基于MGIS和GDI的數(shù)據(jù)融合綜合態(tài)勢(shì)顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?

程子桃 白 亮

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所 鄭州 450047）

1 引言

數(shù)據(jù)融合是指將某一目標(biāo)的多源信息進(jìn)行融合，形成比單一信源更精確、更完全的估計(jì)和判決［1］。隨著數(shù)據(jù)融合研究的不斷深入，新的數(shù)據(jù)融合算法不斷涌現(xiàn)出來(lái)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)不同的數(shù)據(jù)融合算法進(jìn)行測(cè)試和性能評(píng)估，依托某課題設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了數(shù)據(jù)融合仿真測(cè)試平臺(tái)。數(shù)據(jù)融合綜合態(tài)勢(shì)顯示系統(tǒng)為該平臺(tái)的一個(gè)子系統(tǒng)，主要完成將各類(lèi)目標(biāo)數(shù)據(jù)疊加在地圖上以態(tài)勢(shì)圖的方式顯示，以直觀(guān)表現(xiàn)不同融合算法的實(shí)際效果。

傳統(tǒng)的完全基于MGIS（軍事地理信息系統(tǒng)）實(shí)現(xiàn)的態(tài)勢(shì)顯示系統(tǒng)，態(tài)勢(shì)顯示對(duì)象由MGIS系統(tǒng)管理，其優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)開(kāi)發(fā)效率相對(duì)較高［2～3］，但也存在如下缺點(diǎn)：

1）MGIS在更新態(tài)勢(shì)對(duì)象（航跡、軍標(biāo)、批號(hào)等）時(shí)，需清除原有對(duì)象數(shù)據(jù)，在態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)量大、顯示刷新頻率高的情況下，態(tài)勢(shì)顯示的性能不能滿(mǎn)足要求；

2）不能控制任意態(tài)勢(shì)對(duì)象的相關(guān)屬性（顯隱、顏色等）；

3）態(tài)勢(shì)顯示依賴(lài)于MGIS實(shí)現(xiàn)、管理，限制了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和靈活性。

本文提出基于MGIS和GDI技術(shù)相結(jié)合的數(shù)據(jù)融合綜合態(tài)勢(shì)顯示系統(tǒng)解決方案，基于MGIS完成地圖顯示管理，基于GDI繪圖技術(shù)完成航跡、軍標(biāo)等態(tài)勢(shì)對(duì)象的繪制，通過(guò)兩者的無(wú)縫集成，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)量情況下數(shù)據(jù)融合綜合態(tài)勢(shì)的流暢、實(shí)時(shí)顯示。

2 系統(tǒng)需求分析

2.1 數(shù)據(jù)融合仿真測(cè)試平臺(tái)概述

數(shù)據(jù)融合仿真測(cè)試平臺(tái)采用分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，由信源模擬器、劇情、數(shù)據(jù)采集器、測(cè)試網(wǎng)關(guān)、綜合態(tài)勢(shì)顯示、性能評(píng)估和被測(cè)數(shù)據(jù)融合軟件等子系統(tǒng)組成。仿真網(wǎng)絡(luò)與測(cè)試網(wǎng)絡(luò)通過(guò)測(cè)試網(wǎng)關(guān)相連。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)融合仿真測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

其中，劇情子系統(tǒng)提供測(cè)試想定的編輯，生成目標(biāo)狀態(tài)與屬性真值，提供環(huán)境信息、系統(tǒng)時(shí)統(tǒng)，并控制測(cè)試開(kāi)始、結(jié)束等。

信源模擬器根據(jù)劇情目標(biāo)真值數(shù)據(jù)、工作參數(shù)、環(huán)境等信息完成各類(lèi)傳感器探測(cè)數(shù)據(jù)的模擬。

數(shù)據(jù)采集器實(shí)時(shí)接收、存儲(chǔ)各個(gè)子系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。

