基于QualNet的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈三維動(dòng)態(tài)仿真

劉 勇

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

1 引 言

戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈作為現(xiàn)代軍用電子信息系統(tǒng)的核心技術(shù),是各種軍事信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和信息業(yè)務(wù)互通的技術(shù)基礎(chǔ)。通過(guò)充分利用仿真技術(shù)及其支撐環(huán)境,以定性與定量相結(jié)合的分析方法,可以評(píng)價(jià)系統(tǒng)的性能、質(zhì)量與戰(zhàn)術(shù)使用能力,促進(jìn)發(fā)展決策的科學(xué)化[1—2]。

目前,戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈仿真研究主要集中在二維平面內(nèi),不能夠完全反映受到地理、天氣等因素影響下的仿真情況,而少部分文獻(xiàn)把仿真拓展到三維空間,但均沒(méi)有考慮到目標(biāo)的機(jī)動(dòng)性因素。

本文在研究時(shí),把仿真拓展到三維空間,加入目標(biāo)的機(jī)動(dòng)性因素,給出了三維仿真的動(dòng)態(tài)模型及其滿足的更普遍關(guān)系式,同時(shí)基于QualNet仿真平臺(tái),通過(guò)模型加載實(shí)現(xiàn)三維動(dòng)態(tài)仿真。

2 仿真框架結(jié)構(gòu)

2.1 QualNet仿真結(jié)構(gòu)

QualNet軟件結(jié)構(gòu)如圖1所示,其中圖中間是QualNet基于離散事件仿真。

輸入包括:

(1)波形、射頻、協(xié)議、設(shè)備模型建模;

(2)業(yè)務(wù)流量;

(3)戰(zhàn)場(chǎng)流量數(shù)據(jù)模型IER;

(4)地形與環(huán)境感知的傳播模型;

(5)三維模型建模。

輸出包括:

(1)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù):每個(gè)節(jié)點(diǎn)的吞吐量、延時(shí)、丟包、抖動(dòng)等相關(guān)技術(shù)參數(shù);

(2)2D界面:用來(lái)構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?執(zhí)行網(wǎng)絡(luò);

(3)3D界面:用來(lái)演示網(wǎng)絡(luò)的情況。

圖1 QualNet軟件結(jié)構(gòu)Fig.1 QualNet software structure

2.2 QualNet開(kāi)發(fā)工具

QualNet的開(kāi)發(fā)工具包括[3]:

(1)Scenario Designer仿真場(chǎng)景設(shè)計(jì),包括網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)、物力拓?fù)?、業(yè)務(wù)、節(jié)點(diǎn)中OSI層次協(xié)議配置、協(xié)議參數(shù)配置、信道配置等;

(2)Animator圖形化的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)和演示工具;

(3)Designer基于圖形化優(yōu)先狀態(tài)機(jī)(FSM)的用戶自定義協(xié)議設(shè)計(jì)工具;

(4)Analyzer統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的圖形化工具,顯示用戶需要的參數(shù)指標(biāo);

(5)Tracer分組級(jí)的數(shù)據(jù)記錄和可視化工具。

3 建模的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 移動(dòng)模型

在聯(lián)合作戰(zhàn)的戰(zhàn)術(shù)環(huán)境中,各作戰(zhàn)平臺(tái)一般按照建制編隊(duì)協(xié)同完成任務(wù)。編隊(duì)內(nèi)成員適用于參考點(diǎn)組移動(dòng)模型,各編隊(duì)的主站適用于隨機(jī)路點(diǎn)模型。所以戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈三維仿真移動(dòng)模型主要應(yīng)該研究參考點(diǎn)組移動(dòng)模型和隨機(jī)路點(diǎn)模型。

3.1.1 參考點(diǎn)組移動(dòng)模型

參考點(diǎn)組移動(dòng)模型(Reference Point Group Mobility,RPGM)表示一組移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)[4]。

組移動(dòng)軌跡是基于“邏輯”的,它可以是指定的也可以是完全隨機(jī)的。組邏輯中心的運(yùn)動(dòng)完全刻畫(huà)了它對(duì)應(yīng)的組中移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng),包括它們的方向和速度。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在其自身預(yù)先定義的參考點(diǎn)附近移動(dòng),而總體來(lái)講其移動(dòng)依賴于組的移動(dòng)。參考點(diǎn)組移動(dòng)模型具有以下特點(diǎn)。

(1)每個(gè)群都有一個(gè)邏輯“中心”,“中心”的移動(dòng)屬性定義了整個(gè)群的行為方式(包括位置、速度、方向、加速度等),因此群的行動(dòng)軌跡和位移矢量是由“中心”的軌跡和矢量所提供,通常節(jié)點(diǎn)是一成不變地分布于群的范圍之內(nèi)。

