實(shí)戰(zhàn)條件下防空反導(dǎo)兵器指揮控制通信系統(tǒng)性能評(píng)估*

鄭學(xué)合，楊森，楊杰，卜祥元

(1.北京電子工程總體研究所，北京 100854;2.北京理工大學(xué)通信技術(shù)研究所，北京 100081)

0 引言

近期世界上幾場(chǎng)局部戰(zhàn)爭(zhēng)表明:空襲作戰(zhàn)對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)的進(jìn)程和結(jié)局具有決定性的影響，防空反導(dǎo)能力建設(shè)對(duì)打贏一場(chǎng)高科技局部戰(zhàn)爭(zhēng)具有重要作用。防空反導(dǎo)兵器面臨著由空襲體系構(gòu)造的極其復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，包含了與實(shí)戰(zhàn)條件諸要素密切相關(guān)的雷達(dá)、指控通信、制導(dǎo)指令傳輸、導(dǎo)引頭、引信等開(kāi)放的信息鏈路環(huán)節(jié)，對(duì)信息依賴性強(qiáng)。貼近實(shí)戰(zhàn)條件下評(píng)估防空反導(dǎo)兵器的作戰(zhàn)性能，具有重大的現(xiàn)實(shí)需求和理論研究?jī)r(jià)值。

指控通信系統(tǒng)是受復(fù)雜環(huán)境［1］影響的信息鏈路環(huán)節(jié)之一。“實(shí)戰(zhàn)條件下防空反導(dǎo)兵器指控通信系統(tǒng)性能評(píng)估”希望解決以下幾個(gè)問(wèn)題:

(1)實(shí)戰(zhàn)條件內(nèi)涵、統(tǒng)一、規(guī)范、定量化描述問(wèn)題。做到要素化、模型化、參數(shù)化。

(2)實(shí)戰(zhàn)條件要素對(duì)指控通信鏈路的影響機(jī)理，與能夠敏感的鏈路環(huán)節(jié)建模、驗(yàn)?zāi)７椒▎?wèn)題。做到有接口、能敏感、可置信。

(3)防空反導(dǎo)兵器作戰(zhàn)能力的仿真評(píng)估方法。目前只能進(jìn)行單次的外場(chǎng)試驗(yàn)，性能評(píng)估停留在印象化、模糊化的水平。需要在仿真平臺(tái)上能夠復(fù)現(xiàn)，通過(guò)敏感度試驗(yàn)得到作戰(zhàn)性能邊界。

本文綜述了在上述方面的研究進(jìn)展與成果。

1 研究?jī)?nèi)容與思路

研究?jī)?nèi)容包括:

(1)研究各類實(shí)戰(zhàn)條件對(duì)指控通信系統(tǒng)的影響機(jī)理，構(gòu)建實(shí)戰(zhàn)條件要素與防空反導(dǎo)兵器指控通信系統(tǒng)性能之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系框架;

(2)進(jìn)行防空反導(dǎo)兵器典型工作環(huán)境的信道傳輸、鏈路級(jí)工作性能建模研究;

(3)提出指控通信系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)戰(zhàn)性能評(píng)估指標(biāo)體系;

(4)設(shè)計(jì)實(shí)戰(zhàn)性能仿真平臺(tái)并進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

研究整體思路見(jiàn)圖1。

2 實(shí)戰(zhàn)條件要素對(duì)防空反導(dǎo)兵器指控通信性能影響機(jī)理與關(guān)聯(lián)關(guān)系

通過(guò)分析實(shí)戰(zhàn)環(huán)境中影響指控通信系統(tǒng)的因素，給出以下3個(gè)層次的關(guān)聯(lián)關(guān)系:戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境要素與指控通信系統(tǒng)性能以及與反導(dǎo)兵器系統(tǒng)作戰(zhàn)能力的關(guān)聯(lián)關(guān)系、干擾要素與接收機(jī)關(guān)聯(lián)關(guān)系、網(wǎng)絡(luò)層關(guān)聯(lián)關(guān)系。

實(shí)戰(zhàn)條件下對(duì)防空反導(dǎo)兵器指控通信系統(tǒng)產(chǎn)生主要影響的是電磁環(huán)境要素，即來(lái)自敵方的人為有意干擾。首先表現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間鏈路誤碼率性能下降甚至中斷，進(jìn)而影響信息在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)难舆t和可靠性，導(dǎo)致指控、目標(biāo)指示等信息不能到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)或到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的延時(shí)變大，從而影響到防空反導(dǎo)兵器系統(tǒng)的殺傷概率和殺傷區(qū)。關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖2所示。

