王仁骁 罗建华（通讯作者） 周宇航 夏翕巩
陆军装甲兵学院（北京100072）
摘要：全面完整的试验数据采集可以有效支撑装备试验鉴定和效能评估工作。对数据采集系统进行需求分析，有利于判断试验过程中数据采集的可行性和全面性以及后续试验评估的客观性。本文从试验训练数据采集系统的需求分析入手，研究设计了一款基于多级联网的地面遥感与空中监控系统。利用无人机升空平台，通过可见光、红外、多光谱等手段，实现对战场态势、装备姿态、打击效果、装备机动轨迹等战场数据的全方位采集和实时态势监控，为试验训练评估提供精确化的数据支撑。
关键词：试验；数据采集；系统
装甲装备实战化训练具有训练强度大、机动速度快、机动范围广、指挥难度大、安全风险高等特点，这对装备的数据采集和战场态势的掌控提出了更高要求。本文从装甲装备外场试验训练数据采集系统需求分析出发，结合装甲装备试验鉴定特点，融合测控技术、通信传输技术、定位等技术，研究设计了装甲装备外场试验数据采集系统。
一、数据采集系统需求分析
（一）军事需求分析
1.装备试验训练数据是装备试验评估的直接依据
装备试验鉴定主要是采取相应策略和规范化的组织形式，对装备的战术技术性能、作战效能和适用性等进行全面考核并独立做出评价结论的科学活动。装备的战术技术性能、作战效能和适用性等指标，往往由一系列试验训练数据所反映，试验与训练数据是对装备进行科学、准确、全面考核评估的核心与基础。
2.装备试验训练数据是装备试验活动的重要支撑
试验训练数据对试验活动的支撑作用主要体现在以下四个方面：（1）试验法规标准、科技信息数据、试验环境数据、部队及其他参试装备相关数据等，对于装备试验设计和组织实施等活动起到限制和支撑的作用。（2）各类靶标、测试测量设备、试验设施设备等试验条件的建设，必须以试验环境数据、外军装备数据、我军相关历史数据等作为支持和支撑。（3）仿真试验模型的开发、校准与改进，以及仿真试验活动的开展，必须以大量数据作为基本条件。（4）试验勤务保障活动的顺利开展，也离不开相关数据应用与支持。
3.装备试验数据是装备寿命周期内各项工作的重要资源
（1）指导装备作战运用。试验中采集到的有效试验数据可以为装备列装服役后的作战运用、战法创新等活动提供基础支撑和参考。（2）促进装备改造升级。在试验过程中，通过获取装备战技性能数据、工作状态数据、故障数据等信息，对装备存在的设计缺陷和性能瓶颈进行汇总梳理和总结，可以为国防工业部门进行装备改进升级提供依据。（3）支持装备作战推演。利用装备试验过程中获取的战术技术性能、气象水文、电磁地理环境、实兵态势等信息，对装备仿真模型进行验证与修正，为开展近似实战条件下的作战推演提供可信的仿真模型，可以提高推演的准确性和可信度。（4）辅助装备教学研究。装备试验过程中积累的数据经加工处理后，可为相关院校开展装备教学科研工作提供权威的数据支撑，为编写培训教材、制定教学计划提供现实依据，提高装备教学科研工作的针对性、实效性和可靠性。
（二）技术需求分析
1.光电测量技术
光电测量技术是指利用光学原理进行测量的技术。主要包括可见光、红外、激光等。通过利用不同的光学载荷设备进行多手段的数据采集。利用可见光和红外等光电测量技术，实现对战场态势、装备姿态、打击效果、机动轨迹等数据的采集。
2.试验监控技术
该需求主要支持对试验过程中作战态势的监控。系统能动态显示对抗双方作战时间、作战行动、交战关系、作战态势、伤亡损耗；能分层显示、分级别显示、分区域显示作战态势；能动态记录战场态势数据。
3.通信传输技术
通信技术是装备试验过程中重要的技术保障。数据采集系统依托通信技术，能够将被试装备各种运动状态、运动轨迹等数据及时传送到试验指挥所，完成试验的调度指挥。依托无线传输模块将数据采集系统融入整个试验系统，形成相互联系，相互作用的有机整体，保证试验活动有序展开。
4.数据处理技术
试验数据分析与处理技术是对数据获取后的再加工，同时又是试验结果分析和评定的基础。主要包括数据特征检验和异常值检验等方法。试验数据分析与处理的目的主要是为了便于存储、检索和使用，需要对原始数据和再生数据进行分类排序、使之成为一个有序的信息系统。
5.裁决评估技术
