唐立文 肖斌

航天技術的發(fā)展,使得無論是當前的航天試驗指揮,還是未來可能的航天作戰(zhàn)指揮,都必須要快速處理各類航天信息,并能夠充分利用這些信息為指揮員提供指揮的輔助決策依據(jù).然而,國內(nèi)包含航天指揮信息系統(tǒng)在內(nèi)的軍事指揮信息系統(tǒng),大部分還是基于Windows操作系統(tǒng)進行開發(fā)和運行,其信息的安全性難以保證,對國家和軍隊信息安全構成了嚴重威脅.為此,急需開發(fā)和使用基于國產(chǎn)平臺的航天指揮信息系統(tǒng),為航天指揮提供安全、可靠的技術保障,確保指揮決策的順利實施.

指揮員的指揮決策,除了利用各級上報的作戰(zhàn)文書之外,還可以利用另一種有效的信息管理、加工和展示手段—計算機輔助決策.本文擬從自主可控的角度出發(fā),研究基于國產(chǎn)操作系統(tǒng)和國產(chǎn)GIS軟件的航天指揮輔助決策平臺,將基礎地理信息以電子地圖的形式進行展現(xiàn),并在此基礎上,疊加經(jīng)過分析和處理的各類指揮情報信息,以可視化的形式展現(xiàn)各類戰(zhàn)場態(tài)勢情況,其目的就是要為指揮員提供準確、詳實、有價值的大尺度航天信息資源服務,為決策提供依據(jù)和參考,提高指揮決策效率.

1 軍事需求

現(xiàn)代化戰(zhàn)爭處于陸、海、空、天、電五維的作戰(zhàn)空間,作戰(zhàn)武器和作戰(zhàn)指揮普遍采用高技術,戰(zhàn)場環(huán)境瞬息萬變.航天指揮中的態(tài)勢信息,主要是將戰(zhàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)與情報數(shù)據(jù)、作戰(zhàn)力量數(shù)據(jù)和作戰(zhàn)行動數(shù)據(jù)等進行整合表達,分別形成戰(zhàn)場態(tài)勢和作戰(zhàn)態(tài)勢圖.表達戰(zhàn)場態(tài)勢就是要在簡要表達戰(zhàn)場地理環(huán)境的基礎上,疊加作戰(zhàn)力量的時態(tài)數(shù)據(jù),用于研究作戰(zhàn)行動或制定作戰(zhàn)計劃等.航天指揮中,情報是進行作戰(zhàn)指揮的基礎,對于情報分析,需要指揮員利用各種航天信息進行整理和甄別,用于研究戰(zhàn)場、進行決策、制定作戰(zhàn)計劃[1].此外,部隊遂行作戰(zhàn)行動需要利用航天信息生成地圖,為其確定位置、識別目標、選擇行進路線等提供基本保證,航天信息成為輔助指揮決策平臺的基本數(shù)據(jù)來源.

在航天指揮中,指揮員需了解描述戰(zhàn)場中各類環(huán)境要素特性、空間位置或分布范圍,需面對千頭萬緒的信息做出決策.那么,作為作戰(zhàn)信息的重要組成部分,這些信息以什么樣的形式展示給指揮員,才能更好地為指揮員指揮作戰(zhàn)提供更加詳實和準確的戰(zhàn)場態(tài)勢信息？基于此,有必要為作戰(zhàn)指揮員提供一定程度的支持,航天指揮輔助決策平臺正是提供這種支持的有效手段,它的優(yōu)勢表現(xiàn)在以下3個方面:

1)航天指揮輔助決策平臺的目標是通過信息技術的運用,以改善指揮員的指揮決策能力,它并不是把本來與人有關的任務與人割裂開來完全計算機化,而是要把決策過程劃分為可選模塊,由用戶自己調(diào)整和控制,也就是說,輔助決策平臺的出發(fā)點是從決策者的觀點出發(fā),把技術看作是用于決策的從屬性內(nèi)容,要服務于決策者,這樣就容易被決策者接受.

2)航天指揮輔助決策平臺的處理方法并不是要替代人的判斷,它只是利用相關的理論知識和計算工具,使計算機像具有智慧的人那樣,在充分觀察、分析和仿真后,根據(jù)數(shù)學模型進行定量分析,為指揮員提供明確而又有數(shù)據(jù)依據(jù)的作戰(zhàn)方案.

3)航天指揮輔助決策平臺能為指揮員提供決策所需要的數(shù)據(jù)信息,并且按照相應模型對各種數(shù)據(jù)信息進行不同的處理,幫助明確決策目標和進行問題的識別,提供各種被選方案,通過分析、比較和判斷,為正確的決策提供有益的幫助,從而使決策更合理、更科學.

