星地鏈路信息干擾流程可視化建模研究

李義 張明智 秦永剛

現(xiàn)代信息網(wǎng)絡對太空依賴的程度日益提高,星地信息鏈路已經成為偵察監(jiān)視、通信聯(lián)絡、指揮決策等行動的基礎設施和支撐要素[1].從近幾場高科技局部戰(zhàn)爭可以看出,星地信息鏈路在各種軍事活動中正在扮演越來越重要的角色,對敵方星地信息鏈路的干擾破壞活動已經成為對抗雙方爭奪“制信息權”的主要活動之一[2].星地鏈路信息干擾流程可視化研究,有助于辯證、系統(tǒng)地分析空間信息攻防時機、信息攻防行動的可行性、作戰(zhàn)流程管理和武器裝備等多方面的問題,找出影響和制約空間信息攻防行動的主要矛盾,解決空間信息攻擊武器裝備建設等一系列重大問題.以地基信息干擾系統(tǒng)干擾星地信息鏈路的過程為研究對象,運用工具UML 2.0&TAU G2,分別設計與驗證其工作流程可視化模型,為干擾流程提供定性分析與驗證.

1 星地鏈路信息干擾的基本想定

以地基信息干擾系統(tǒng)為例,從仿真武器系統(tǒng)構架模型的角度實現(xiàn)地基信息干擾系統(tǒng)的干擾流程可視化,在邏輯層次和行為層次上驗證地基信息干擾系統(tǒng)的工作流程.根據(jù)TAU G2設計武器系統(tǒng)時的作戰(zhàn)想定描述形式,以地基信息系統(tǒng)干擾對方星地鏈路的想定描述如下[3]:

1)目標:完成地基信息干擾系統(tǒng)對星地信息鏈路的干擾任務.

2)成員:地基信息干擾系統(tǒng)(包括控制系統(tǒng)、偵察分析系統(tǒng)和干擾發(fā)射機).

3)系統(tǒng)功能:

攻擊:對空間信息鏈路的攻擊(地基信息干擾系統(tǒng)攻擊星地信息鏈路).

4)行為描述:

目標信息獲取:空間目標監(jiān)視系統(tǒng)(包括天基與地基空間目標監(jiān)視系統(tǒng))、武器系統(tǒng)自身的信息獲取設備.

5)作戰(zhàn)準備:接受上級命令進行攻擊前準備、作戰(zhàn)樣式的選取、武器系統(tǒng)開始設置并跟蹤目標等.

a)攻擊:滿足條件(指揮中心下達命令或其他條件)、空間目標監(jiān)視系統(tǒng)引導武器系統(tǒng)攻擊目標、其他系統(tǒng)進入相應狀態(tài).

b)評估:攻擊過程中不斷獲取目標毀傷信息、指揮中心進行效果評估.

2 星地鏈路信息干擾流程可視化建模

在武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)流程可視化研究過程中,確定系統(tǒng)的功能是前提條件,武器系統(tǒng)工作的目的是為了履行和完成系統(tǒng)功能[4].

星地鏈路信息干擾系統(tǒng)的主要功能和任務包括“搜索確定衛(wèi)星信號”、“跟蹤鎖定衛(wèi)星信號”、“攻擊信號”和“判斷目標毀傷”[5].利用UML 2.0&TAU G2軟件,構建星地鏈路信息干擾系統(tǒng)用例圖,如圖1所示.此用例圖是一個高層作戰(zhàn)概念.圖中每個模塊代表著一項相對獨立的系統(tǒng)功能,建模的任務就是對每一個模塊進行進一步的功能分解,為模型動態(tài)驗證打下基礎.

地基干擾系統(tǒng)主要包括三大部分,分別是“控制系統(tǒng)”、“偵察分析系統(tǒng)”和“干擾發(fā)射機”.由此,建立星地鏈路信息干擾系統(tǒng)的組織關系圖,如圖2所示.其中,地基干擾系統(tǒng)通過接口P1與指揮中心進行信息交互,具體到系統(tǒng)的內部結構就是接口P2.

