Cтатьи и комментарии

Международный научно-технический журнал "Информационные технологии и компьютерная инженерия", № 3 (7) 2006 год, УДК 681.51

Основные направления применения геоинформационных технологий в военном деле

В.В. Беленков (ЗАО "КБ Панорама", г. Винница)
М.М. Корж

Постановка задачи

Развитие современной армии, как и развитие современного общества в целом, базируется на внедрении и развитии информационных технологий. Важнейшей составной частью большинства технологий являются средства обработки цифровой информации о местности во взаимосвязи с многообразными данными о противнике и своих войсках.

Со второй половины прошлого века и по сегодняшний день основным носителем информации о местности в армии остается старая добрая топографическая карта. Еще со времен русско-турецкой войны она стала необходимым и практически обязательным атрибутом работы любого войскового штаба. И поныне как стратегические и оперативные органы управления войсками, так и командиры тактического звена не могут обходиться без карт различных масштабов при планировании боевых действий.

Тем не менее, к концу XX века в результате возрастания размаха и динамичности операций, появления новых видов и средств вооружения значительно расширилась и номенклатура носителей топогеодезической информации. Принципиально меняются и методы сбора информации, и формы их представления (отображение). При этом основными критериями продолжают оставаться их точность и достоверность. Важность этих параметров подтверждает трагедия в Белграде, когда, как пытается оправдать свой "прокол" руководство НАТО, из-за "недостоверной топогеодезической информации" Военно-Воздушные Силы коалиции нанесли ракетный удара по зданию посольства Китая.

Сейчас, когда мир входит в новое тысячелетие с пониманием преимуществ, даваемых цифровым изображением, звуком и связью, топогеодезическое обеспечение просто не может оставаться в стороне от технического прогресса. Становится очевидным, что геоинформационное обеспечение - это топогеодезическое обеспечение XXI века. Оно включает аэрокосмическую, оптико-электронную разведку, спутниковую связь, цифровую компьютерную технологию и классические методы геодезии, картографии и фотограмметрии. Анализ задач, решаемых топографическими службами объединений Вооруженных Сил Украины при подготовке и в ходе операций и боевых действий, а также средств и методов их решения свидетельствует о наметившемся серьезном отставании в этих вопросах от армий развитых стран. Органы управления нашими войсками получают информацию о местности в виде все той же топографической карты и по той же схеме, что и десять, двадцать, пятьдесят лет назад: подготовка заявок в довольствующий орган, их обработка на складе топокарт, затем набор карт, доставка, склеивание, нанесение служебных надписей и обстановки. Очевидно, что такой порядок доведения топогеодезической информации до штабов и войск не может быть реализован ни в одной автоматизированной системе управления, хотя именно они сегодня могут привести к существенному повышению эффективности управления войсками и применения оружия.

Геоинформационное обеспечение предполагает циркуляцию данных о местности по каналам, связанным с базами данных географических информационных систем (ГИС). Собственно, они и лежат в основе геоинформационного обеспечения. По своей сути ГИС - это сочетание географической или топографической карты и обширного массива выраженной в цифровой форме разнородной информации, систематизированной и привязанной к соответствующей точке картографического изображения. Цифровая информация о местности может быть представлена в виде электронной топографической, обзорно-географической, авиационной карты, плана города, схемы, электронного фотоплана, матрицы высот, матрицы свойств местности и т.п.

ГИС выполняет две важнейшие функции: создание цифровой карты местности, интегрированной с расширенной базой данных, и превращение цифровой карты в электронную – визуализации – с возможностью интерактивной работы с ней пользователя. На основе этих двух реализуемых с ГИС функций базируется множество других [1].

Целью данной статьи является обзор современных направлений и примеров использования геоинформационных технологий в военном деле.

Эволюция в подходе к созданию ГИС военного назначения

В настоящее время настройка на конкретного пользователя - самая основная тенденция для ГИС военного назначения. Готовый программный продукт должен быть доработан для конкретных заданий. На примере развития программных продуктов разных разработчиков четко прослеживается эволюция в подходе к созданию ГИС. Если раньше это был небольшой набор логично законченных программных продуктов, то сейчас все большее внимание уделяется развитию инструментальных средств. Инструментальные средства можно представить как большой набор модулей, из которых можно построить сложную систему для конкретных пользователей и заданий, при этом опираясь на общий информационный фундамент в виде стандартов, обменных форматов, классификаторов и т.д. Для реализации этих заданий необходима ГИС, которая позволяет создавать и поддерживать цифровые модели оперативной обстановки (ЦМО) для каждой организации и задания. Для однозначной интерпретации обстановки ГИС должна при создании таких моделей использовать общие данные - стандарты, форматы, классификаторы.