在评估内容方面：一是火力打击评估。能够对火力打击的有效性、应变性、时效性、准确性和毁伤率进行评估。二是伪装效果评估。能够对各个装备的伪装效果进行评估。三是对装备机动效果评估。通过采集到的环境数据和装备特性数据，通过数据聚合、分析等可实现对装备姿态、机动轨迹进行评估分析。
（三）性能需求分析
（1）总体监控试验训练场范围不小于2.5千米*6千米，态势显示试训装备数不少于30台；（2）具备系留无人机与非系留无人机两种方式，系留无人机可实现长时间空中悬停，连续工作时间不低于4小时；非系留无人机能够挂载光电载荷完成指定目标数据采集，空载飞行时间不小于50min；（3）具备多种信息采集手段，保证同时、同地查看和采集数据，能实现通过红外传感器、多光谱传感器、可见光传感器等汇集信息的综合数据采集；（4）可根据采集的视频、照片、定位信息等数据生成态势，并完成对装备姿态、伪装效果、装备机动轨迹等特征信息的提取；（5）系统可实现对试验过程的导调控制，通过生成态势图为试验指挥人员或训练导控人员提供试验进度、装备状态等调控依据。
二、系统主要功能
（一）多手段数据采集
通过利用不同的载荷设备，实现全方位、多手段的数据采集。采用高清可见光和红外热像复合相机实现战场态势、装备姿态、打击效果、机动轨迹数据的采集；采用多光谱相机实现伪装效果数据采集；采用图传与数传加密方式传输数据，提供监控图像显示功能。
（二）复杂环境实时监控
采用四旋翼无人机平台作为升空平台，根据采集设备和数据的需要，配置系留无人机和非系留无人机两种，系留无人机负责空中战场态势监控，非系留无人机负责多光谱、热红外、可见光数据采集。
（三）数据综合分析与处理
将采集到的环境数据和装备特性数据，通过数据聚合、数据分析等手段，实现精准掌握装备姿态、辨析伪装效果与打击效果、掌控战场态势等目的。
三、系统设计
（一）系统主要组成
该系统主要由三个分系统组成：外场试验训练态势监控分系统、无人机分系统、外场试验训练数据采集与导调模块分系统，其组成结构如图1、2所示：
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图2 系统部署图
（二）各分系统设计
1.外场试验训练态势监控分系统
（1）光电采集载荷。根据需求，光电吊舱需要采集装备的各项属性，需要具备光谱、红外热像仪、可见光采集传感器，为了使用方便，载荷分为红外热像仪/可见光载荷和多光谱载荷，实现可见光、红外拍照和存储、视频预览、红外测温、光谱数据采集等功能。且红外热像仪/可见光载荷集成了云台功能，确保系统稳定性。（2）光学摄像载荷。采用广角相机和变焦相机载荷，搭配激光测距，对战场全面监控，能够实时查看战场整体态势，并对特定区域变焦查看，关注战场焦点状况，实现战场态势监控的全面关注。（3）地面控制与图传加密模块。地面控制模块，主要通过无人机遥控器和地面站实现无人机飞行距离、高度、速度、航线控制，实现任务载荷方位角、俯仰角的控制。地面站通过无线接入方式与天空端进行信息交互，采用软件协议方式控制光谱、热成像、可见光的采集参数、开关机状态等。图传加密模块，主要实现对任务荷载采集的数据进行加密传输（图3）。（4）数据压缩与传输模块。数据压缩与传输模块主要是通过机载数据处理模块，将大量的采集数据压缩成可视流畅图像，实现数据的实时预览，经机载传输模块，将采集图像实时传输至地面站，实现无人机载荷的多光谱、热红外和可见光同步数据采集和图像预览功能。（5）监控图像显示模块。监控图像显示模块主要是将无人机载荷传输图像按照图像类型实时查看预览，根据查看重点、关注方向切换图像显示类型，对特定区域变焦查看等，保证外场试验训练监控全面准确。
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图3 地面站效果图 图4 无人机系统
2.无人机分系统
