空天地一体三维态势显示系统应用

第６卷第２期　指挥信息系统与技术　Ｃｏｍｍａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖ０１．６　Ｎｏ．２　Ａｐｒ．２０１５　２０１５年４月　・实践与应用・　空天地一体三维态势显示系统应用　方　冰　宦国杨　吴　畏　李　威　（中国电子科技集团公司第二十八研究所　南京２１０００７）　摘　要：针对现有二三维态势显示平台的局限性，提出了一种空天地一体三维态势显示系统，并介　绍了该系统的系统架构和工作原理。最后将空天地一体三维态势显示系统应用于某信息战对抗训　练。应用结果表明，该系统实现了时空一体化、空天地一体化以及二三维一体联动的全方位态势信　息的综合展示。　关键词：时空一体化；空天地一体化；二三维一体化；三维态势　中图分类号：ＴＰ３９１．４１　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７４—９０９Ｘ（２０１５）０２—００７６—０６　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｔｈｒｅｅ—Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　Ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　Ｄｉｓｐｌａｙ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　Ｓｐａｃｅ，Ｓｋｙ　ａｎｄ　Ｇｒｏｕｎｄ　Ｆａｎｇ　Ｂｉｎｇ　Ｈｕａｎ　Ｇｕｏｙａｎｇ　Ｗｕ　Ｗｅｉ　Ｌｉ　Ｗｅｉ　（Ｔｈｅ　２８ｔｈ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１０００７，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｅｄ　ａｔ　ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔＷＯ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ａｎｄ　ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ｄｉｓｐｌａｙ　ｐｌａｔｆｏｒｍｓ，ａ　ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ｄｉｓｐｌａｙ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｓｐａｃｅ，ｓｋｙ　ａｎｄ　ｇｒｏｕｎｄ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．　Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ　ｄｉｓｐｌａｙ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｃｏｎｆｒｏｎｔｉｎｇ　ｅｘｅｒｃｉｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｗａｒｆａｒｅ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｎ　ａ—　ｅｈｉｅｖｅ　ｔｈｅ　ｆｕｌｌ　ｒａｎｇｅ　ｏｆ　ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｄｉｓｐｌａｙ　ｏｆ　ｓｐａｔｉｏ—ｔｅｍｐｏｒａｌ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ，ｓｐａｃｅ，　ｓｋｙ　ａｎｄ　ｇｒｏｕｎｄ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ，ａｎｄ　