根據(jù)軟件對語法語義的規(guī)定,建立如圖3所示的地基信息干擾系統(tǒng)內部作戰(zhàn)節(jié)點之間的信息交互圖.其中,控制系統(tǒng)有兩個接口P3和P4,偵察分析系統(tǒng)有一個接口P5,干擾發(fā)射機有一個接口P6,3個系統(tǒng)之間利用接口建立內部結構之間的交互信息,其中一方發(fā)出的信號與另一方接收的信號必須相互對應.

根據(jù)交互圖利用軟件建立地基信息干擾系統(tǒng)的構架圖,如圖4所示.其中,每個功能模塊設置相應的數(shù)據(jù)接口(Bus Port),根據(jù)系統(tǒng)功能與外界交互類型的不同,所設計的數(shù)據(jù)接口也不同.在模型運行過程中,仿真信號在這些虛擬接口和虛擬通道中進行傳遞.同時,作為地基信息干擾系統(tǒng)的作戰(zhàn)流程可視化模型之一,它能夠表明系統(tǒng)內部各節(jié)點物理結構的連接情況.

圖1 星地鏈路信息干擾系統(tǒng)用例圖

圖2 地基干擾系統(tǒng)組織結構圖

圖3 地基干擾系統(tǒng)內部信息交互圖

圖4 地基信息干擾系統(tǒng)構架圖

在地基信息干擾系統(tǒng)構架模型的設計過程中,系統(tǒng)內作戰(zhàn)節(jié)點的狀態(tài)圖是必不可少的.同時,作為系統(tǒng)的作戰(zhàn)流程可視化模型之一,它體現(xiàn)了系統(tǒng)與外界的信息交互和系統(tǒng)內各作戰(zhàn)節(jié)點的狀態(tài)變化過程,對“控制系統(tǒng)”、“偵察分析系統(tǒng)”和“干擾發(fā)射機”分別建立各自的狀態(tài)模型,如圖5～圖7所示.圖5描述的是偵察分析系統(tǒng)的狀態(tài)變換過程.圖6描述的是控制系統(tǒng)的狀態(tài)變換過程.圖7描述的是干擾發(fā)射機的狀態(tài)變換過程.

最后,建立地基信息干擾系統(tǒng)內部節(jié)點的作戰(zhàn)序列模型,如圖8所示,利用節(jié)點間的信息交互順序確定作戰(zhàn)信息的交互順序和系統(tǒng)內作戰(zhàn)節(jié)點之間的關系.

至此,就完成了對星地鏈路信息干擾流程的建模,同時也是干擾流程可視化建模,利用軟件的運行功能,通過人為控制發(fā)送干擾信息或干擾信號推動模型運轉,就可以將該武器系統(tǒng)的相應工作流程表現(xiàn)出來.

圖5 偵察分析系統(tǒng)狀態(tài)圖

圖6 控制系統(tǒng)狀態(tài)圖

圖7 干擾發(fā)射機狀態(tài)圖

3 星地鏈路信息干擾流程可視化模型驗證

利用UML 2.0&TAU G2軟件,對星地鏈路信息干擾流程可視化模型進行驗證,其驗證結果如圖9所示.模型的驗證是對系統(tǒng)構架行為的驗證,是根據(jù)控制系統(tǒng)、偵察分析系統(tǒng)和干擾發(fā)射機3個子系統(tǒng)之間的關聯(lián)關系,利用模型建立的相關機制,由軟件模擬產生出的接收到相關命令后,各系統(tǒng)對命令的執(zhí)行情況和信息傳遞過程和結果,以此來驗證模型的合理性、實用性、可操作性[6].

對系統(tǒng)構架行為的驗證過程實際上是對系統(tǒng)構架圖、狀態(tài)圖和作戰(zhàn)序列圖的跟蹤驗證,驗證能否通過取決于以上3類視圖的設計是否正確.因此,對系統(tǒng)構架行為的驗證同時也是對系統(tǒng)工作流程可視化模型的驗證.經過TAU G2的運行過程,軟件輸出模型的驗證結果如圖10所示.

