三维战场态势综合显示系统 简介

三维战场态势综合显示系统
一、需求分析
生理学和心理学的研究表明，50%的脑神经细胞与视觉相联，空间视觉信息是人类最易处理的信息来源，人接受外界信息的70%以上来自视觉，所以，美军认为，当信息被放在能直接感知的、现实的环境中时，人们的观察力和想象力会得到提高，信息会更加有用和有效。

现代战争是基于信息系统的体系对抗，战争双方的作战行动，需要迅速、全面、准确地掌握战场态势信息。

战场态势的三维显示，有利于作战人员认识、分析、理解战场信息，现已成为军事信息系统的重要组成部分，是作战回路的重要一环，对取得信息优势具有重大作用。

从满足显示信息分类需求角度来说，战场由自然环境（包括地理环境和大气环境）、电磁环境（射频和用频）和目标环境（包括目标实体、运动和电磁特性）复合交叠组成。

在时域上，包含“态”和“势”两层含义：态，强调当前状态，是对自然环境（包括地理环境和大气环境）、电磁环境（包括频域、能域、空域、时域和信号特征）和目标环境（包括目标实体外观、电磁/红外特性、平台运动状态）的统计；势，强调事物发展的趋势，是对目标隐含的作战意图、作战能力、相互关系以及对我构成的威胁等的估计。

所以，战场态势综合显示系统不仅要对表征战场当前状态的静态信息进行可视化输出，还需要对描述战况发展的动态信息进行符号化、可视化输出处理。

从满足不同用户需求角度来说，不同用户对战场态势的关注重点不同，以战场电磁态势信息为例，装备研究人员希望看到信号在时域、空域、频域和编码调制中的技术细节；装备操作人员希望看到的是所处电磁环境的信号来源和特征；指挥人员希望看到的是战场电磁环境将对作战实体产生的可能影响。

所以，战场态势综合显示系统不仅要显示直接存在与战场中的实体，还要对不同人员关注的参数进行可视化建模和输出。

综合来讲，战场态势显示系统不仅要显示战场中人眼裸眼可见的信息，包括地理环境、目标外观和运动等，还必须具备显示裸眼不可见信息的能力，如电磁
环境和效应、目标红外或电磁特性、战况发展趋势等。

若称前者为“战场现实显示”，后者则为“战场增强现实显示”。

二、主要功能
（一）全要素战场环境合成
能够在GIS服务器的支持下，接受作战仿真引擎、作战模拟器的数据驱动，合成战场自然环境（包括地理环境和大气环境）、电磁环境和目标环境，合成全要素战场环境可视化仿真场景。

图1全要素战场场景
（二）自然环境可视化输出
GIS数据泵取采用OGC标准，可使用WMS、WMF等标准服务接口。

系统提供全球90米和全国30米精度高程数据，全球30米、全国15米卫星影像数据。

可接收大气环境仿真服务器提供的气象参数数据，对云、雾、雨、雪等气象现象进行可视化输出。

图2地形地貌可视化图3气象现象可视化（三）战情战况可视化
可结合使用三维模型军标、矢量军标、图象军标，对战场敌我部署进行可视化输出；可接收仿真数据，对战情战况，包括敌我装备位置、姿态、状态及运动情况，传感器探测跟踪、弹药发射、目标毁伤等交战信息进行实时渲染输出。

图4部署可视化图5战况可视化（四）目标特性可视化
作战单元（装备）的性能能力数据中与其空间结构相耦合强烈影响传感器作用的数据，可作为一类专题数据，称为目标特性数据，主要包括目标RCS、红外辐射、传感器方向性图等数据。

综合态势显示系统使用增强现实显示技术和数据动态可视化建模技术，对目标特性数据进行动态可视化输出。

图5F-22飞机C波段RCS可视化
（五）电磁环境及效应可视化
接收仿真引擎或模拟器仿真数据，根据射频设备的特征参数和工作状态，对战场电磁现象进行可视化仿真；接收电磁效应服务器的效应解算结果，对干扰对抗、隐身对抗等电磁对抗效果进行可视化输出。