Исходя из этих задач, а также возможности разработки многообразных программных ГИС-приложений, необходимых для решения специальных задач, самостоятельного расширения функциональности базового программного продукта, дружеского интерфейса, наличия полного комплекта документации, по своим функциональным возможностям и быстродействию, для разработки и выпуска документов аэронавигационной информации Центром аэронавигационного обеспечения авиации Вооруженных Сил Украины были выбраны ГИС "Карта-2005" и средство для разработки ГИС-приложений на основе Delphi - Gis ToolKit Free [3, 4].

Эти программы обеспечивают одновременную работу с разными видами карт, снимков, матриц высот и свойств местности большого количества пользователей с помощью компьютерной локальной или распределенной сети. Объем картографических данных может составлять десятки террабайт и обеспечивать покрытие любой площади земной поверхности. Данные могут отображаться в двух- или трехмерном виде.

ГИС "КАРТА-2005" позволяет наносить оперативную обстановку, вести дежурные карты, формировать стандартные электронные и графические документы (решение командира, полетные задания и т.д.), проводить командно-штабные тренировки и учения, анализировать расположение и прогнозирование последующих действий противника.

Топогеодезическое обеспечение

При размещении на местах воинских подразделений, они нуждаются в детальном понимании ландшафта, чтобы провести успешные действия. Идеальный вариант - это наличие актуальной цифровой карты по всему миру, однако не всегда соответствующая информация есть.

При подготовке карт сбор географической пространственной информации, проектирования, рисования, хранения, печать и распределение - чрезвычайно дорогие процессы.

Военное картографическое производство - огромная и сложная работа. Раньше процессы производства были полностью ручными, требуя существенного количества высококвалифицированного штата.

Теперь акцент переместился в сторону подхода к созданию карты, основанному на центральной базе пространственных данных. При этом подходе главной частью работы становится создание и обновление пространственной базы данных, которая потом используются, чтобы создать картографическую продукцию, необходимую военным организациям.

Для этого необходимая разработка специализированных приложений, которые обеспечивают доступ и возможности манипулирования разнородными пространственными данными. Такие приложения должны использовать общие информационные ресурсы - форматы, стандарты, классификаторы.

Современные ГИС позволяют создавать и вести архивные банки данных цифровой картографической информации, проводить обработку запросов, обеспечивать электронными картами, астрономо-геодезическими и гравиметрическими данными воинские части и подразделения.

Планирование и проведение войсковых операций

Каждое решение командира любого уровня связано с пространственным расположением. Карты с оперативной обстановкой являются одним из основных инструментов работы командиров подразделений в вооруженных силах. Потребность понимать местность всегда была существенной для военных командиров. Исторически, такие решения, как на стратегическом, так и на тактическом уровнях, поддерживались бумажными картами. Однако сейчас ситуация существенным образом изменилась. Бурное развитие информационных технологий и их использования в войсках вызывает необходимость подготовки специальных программных средств по автоматизированному поиску и обработки оперативной информации для нанесения на цифровые карты [2].

Цифровое поле боя или электронное поле боя - новый термин, который появился в последнее время, охватывает цифровую картографическую информацию непосредственно по полю боя и средства ее эксплуатации в виде собственно самой ГИС. Электронное поле боя - серьезный качественный прыжок в части применения ГИС для тактических операций. Однако нельзя говорить, что происходит полная замена бумажных карт на цифровую информацию, речь идет лишь о совместном их использовании и дополнении. Бумажные карты будут востребованы на протяжении досягаемого будущего, но как командиры нижнего и среднего звена, так и органы управления, будут располагать дополнительными источниками пространственной поддержки принятия решения, раньше доступные только командующим и стратегическим направлениям.

Рис. 1. Ведение дежурной карты

Функция любой военной карты - это представление оперативной обстановки для интерпретации пользователем. Любая бумажная карта является каким-то компромиссом в части представления необходимой пользователям информации и не является идеальным продуктом для решения конкретного задания.

ГИС дает возможность создавать такие ЦМО, которые отображают информацию, точно соответствующую потребностям пользователя. Кроме того, ГИС дают новые возможности трехмерного отображения картографической информации, недоступные для бумажных карт. Трехмерное представление ЦМО из конкретной точки или облет местности с нанесенной оперативной обстановкой, даст более полную картину командиру любого звена, чем просто бумажная карта с нанесенными на неё объектами.