測(cè)試網(wǎng)關(guān)主要完成仿真網(wǎng)絡(luò)與測(cè)試網(wǎng)絡(luò)之間數(shù)據(jù)報(bào)文格式轉(zhuǎn)換，有控制地轉(zhuǎn)發(fā)與隔離，防止目標(biāo)狀態(tài)真值進(jìn)入測(cè)試網(wǎng)絡(luò)。

性能評(píng)估完成各數(shù)據(jù)融合軟件的各項(xiàng)性能指標(biāo)值的計(jì)算。

2.2 數(shù)據(jù)融合綜合態(tài)勢(shì)顯示系統(tǒng)需求分析

為了直觀(guān)地展現(xiàn)目標(biāo)的位置，系統(tǒng)必須支持矢量化的地圖，并提供常規(guī)的地圖操作，比如漫游、縮放等功能；為了區(qū)分目標(biāo)類(lèi)別和敵我屬性，系統(tǒng)需要支持各目標(biāo)類(lèi)型軍標(biāo)。

由于目標(biāo)數(shù)據(jù)是一個(gè)時(shí)間連續(xù)的數(shù)據(jù)集合，因此要求系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)顯示當(dāng)前目標(biāo)點(diǎn)跡和歷史目標(biāo)點(diǎn)跡，并形成相應(yīng)目標(biāo)批次的航跡。并且系統(tǒng)可以在信息融合結(jié)果、目標(biāo)真值數(shù)據(jù)與傳感器探測(cè)數(shù)據(jù)間切換，分別顯示或疊加顯示融合態(tài)勢(shì)、真值態(tài)勢(shì)與傳感器態(tài)勢(shì)。

最后，為了測(cè)試結(jié)束后再現(xiàn)各融合算法融合效果，系統(tǒng)需提供數(shù)據(jù)記錄和回放功能。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)融合綜合態(tài)勢(shì)顯示系統(tǒng)由數(shù)據(jù)接收解析、態(tài)勢(shì)圖形顯示、數(shù)據(jù)顯示、態(tài)勢(shì)回放模塊組成，如圖2所示。

數(shù)據(jù)接收解析模塊基于UDP協(xié)議，完成接收并解析劇情子系統(tǒng)、信源模擬子系統(tǒng)、被測(cè)數(shù)據(jù)融合軟件等發(fā)送的態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)。

態(tài)勢(shì)圖形顯示模塊完成地圖、劇情真值態(tài)勢(shì)、傳感器探測(cè)態(tài)勢(shì)和融合航跡態(tài)勢(shì)的顯示。

顯示控制模塊完成各數(shù)據(jù)源態(tài)勢(shì)的顯示切換及屬性控制。

態(tài)勢(shì)回放模塊完成態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和回放顯示。

圖2 數(shù)據(jù)融合綜合態(tài)勢(shì)顯示系統(tǒng)模塊組成

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 基于MGIS的地圖顯示

MGIS是軍事地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)平臺(tái)，是我軍自主開(kāi)發(fā)的通用地理信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具，為區(qū)域綜合電子信息系統(tǒng)等作戰(zhàn)指揮自動(dòng)化系統(tǒng)提供通用的地理信息處理軟件基礎(chǔ)平臺(tái)［4～7］。

MGIS提供的應(yīng)用開(kāi)發(fā)接口包括C＋＋類(lèi)庫(kù)和ActiveX組件庫(kù)兩種形式［8］。其中，MGIS C＋＋類(lèi)庫(kù)提供C＋＋動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)形式的二次開(kāi)發(fā)包，涵蓋了MGIS提供的幾乎所有功能，執(zhí)行效率相對(duì)更高一些；MGIS ActiveX組件庫(kù)提供ActiveX控件形式的二次開(kāi)發(fā)包，開(kāi)發(fā)更為方便［9］。本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境為Vc＋＋6.0，由于地圖顯示需要和GDI繪圖集成，開(kāi)發(fā)接口采用C＋＋類(lèi)庫(kù)形式。