圖1 研究思路圖Fig.1 Diagram of research way

干擾要素與指控通信系統(tǒng)物理層之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系主要體現(xiàn)在干擾機(jī)的干擾樣式、干擾機(jī)功率、干擾機(jī)與接收機(jī)位置關(guān)系上［2］。而接收機(jī)與指控通信系統(tǒng)物理層之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系主要體現(xiàn)在通信系統(tǒng)本身的信號(hào)波形、信號(hào)抗干擾體制與編碼方式上［3］。不同接收機(jī)對(duì)指控通信系統(tǒng)物理層性能影響主要體現(xiàn)在接收機(jī)的天線特性、射頻特性及處理?yè)p耗中［4］。各實(shí)戰(zhàn)要素與指控系統(tǒng)物理層之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖3所示。

實(shí)戰(zhàn)條件對(duì)指控通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層的影響主要考慮網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)路由方式及MAC(media access control)協(xié)議。物理層中不同干擾對(duì)于指控通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層的影響體現(xiàn)在點(diǎn)到點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)丟幀率、單點(diǎn)覆蓋范圍等，進(jìn)而影響網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［3-5］，同時(shí)結(jié)合業(yè)務(wù)需求與服務(wù)質(zhì)量(quality of service，QoS)影響網(wǎng)絡(luò)的丟包率、網(wǎng)絡(luò)的吞吐量與網(wǎng)絡(luò)延時(shí)。網(wǎng)絡(luò)層參數(shù)與指控系統(tǒng)性能之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖4所示。

選取定頻、直序擴(kuò)頻、跳擴(kuò)頻3類通信系統(tǒng)作為典型通信體制，從時(shí)、頻、空不同的域研究典型干擾對(duì)不同體制指控通信系統(tǒng)的影響機(jī)理，考慮到指控通信系統(tǒng)自身具有的抗干擾能力，通過(guò)研究分析可知，相對(duì)于對(duì)抗干擾而言，自然干擾對(duì)指控通信系統(tǒng)的影響甚小，可以忽略，結(jié)合指控通信系統(tǒng)的不同通信體制，分別構(gòu)建地理環(huán)境要素與通信鏈路的關(guān)聯(lián)關(guān)系、干擾要素與定頻通信鏈路性能關(guān)聯(lián)關(guān)系、干擾要素與直序擴(kuò)頻通信鏈路性能關(guān)聯(lián)關(guān)系、干擾要素與跳擴(kuò)頻通信鏈路性能關(guān)聯(lián)關(guān)系、防空反導(dǎo)指控通信系統(tǒng)鏈路與網(wǎng)絡(luò)性能關(guān)聯(lián)關(guān)系，分析過(guò)程中主要將噪聲寬帶阻塞干擾、轉(zhuǎn)發(fā)式干擾作為典型干擾［6-8］，如圖5 ～9 所示。

3 指控通信系統(tǒng)傳輸鏈路建模

在實(shí)戰(zhàn)條件下指控通信鏈路建模存在的難點(diǎn)是:由于缺乏多要素組合對(duì)指控通信環(huán)節(jié)影響機(jī)理研究，模型在大多數(shù)情況下對(duì)實(shí)戰(zhàn)條件不敏感，與外部的干擾模型沒(méi)有信號(hào)級(jí)仿真的接口。同時(shí)，模型也缺乏試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行可信性校驗(yàn)。因此，無(wú)法采用仿真手段通過(guò)多次試驗(yàn)定量評(píng)估信息鏈路性能，只能通過(guò)有限次的外場(chǎng)試驗(yàn)。

目前仿真模型基本分為功能級(jí)和信號(hào)級(jí)模型2類，系統(tǒng)建模方法基本分為基于機(jī)理和基于辨識(shí)的建模方法、或是兩者的混合建模方法3種。機(jī)理建模重物理過(guò)程的作用機(jī)理，采用這種方法建模時(shí)，必須對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行深入分析、研究，提取本質(zhì)、主流的因素，忽略一些非本質(zhì)的因素，合理確定對(duì)系統(tǒng)模型準(zhǔn)確度有決定性影響的物理變量及其作用關(guān)系，目的是建立簡(jiǎn)單清晰、又有相當(dāng)精度并能反映物理變化過(guò)程的系統(tǒng)模型。辨識(shí)建模方法采用系統(tǒng)辨識(shí)技術(shù)，根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行或試驗(yàn)過(guò)程中所取得的輸入/輸出數(shù)據(jù)，利用各種辨識(shí)算法來(lái)建立系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)數(shù)學(xué)模型，多適用于功能級(jí)模型(如作用距離、概率模型)的建立。