Одно из главных требований к военной карте - поддержка отображения изменений оперативной обстановки во времени. ГИС должна отображать ЦМО в виде слоев, которые перекрываются, показывают текущую обстановку и связанные с ней элементы местности. Обычная бумажная карта не способна быстро отобразить ситуацию. ГИС позволяет это сделать путем передачи по каналам связи слоев с текущей обстановкой.

Сама по себе электронная карта будет выполнять свои функции только тогда, когда она будет обеспечена соответствующим инструментарием. Без средств просмотра, расстановки условных знаков, анализа, печати - средств построения ЦМО, она малопригодна для использования.

Определение оптимальных наземных, воздушных и морских маршрутов передвижения.

Эти задачи связанны со сложными проблемами размещения личного состава, техники, разных служб, материальных объектов в нужном месте в нужное время. Для решения этих задач ГИС является необходимой технологией. ГИС объединяет пространственные данные от большого количества источников на всех уровнях, в частности - информацию о месте расположения и текущем состоянии.

Наиболее важные области применения ГИС:

  • планирование движения техники с учетом конкретной боевой обстановки, состояния местности, скрытности, времени суток, характеристик конкретной боевой техники и т.д.;
  • планирование полетов авиации и беспилотных летательных аппаратов с целью нанесения ударов, перевозки грузов и личного состава, ведения разведки;
  • оптимизация расписания и маршрутов движения;
  • определение наиболее возможных маршрутов передвижения противника и планирование размещения средств противодействия.

Объемное моделирование местности.

Формирование объемных моделей местности. Использование трехмерных моделей в специализированных тренажерах (летных и т.д.). Всесторонний анализ территории, на которой должно состояться выполнение задания, по объемной модели. Воссоздание перемещения мобильного объекта по зафиксированным в процессе перемещения траектории и параметрам перемещения.

Навигация и диспетчерское сопровождение мобильных объектов.

Бортовые и "карманные" навигационные системы. Отображение собственного местоположения на фоне карты, скорости и азимута движения, пройденного расстояния, азимута на заданную точку и других параметров. Контроль перемещения ценных и опасных грузов. Одновременное отображение на фоне карты десятков (сотен) объектов, которые динамически перемещаются, их состояния (сигнал тревоги).

При проведении модификации самолетов СУ-24М ГИС-технологии были внедрены в наземную автоматизированную систему подготовки полетных данных, которая предназначена для повышения эффективности, надежности и сокращения времени выполнения штурманских расчетов при подготовке полетных данных, для подготовки полетной документации летным экипажем, создание и поддержку баз данных навигационной обстановки и оперативно-тактической обстановки, работу с цифровыми картами местности и решения много других заданий [4].

Рис. 2. Бортовые и карманные навигационные комплексы и системы

Чрезвычайные ситуации

Прогнозирование последствий чрезвычайных ситуаций естественного и техногенного характера, применения средств массового уничтожения (СМУ). Определение степени опасности ситуации, планирование эвакуации и защитных мероприятий, планирование восстановительных работ.

Диспетчерские пункты аварийных и дежурных служб

Информационно-справочные комплексы. Быстрый адресный поиск на карте места события (аварии, преступления, чрезвычайной ситуации). Нанесение места события на карту. Определение аварийных (патрульных) групп, близко расположенных к месту события, постановка им задач. Статистический анализ.

Аэронавигация

Применение ГИС-технологий позволяет разрешать целый ряд заданий, которые стоят перед аэронавигацией. Практически вся информация, которой пользуются службы аэронавигации, имеет географический контекст.

Замена заданий моделирования воздушных коридоров, которые традиционно разрабатывались на бумажной карте, компьютерным моделированием на электронной карте района планирования кардинально изменяет характер и эффективность рабочего места.

Аэронавигация оперирует информацией, которая периодически изменяется, о маршрутах, пунктах донесений, запретных для полетов зонах и другой, которая по мере изменений должна оперативно вноситься в специальные полетные карты и схемы. Аэронавигация также предъявляет очень жесткие требования к точности картографической продукции, которая выпускается.

В любой сфере деятельности, связанной с изготовлением специальных карт, формируется определенная культура картосоставления, включающая в себя систему стойких традиций, которые проявляются в стиле оформления, наборе шаблонов, специальных символах и тому подобное. Формирование аэронавигационной картографической культуры было обусловлено спецификой аэронавигационной деятельности, а именно, требованиями к информации, которая отображается (высокая оперативность и точность), и условиями использования карт (ограничена в размерах и освещенности кабина пилота).