ｔｗｏ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ａｎｄ　ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｐａｔｉｏ—ｔｅｍｐｏｒａｌ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ；ｓｐａｃｅ，ｓｋｙ　ａｎｄ　ｇｒｏｕｎｄ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ；ｔｗｏ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ａｎｄ　ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ：ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａ１　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　０　引　言　现代战争逐渐由机械化战争转变为信息化战　争，战争的胜负不仅取决于作战人员和武器装备的　空天地一体三维态势显示系统以数字正射影像　图（ＤＯＭ）和数字高程模型（ＤＥＭ）为基础，运用卫　星仿真工具包（ＳＴＫ）天基信息基于绝对时间仿真　的原理，有效解决了地景仿真中大数据展示以及天　基信息仿真的实时性问题，实现了空中、空间和地景　数量，而且取决于作战双方对信息的掌握和应用程　度。面对日益复杂的战场环境，亟需增强我军信息　分析与快速反应能力。其中，作战态势可视化作为　Ｃ　ＩＳＲ系统的重要组成部分，其综合显示、推演和重　演能力为指战员提供了直观形象的战场再现，可提　高指挥自动化程度。当前指挥控制系统的态势主要　以二维图形化显示为主，其逼真和形象度不足。三　三维一体全方位多视角态势信息的综合展示。该系　统可作为红蓝对抗演练、作战方案／预案推演以及关　键技术演示验证的可视化平台，为战术理论研究与　创新以及新战法训练提供支撑。　１　现状分析　１．１二维态势显示平台　维显示系统中空、天、地态势显示则相对独立，难以　满足现代战争作战指挥需求。　收稿日期：２０１４—０７—１６　战场二维态势主要用于实现战场态势信息共　第６卷第２期　方冰，等：空天地一体三维态势显示系统应用　７７　享，为指挥员监视整个战场态势推演过程提供全局　观点，通过配置所需比例尺下的电子地图提供整个　战场平面图。地理信息系统（ＧＩＳ）具有数字地图显　示、界面交互、数据管理以及系统集成等优点　］，已　广泛应用于二维态势显示系统。　二维平面态势显示地理范围广且目标信息多，　具有宏观性、整体性和抽象性的优点［２］，其缺点是无　法满足逼真仿真的要求。由于无法表达空间中的第　三维信息使得态势显示信息不完整，如无法直观显　示高度维信息，观察者没有强烈的空间感　。从二　维态势图上获取信息需掌握相应的地图表示法则，　并具备丰富的空间想象思维能力。所以二维态势显　示平台局限性具体表现为信息精确分析不足，分析　决策支持力度不够。　１．２三维态势显示平台　目前，三维态势平台以ＤＯＭ和ＤＥＭ为基础，　实现了以第一视角和空中视角为基础的地景仿真平　台，如国外的ＧｏｏｇｌｅＥａｒｔｈ和Ｓｋｙｌｉｎｅ，国内的Ｃｉｔｙ—　Ｍａｋｅｒ，以及以ＳＴＫ为代表的天基信息三维平台。　ＧｏｏｇｌｅＥａｒｔｈ是近年来网络上流行的地图浏览　工具，提供对地球地形、地貌和建筑等的照片式浏览　服务，构成数字地球和数字城市的主要开发环境。　Ｓｋｙｌｉｎｅ是美国Ｓｋｙｌｉｎｅ软件公司发布的三维　地理信息显示、浏览与分析软件，在表现三维场景和　三维实体上均有强大的技术优势。　ＣｉｔｙＭａｋｅｒ是一款国产三维地理信息平台软　件，主要针对城市规划领域，覆盖三维数据生产、管　理和应用开发整个过程。通过该平台可叠加显示城　市面貌、规划图则、户籍信息和监控视频等二三维　数据。　ＳＴＫ是美国ＡＧＩ公司开发的一款用于航天工　业领域的商品化分析软件，通过显示逼真的航天、航　空和陆地景象，辅助开展三维场景的态势分析和决　策分析工作。　