2 平臺功能設計

航天指揮輔助決策平臺,是為指揮員提供指揮信息,輔助其決策的重要支撐工具之一,直接關系著最終所提供的輔助決策信息的優(yōu)劣.

2.1 自主可控平臺

從安全角度著眼,未來的軍事指揮信息系統(tǒng)應采用自主可控技術,脫離國外操作系統(tǒng)及相關軟件的束縛,確保信息安全.本文研究采用如下自主可控技術.

1)操作系統(tǒng).操作系統(tǒng)采用國產(chǎn)中標麒麟操作系統(tǒng),該系統(tǒng)嚴格遵照GB/T 20272-2006技術要求,且通過公安部信息安全產(chǎn)品檢測中心第四級結(jié)構化保護級檢測,以及中國人民解放軍信息安全測評中心軍用B+級軍用信息安全產(chǎn)品測評認證,是目前國內(nèi)安全級別最高的操作系統(tǒng)之一.該操作系統(tǒng)能為使用者提供更加全面的應用安全保護,防止關鍵數(shù)據(jù)被篡改竊取,而且能免受攻擊,保障關鍵應用安全、可控,并穩(wěn)定的對外提供服務[2].基于中標麒麟操作系統(tǒng)進行軟件開發(fā),可為航天指揮輔助決策平臺提供安全、可靠的運行環(huán)境,確保航天指揮任務的順利實施.

2)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng).航天指揮的各類業(yè)務數(shù)據(jù)以及協(xié)同標繪作業(yè)的數(shù)據(jù),主要采用人大金倉數(shù)據(jù)庫Kingbase ES管理系統(tǒng).該數(shù)據(jù)庫是一個大型通用的跨平臺系統(tǒng),可安裝運行于Windows、Linux、UNIX等多種操作系統(tǒng)平臺下.考慮到多用戶協(xié)同作業(yè)的情況下數(shù)據(jù)庫訪問量會比較大,輔助決策平臺的實現(xiàn)采用數(shù)據(jù)庫訪問中間件形式進行數(shù)據(jù)庫訪問管理,即誰訪問誰管理,使用完數(shù)據(jù)庫后即刻斷開連接.同時,還可靈活地配置數(shù)據(jù)庫的訪問IP地址,方便分布式部署與維護工作.

3)地理信息系統(tǒng).基礎的地理環(huán)境信息由地理信息系統(tǒng)(Geographic information system,GIS)技術實現(xiàn).北京超圖地理信息技術有限公司的SuperMap GIS軟件平臺,具有容易開發(fā)、伸縮性強、可獨立運行等多種特性,方便使用者利用當前較主流的開發(fā)語言(Java、NET等)進行專業(yè)領域應用系統(tǒng)開發(fā),還可實現(xiàn)在多種開發(fā)環(huán)境下的GIS功能與業(yè)務應用系統(tǒng)的融合,使現(xiàn)有業(yè)務系統(tǒng)具備強大的GIS功能[3].基于SuperMap軟件開發(fā)航天指揮輔助決策平臺,通過電子地圖、文字、曲線、圖表等形式,可以很好地展現(xiàn)各類基礎地理信息、空間位置、部隊部署;同時還可疊加作戰(zhàn)力量的時態(tài)數(shù)據(jù),有助于研究作戰(zhàn)行動、制定作戰(zhàn)計劃等,輔助指揮員指揮作戰(zhàn).

2.2 平臺功能劃分

基于GIS的航天指揮輔助決策平臺的主要功能如下.

1)基本態(tài)勢展示.a)基礎地圖管理與操作:電子地圖是整個航天指揮輔助決策平臺的基礎,平臺采用全球1:100萬矢量數(shù)據(jù),將當前的戰(zhàn)場環(huán)境以電子地圖的方式展現(xiàn)出來.平臺支持地圖的放大、縮小和漫游等;支持地名查詢、拾取查詢、經(jīng)緯度查詢,以及地圖的距離、面積、方位距離量算等;可實現(xiàn)對不同類別的地理要素分層管理,實時調(diào)整當前系統(tǒng)所展示的地圖內(nèi)容等.b)實體部署與操作:平臺能按照實際目標的位置進行實時定位,并對實體部署和分布情況以軍事標繪的形式展現(xiàn)出來.支持從數(shù)據(jù)庫(或文件)中讀取地面實體和單位部署信息,在地圖上以軍標形式顯示的功能,可以拾取地面實體和單位并查看其屬性信息.各類信息疊加到電子地圖上,可以更好地體現(xiàn)其空間感和位置感.