基于MGIS類(lèi)庫(kù)顯示地圖主要步驟如下：

1）連接 MGIS數(shù)據(jù)庫(kù)，調(diào)用接口 MgisOpen－Database（）；

2）初始化MGIS環(huán)境，主要代碼如下：

4.2 基于GDI的態(tài)勢(shì)對(duì)象顯示

GDI（Graphics Device Interface，圖形設(shè)備接口）為Windows系統(tǒng)中進(jìn)行圖形圖像處理程序開(kāi)發(fā)的接口庫(kù)［10］?；贕DI的態(tài)勢(shì)對(duì)象包括航跡曲線(xiàn)、標(biāo)距環(huán)、軍標(biāo)等。本文重點(diǎn)描述軍標(biāo)的繪制實(shí)現(xiàn)。

將飛機(jī)、艦船、導(dǎo)彈等目標(biāo)類(lèi)型軍標(biāo)簡(jiǎn)化為幾個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)及其連線(xiàn)（直線(xiàn)或弧線(xiàn)）構(gòu)成的矢量圖形，以軍標(biāo)顯示時(shí)的第一個(gè)點(diǎn)為原點(diǎn)，計(jì)算其它點(diǎn)相對(duì)原點(diǎn)的坐標(biāo)。繪制軍標(biāo)時(shí)先根據(jù)航跡的航向?qū)Ω髯鴺?biāo)點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，再根據(jù)原點(diǎn)（即目標(biāo)當(dāng)前位置）進(jìn)行平移，即可將上述軍標(biāo)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為屏幕坐標(biāo)并連線(xiàn)顯示。常見(jiàn)目標(biāo)類(lèi)型軍標(biāo)矢量化描述示意圖如圖3所示。

圖3 常見(jiàn)目標(biāo)類(lèi)型軍標(biāo)矢量化描述示意圖

軍標(biāo)屏幕坐標(biāo)計(jì)算方法如下：

將目標(biāo)當(dāng)前位置的經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為屏幕坐標(biāo)（X0，Y0），并根據(jù)航跡臨近點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)計(jì)算航向角α；已知軍標(biāo)某個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)為（X1，Y1），則該坐標(biāo)點(diǎn)的屏幕坐標(biāo)（X，Y）的計(jì)算方法為

4.3 MGIS地圖顯示和GDI態(tài)勢(shì)對(duì)象顯示的集成處理

由于基于MGIS的地圖顯示和基于GDI的態(tài)勢(shì)對(duì)象顯示相互獨(dú)立，各自繪制在獨(dú)立的DC（設(shè)備上下文）上，需要進(jìn)行疊加處理；同時(shí)在對(duì)態(tài)勢(shì)進(jìn)行縮放、漫游等操作時(shí)，需要對(duì)地圖和態(tài)勢(shì)對(duì)象的顯示進(jìn)行同步處理，確保地圖顯示和GDI態(tài)勢(shì)對(duì)象顯示的坐標(biāo)系一致。具體實(shí)現(xiàn)如下：

1）MGIS地圖顯示和GDI態(tài)勢(shì)顯示DC疊加處理，主要代碼如下：

2）MGIS地圖顯示和GDI態(tài)勢(shì)顯示同步處理

實(shí)現(xiàn)方法為在用戶(hù)進(jìn)行態(tài)勢(shì)圖漫游、縮放等操作時(shí)，更新態(tài)勢(shì)顯示對(duì)象的當(dāng)前視圖經(jīng)緯度數(shù)據(jù)范圍信息，并根據(jù)該經(jīng)緯度范圍信息調(diào)用MGIS相關(guān)接口（MgsAppDcToWc、MgsMapMove、MgsZoomOut、MgsZoomIn等）對(duì)地圖進(jìn)行同步漫游、縮放處理，即可實(shí)現(xiàn)地圖和GDI態(tài)勢(shì)對(duì)象顯示的同步。