ＧｏｏｇｌｅＥａｒｔｈ，Ｓｋｙｌｉｎｅ与ＣｉｔｙＭａｋｅｒ等三维态　势显示平台注重地景仿真，主要应用于城市规划等　民用领域，对空间和空中目标可视化显示效果不佳。　ＳＴＫ平台属于商业软件，价格昂贵，不公开源代码，　无法自主进行软件扩展，且许多软件功能只对美国　本土开放，对我国进行技术封锁，造成使用中的限　制。天基仿真平台主要应用于航空航天领域，对地　面目标展示粒度不够。因此，我国当前空天地一体　的三维综合态势显示系统尚显缺乏。　２　空天地一体三维态势显示系统　现有作战态势版本繁杂，各态势之间信息无法　互通且显示格式不统一，不利于部队间作战协同。　随着指挥信息系统建设的不断深人，迫切需要一套　开放式的三维态势显示系统，基于统一平台，通过从　二维到三维以及从宏观到微观等方式，全方位展现　空间和空中目标、作战力量部署、部队行动和战场环　境等信息。该系统与指挥信息系统无缝连接，在三　维实景上支持作战想定规划、模拟演示以及战场实　时监控，进而实现作战演习、模拟训练和战斗力考核　评估等二维联合标绘，以及战场态势信息的可视化。　因此，增强了态势感知的逼真度和沉浸感，为指挥和　参谋人员提供直观形象的战场态势和可视化交互　界面。　２．１　系统架构　空天地一体三维态势显示系统利用组件化模　块、构件化平台以及引擎化封装方式，提供三维引擎　组件开发与使用工具集　。系统架构如图１所示，　自底向上分为数据层、中间件层和应用层３层。　ｌ空间　空中　地面　海上　综合　ｌ目标　目标　目标　目标　目标　应用层　ｌ赛　态势　态分析　分势　态势析　分析　态势　分析　态势引擎　盈盈盈盈墨　场景切换图形渲染动态轨迹态势推演信息共享　显示　分发　中间件层　空天地一体三维展示平台　◆●◆◆●　地理信息地图缩放地图漫游距离量算面积测量　加载　…囤围　矢量数据　Ｉ　墼塑Ｊ　图１　空天地一体三维显示系统架构　图１中，数据层包含影像、地形、矢量和三维模　型等数据，为应用系统提供海量数据支撑。中间件　层由空天地一体三维展示平台和态势引擎组成，为　上层应用软件提供全方位基础支撑和服务保障。空　天地一体三维展示平台主要包含地理信息加载、地　图缩放、地图漫游、距离量算和面积测量等地图基本　操作功能；态势引擎由包含场景切换、图形渲染、动　态轨迹显示、态势推演和信息共享分发等功能的服　务软件构成。应用层作为三维态势系统的核心业务　７８　指挥信息系统与技术　２０１５年４月　层，依据态势展现业务需求，将各类目标展现内容和　绘制效果按统一接口规范封装成对应的插件。系统　插件包括空间、空中、地面、海上以及综合５类目标　态势分析插件，并可依据业务需求灵活扩展。　空天地一体三维态势显示系统采用平台＋插件　组件式软件框架，分为以下２部分：１）平台：包括平　台内核功能和插件管理２部分，其中，平台内核功能　主要包括地理信息数据加载、地图缩放、地图漫游以　及距离／面积量算等地图基本操作与场景切换、图形　渲染、动态轨迹显示、态势推演以及信息共享分发等　功能；插件管理用于扩展平台和管理插件，完成平台　与插件的协调，为各插件在平台上生成管理信息以　及进行插件状态跟踪。２）插件：完成对平台功能的　扩展与补充，是具有一定共性系列化功能的组件集　合，根据平台内核业务需求和功能分类预先归纳定　义标准接口规范。　借助平台＋插件组件式软件框架模型，可设计满　足现有作战态势显示需求的软件系统，实现软件组件　式的即插即用功能扩展，并可解决软件合作并行开　发、无缝集成和版本发布等问题，有利于设计出高度　模块化和系列化软件，不断增强软件生命力周期。　２．２工作机制　空天地一体三维态势显示系统采用基于Ａｉａｘ技　术的浏览器／月艮务器（Ｂ／Ｓ）应用框架，包括浏览器端和　服务器端２部分。浏览器端使用超文本标记语言　（ＨＴＭＬ）５和ＪａｖａＳｃｒｉｐｔ作为主要的开发语言设计用　户界面及相应交互功能模块，通过层叠样式表（ＣＳＳ）　文件控制整个用户界面的布局及显示方式。服务器　端采用Ｐｙｔｈｏｎ脚本语言搭建服务端框架，提供基于　ｗｅｂ服务器网关接口（ＷＳＧＩ）的服务端应用响应机　制，包括数据存储和应用数据管理服务２部分。