?？漳繕?biāo)情報(bào)信息仿真軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

龔博文

(中國人民解放軍92941部隊(duì)45分隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125000)

0 引言

指揮控制系統(tǒng)作為指揮員指揮決策的基礎(chǔ)，不僅在真實(shí)作戰(zhàn)、演習(xí)環(huán)境發(fā)揮著重要的作用，在武器試驗(yàn)過程中也扮演著整個(gè)試驗(yàn)體系“大腦”的重要角色[1-2]。情報(bào)信息作為指揮控制系統(tǒng)中戰(zhàn)場環(huán)境感知、敵我態(tài)勢對比等多方面信息的基礎(chǔ)，需要依靠多方面?zhèn)鞲衅饕约皞蓽y系統(tǒng)的偵察感知，不僅如此，在武器試驗(yàn)過程中，任務(wù)?？沼虻拿翊w行器等目標(biāo)眾多，需要及時(shí)發(fā)現(xiàn)并在任務(wù)時(shí)間窗來臨前進(jìn)行驅(qū)離，以保障任務(wù)正常進(jìn)行。

當(dāng)下，指揮控制系統(tǒng)接入的信息來源復(fù)雜、信息量大，給系統(tǒng)內(nèi)軟件的開發(fā)、研制和測試評估帶來了較大的困難。尤其是情報(bào)處理軟件以及后期試驗(yàn)態(tài)勢顯示軟件，情報(bào)信息能否正確、完整、準(zhǔn)確地出現(xiàn)在態(tài)勢顯示軟件中將極大地影響指揮員決策。因此，在情報(bào)處理軟件以及態(tài)勢顯示軟件等軟件上線使用前，需要對軟件進(jìn)行充分的試驗(yàn)。一直以來，真實(shí)情報(bào)信息的保密程度高，關(guān)鍵情報(bào)信息的獲取較為困難，給軟件的指標(biāo)測試以及各項(xiàng)功能拓展研究帶來較大的困難，因此，需要利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)情報(bào)信息的仿真以解決這一難題。

國內(nèi)已有不少團(tuán)隊(duì)針對?？漳繕?biāo)情報(bào)信息的模擬仿真展開了理論研究[3-6],并且在此基礎(chǔ)上開展了特定環(huán)境條件下基于不同傳感器的數(shù)據(jù)仿真融合，并對情報(bào)信息仿真融合效果進(jìn)行評估，進(jìn)一步檢驗(yàn)情報(bào)信息仿真融合軟件的效能[7-11],但對于武器試驗(yàn)指揮中任務(wù)?？沼騼?nèi)的目標(biāo)情報(bào)信息仿真還有待進(jìn)一步研究。

本文在分析武器試驗(yàn)過程中態(tài)勢顯示系統(tǒng)對情報(bào)信息仿真環(huán)境需求的基礎(chǔ)上,提出了?？涨閳?bào)模擬軟件體系結(jié)構(gòu)和功能模型的總體設(shè)計(jì)思路,說明了?？漳繕?biāo)運(yùn)動(dòng)航跡仿真以及情報(bào)信息生成過程中誤差補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)方法,開發(fā)了海空目標(biāo)情報(bào)信息仿真軟件,并通過試驗(yàn)展示了軟件的應(yīng)用效果,驗(yàn)證了技術(shù)方法的可行性。

1 需求分析

在實(shí)際試驗(yàn)過程中，指揮控制系統(tǒng)需要接入多個(gè)來源的情報(bào)信息，主要包括主動(dòng)雷達(dá)和敵我識別系統(tǒng)等方式送來的信息，進(jìn)而對情報(bào)信息進(jìn)行相互關(guān)聯(lián)、融和、處理，將處理后的情報(bào)信息通過網(wǎng)絡(luò)向信息匯集分發(fā)分系統(tǒng)發(fā)送，最后顯示在態(tài)勢信息中以供指揮決策。因此，?？涨閳?bào)信息模擬仿真軟件應(yīng)具備以下條件：

(1) 仿真信息配置能力

能夠在指定的區(qū)域，結(jié)合實(shí)際情況對海上、空中的目標(biāo)屬性、目標(biāo)類別、單個(gè)目標(biāo)或多批次目標(biāo)、目標(biāo)數(shù)量、位置以及運(yùn)動(dòng)軌跡等進(jìn)行配置；對目標(biāo)自身的輻射特性或者自帶的輻射源進(jìn)行配置；對雷達(dá)等偵測設(shè)備的位置及自身工作狀態(tài)進(jìn)行配置想定。

