀況實時監(jiān)控,各種試驗數(shù)據(jù)信息傳輸和有序管理,便于試驗指揮、全面籌劃、調(diào)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(lián)系協(xié)調(diào)將發(fā)揮積極的作用。

2 靶場地理信息系統(tǒng)技術與試驗信息 結(jié)合

2.1 靶場地理信息系統(tǒng)技術

靶場地理信息系統(tǒng)是以靶場地理空間數(shù)據(jù)庫作為基礎,在計算機軟硬件的支持下對空間相關數(shù)據(jù)進行采集、傳遞、管理、操作、分析和顯示的計算機系統(tǒng)。靶場地理空間數(shù)據(jù)庫主要是靶場地理環(huán)境構建而成的,地理環(huán)境包括地理位置及周邊的地形、地物等因素,如內(nèi)陸、沿海、海洋。這些主要指平原、丘陵、山脈、河流、城市、鄉(xiāng)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(fā)來看,靶場地理信息系統(tǒng)實質(zhì)是一種便于計算機處理和網(wǎng)絡傳輸?shù)臄?shù)字化地圖。可以方便地對空間數(shù)據(jù)進行輸入、編輯、顯示、查詢、分析。另外系統(tǒng)可利用三維動態(tài)仿真技術,對各種要素進行仿真模擬,構造符合靶場地域?qū)嶋H的模擬空間,展現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng),具有空間分析能力強、數(shù)據(jù)來源廣泛、工作方式直觀形象的特點,對空間數(shù)據(jù)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)。圍繞著導彈武器試驗系統(tǒng)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(jīng)歷通過查詢系統(tǒng),應易于找到。試驗過程中,不同數(shù)據(jù)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(chǎn)品測試信息、動目標觀測信息、目標特性信息、環(huán)境物理場信息、作戰(zhàn)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(nèi)容

導彈武器試驗地理信息綜合系統(tǒng),是對靶場試驗海域內(nèi)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(tǒng)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(lián)系協(xié)調(diào)試驗系統(tǒng)的指揮調(diào)度,傳遞分發(fā)接收信息的網(wǎng)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(zhàn)劃區(qū)運作等等。按照試驗規(guī)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(tǒng),然后分系統(tǒng))、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(tǒng),通過各類圖形的收集和矢量化數(shù)據(jù)處理,建立起試驗區(qū)域的地形地貌圖和導彈武器試驗目標的分布圖。有數(shù)據(jù)庫技術構建目標基礎地理信息數(shù)據(jù)庫作支撐,有機地使電子地圖與數(shù)據(jù)庫的緊密地聯(lián)系,對創(chuàng)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(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與指揮系統(tǒng)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(tǒng)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(jù)靶場試驗海域的實際情況,來決定技術路線實施。在系統(tǒng)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(shù)據(jù)的組織結(jié)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(jié)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(zhì),即MST任一條邊都是某個點到其余節(jié)點的最小跨度,與人的聚類思維相符,因此,基于MST的聚類結(jié)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(wǎng)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(shù)據(jù)輸入與組織結(jié)構

在分析靶場導彈武器試驗涉及的多目標性質(zhì)、特征、關聯(lián)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(shù)的地形要素只是作為專業(yè)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(jié)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(jié)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(tǒng)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(shù)據(jù)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(xiàn)目標信息在距離上的相關屬性。

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

4 系統(tǒng)設計

4.1 系統(tǒng)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(tǒng),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(tǒng)主要集成以下分系統(tǒng):數(shù)據(jù)錄入輸出系統(tǒng)、檢索和查詢系統(tǒng)、試驗方案自動生成系統(tǒng)、專家評估系統(tǒng)、目標定位導航系統(tǒng)、空間分析系統(tǒng)、模擬演示系統(tǒng)、輔助決策分析系統(tǒng)。

1) 數(shù)據(jù)信息錄入輸出系統(tǒng)

用于地理信息系統(tǒng)中空間和屬性數(shù)據(jù)的獲取與更新?？臻g和屬性的數(shù)據(jù)錄入和輸出有多種方式,可通過鍵盤、掃描儀及數(shù)字化儀等,也可以通過網(wǎng)絡或其他系統(tǒng)直接將數(shù)據(jù)信息進行對接轉(zhuǎn)入。另外系統(tǒng)還提供對數(shù)據(jù)信息的適時更改和補充功能,同時在信息數(shù)據(jù)輸出方面,應便利地將統(tǒng)計、分析、決策、咨詢的結(jié)果以文本、報表、圖形的方式輸出。

2) 檢索與查詢系統(tǒng)

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(tǒng)中,數(shù)據(jù)同數(shù)字地圖中的點、線、面對應,操作起來的結(jié)果應與實際是一致。數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫中表現(xiàn)。

3) 試驗方案自動生成系統(tǒng)