图7电磁效应可视化图8电磁现象可视化（六）参数空间可视化
利用参数三维可视化建模技术，实时生成装备对抗仿真中的关键参数及参数函数关系可视化模型。

图9对抗F-22威胁/收益空间分布
三、系统结构
（一）用户部署结构
软件通过网络通信组件与其他功能系统相连，实现态势的动态更新和实时显示。

同时，战场综合态势显示系统可通过脚本技术和组件开发，完成界面定制和功能扩展，以满足多种应用领域和不同用户的需要。

下图给出了在某作战训练系统中战场综合态势显示系统的部署结构。

图10在作战训练系统中战场态势综合显示系统的部署结构
（二）系统技术架构
系统从应用层面可分为功能软件层、定制界面层和数据服务层三层。

功能软件层是一个通用性很强的三维战场信息显示平台；定制界面是根据应用场景和使用人员需要，使用软件提供的界面定制能力和态势信息订阅能力定制的功能软件；数据服务层则是分布式的符合OGC标准的地理信息数据源、符合系统格式要求的三维实体模型库、符合系统组件接口约定的增强现实可视化模型库和Python 脚本的抽象集合。

战场态势综合显示系统根据功能可划分为底层通信、高层通信、信息订阅、矢量地理数据库接口、栅格地理数据库接口、增强现实模型库接口、三维模型驱动引擎、模型管理器、仿真实体管理器、高级图形驱动引擎、军事标绘驱动引擎、场景调度引擎、脚本驱动引擎、场景显示与管理、态势信息订阅管理、人机交互、
界面定制等16个组件模块。

这些模块可分为两层，即数据接口层和显示驱动层，其中三维模型驱动、脚本驱动引擎、低层通信、矢量地理数据库接口、栅格地理数据库接口、增强现实模型库接口6个模块组成系统接口层，对各类数据进行统一管理，提供数据扩展能力；其余11个模块构成系统驱动层，提供场景管理和显示驱动。

16个组件模块中，高级图形驱动引擎、三维模型驱动、模型管理器、场景显示与管理模块、场景调度模块5个模块通用型非常强，构成了一个通用三维引擎，是系统的最小内核，本系统所使用的引擎是在OSG（Open Scene Graph）开源代码基础上进行的增强开发。

其中，电磁现象与电磁效应可视化模型构成了增强现实显示模型库。

16个组件模块的功能联系和层次划分如图11所示。

图11战场态势综合显示系统功能模块联系及层次划分
（1）底层通信模块
提供基础网络定义和通信功能，与通信网络相联，与通信服务器交换数据。

（2）高层通信模块
提供网络协议定义能力，完成系统与外部的通信包的格式化组包和解包操作。

（3）信息订阅模块
本模块是实现系统角色定制的关键模块，根据用户角色，设置态势订阅规则，向高层通信模块下达订阅单。

（4）矢量地理数据库接口模块
提供对多种通用地理信息网络交互协议，向地理数据服务器发出数据访问操作请求，接收、解析数据库反馈的矢量地理信息数据。

（5）栅格地理数据库接口模块
通过地理信息数据服务器访问、操作栅格地理信息数据，包括影像数据和地形格网数据。

（6）增强现实模型库接口模块
系统通过组件技术，提供对增强现实模型扩展，该模块提供增强现实模型扩展接口，负责对增强显示模型插件的管理。

（7）三维模型驱动引擎
本模块提供多种通用三维模型的驱动能力，并管理模型驱动插件，通过编写模型驱动插件，可扩展系统支持的三维模型格式。

（8）场景管理器
本模块负责组装地形、影像数据形成地形模型，组装地形模型和矢量地理数据，形成地理环境模型，综合管理地理环境模型、战场实体三维模型、增强现实模型和三维矢量图标模型，负责模型的LOD规划。

（9）仿真实体管理器
本模块负责管理仿真实体的管理，提供实体列表，并从高层通信模块接收仿真数据，实时更新实体列表状态。

（10）高级图形驱动引擎
本模块是在OPENGL、DirectX等低级图形驱动引擎之上的图形驱动函数封装，提供了模型级的图形绘制命令集。

（11）军事标绘驱动引擎
本模块负责三维军标库的驱动，二维矢量军标、图标的绘制，二维军标向三维模型、三维矢量军标和图标的映射管理，提供二三维一体军事标绘能力。

（12）场景调度引擎
本模块负责响应用户输入和脚本驱动，对场景的视角、景深的平顺变换。

（13）脚本驱动引擎
本模块负责场景调度驱动脚本的读写操作。

（14）场景显示与管理模块
本模块对场景内地形、三维模型、三维矢量图形等显示要素进行综合管理，对程序线程进行调度管理。

（15）界面定制模块
本模块可协助态势信息订阅管理模块进行系统角色定制，可相应人机交互输入，对系统界面样式进行管理。

（16）人机交互模块
本模块综合管理系统鼠标、键盘等输入设备的输入。