无人机分系统用于搭载各类载荷、图传系统。作为采集数据时的飞行平台，由于完成态势监控需要长航时，因此该系统由系留无人机和非系留无人机两种组成，系留无人机负责空中定点战场态势监控，非系留无人机负责多光谱、热红外、可见光数据采集，为伪装分析提供数据支撑。为实现数据采集和战场态势监控，无人机必须具备一定的载荷能力，飞行时间大于任务所需时间，由于非系留无人机采集到的数据用于分析装备伪装效果，系留无人机用于实时战场态势监控，因此无人机系统必须具备长时间凝视悬停、高机动飞行等功能，无人机系统功能设计如图4所示。无人机飞行平台主要考虑载荷重量、稳定性与飞行时间两个参数。该系统中综合采集吊舱重量约为2.4Kg，因此非系留无人机必须采用载荷大于2.4Kg的无人机平台，系留无人机由于需要长时间进行战场态势监控，需要配备系留模块加装态势监控摄像头，具备长时间负载2kg光学摄像载荷能力。基于设计需求，选取了旋翼系留无人机和旋翼非系留无人机作为飞行平台，旋翼保证了其稳定性和可靠性，系留无人机满足了长航时的需要，同时，非系留无人机保证了雷达、光谱和热红外数据的采集。同时，为方便操作和减少无人机操作失误，无人机具备航路规划模块，并在需要时手动控制无人机。图传与数传模块使得无人机采集图像能够实时回传至地面，查看外场试验整体态势及局部情况，保证数据采集的准确性。
3.外场试验训练数据采集与导调分系统
（1）定位数据采集传输与显示模块。定位数据采集传输与显示模块主要用于对装备机动定位数据、导调信息数据的传输显示，能够将多设备组网，满足现场数据传输要求。通过实时传输装备定位数据，使导调模块能够对外场试验装备机动做出快速调控，并将导调信息反馈到各装备。（2）外场试验训练导调模块。根据空中和地面采集的数据，结合战场环境场景和装备属性，融合生成战场态势图，进而辅助指挥员根据装备位置、状态等信息进行精准实时调控。数据属性获取主要包括数据有效性判断、野值点剔除以及数据拟合等处理技术。根据目标特性，对目标进行编码，实现数据与目标的正确匹配；通过剔除野值点、拟合与插值等数据处理方法，完成对原始数据的处理，以提高实时显示的精度和导调精度（图5）。（3）目标跟踪与轨迹生成模块。通过可见光、热成像采集到的数据，对试验目标进行一对一的编码，将编码与态势中的各个装备进行关联。在目标移动时通过目标特征实现目标跟踪，目标的识别与跟踪采用2DCNN对视频进行操作的方式，对视频的每一帧图像分别利用CNN来进行识别。测试效果如图6所示。（4）打击效果分析评估模块。打击效果分析评估主要是利用光电集成载荷采集到的打击前后遥感图像，将图像进行综合对比，获取战场目标毁伤范围、程度等评估结果。由于目标被炸弹轰炸后，其主要结构已经面目全非，所以无法通过被击毁的目标中获取关键设备、设施信息，因此该模块将打击前的目标作为基准图像，将打击后的图像和打击前的图像进行配准。最后根据各个设施的毁伤评估准则，制定相应的评估方法，对其进行评估。（5）伪装分析模块。该模块采用以下几个方式对伪装进行分析，主要通过以下几个方面：目标与背景的亮度对比及伪装容许亮度对比差、目标与背景的色差及伪装容许的色差、目标与背景的光谱反射率及伪装容许的光谱反射差、目标与背景的温差及伪装容许差、目标与背景的发射率差别及伪装容许发射率差和目标与背景的后向散射差别与伪装容许的后向散射差，通过以上几个方面对伪装等级进行量化分析。
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图5 外场导调与数据采集系统 图6目标跟踪与轨迹生成
四、结语
本文从军事需求、技术需求和性能需求三个方面对装甲装备外场试验数据采集系统进行了分析。在系统的设计上，综合利用无人机监测技术、光学测绘技术、无线通信网络等多项技术，能够全面准确地采集到装备各项数据，满足日常装甲装备实战化训练和试验工作。能够检验部队装备状态、战技性能，为指挥人员和组织人员提供试验现场数据，为装备的效能评估提供数据支撑。
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【作者简介】王仁骁（1992.08-），男，汉族，河北唐山市人，本科学历，陆军装甲兵学院军事装备专业硕士研究生在读，主要研究方向：装备试验等。
【通讯作者】罗建华（1967.09-），男，汉族，湖南嘉禾县人，博士研究生学历，陆军装甲兵学院教授，主要研究方向：军事装备。