根據(jù)導彈武器試驗的模式,圍繞著被試品的作戰(zhàn)環(huán)境、作戰(zhàn)態(tài)勢和戰(zhàn)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?；谠囼灉y控和通信需要,不留死角地協(xié)調(diào)安排相應系統(tǒng),做到單項試驗與多項試驗組織管理上的有機結(jié)合。按照輕重緩急的需求,考慮所有可能按優(yōu)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(tǒng)

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

5) 目標定位導航系統(tǒng)

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(tǒng)內(nèi)接收導航定位信息,并可編輯文字進行文電通信。系統(tǒng)主要提供試驗涉及的多目標定位、導航、試驗場區(qū)監(jiān)控功能。其中試驗區(qū)域監(jiān)控功能包括保障兵力和各級指揮所在位置、態(tài)勢等,為試驗指揮和工程技術人員分析目標屬性,運行協(xié)調(diào)提供良好專有功能[7]。

6) 空間分析系統(tǒng)

系統(tǒng)負責對圖形進行地形分析、緩沖區(qū)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(jié)構分析、航區(qū)航線立體劃分等操作。并能展示各類屬性與詳細尺寸數(shù)據(jù),完整地將分析結(jié)果進行匯總,以各種專題圖表和統(tǒng)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(tǒng)

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(tài)與動態(tài)的聯(lián)試、目標攻擊區(qū)域與安全區(qū)域的變動、研究復雜電磁環(huán)境條件下導彈武器系統(tǒng)試驗與戰(zhàn)技效能評估。利用虛擬現(xiàn)實技術,展現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)實時驅(qū)動,形象演示試驗場景、試驗資源配送運作情況、試驗數(shù)據(jù)生成和試驗結(jié)果的快速處理。

8) 輔助決策分析系統(tǒng)

基于靶場地理數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)(空間數(shù)據(jù)庫和專題數(shù)據(jù)庫)的支持下實現(xiàn)信息獲取,所以它應該是一種由數(shù)據(jù)、方法、模型和智能作為支持幫助的系統(tǒng),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(tǒng)作戰(zhàn)試驗過程掌控試驗涉及多目標調(diào)度管理作出決策。專家系統(tǒng)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(yōu)越性[8]。

4.2 系統(tǒng)邏輯結(jié)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(qū)域牽涉到陸、海、空多地點,寬范圍。從靶場地理信息系統(tǒng)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(jié)構特點,各分系統(tǒng)之間的通信由通訊網(wǎng)絡聯(lián)結(jié),陸基間以光纜為主,輔助用車載移動通訊解決盲區(qū)和適應巡查機動所需,不適合固定聯(lián)結(jié)的目標載體,都應裝備無線通訊,劃區(qū)采用中繼接力解決好轄區(qū)的覆蓋。

在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設計上,應以圖幅為單元建立圖幅空間索引,將靶場海域?qū)嶓w按幾何特征分為點、線、面數(shù)據(jù)(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(shù)據(jù)集成與融合技術,又不同類型數(shù)據(jù)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(jù)目標類型信息選擇比例。

將收集的試驗信息、先驗數(shù)據(jù)、仿真模型、被試品和參試裝設備的現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)相結(jié)合,利于解決試驗過程各階段試驗數(shù)據(jù)使用率低和檢驗考核不充分之間的矛盾?？梢猿浞掷镁W(wǎng)絡技術、數(shù)據(jù)融合技術、專家系統(tǒng)和虛擬現(xiàn)實技術,在靶場地理信息系統(tǒng)強力支持下,提高導彈武器試驗效率和管理質(zhì)量。系統(tǒng)是由地理上分散、邏輯上具有不同應用功能的系統(tǒng)組成,各個子系統(tǒng)間的信息通過通信網(wǎng)絡連結(jié),擁有相應的目標基礎數(shù)據(jù)庫、應用功能模塊和管理系統(tǒng)。其系統(tǒng)邏輯結(jié)構關系如圖所示[10]。

圖2 系統(tǒng)邏輯關系結(jié)構圖

5 結(jié)語

靶場在進行信息化建設創(chuàng)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(xiàn),結(jié)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(tǒng)時,應充分考慮網(wǎng)絡開放性原則,做到互聯(lián)互通,這樣會利于試驗信息與分析數(shù)據(jù)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(tǒng)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(tǒng)實現(xiàn)[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(zhàn)術導彈系統(tǒng)分析[M].北京:國防工業(yè)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(tǒng)仿真學報,2003,15(11):1561-1564.

[6] 楊鏡宇,司光亞,胡曉峰.信息化戰(zhàn)爭體系對抗探索性仿真分析方法研究[J].系統(tǒng)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(zhàn)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(qū)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(yōu)化算法研究[J].計算機與數(shù)字工程,2011,39(1):31-34.

[10] 徐怡鋒,等.網(wǎng)絡化艦艇編隊協(xié)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