Карты и схемы в аэронавигации эксплуатируются командой воздушного судна или диспетчерами в режиме ограниченного времени и должны способствовать принятию единственно правильного решения в экстремальных условиях. То есть, карты не должны включать в себе никакой лишней информации, а стиль оформления должен жестко выдерживаться, чтобы штурманы и диспетчеры, которые привыкли к определенному стандарту, без потери лишнего времени и сумятицы смогли снять необходимую информацию.

Одним из основных документов аэронавигационной информации является Радионавигационная карта. Этот графический документ включает в себя сводные данные о местности, структуре воздушного пространства, местонахождении аэродромов, географических координат его радионавигационных средств, и много других данных, необходимых для воздушной навигации и безопасного осуществления полетов.

Раньше при разработке и подготовке к изданию таких документов было много "ручного" труда, времени на разработку, внесении оперативных изменений, подготовку к изданию тратилось очень много. С появлением современных компьютерных технологий появилась возможность "автоматизации" процесса разработки и выпуска необходимых документов, повысить их качество, точность, значительно уменьшить время и материальные расходы, необходимые для их выпуска.

Одной из ключевых задач, которые стояли перед Центром аэронавигационного обеспечения, была разработка и создание структуры базы аэронавигационных данных воздушного пространства, аэродромной сети Украины и другой необходимой информации, которая непосредственно влияет на безопасность полетов воздушных судов государственной авиации.

Рис. 3. Разработка дополнительных модулей и подключения их к базовой ГИС

Возможности ГИС "Карта-2005" по работе с электронными картами и базами данных могут быть расширены путем включения прикладных задач, разработанных самими пользователями. На основе программного интерфейса - MAPAPI - был разработан специальный программный модуль, который подключается к базовой ГИС. Оператор имеет возможность автоматически наносить на карту необходимую информацию из базы аэронавигационных данных (воздушные трассы, радиотехнические средства, запретные зоны…), производить "визуализацию" необходимых характеристик в виде подписей. Для подготовки к печати есть возможность "врезки" подписей и т.д. Функциональность модуля достаточно широка. После отработки этого модуля оператору необходимо лишь провести редактирование электронной карты - расстановку объектов и значимых подписей семантики к ним (для устранения перекрытий объектов на карте), что возможно быстро и удобно провести средствами встроенного "Редактора карты" самой ГИС.

На данное время, все задачи по подготовке к выпуску Радионавигационных карт воздушного пространства Украины, начиная с ввода в базу данных информации про структуру воздушного пространства Украины, нанесение специальной аэронавигационной нагрузки на топографическую основу, внесение оперативных изменений и до конечной задачи - формирования файла PS (PostScript), для дальнейшего проведения цветоделения (формирования файла CMYK) и вывода пленок, проводятся с помощью ГИС " Карта-2005".

Центром уже было осуществлено 9 выпусков Радионавигационной карты нижнего и верхнего воздушного пространства Украины масштаба 1:1500000 - один двухсторонний лист карты (750 х 1100 мм), и 2 выпуска Радионавигационной карты воздушного пространства Украины класса G (1500 метров и ниже) масштаба 1:500000 - комплект из 8 писем (640 х 1100 мм).

Рис. 4. Электронные версии Радионавигационных карт нижнего воздушного пространства Украины
(справа FL275) масштаба 1:1000000 и класса G (1500 метров и ниже) масштаба 1:500000

ГИС-решения могут быть применены к таким разнородным заданиям, как аэронавигационная картография, моделирование воздушных коридоров разного уровня, пространственный анализ зон ограничения полетов, автоматизированная генерация многообразных полетных заданий, схем и документов. Эти ГИС-решения возможно интегрировать в единственной ГИС-среде и, таким образом, создать единственную технологическую цепь, которая будет функционировать как на отдельном рабочем месте, так и в локальной сети.

Применение современных ГИС-технологий дало возможность значительно уменьшить материальные расходы и время на разработку и выпуск Радионавигационных карт и обеспечить авиацию Вооруженных Сил Украины этими графическими документами на 100%. Интерес к нашим картам есть не только у военных авиаторов, но и у авиаторов коллег из других министерств и ведомств. Да, мы обеспечиваем документами аэронавигационной информации авиацию МВД, МЧС, Департамента госграницы Украины, частные авиакомпании.