2)路徑選擇.在航天指揮中,無論是部隊機動、后勤保障,還是有效隱藏實力、躲避打擊,都涉及到一個路徑規(guī)劃的問題,主要包括3部分內(nèi)容:

一是部隊機動的性能指標要求,如公路機動要求的公路等級、最高時速的要求、天氣對行軍速度的限制等,這些都要在路網(wǎng)建設時設計好.

二是路徑規(guī)劃的條件,包括:a)按照2個點之間的距離等級(高速公路、國道、省道、鄉(xiāng)鎮(zhèn)路等)進行規(guī)劃;b)按照2個點之間的時間最短(根據(jù)當前交通工具的平均速度)進行規(guī)劃.

三是路徑規(guī)劃的功能,主要包括:a)能夠根據(jù)車輛性能(不同車輛在不同路段、不同天氣的行駛速度),設置行軍的平均速度、天氣情況(晴、小雨、大雨、小雪、大雪)和天氣對速度的影響百分比;b)能實現(xiàn)從出發(fā)點到目的地的最短路徑分析,并將分析得到的路徑顯示在地圖上;c)能實現(xiàn)根據(jù)道路的權重設置(道路等級的設置),計算從出發(fā)地到目的地的最優(yōu)路徑,并將分析得到的路徑顯示在地圖上;d)能計算在最短路徑情況下,部隊行進所需的時間,其計算公式為:時間=(路徑長度)/(平均速度×天氣影響百分比).

3)協(xié)同標繪業(yè)務.能夠?qū)崿F(xiàn)在地圖上的交互式協(xié)同標繪,完成作戰(zhàn)指揮信息的集中決策與處理,使得不同地域的各級指揮決策者以及相關人員協(xié)同通信,參與作戰(zhàn)指揮決策的制定討論以及態(tài)勢信息的共享交換.主要包括3部分內(nèi)容:

a)軍標庫管理:參照2013年版“軍隊標號規(guī)定”建立軍標符號庫,方便實現(xiàn)各種軍標符號的繪制和編輯,形成各類軍事航天態(tài)勢圖,為指揮員提供準確、及時、直觀的戰(zhàn)場態(tài)勢情況.

b)協(xié)同控制:在協(xié)同標繪過程中,由發(fā)起者負責邀請協(xié)同交互的其他參與者.發(fā)起者能夠?qū)φ麖垐D進行編輯,其他協(xié)同標繪的參與者只能對自己標繪的軍標進行編輯.所有參與者能夠同時在指定范圍內(nèi)進行標圖,每個協(xié)同標繪的客戶端實時展示協(xié)同標繪的結(jié)果.

c)軍標編輯與協(xié)同:提供軍標選擇與編輯的鎖定功能與鎖定提示,當某一軍標被選中后即被鎖定,直至編輯完成,確保同一時刻同一軍標只能被一人編輯,避免協(xié)同過程中的軍標編輯沖突.

4)作戰(zhàn)態(tài)勢顯示.根據(jù)作戰(zhàn)任務的要求,選擇顯示敵方空間目標過境情況,以實際時間驅(qū)動的方式展示部隊行軍路線,以閃爍和列表的方式顯示是否有敵方空間目標經(jīng)過我關鍵地區(qū)或關鍵地點,由此,指揮員能夠根據(jù)相關的態(tài)勢情況,制定部隊的下一步行動計劃,指揮部隊作戰(zhàn).

5)多類型顯示.a)多樣化顯示:能夠通過接入部隊的實時位置和行動軌跡、裝備的實時狀態(tài)等動、靜態(tài)數(shù)據(jù),以地圖、文字、表格、曲線等多種方式,通過不同的線型、不同顏色、不同符號等多種手段,展現(xiàn)戰(zhàn)場地理環(huán)境及綜合態(tài)勢,使情報信息呈現(xiàn)多樣化顯示,更加直觀.b)多屏幕顯示:可以通過配置文件設置系統(tǒng)可顯示的畫面內(nèi)容,實現(xiàn)多屏或分屏的聯(lián)動展示,使得平臺可以針對不同的任務,為用戶提供不同的操作和顯示界面.這樣,不僅能夠使得指揮員在決策時有足夠的輔助信息,同時又能使指揮員可以針對不同的戰(zhàn)場情況,分門別類地顯示不同戰(zhàn)場信息,為指揮員靈活指揮作戰(zhàn),避免混淆指揮提供信息決策支持.