根據(jù)研究的需要確定了必須采用信號(hào)級(jí)模型，因此對(duì)信息鏈路環(huán)節(jié)的建模采用了基于機(jī)理的建模方法。首先基于實(shí)戰(zhàn)條件多要素組合對(duì)指控通信鏈路影響機(jī)理研究，確定對(duì)實(shí)戰(zhàn)條件、信息鏈路內(nèi)部環(huán)節(jié)及參數(shù)與輸出性能的關(guān)聯(lián)關(guān)系。根據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系確定建模粒度和模型實(shí)現(xiàn)層次，決定信息鏈路應(yīng)該采用信號(hào)級(jí)的模型，還是采用功能級(jí)的模型或者是二者相結(jié)合。具體而言，就是對(duì)于重要的模塊采用信號(hào)級(jí)的建模方法進(jìn)行建模，精確地復(fù)現(xiàn)該模塊的處理過(guò)程，將其處理特性進(jìn)行較為全面的再現(xiàn);而對(duì)于重要性不高，也即對(duì)實(shí)戰(zhàn)條件要素不敏感的模塊，采用粗粒度的建模方法，如功能級(jí)建模方法進(jìn)行建模，不復(fù)現(xiàn)其實(shí)際處理過(guò)程，而是在先驗(yàn)知識(shí)的基礎(chǔ)上，直接針對(duì)其統(tǒng)計(jì)性能進(jìn)行建模;對(duì)于那些與實(shí)戰(zhàn)條件要素基本不相關(guān)的模塊，則可以考慮忽略不建。這樣有效解決了模型對(duì)實(shí)戰(zhàn)條件能夠敏感和建模有效性的問(wèn)題。

按照上述思路，完成指控通信鏈路層建模，包括8個(gè)功能模塊74個(gè)子模塊，功能組成見(jiàn)圖10［9］。其中鏈路級(jí)傳輸建模主要包括數(shù)據(jù)源建模、組幀與拆幀建模、信道編碼與信道譯碼建模、調(diào)制與解調(diào)建模、直擴(kuò)與解擴(kuò)建模、脈沖成形與匹配濾波建模、發(fā)射與接收建模、統(tǒng)計(jì)性能建模幾個(gè)部分，典型擴(kuò)頻通信鏈路級(jí)模型見(jiàn)圖11。相關(guān)詳細(xì)模型在本文中不再列出。

在完成模型構(gòu)建后，還要利用外場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)(如果數(shù)據(jù)不足，也可以采用模擬數(shù)據(jù))對(duì)模型運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)。校驗(yàn)要在中間環(huán)節(jié)、最終性能輸出環(huán)節(jié)2個(gè)層面上進(jìn)行，校驗(yàn)的數(shù)據(jù)要根據(jù)靜態(tài)/動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的不同，以及時(shí)、頻、平穩(wěn)性等本質(zhì)特征，選取不同的校驗(yàn)方法。只有通過(guò)模型校驗(yàn)，構(gòu)建的仿真系統(tǒng)才具備一定的置信度。

為減少仿真處理數(shù)據(jù)量，提高仿真速度，在保證仿真精度、粒度的前提下，可以在仿真建模中不考慮模擬部分。實(shí)戰(zhàn)條件下防空反導(dǎo)兵器指控通信系統(tǒng)鏈路進(jìn)行分析、抽象、建模，得到實(shí)戰(zhàn)條件下防空反導(dǎo)兵器指控通信系統(tǒng)鏈路抗干擾性能仿真模型，如圖12所示。

4 指控通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)戰(zhàn)性能仿真平臺(tái)建立

實(shí)戰(zhàn)條件下防空反導(dǎo)兵器指控通信系統(tǒng)性能仿真平臺(tái)完成物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層3個(gè)層次的仿真，應(yīng)用Matlab和Opnet作為仿真工具，通過(guò)由C#語(yǔ)言編寫的主控臺(tái)控制程序控制分布式指控通信仿真系統(tǒng)中的相關(guān)參數(shù)，如通信節(jié)點(diǎn)位置、干擾機(jī)參數(shù)、仿真起止等，而Matlab，Opnet，主控臺(tái)之間通過(guò)高層體系結(jié)構(gòu)(high level architecture，HLA)實(shí)現(xiàn)仿真中各種參數(shù)、控制信息的傳遞，其架構(gòu)如圖13所示。

圖9 防空反導(dǎo)指控通信系統(tǒng)鏈路與網(wǎng)絡(luò)性能關(guān)聯(lián)關(guān)系Fig.9 Connection relation between the communication in air defense and antimissile and the network function

其中，Matlab支持細(xì)粒度的物理層、鏈路層仿真，Opnet支持網(wǎng)絡(luò)性能仿真。采用了以實(shí)時(shí)時(shí)間推進(jìn)下的多平臺(tái)交互式聯(lián)合仿真為架構(gòu)的設(shè)計(jì)思路，將多平臺(tái)統(tǒng)一調(diào)度起來(lái)，利用HLA架構(gòu)下的聯(lián)邦成員互通機(jī)制［10-11］，分別對(duì)Matlab和Opnet環(huán)境中的輸入和屬性進(jìn)行配置，以運(yùn)行支撐環(huán)境(run time infrastructure，RTI)實(shí)現(xiàn)2個(gè)平臺(tái)間的仿真同步。