4.4 顯示控制

以傳感器態(tài)勢(shì)顯示控制為例說(shuō)明實(shí)現(xiàn)過(guò)程，融合航跡、劇情態(tài)勢(shì)顯示控制方法類(lèi)似。

態(tài)勢(shì)顯示初始化時(shí)根據(jù)傳感器選擇報(bào)文初始化各傳感器的點(diǎn)跡、航跡曲線(xiàn)信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，每部傳感器的所有點(diǎn)跡數(shù)據(jù)在一條曲線(xiàn)上顯示，航跡按批號(hào)顯示；其中航跡根據(jù)批號(hào)、更新?tīng)顟B(tài)判斷該航跡是否已存在；如不存在或狀態(tài)為新航跡，則在對(duì)應(yīng)傳感器的航跡曲線(xiàn)隊(duì)列中增加一條航跡，并初始化顏色等信息。每增加一條航跡曲線(xiàn)時(shí)記錄該曲線(xiàn)在所有態(tài)勢(shì)曲線(xiàn)中的序號(hào)。對(duì)指定傳感器的點(diǎn)跡／航跡顯示控制即可通過(guò)對(duì)該傳感器所屬的曲線(xiàn)隊(duì)列逐一設(shè)置相關(guān)屬性（顯隱、顏色等）實(shí)現(xiàn)。

4.5 態(tài)勢(shì)回放

本系統(tǒng)除支持傳統(tǒng)的基于數(shù)據(jù)文件態(tài)勢(shì)回放外，還具備實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)回放功能。

1）基于數(shù)據(jù)文件的態(tài)勢(shì)回放

在實(shí)時(shí)測(cè)試模式下，通過(guò)雙緩存和多線(xiàn)程技術(shù)將接收到的態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到本地文件；進(jìn)入回放模式后，讀取數(shù)據(jù)文件態(tài)勢(shì)信息至緩存中，設(shè)置固定周期多媒體定時(shí)器，將態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)周期性發(fā)送給相關(guān)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)解析、顯示。每個(gè)周期發(fā)送的報(bào)文數(shù)根據(jù)回放速率調(diào)整。

2）實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)回放

在顯示態(tài)勢(shì)時(shí)，除目標(biāo)經(jīng)度、緯度數(shù)據(jù)外，增加時(shí)間信息。實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)回放（態(tài)勢(shì)重演）時(shí)根據(jù)當(dāng)前時(shí)間信息判斷態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)是否顯示。本方法可完全復(fù)原態(tài)勢(shì)航跡節(jié)點(diǎn)的時(shí)間序列，可任意拖動(dòng)時(shí)間軸快速顯示指定時(shí)刻態(tài)勢(shì)，并能在實(shí)時(shí)測(cè)試模式和重演模式之間即時(shí)切換。

5 結(jié)語(yǔ)

圖4 數(shù)據(jù)融合綜合態(tài)勢(shì)顯示軟件效果圖

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)融合綜合態(tài)勢(shì)顯示系統(tǒng)綜合了MGIS和GDI技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，具備更高效的態(tài)勢(shì)顯示性能，可以方便控制任意態(tài)勢(shì)對(duì)象的相關(guān)屬性，同時(shí)具備良好的可擴(kuò)展性和靈活性。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某數(shù)據(jù)融合測(cè)試評(píng)估系統(tǒng)綜合態(tài)勢(shì)顯示，滿(mǎn)足大數(shù)據(jù)量下綜合態(tài)勢(shì)顯示性能要求，如圖4所示。本態(tài)勢(shì)顯示系統(tǒng)的地圖顯示部分可以根據(jù)需要替換為其它技術(shù)（具備通過(guò)DC繪制地圖接口），通用性較好，可廣泛應(yīng)用于其它項(xiàng)目態(tài)勢(shì)顯示系統(tǒng)中。

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