Центр аэронавигационного обеспечения авиации Вооруженных Сил Украины накопил богатый опыт в разработке программных дополнений и картографических документов специального назначения в области аэронавигации с применением современных ГИС-технологий. Разработано и выпущено "Сборник аэронавигационных данных аэродромов Украины", "Каталог вертолетных (посадочных) площадок", многообразные специальные (тематические) карты. Также в Центре разрабатывается специализированное программное обеспечение: конверторы по переводу данных в разные системы координат (сейчас поддерживается 3 системы координат: СК42, WGS84, ПЗ90), программы для автоматического определения номенклатуры топографических листов и другие. Планируется разработка и выпуск программного обеспечения для создания трехмерной модели структуры воздушного пространства Украины, с возможностью анализа, редактирования, вывода на печать и формированием графических отчетов. На данное время проходит тестирование программа-вьювер разработки Центра (разработанная на базе средства для разработки ГИС-приложений GIS Toolkit Free) . Одной из задач, которую решает данное программное обеспечение, является возможность подключения к мобильным ПЭВМ электронных приборов определения местоположения в реальном времени (типа GPS), что дает возможность экипажу воздушного судна определять и отображать свое местоположение на фоне электронных версий Радионавигационных карт (для оперативного изменения курса полета), сохранить маршрут полета в файл (для последующего контроля маршрута полета), и другие дополнительные возможности (подключение внешних баз данных, прокладка маршрутов, проведение штурманских расчетов.). На данное время программа работает в среде ОС Windows, ведутся работы по переносу ядра программы на ОС Windows CE 3.0 для использования в КПК. Электронные версии карт можно устанавливать на автоматизированные рабочие места должностных лиц дежурных смен командных пунктов, включать в состав других электронных документов, отображать с помощью проекторов для презентаций и многое другое.

Опыт применения ГИС-технологий в наших войсках, штабах и военно-учебных заведениях, к сожалению, пока еще небольшой и держится на энтузиастах. В то же время, масштабы научно-исследовательских работ и объемы средств, которые выделяются на эти цели, например в армии США или в бундесвере, говорят о том, что мы еще не знаем или недооцениваем возможности этих технологий. Кроме того, у нас часто просто не хватает средств на закупку аппаратного и программного обеспечения и содержания квалифицированных специалистов.

По мере разработки более компактных и дешевых приемников систем глобального местоопределения за рубежом и у нас в стране наблюдается тенденция к объединению их возможностей и возможностей ГИС. Уже сейчас за рубежом ведутся работы из создания ГИС нового поколения. В частности, демонстрируются образцы, которые позволяют поддерживать постоянную связь со спутниками разного функционального назначения и по их данным осуществлять наблюдение, скажем, за погодой в любой точке планеты.

В заключении хочется отметить, что перспективы применения геоинформационных технологий в военном деле достаточно широки. У нас их активное развитие и внедрение сдерживается лишь отсутствием необходимых средств на финансирование масштабных работ по создания действительно современных АСУВ и разработку ГИС военного назначения, а также на закупку и адаптацию существующих образцов ГИС-продуктов. И хотя решение этих проблем - вопрос времени, последующее их откладывание становится слишком недальновидным.

Таким образом, в статье проведен обзор основных направлений применения геоинформационных технологий в военном деле. Приведены примеры их применения в Украине, в частности для решения аэронавигационных задач. Охарактеризовано результаты применения ГИС-технологий в Центре аэронавигационного обеспечения авиации Вооруженных Сил Украины, которые отвечают мировому уровню. Это позволило поднять на более высокий уровень процессы разработки и издания необходимых документов, повысить оперативность внесения изменений, точность, качество и наглядность этих документов, значительно уменьшить время и материальные расходы, необходимые для их издания.

Литература

  1. Иванов В., Маркус А. Топографическая карта XXI века // Армейский сборник # 9 - 1999. - С. 42-45.
  2. Билецкий Б.О., Качан Є.В. О создании программных средств для нанесения оперативной обстановки на цифровые карты: Зб. наук. пр. - Киев: ПВП "Задруга". - 2005. - С. 185-187.
  3. Мокин В.Б., Боцула М.П., Горячев Г.В., Давиденко О.В., Катасонов А.І., Ящолт А.Р. Компьютеризованные региональные системы государственного мониторинга поверхностных вод: модели, алгоритмы, программы. Монография / Под ред. В.Б. Мокина. - Винница: "Винница" УНИВЕРСУМА, 2005. - С. 65-73.
  4. Сайт "КБ Панорама" http://www.gisinfo.ru/