仿真平臺(tái)具備的基本功能包括:

(1)在給定信道、干擾和通信體制下，評(píng)估指控通信系統(tǒng)的抗干擾能力;

(2)在給定部署場(chǎng)景下，評(píng)估指控通信網(wǎng)絡(luò)工作性能。

所建立的指控通信系統(tǒng)性能仿真平臺(tái)具備以下特點(diǎn):

(1)可靈活設(shè)置無(wú)線通信系統(tǒng)工作參數(shù)，如調(diào)制解調(diào)方式、編譯碼方式、跳頻參數(shù)、發(fā)射功率等;

(2)可靈活設(shè)置信道傳輸模型參數(shù)，如地形參數(shù)、衰落和噪聲信號(hào)參數(shù)等。并可根據(jù)數(shù)字地圖讀取地理特征參數(shù);

(3)可靈活設(shè)置干擾機(jī)參數(shù)，如干擾機(jī)數(shù)目、干擾信號(hào)類型和參數(shù)、干擾機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡等;

(4)可靈活設(shè)置基于地理信息的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，如網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、節(jié)點(diǎn)數(shù)量、節(jié)點(diǎn)位置、節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等;

(5)可完整記錄仿真過(guò)程中各個(gè)處理單元的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并可回放;

(6)可收集并實(shí)時(shí)顯示無(wú)線通信鏈路和網(wǎng)絡(luò)性能，包括:鏈路誤碼率、網(wǎng)絡(luò)連通性、吞吐量、丟包率、時(shí)延等;

(7)支持獨(dú)立仿真和聯(lián)合仿真2種方式;

(8)采用模塊化結(jié)構(gòu)，便于進(jìn)行功能擴(kuò)展及維護(hù)。

圖14～16給出了仿真平臺(tái)可設(shè)置的參數(shù)與配置內(nèi)容。

選取美軍Link-16數(shù)據(jù)鏈和某綜合數(shù)據(jù)鏈指控通信系統(tǒng)作為驗(yàn)證用例，選擇美軍典型的干擾機(jī)AN/TLQ-17A，AN/ALQ-99作為干擾源，利用仿真平臺(tái)對(duì)其在復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下實(shí)戰(zhàn)性能進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果如表1所示。

圖14 防空反導(dǎo)兵器指控通信系統(tǒng)實(shí)戰(zhàn)性能仿真平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)層可配置項(xiàng)Fig.14 Assignable items for network layer of the simulation system of the command control system function of air defense antimissile

表1 典型指控通信系統(tǒng)實(shí)戰(zhàn)能力分析驗(yàn)證Table 1 Analysis and verification of the typical communication system in actual war

圖15 防空反導(dǎo)兵器指控通信系統(tǒng)實(shí)戰(zhàn)性能仿真平臺(tái)鏈路層可配置項(xiàng)Fig.15 Assignable items for data-link layer of the simulation system of the command control system function of air defense antimissile

圖16 防空反導(dǎo)兵器指控通信系統(tǒng)實(shí)戰(zhàn)性能仿真平臺(tái)干擾機(jī)可配置項(xiàng)Fig.16 Assignable items for jammer of the simulation system of the command control system function in air defense antimissile

5 結(jié)束語(yǔ)

本文將實(shí)戰(zhàn)條件分解為電磁干擾和地理地形2類要素，從時(shí)頻、頻域、空域建立了實(shí)戰(zhàn)條件多要素組合對(duì)防空反導(dǎo)兵器指控通信性能影響的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并依據(jù)機(jī)理研究結(jié)果建立了普適性的信號(hào)級(jí)仿真模型。

提出了鏈路層與網(wǎng)絡(luò)層協(xié)同交互仿真的仿真平臺(tái)開(kāi)發(fā)思路，利用RTI推進(jìn)機(jī)制建立了基于HLA的分布式防空反導(dǎo)兵器指控通信系統(tǒng)實(shí)戰(zhàn)性能仿真平臺(tái)。該平臺(tái)可以嵌入到體系仿真系統(tǒng)中，完成指控通信系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真，為整個(gè)武器系統(tǒng)的效能仿真提供通信鏈路級(jí)的支撐。

本文的研究結(jié)果可以為后續(xù)研究和設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ):

(1)通信干擾模擬器、通信信道模擬器的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā);

(2)指控通信系統(tǒng)性能評(píng)估的數(shù)學(xué)、半實(shí)物仿真設(shè)計(jì);

(3)防空反導(dǎo)兵器網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同作戰(zhàn)體系仿真;(4)通信系統(tǒng)規(guī)劃和作戰(zhàn)配置工具開(kāi)發(fā)。

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