(2)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都被分配一個(gè)參考點(diǎn),節(jié)點(diǎn)可以自由地處在其參考點(diǎn)周圍,參考點(diǎn)也允許節(jié)點(diǎn)在范圍內(nèi)獨(dú)立自由移動(dòng),參考點(diǎn)跟隨群的移動(dòng)而發(fā)生位置變化(見(jiàn)圖2)。

圖2 DR GM模型Fig.2 DRGM model

(3)節(jié)點(diǎn)在參考點(diǎn)范圍內(nèi)自由移動(dòng),參考點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)提供配置參數(shù),當(dāng)參考點(diǎn)發(fā)生移動(dòng)時(shí),參考點(diǎn)A首先帶著群的位移矢量 GM(由群的矢量決定,既是由邏輯“中心”決定)發(fā)生位移A※B,新的參考點(diǎn)位置由隨機(jī)的位移矢量RM,加到新的參考點(diǎn)B生成;

(4)隨機(jī)位移矢量RM獨(dú)立于參考點(diǎn)以前的位置,其大小是以參考點(diǎn)為圓心的某些半徑的長(zhǎng)度,方向是0°～360°隨機(jī)的(見(jiàn)圖3)。

圖3 參照點(diǎn)位移示意圖Fig.3 Reference point mobility

參考點(diǎn)移動(dòng)模型整個(gè)組的運(yùn)動(dòng)方程可以用公式來(lái)表示:

3.1.2 隨機(jī)路點(diǎn)模型

隨機(jī)路點(diǎn)模型(Random Waypoint Model)的算法描述[5]如下:

初始狀態(tài)時(shí),節(jié)點(diǎn)在整個(gè)仿真區(qū)域均勻分布,每個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選擇仿真區(qū)域中的一個(gè)點(diǎn)作為目的地。在區(qū)間[Vmin,Vmax]中選擇一個(gè)固定速度,其中Vmax是移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的最大允許速度。到達(dá)目的地后,節(jié)點(diǎn)暫停時(shí)延 Tpause。若暫停時(shí)間 Tpause為零,則該模型表示連續(xù)移動(dòng)。暫停結(jié)束后,重新選擇目的地和速度。此過(guò)程重復(fù)直到仿真結(jié)束。

Vmax和 Tpause是兩個(gè)最重要的參數(shù),如果 Vmax取值較小而Tpause取值較大,則網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)漭^為穩(wěn)定;如果Vmax取值較大而Tpause取值較小,則節(jié)點(diǎn)移動(dòng)較快,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮幱诟叨茸兓臓顟B(tài)。改變這兩個(gè)參數(shù),特別是Vmax,移動(dòng)路點(diǎn)模型可以產(chǎn)生不同的移動(dòng)場(chǎng)景。

3.2 移動(dòng)建模

戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的參與平臺(tái)包括地面固定平臺(tái)和空中與海面移動(dòng)平臺(tái)兩類,移動(dòng)性是該網(wǎng)絡(luò)的顯著特性之一。網(wǎng)絡(luò)的各項(xiàng)性能指標(biāo),例如吞吐量、傳輸時(shí)延、路由的有效性都與平臺(tái)的移動(dòng)性直接相關(guān)。

3.2.1 空中成員的移動(dòng)模型

根據(jù)實(shí)際作戰(zhàn)環(huán)境以及飛機(jī)飛行的特點(diǎn),考慮建立以下移動(dòng)模型:主節(jié)點(diǎn)采用隨機(jī)路點(diǎn)模型,成員節(jié)點(diǎn)采用參考點(diǎn)組移動(dòng)模型。

移動(dòng)模型的算法描述如下:

初始狀態(tài)下,將起始群中主站附近任意一點(diǎn)定為邏輯中心點(diǎn),在各成員節(jié)點(diǎn)周圍為每個(gè)節(jié)點(diǎn)選取一個(gè)參考點(diǎn)。邏輯中心點(diǎn)按照隨機(jī)行走模型移動(dòng),各成員按照參考點(diǎn)組移動(dòng)模型進(jìn)行移動(dòng)。

整個(gè)組的運(yùn)動(dòng)方程可以用如下公式表示:

式中 ,θl(t)∈(0,2π],Vl(t)∈[Vmin,Vmax]。

如果考慮成員節(jié)點(diǎn)和主節(jié)點(diǎn)之間的相關(guān)性,整個(gè)組的運(yùn)動(dòng)方程可以用如下公式表示:

式中,δθ≤1,0≤δv,δv是成員節(jié)點(diǎn)相對(duì)邏輯中心節(jié)點(diǎn)的偏離速度系數(shù),δθ是偏離焦度系數(shù);vm(t)和θm(t)表示成員節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的速度和角度;vl(t)和θl(t)表示邏輯中心節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的速度和角度,采用這兩個(gè)參數(shù)來(lái)反映成員在速度和方向上對(duì)中心節(jié)點(diǎn)的偏差;Amax和Smax表示了成員節(jié)點(diǎn)與參考點(diǎn)之間關(guān)聯(lián)關(guān)系,如果 Amax和 Smax較小,說(shuō)明組移動(dòng)性強(qiáng),成員與參考點(diǎn)之間運(yùn)動(dòng)相關(guān)性也強(qiáng)。