2.3 計算模型

2.3.1 路徑規(guī)劃設計

在GIS中,“網(wǎng)絡系統(tǒng)”是指由許多相互連接的線段構成的網(wǎng)狀系統(tǒng),網(wǎng)絡模型就是對現(xiàn)實世界中網(wǎng)絡系統(tǒng)的抽象表達,例如城市交通網(wǎng)中,道路等線狀物被抽象為線段,在網(wǎng)絡中稱為網(wǎng)絡弧段;十字路口、車站等點狀物被抽象為點,在網(wǎng)絡中稱為網(wǎng)絡結(jié)點等.在網(wǎng)絡模型中,資源和信息能夠從一個結(jié)點到達另一個結(jié)點.而網(wǎng)絡分析就是在網(wǎng)絡模型上通過分析解決實際問題的過程,如路徑分析、服務區(qū)分析、最近設施查找等.圖1為網(wǎng)絡模型的基本概念示意圖.最優(yōu)路徑分析解決的問題,是在網(wǎng)絡數(shù)據(jù)集中,給定N個點(N≥2),找出按照搜索條件,以給定點的次序依次經(jīng)過這N個點的花費最小的路徑.“花費最小”有多種理解,如距離最短、時間最短、費用最低、路況最佳、過橋最少等.

圖1 網(wǎng)絡模型基本概念示意圖

2.3.2 偵察范圍計算模型

在一定的仰角限制下,在給定時刻能與航天器進行聯(lián)絡的區(qū)域稱為覆蓋區(qū).隨著航天器的運動,覆蓋區(qū)移動,形成順著地面軌跡的地球表面帶,在這個帶的范圍內(nèi)的地面目標才能被觀測到,故稱“觀測帶”,也稱航天器的地面覆蓋帶[4].在航天指揮中,為有效機動、躲避敵方偵察,部隊在進行作戰(zhàn)行動時,要盡量避開敵方衛(wèi)星的偵察范圍.下面分析衛(wèi)星偵察范圍的計算.

設軌道上飛行的衛(wèi)星高度為h,在此考慮一般性情況,即安裝于衛(wèi)星上的儀器設備的視軸不與指向地球中心的方向重合,其偏離角為α,如圖2所示.

圖2 計算偵察范圍示意圖

在4OSP1中,根據(jù)正弦定理可得到

類似地,由4OSP2得到

相對于地面軌跡沿兩邊分布的覆蓋帶,可視地心角為

而對于只有一邊分布的覆蓋帶,可視地心角為

因此,偵察范圍的寬度為

得到衛(wèi)星的偵察范圍之后,指揮員就可以根據(jù)當前部隊的位置信息,判斷部隊行進過程中,在特定的時刻,是否會與該偵察范圍存在交叉,以此來規(guī)劃部隊下一步的行動計劃.

3 平臺開發(fā)與實現(xiàn)

3.1 平臺的結(jié)構設計

基于GIS的航天指揮輔助決策平臺,采用面向服務的架構實現(xiàn),所有的功能均以服務化的形態(tài)實現(xiàn),并通過服務總線集成,以保證系統(tǒng)的動態(tài)可擴展性.主要包括以下幾部分:客戶端、協(xié)同服務集成環(huán)境以及數(shù)據(jù)源.平臺的體系結(jié)構如圖3所示.

圖3 平臺體系結(jié)構

3.2 平臺的功能實現(xiàn)

1)基于GIS的決策平臺功能實現(xiàn).SuperMap提供了組件式軟件二次開發(fā)的產(chǎn)品,包括SuperMap Objects.NET組件(適用于微軟平臺)和SuperMap Objects Java組件(適用于跨平臺軟件開發(fā)).其中,SuperMap Objects Java是基于超圖共相式GIS(Universal GIS)內(nèi)核進行開發(fā)的,采用Java技術的組件式GIS開發(fā)平臺.共相式GIS是一種高性能、跨操作系統(tǒng)的GIS技術架構體系,它基于標準C++重構GIS的功能內(nèi)核來開發(fā)GIS系列平臺軟件,支持在Unix、Linux和Windows等多種操作系統(tǒng)上高性能運行;在此基礎上,該組件采用Java+JNI的方式構建,是純Java的組件,而不是通過COM 封裝或者中間件運行的組件,并且由于Java代碼只是負責調(diào)用內(nèi)核功能,比完全采用Java編寫的組件或通過中間件調(diào)用COM的方式在效率上有極大的提高.SuperMap Objects Java適用于Java平臺上的專業(yè)GIS應用系統(tǒng)或應用服務器的快速開發(fā),具有跨平臺的特性.SuperMap Objects Java支持Eclipse進行開發(fā),并與其開發(fā)環(huán)境完美結(jié)合,具有豐富、強大的GIS功能,可以用來構建處理地圖和地理信息的系統(tǒng)[5].