(2) 仿真信息模擬能力

根據(jù)配置得到的目標(biāo)基本信息、運(yùn)動(dòng)軌跡以及偵測設(shè)備的位置信息等，按照開始時(shí)間、時(shí)長以及數(shù)據(jù)頻率進(jìn)行情報(bào)信息的模擬。在此要注意，目標(biāo)信息模擬的真實(shí)性，需要考慮偵測設(shè)備的威力范圍、環(huán)境條件、設(shè)備自身誤差等實(shí)際情況，使得模擬得到的情報(bào)信息的時(shí)序、誤差以及數(shù)據(jù)率符合實(shí)際情況。

(3) 模擬情報(bào)信息發(fā)送能力

在情報(bào)信息模擬生成后，能夠?qū)⑶閳?bào)信息按照設(shè)定的頻率通過網(wǎng)絡(luò)向信息匯集分發(fā)分系統(tǒng)發(fā)送，進(jìn)而將?？涨閳?bào)信息顯示在各個(gè)顯示終端上。

(4) 綜合信息顯示能力

對于發(fā)送的?？涨閳?bào)信息，能夠?qū)⑶閳?bào)配置信息以及當(dāng)前情報(bào)模擬仿真情況顯示在軟件界面上，以便操作人員及時(shí)了解仿真情況。

(5) 情報(bào)信息控制能力

能夠?qū)Ξ?dāng)前?？涨閳?bào)信息模擬進(jìn)程進(jìn)行控制，對目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制以及更新目標(biāo)的狀態(tài)信息，便于操作人員及時(shí)做出修正。

孔隙水壓力靜力觸探技術(shù)（CPTU）通過在常規(guī)靜力觸探（CPT）探頭上安裝孔壓傳感器元件，除可測錐尖阻力qc、側(cè)壁摩擦力fs外，還可測試地下水位以下各土層的孔隙水壓力u及超孔隙水壓力消散過程。根據(jù)測得的超孔隙水壓力消散曲線，可以推求土層的滲透系數(shù)Kh及固結(jié)系數(shù)Ch等重要的土的工程性質(zhì)參數(shù)，對土層進(jìn)行有效應(yīng)力分析及計(jì)算，亦可對其滲透固結(jié)及沉降變形進(jìn)行分析計(jì)算。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 軟件架構(gòu)模型

武器裝備試驗(yàn)中需要對任務(wù)?？沼騼?nèi)的船只以及飛行器進(jìn)行監(jiān)視并驅(qū)離，為了更好地驗(yàn)證試驗(yàn)態(tài)勢顯示軟件的性能，需要接受來自多個(gè)偵測系統(tǒng)的情報(bào)數(shù)據(jù)，并且不同級別指揮機(jī)構(gòu)對于情報(bào)信息的要求也不盡相同，為了使海空情報(bào)信息模擬仿真軟件生成的情報(bào)信息更好地滿足不同級別態(tài)勢軟件的需求，在進(jìn)行軟件體系架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮系統(tǒng)框架的兼容性、情報(bào)數(shù)據(jù)生成的可控性以及數(shù)據(jù)的可回放性，軟件的體系架構(gòu)如圖1所示。

軟件體系架構(gòu)規(guī)劃為硬件平臺層、系統(tǒng)軟件層、數(shù)據(jù)層、基礎(chǔ)服務(wù)層、信息處理層、信息應(yīng)用層。硬件平臺層為系統(tǒng)提供硬件基礎(chǔ)環(huán)境；系統(tǒng)軟件層在系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)上為系統(tǒng)提供軟件基礎(chǔ)；數(shù)據(jù)層在系統(tǒng)軟、硬件基礎(chǔ)上，為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與共享服務(wù)；基礎(chǔ)服務(wù)層在數(shù)據(jù)層基礎(chǔ)上提供與軟件主體業(yè)務(wù)無關(guān)的基礎(chǔ)服務(wù)以及與軟件業(yè)務(wù)相關(guān)的核心服務(wù)；信息處理層在基礎(chǔ)服務(wù)層基礎(chǔ)上，構(gòu)建面向?qū)ο蟮暮诵膽?yīng)用；軟件整體技術(shù)規(guī)范貫穿于硬件平臺層、系統(tǒng)軟件層、數(shù)據(jù)層、基礎(chǔ)服務(wù)層、信息處理層以及信息應(yīng)用層，對基礎(chǔ)軟硬件、數(shù)據(jù)資源、通信接口等進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范。

2.2 軟件功能模型

根據(jù)軟件體系架構(gòu)需求，結(jié)合武器試驗(yàn)過程中情報(bào)信息在態(tài)勢現(xiàn)實(shí)中的具體流程，提出?？涨閳?bào)信息模擬仿真軟件的功能模型如圖2所示。