3.2.2 海上成員的移動(dòng)模型

在戰(zhàn)術(shù)環(huán)境下,海軍的作戰(zhàn)單元按照建制協(xié)同完成任務(wù)也是非常常見(jiàn)的,所以海上成員的移動(dòng)模型也應(yīng)該以組移動(dòng)模型為主,和航空型成員的移動(dòng)方式相似。

3.2.3 地面成員的移動(dòng)模型

(1)地理分隔模型

地面成員根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)性質(zhì)不同,如部隊(duì)在行進(jìn)過(guò)程中,要根據(jù)地形、地貌的特點(diǎn),設(shè)置節(jié)點(diǎn)移動(dòng)方式,因此基于“地形”的移動(dòng)模型——地理分隔模型,對(duì)于地面成員更符合實(shí)際網(wǎng)絡(luò)特征。

整個(gè)區(qū)域被分解成許多相鄰區(qū)間,不同的組群在不同的區(qū)間中活動(dòng)。就如同在整個(gè)區(qū)域內(nèi),不同軍兵種在各自的區(qū)域進(jìn)行各自的軍事行動(dòng),相對(duì)獨(dú)立。各區(qū)域可以通過(guò)對(duì)群首(主節(jié)點(diǎn))移動(dòng)方式的設(shè)置來(lái)控制本組群的移動(dòng)方式。

(2)相互重疊模型

這個(gè)模型是指不同的組群在同一個(gè)范圍內(nèi)實(shí)施不同的任務(wù)。

3.3 場(chǎng)景建模

戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)三維仿真場(chǎng)景模型主要包括地形數(shù)據(jù)庫(kù)模型和天氣數(shù)據(jù)庫(kù)模型。

(1)地形數(shù)據(jù)庫(kù)模型

戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)三維仿真根據(jù)仿真環(huán)境的不同選擇相應(yīng)的地形數(shù)據(jù)庫(kù)文件。

在QualNet仿真軟件中可配置的地形數(shù)據(jù)庫(kù)文件有限,根據(jù)仿真需求要進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),建立起適合自身仿真環(huán)境需求的地形數(shù)據(jù)庫(kù)模型。

(2)天氣數(shù)據(jù)庫(kù)模型

根據(jù)實(shí)際作戰(zhàn)天氣因素影響不同可以選擇相應(yīng)匹配的天氣數(shù)據(jù)庫(kù)文件。

4 結(jié)果演示

戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)三維仿真通過(guò)QualNet仿真軟件支持添加移動(dòng)模型和場(chǎng)景模型的方式來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)三維仿真,同時(shí)通過(guò)配置網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、通信協(xié)議、仿真業(yè)務(wù)等參數(shù)保證系統(tǒng)仿真的真實(shí)性。

在三維模式下系統(tǒng)仿真結(jié)果演示如圖4所示。

圖4 三維仿真圖Fig.4 The 3D simulation

在系統(tǒng)三維仿真場(chǎng)景中加載地形文件及節(jié)點(diǎn)屬性后可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)仿真的各項(xiàng)功能,包括動(dòng)態(tài)演示、消息及性能實(shí)時(shí)跟蹤。

戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)三維仿真中的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)根據(jù)實(shí)際要求設(shè)定運(yùn)動(dòng)軌跡,節(jié)點(diǎn)間根據(jù)設(shè)定業(yè)務(wù)類型通信,在系統(tǒng)運(yùn)行后對(duì)消息進(jìn)行跟蹤從而達(dá)到實(shí)時(shí)仿真的目的。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文主要研究了戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)三維仿真設(shè)計(jì),包括移動(dòng)模型、場(chǎng)景模型等,其中移動(dòng)模型的設(shè)計(jì)成為系統(tǒng)三維仿真設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。通過(guò)分析隨機(jī)路點(diǎn)模型、參考點(diǎn)組移動(dòng)模型的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)三維仿真移動(dòng)模型,包括空中成員的移動(dòng)模型、海上成員的移動(dòng)模型、地面成員的移動(dòng)模型。三維仿真場(chǎng)景模型提供仿真場(chǎng)景設(shè)置,包括地圖坐標(biāo)、地形模式、地形文件、天氣模式、天氣類型等。仿真模型通過(guò)使用三維可視化工具動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)仿真過(guò)程中的性能,使系統(tǒng)三維仿真能真實(shí)地反映仿真結(jié)果,但由于硬件條件局限后期仍需要完善。

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