其　中，数据存储负责全部地理信息、图形及模型等海量　数据的存放管理，应用数据管理服务从数据存储中获　取三维数据信息，完成具体应用解析，响应浏览器端　不同的服务请求。浏览器与服务器间信息交互采用　双向通信方式，系统工作机制如图２所示。　览￣Ｉ（ｎＴＭＬ　５＋ＷｅｂＧＬ）　服务器端　—ＪａｖａＳ—ｅｒｉｐｔ］厂　请求　：一　据　一　－　．一　一一Ｉ　Ｊ　数据推送　～　荐　茹厶　一　数据管理ｆ　Ｉ　茹磊形　／　用户界面　：Ｉ影像ｌ　Ｉ地形Ｉｌ矢量ｌ　：　图２　空天地一体三维显示系统工作机制　随着互联网发展，现有Ｗｅｂ交互式三维出现以　下２种问题：１）由Ｆｌａｓｈ等浏览器插件调用ＤｉｒｅｃｔＸ　和ＯｐｅｎＧＬ等操作系统图形接口实现图形渲染，需　对不同操作系统和浏览器的组合下载特定版本插　件；２）对于操作系统上的图形应用程序接口调用，　难以遵循一个公开的标准。例如，在Ｗｉｎｄｏｗｓ平台　上，Ｆｌａｓｈ通过调用ＤｉｒｅｃｔＸ操作系统图形接口实现　图形渲染；在Ｍａｃ　ＯＳ　Ｘ平台上，则通过调用ＡＧＬ　操作系统图形接口实现图形渲染。采用ＷｅｂＧＩ　技　术可解决上述问题。该技术通过ＨＴＭＬ脚本实现　Ｗｅｂ交互式动画制作，无需任何浏览器插件支持。　利用底层图形硬件加速功能以及统一、标准和跨平　台的ＯｐｅｎＧＬ接口实现图形渲染，可在任何平台上　以同样方式运作。　ＨＴＭＬ　５具备基于ＷｅｂＧＬ、可缩放矢量图形　（ＳＶＧ）、绘图函数以及ＣＳＳ的三维、图形及特效特　性。浏览器端利用ＨＴＭＬ　５对多线程的支持，编写　可长时间运行而不会被用户中断的后台程序，并同　时确保页面对用户的及时响应。　数据存储采用嵌入式数据库ＳＱＬｉｔｅ，它没有独　立运行的进程，其代码可嵌入应用程序代码中。无　需特殊数据库管理器和配置数据库，代码仅需极小　的存储空间。运行速度比普通的客户端／月艮务器端　（Ｃ／Ｓ）数据库系统更快，移植性更强，可以应用于　ＱＮＸ，ＶｘＷｏｒｋｓ，Ｓｙｍｂｉａｎ，Ｐｌａｔｏ　ＯＳ和Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＣＥ等嵌入式平台，相比Ｏｒａｃｌｅ和Ｓｙｂａｓｅ等传统商　用数据库，ＳＱＬｉｔｅ更能满足用户实时存储与查询　需求。　浏览器端与服务器端之间通过超文本传输协议　（ＨＴＴＰ）进行通信，模型数据传输的数据接口采用　一种轻量级数据交换格式（ＪＳＯＮ），ＪＳＯＮ可以表示　比名称／值对更复杂的结构，如数组和复杂的对象，　以及存储ＪａｖａＳｃｒｉｐｔ复杂对象，具有ＸＭＩ　不可比　拟的优势。　２．３系统特点　空天地一体三维态势显示系统具有时空一体　化、空天大区域视景与地景一体化以及二三维一体　联动等特点。　１）时空一体化　与其他三维态势系统只引入空间概念不同，空　天地一体三维态势结合ＳＴＫ天基信息，基于绝对时　间仿真原理，根据时间推进步长展示动态目标运行　轨迹和状态，进行可视化动态推演战场变化情况。　整个推演过程按时间顺序展开，提供前进、后退、暂　第６卷第２期　方冰，等：空天地一体三维态势显示系统应用　示的关键技术研究ＥＪ３．系统仿真学报，２００８，２０（２４）：　６６５０—６６５３．　Ｈｕａ　Ｓｉｌｉａｎｇ，Ｈｕａｎｇ　Ｙｉ，Ｗｕ　Ｊｉａｎｇ，ｅｔ　ａ１．Ｋｅｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏ—　ｇｉｅｓ　ｏｆ　ＵＡＶｓ　ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　２Ｄ　ＰＶＤ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，２００８，２０（２４）：　６６５０—６６５３．（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）　Ｅ２］　王艳军，姚益平．基于ＧＩＳ的态势显示系统设计ＥＪ］．　舰船电子对抗，２００６，２９（４）：７７　７９．　Ｗａｎｇ　Ｙａｎｊｕｎ，Ｙａｏ　Ｙｉｐｉｎｇ．Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ｄｉｓｐｌａｙ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃａｌ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　Ｆ－Ｊ］．　Ｓｈｉｐｂｏａｒｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅ，２００６，２９（４）：７７—　７９．（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）　［３］　吴勇．三维技术在作战态势显示中的应用研究［Ｄ］．　北京：中国舰船研究院计算机软件与理论，２０１１．　Ｅ４］　曾安里，张建康，王国宏，等．军用三维视景仿真引擎　研究ＥＪ］．指挥信息系统与技术，２０１０，１（５）：１７—２３．　Ｚｅｎｇ　Ａｎｌｉ，Ｚｈａｎｇ　Ｊ　ｉａｎｋａｎｇ，Ｗａｎｇ　Ｇｕｏｈｏｎｇ，ｅｔ　ａ１．Ｒｅ—　ｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＶＶＰ一３Ｄ　ｍｉｌｉｔａｒｙ　ｖｉｓｕａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｅｎ—　ｇｉｎｅ［Ｊ］．Ｃｏｍｍａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏ—　ｇＹ，２０１０，１（５）：１７—２３．（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）　［５３　赵桂敏．二三维一体化ＧＩＳ在铁道部调度指挥系统中　的应用研究［Ｊ］．铁路通信信号工程技术，２０１２（６）：２３—　２５．　Ｚｈａｏ　Ｇｕｉｍｉｎ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　２Ｄ　ａｎｄ　３Ｄ　ｉｎｔｅ一　ｇｒａｔｅｄ　ＧＩＳ　ｉｎ　ＴＤＣＳ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｍｉｎｉｓｔｒｙ　ｏｆ　ｒａｉｌｗａｙｓ　［Ｊ］．Ｒａｉｌｗａｙ　Ｓｉｇｎａｌｌｉｎｇ＆Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒ—　ｉｎｇ，２Ｏ１２（６）：２３—２５．（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）　［６］　徐军，徐连军，刘镇瑜，等．空天地态势实时可视化展　示系统设计与实现［Ｊ］．电光与控制，２０１３，２０（１１）：８８—　９２．　Ｘｕ　Ｊｕｎ，Ｘｕ　Ｌｉａｎｊｕｎ，ｇｉｕ　Ｚｈｅｎｙｕ，ｅｔ　ａ１．Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｉｍ—　ｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ｒｅａｌ—－ｔｉｍｅ　ｖｉｓｕａｌ　ｄｉｓｐｌａｙ　ｓｙｓ—．　ｔｅｒｎ　ａｍｏｎｇ　ｓｐａｃｅ，ｓｋｙ　ａｎｄ　ｇｒｏｕｎｄ［Ｊ］．Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｏｐ—　ｔｉｃｓ　８Ｌ　Ｃｏｎｔｒｏｌ，２０１３，２０（１１）：８８—９２．（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）　作者简介：　方冰，女（１９８４一），工程师，研究方向为指挥自动化　系统仿真技术和软件设计。　宦国杨，男（１９６８一），研究员级高级工程师，研究方　向为指挥自动化系统总体设计和辅助决策技术。　吴畏，男（１９８７～），助理工程师，研究方向为指挥自　动化系统仿真技术和软件设计。　李威，男（１９８５一），助理工程师，研究方向为指挥自　动化系统仿真技术和软件设计。　（本文编辑：马　岚）