(1) 仿真信息配置包

根據(jù)態(tài)勢顯示軟件處理需求，對?？窄h(huán)境、偵測設(shè)備、目標(biāo)屬性等進(jìn)行配置。在目標(biāo)參數(shù)庫中預(yù)先建立目標(biāo)的情報(bào)來源、目標(biāo)類別以及目標(biāo)屬性，在偵測設(shè)備庫中建立各偵測設(shè)備的威力范圍以及設(shè)備工作狀態(tài)；接著在目標(biāo)配置頁面對目標(biāo)的情報(bào)源、開始時(shí)間、經(jīng)度、緯度、高度、目標(biāo)數(shù)量、起始速度、目標(biāo)類別、目標(biāo)屬性、是否多批以及批數(shù)等進(jìn)行配置，確定目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡以及狀態(tài)，合理配置目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡誤差以及偵測設(shè)備自身的誤差；進(jìn)而，將配置好的目標(biāo)模型以及偵測設(shè)備模型存入數(shù)據(jù)庫中，并在軟件界面上予以顯示。仿真信息配置包的執(zhí)行序列如圖3所示。

(2) 仿真信息模擬包

根據(jù)態(tài)勢顯示軟件的測試需求，依據(jù)配置好的目標(biāo)模型以及偵測設(shè)備模型，設(shè)定情報(bào)數(shù)據(jù)產(chǎn)生頻率以及仿真時(shí)長，對情報(bào)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)原始信息進(jìn)行模擬。情報(bào)目標(biāo)數(shù)據(jù)的模擬主要依托目標(biāo)先前配置好的速度、位置信息，利用插值算法，對目標(biāo)下一個(gè)時(shí)刻的位置信息以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行模擬，包內(nèi)對生成的信息測量數(shù)據(jù)格式進(jìn)行自檢，進(jìn)而形成完整的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡。最后，將模擬得到的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。仿真信息模擬包的流程圖如圖4所示。

(3) 模擬情報(bào)信息發(fā)送包

圖1 軟件體系架構(gòu)示意圖

圖2 軟件功能模型圖

圖3 仿真信息配置包內(nèi)序列圖

(4) 情報(bào)信息控制包

從數(shù)據(jù)庫中獲取?？涨閳?bào)配置信息并在情報(bào)信息控制界面上顯示，如果目標(biāo)信息配置有更新，則在情報(bào)信息控制界面及時(shí)更新目標(biāo)配置信息，同時(shí)，接受正在仿真得到的海空情報(bào)信息，及時(shí)跟蹤模擬進(jìn)程，并對模擬進(jìn)程及目標(biāo)狀態(tài)進(jìn)行控制。具體仿真信息配置包的執(zhí)行序列如圖6所示。

圖4 仿真信息模擬包內(nèi)流程圖

圖5 模擬情報(bào)信息發(fā)送包內(nèi)流程圖

圖6 情報(bào)信息控制包內(nèi)序列圖

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 情報(bào)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)航跡仿真

模擬得到的情報(bào)信息主要作用是用于檢驗(yàn)態(tài)勢顯示軟件情報(bào)信息的處理能力以及運(yùn)動(dòng)軌跡顯示的真實(shí)性，軟件為了較好地?cái)M合真實(shí)情況下飛機(jī)、艦船等的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡，利用遞推的方式生成目標(biāo)的航跡。

假設(shè)以起始點(diǎn)作為直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原點(diǎn)，以t0表示目標(biāo)被探測到的時(shí)刻，x(0)，y(0)，z(0)用于表示在直角坐標(biāo)系下此時(shí)的位置，考慮目標(biāo)以速度v作勻速直線運(yùn)動(dòng)，以x(n)，y(n)，z(n)表示終點(diǎn)位置，以x(t)，y(t)，z(t)表示t時(shí)刻的目標(biāo)位置，利用起點(diǎn)與終點(diǎn)的位置關(guān)系，得出沿東、北、天3個(gè)坐標(biāo)方向上的速度分量為

(1)

式中：θ，φ分別為經(jīng)度和緯度。

則在t時(shí)刻，目標(biāo)的位置為

(2)

得到下一時(shí)刻目標(biāo)位置后，利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將目標(biāo)位置轉(zhuǎn)換成經(jīng)度、緯度、高度的格式[12-15]，形成情報(bào)信息。按照上述步驟重復(fù)，即可通過遞推的方式計(jì)算下一個(gè)點(diǎn)的位置，以達(dá)到航跡的動(dòng)態(tài)推演。