2)協(xié)同標繪功能實現(xiàn).協(xié)同標繪作業(yè)是通過協(xié)同標繪的功能實現(xiàn)圖上業(yè)務作業(yè)和有序信息共享,提供多席位、多角色的協(xié)同標繪能力.協(xié)同標繪功能是基于協(xié)同標繪服務完成的,是在標繪的基礎上實現(xiàn)符號的協(xié)同顯示功能,由協(xié)同標繪服務完成方案和符號的共享,通過消息推送的方式同步顯示在電子地圖中.標繪時,各標繪成員通過地圖服務器獲取將要標繪的電子地圖區(qū)域,并根據(jù)自身的職能和分工標繪各自的內(nèi)容,對標繪內(nèi)容進行屬性及風格的修改,標繪完成后,系統(tǒng)將標繪內(nèi)容上傳至服務器,通過消息推送的方式發(fā)送到其余標繪客戶端.協(xié)同標繪功能根據(jù)用戶權限的不同分為2種形式,一是實時協(xié)同,由發(fā)起人發(fā)起邀請,建立共享方案,所有的受邀人可同時在共享方案中進行標繪軍標符號;標繪完成的符號可以及時的上傳至服務器,同時推送給其他受邀人,在地圖上實時顯示出標繪的符號內(nèi)容;每一個受邀人對每一個軍標符號的操作過程,如符號的樣式風格修改、符號大小的改變等,均可被其他受邀人看見.此種方式要求誰標繪的符號誰管理,其他的參與標繪人員不能對其操作,只有建議權,可以通過信息通信的形式溝通交流,只有標繪人員可對其標繪的符號進行修改、刪除等操作.二是結(jié)果顯示,是指發(fā)起共享方案后,根據(jù)職務的不同,可以分為不同的標繪內(nèi)容,每人標繪一部分,最后將所有人的標繪結(jié)果上傳至服務器,發(fā)起人能看到總的標繪結(jié)果.協(xié)同標繪功能界面如圖4所示.

3.3 平臺的應用

1)路徑規(guī)劃.在路徑規(guī)劃模塊中,主要是利用了SuperMap GIS中的2個類,一是AnalystControl類,此類中集成了路徑規(guī)劃模塊的主要操作,包括選點、路徑分析類型選取、影響因子的選取等內(nèi)容;另一個類是NetAnalyst類,該類中包含了基礎的路徑分析功能.

航天指揮輔助決策平臺中,通過對全國路網(wǎng)數(shù)據(jù)進行拓撲處理,建立相應的網(wǎng)絡模型.其中,路網(wǎng)等級按照國標分為高速公路、國道、省道、鄉(xiāng)村路等,而車輛承重、總重、高度限制、轉(zhuǎn)彎限制、寬度限制等對路徑規(guī)劃的限制信息,則存儲到路網(wǎng)的屬性中.利用最優(yōu)路徑算法獲得從出發(fā)點到目標點最優(yōu)路徑的各路段號,根據(jù)路段號計算出最優(yōu)路徑的行駛距離、行駛時間等并顯示.而路徑搜索的響應時間,模塊初始化時需4～5s,之后所有的分析最快消耗時間約600ms,最慢約1200ms,滿足平臺時效性要求.圖5是路徑優(yōu)選示意圖.

圖4 協(xié)同標繪功能界面

2)過境預報.航天指揮中,在二維地圖上展示衛(wèi)星的星下點軌跡,可了解衛(wèi)星的過境情況.平臺開發(fā)中,采用典型的SGP4衛(wèi)星軌道計算模型,并通過實時計算、理論預推、周期(時間段)選擇、敏感區(qū)域(覆蓋區(qū))選擇等方式,顯示衛(wèi)星的星下點軌跡,分析當前指揮員所關注的衛(wèi)星在某一時間段對敏感區(qū)域的過境情況,提高指揮員指揮決策的效率.如圖6所示.

圖5 路徑優(yōu)選示意圖

圖6 衛(wèi)星過境預報

4 結(jié)束語

國外操作系統(tǒng)對我國的壟斷,使得自主可控的國產(chǎn)化道路發(fā)展緩慢.隨著我國信息化建設的發(fā)展以及軍隊指揮信息系統(tǒng)的應用,自主可控技術已逐漸發(fā)展起來,國產(chǎn)化的需求也越來越強烈.本文基于國產(chǎn)GIS軟件SuperMap,開發(fā)了運行于國產(chǎn)中標麒麟操作系統(tǒng)下的航天指揮輔助決策平臺,為指揮人員提供詳實、可靠的輔助決策信息.