干擾流程的構建以基本想定及干擾行動為基礎,對模型的驗證實現(xiàn)了對系統(tǒng)內作戰(zhàn)節(jié)點的指揮關系、干擾行動與節(jié)點間信息交互關系的驗證.因此,星地鏈路信息干擾的流程可視化模型驗證結果說明了其干擾行動流程在邏輯層次與行為層次上是正確的.運用工作流程可視化的方法,通過類似的模型設計與驗證過程,亦可驗證地基動能反衛(wèi)星系統(tǒng)與網(wǎng)絡攻擊武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)流程.

圖8 地基干擾系統(tǒng)內部節(jié)點的作戰(zhàn)序列圖

圖9 星地鏈路信息干擾流程可視化模型驗證過程

圖10 地基信息系統(tǒng)干擾流程可視化仿真結果

4 結論

通過星地鏈路信息干擾流程可視化的研究可以得到以下幾點啟示:

1)設計武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)流程可視化模型可通過使用順序圖、狀態(tài)圖與構架圖的結合來描述,設計武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)流程可視化需求模型可通過用例圖、組織結構關系圖和交互圖來描述.UML 2.0標準建模語言和TAU G2支持行為語言,通過提供一種用自然行為語言描述系統(tǒng)的方法,就可將系統(tǒng)工程師解放出來,使其專注于系統(tǒng)方面的技術研究,并且不需要寫代碼就可產生出一個可運行的系統(tǒng)模型,也可以產生一個無需代碼的可運行的系統(tǒng)模型.這樣,在沒有任何代碼的情況下,系統(tǒng)工程師就能夠很容易讓他們的客戶直觀地看到需求的未來結果,軟件工程師很容易明白系統(tǒng)的真正需求[7].通過以上實例的作戰(zhàn)流程可視化模型的驗證過程可以產生類似編譯武器系統(tǒng)軟件的代碼,結合編譯平臺實現(xiàn)武器系統(tǒng)軟件的開發(fā),這一成果對于我軍未來武器裝備的研究有積極的促進作用.

2)對星地鏈路信息干擾流程可視化的研究內容主要包括武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)任務與具有指揮功能的作戰(zhàn)節(jié)點,它們組成了系統(tǒng)的用例圖;武器系統(tǒng)的組織結構關系,系統(tǒng)內各作戰(zhàn)節(jié)點的功能與依賴關系,它們組成了系統(tǒng)的組織結構圖;武器系統(tǒng)內作戰(zhàn)節(jié)點的信息聯(lián)系,節(jié)點間信息接收與發(fā)送的方式和信息的種類,它們組成了系統(tǒng)內部結構的信息交互圖;武器系統(tǒng)內各作戰(zhàn)節(jié)點的狀態(tài)變換過程與變換條件,它們組成了系統(tǒng)的狀態(tài)圖;武器系統(tǒng)內作戰(zhàn)節(jié)點的物理結構信息聯(lián)系與連接方式,它們組成了系統(tǒng)的構架圖.上述視圖既滿足了系統(tǒng)的模型設計需求又完成了系統(tǒng)作戰(zhàn)流程可視化模型的設計.

3)通過星地鏈路信息干擾這一實例的流程可視化仿真,其結果驗證了武器系統(tǒng)作戰(zhàn)流程及其可視化模型在邏輯層次與行為層次上的正確性,說明了系統(tǒng)的組織結構關系與系統(tǒng)內作戰(zhàn)節(jié)點的作戰(zhàn)指揮關系的協(xié)調性.驗證結果證實了星地鏈路信息干擾流程可視化模型及其作戰(zhàn)流程構建的合理性與正確性,間接地開發(fā)了執(zhí)行空間信息攻防任務的作戰(zhàn)系統(tǒng)架構模型,為描述與檢驗高層作戰(zhàn)概念下系統(tǒng)的行為提供了依據(jù).