3.2 情報(bào)信息誤差補(bǔ)償

在實(shí)際情況下，雷達(dá)等偵測設(shè)備偵測目標(biāo)的威力范圍有限，與目標(biāo)距雷達(dá)的距離以及雷達(dá)自身頻率、波束方向增益亦有關(guān)。當(dāng)目標(biāo)處在雷達(dá)偵測距離范圍之外，則難以偵察到目標(biāo)；當(dāng)目標(biāo)處在雷達(dá)偵測距離范圍內(nèi)，則可以捕獲到目標(biāo)信息。但由于雷達(dá)增益、海雜波、大氣環(huán)境等復(fù)雜電磁環(huán)境以及設(shè)備自身誤差等外部因素的影響，真實(shí)條件下偵測設(shè)備提供的情報(bào)數(shù)據(jù)與?？漳繕?biāo)的真實(shí)活動(dòng)軌跡存在一定的誤差，進(jìn)而影響?？漳繕?biāo)情報(bào)信息的融合處理，因此，為了進(jìn)一步擬合實(shí)際應(yīng)用過程中的誤差影響，需要對情報(bào)目標(biāo)的原始運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行加噪處理。

?？漳繕?biāo)情報(bào)模擬信息是用于后期情報(bào)信息融合以及態(tài)勢顯示軟件，重點(diǎn)在于輸出情報(bào)信息而不是偵測設(shè)備的偵察過程，因此本軟件忽略復(fù)雜偵測過程的誤差仿真，將各種因素的影響統(tǒng)一考慮，進(jìn)而對原始的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡建立噪聲模型，使得軟件生成的?？漳繕?biāo)情報(bào)信息更加擬合真實(shí)環(huán)境下偵測設(shè)備對目標(biāo)的偵查。

雷達(dá)獲取目標(biāo)的位置信息最直接的信息格式便是目標(biāo)距離、俯仰角和方位角，假設(shè)這3個(gè)觀測量均服從正態(tài)分布，則其均方誤差分別為δR,δβ,δα，則偵測設(shè)備對?？漳繕?biāo)的偵測數(shù)據(jù)為

(3)

4 軟件應(yīng)用效果

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的海空目標(biāo)情報(bào)信息仿真軟件的實(shí)用性以及有效性，利用該軟件模擬生成情報(bào)目標(biāo)信息，并發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)匯集分發(fā)系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)向態(tài)勢顯示軟件推送信息，利用態(tài)勢顯示軟件顯示的情報(bào)目標(biāo)軌跡信息來檢驗(yàn)軟件的實(shí)用性和有效性。

想定某試驗(yàn)區(qū)域有1個(gè)目標(biāo)在活動(dòng)，起始航向10°，航速10 m/s，有5個(gè)傳感器/偵測設(shè)備，分別部署在不同的地理位置，對任務(wù)區(qū)域的?？涨闆r進(jìn)行監(jiān)視警戒。圖7展示的是?？漳繕?biāo)仿真信息配置界面。圖8展示的是態(tài)勢顯示軟件中?？漳繕?biāo)的運(yùn)動(dòng)航跡以及收到情報(bào)目標(biāo)的位置信息。

圖7 ?？漳繕?biāo)仿真信息配置

從圖7可以看出，海空目標(biāo)情報(bào)信息仿真軟件提供了較好的人機(jī)交互界面，能夠?qū)？漳繕?biāo)進(jìn)行詳細(xì)的配置，并且通過軟件的數(shù)據(jù)回放功能夠?qū)崿F(xiàn)態(tài)勢顯示軟件等其他情報(bào)信息處理系統(tǒng)的復(fù)盤推演。通過圖8中態(tài)勢顯示軟件顯示的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)航跡以及軟件接收到的目標(biāo)位置信息，可以看出利用基于目標(biāo)特性進(jìn)行運(yùn)動(dòng)航跡仿真、利用加噪處理對生成信息進(jìn)行誤差補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)方法能夠?qū)δ繕?biāo)運(yùn)動(dòng)航跡進(jìn)行較好的仿真推演，并且使得?？漳繕?biāo)情報(bào)信息更加擬合真實(shí)環(huán)境下偵測設(shè)備對目標(biāo)的觀測。

圖8 情報(bào)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)航跡顯示圖

5 結(jié)束語

本文針對武器試驗(yàn)過程中態(tài)勢顯示軟件對情報(bào)信息仿真的需求，研究了目標(biāo)運(yùn)動(dòng)航跡仿真以及誤差補(bǔ)償方法，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了?？漳繕?biāo)情報(bào)信息仿真軟件。應(yīng)用效果表明，該軟件較好地解決了態(tài)勢顯示軟件等情報(bào)處理軟件因缺乏情報(bào)數(shù)據(jù)無法進(jìn)行態(tài)勢融合顯示的問題。今后在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究多種影響因素對情報(bào)信息仿真的影響，通過建模進(jìn)一步增強(qiáng)仿真軟件的靈活性與適用性。