實戰條件下防空反導兵器指揮控制通信系統性能評估*

鄭學合，楊森，楊杰，卜祥元

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

0 引言

近期世界上幾場局部戰爭表明:空襲作戰對戰爭的進程和結局具有決定性的影響，防空反導能力建設對打贏一場高科技局部戰爭具有重要作用。防空反導兵器面臨著由空襲體系構造的極其復雜的戰場環境，包含了與實戰條件諸要素密切相關的雷達、指控通信、制導指令傳輸、導引頭、引信等開放的信息鏈路環節，對信息依賴性強。貼近實戰條件下評估防空反導兵器的作戰性能，具有重大的現實需求和理論研究價值。

指控通信系統是受復雜環境［1］影響的信息鏈路環節之一。“實戰條件下防空反導兵器指控通信系統性能評估”希望解決以下幾個問題:

(1)實戰條件內涵、統一、規范、定量化描述問題。做到要素化、模型化、參數化。

(2)實戰條件要素對指控通信鏈路的影響機理，與能夠敏感的鏈路環節建模、驗模方法問題。做到有接口、能敏感、可置信。

(3)防空反導兵器作戰能力的仿真評估方法。目前只能進行單次的外場試驗，性能評估停留在印象化、模糊化的水平。需要在仿真平臺上能夠復現，通過敏感度試驗得到作戰性能邊界。

本文綜述了在上述方面的研究進展與成果。

1 研究內容與思路

研究內容包括:

(1)研究各類實戰條件對指控通信系統的影響機理，構建實戰條件要素與防空反導兵器指控通信系統性能之間的關聯關系框架;

(2)進行防空反導兵器典型工作環境的信道傳輸、鏈路級工作性能建模研究;

(3)提出指控通信系統通信網絡實戰性能評估指標體系;

(4)設計實戰性能仿真平臺并進行仿真驗證。

研究整體思路見圖1。

2 實戰條件要素對防空反導兵器指控通信性能影響機理與關聯關系

通過分析實戰環境中影響指控通信系統的因素，給出以下3個層次的關聯關系:戰場環境要素與指控通信系統性能以及與反導兵器系統作戰能力的關聯關系、干擾要素與接收機關聯關系、網絡層關聯關系。

實戰條件下對防空反導兵器指控通信系統產生主要影響的是電磁環境要素，即來自敵方的人為有意干擾。首先表現在網絡節點間鏈路誤碼率性能下降甚至中斷，進而影響信息在網絡中傳輸的延遲和可靠性，導致指控、目標指示等信息不能到達目的節點或到達目的節點的延時變大，從而影響到防空反導兵器系統的殺傷概率和殺傷區。關聯關系如圖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物理層之間的關聯關系主要體現在干擾機的干擾樣式、干擾機功率、干擾機與接收機位置關系上［2］。而接收機與指控通信系統物理層之間的關聯關系主要體現在通信系統本身的信號波形、信號抗干擾體制與編碼方式上［3］。不同接收機對指控通信系統物理層性能影響主要體現在接收機的天線特性、射頻特性及處理損耗中［4］。各實戰要素與指控系統物理層之間的關聯關系如圖3所示。

實戰條件對指控通信系統網絡層的影響主要考慮網絡的拓撲結構、網絡路由方式及MAC(media access control)協議。物理層中不同干擾對于指控通信系統網絡層的影響體現在點到點之間的網絡丟幀率、單點覆蓋范圍等，進而影響網絡的拓撲結構［3-5］，同時結合業務需求與服務質量(quality of service，QoS)影響網絡的丟包率、網絡的吞吐量與網絡延時。網絡層參數與指控系統性能之間的關聯關系如圖4所示。

選取定頻、直序擴頻、跳擴頻3類通信系統作為典型通信體制，從時、頻、空不同的域研究典型干擾對不同體制指控通信系統的影響機理，考慮到指控通信系統自身具有的抗干擾能力，通過研究分析可知，相對于對抗干擾而言，自然干擾對指控通信系統的影響甚小，可以忽略，結合指控通信系統的不同通信體制，分別構建地理環境要素與通信鏈路的關聯關系、干擾要素與定頻通信鏈路性能關聯關系、干擾要素與直序擴頻通信鏈路性能關聯關系、干擾要素與跳擴頻通信鏈路性能關聯關系、防空反導指控通信系統鏈路與網絡性能關聯關系，分析過程中主要將噪聲寬帶阻塞干擾、轉發式干擾作為典型干擾［6-8］，如圖5 ～9 所示。

3 指控通信系統傳輸鏈路建模

在實戰條件下指控通信鏈路建模存在的難點是:由于缺乏多要素組合對指控通信環節影響機理研究，模型在大多數情況下對實戰條件不敏感，與外部的干擾模型沒有信號級仿真的接口。同時，模型也缺乏試驗數據進行可信性校驗。因此，無法采用仿真手段通過多次試驗定量評估信息鏈路性能，只能通過有限次的外場試驗。

目前仿真模型基本分為功能級和信號級模型2類，系統建模方法基本分為基于機理和基于辨識的建模方法、或是兩者的混合建模方法3種。機理建模重物理過程的作用機理，采用這種方法建模時，必須對實際系統進行深入分析、研究，提取本質、主流的因素，忽略一些非本質的因素，合理確定對系統模型準確度有決定性影響的物理變量及其作用關系，目的是建立簡單清晰、又有相當精度并能反映物理變化過程的系統模型。辨識建模方法采用系統辨識技術，根據系統實際運行或試驗過程中所取得的輸入/輸出數據，利用各種辨識算法來建立系統的動靜態數學模型，多適用于功能級模型(如作用距離、概率模型)的建立。

根據研究的需要確定了必須采用信號級模型，因此對信息鏈路環節的建模采用了基于機理的建模方法。首先基于實戰條件多要素組合對指控通信鏈路影響機理研究，確定對實戰條件、信息鏈路內部環節及參數與輸出性能的關聯關系。根據關聯關系確定建模粒度和模型實現層次，決定信息鏈路應該采用信號級的模型，還是采用功能級的模型或者是二者相結合。具體而言，就是對于重要的模塊采用信號級的建模方法進行建模，精確地復現該模塊的處理過程，將其處理特性進行較為全面的再現;而對于重要性不高，也即對實戰條件要素不敏感的模塊，采用粗粒度的建模方法，如功能級建模方法進行建模，不復現其實際處理過程，而是在先驗知識的基礎上，直接針對其統計性能進行建模;對于那些與實戰條件要素基本不相關的模塊，則可以考慮忽略不建。這樣有效解決了模型對實戰條件能夠敏感和建模有效性的問題。

按照上述思路，完成指控通信鏈路層建模，包括8個功能模塊74個子模塊，功能組成見圖10［9］。其中鏈路級傳輸建模主要包括數據源建模、組幀與拆幀建模、信道編碼與信道譯碼建模、調制與解調建模、直擴與解擴建模、脈沖成形與匹配濾波建模、發射與接收建模、統計性能建模幾個部分，典型擴頻通信鏈路級模型見圖11。相關詳細模型在本文中不再列出。

在完成模型構建后，還要利用外場試驗數據(如果數據不足，也可以采用模擬數據)對模型運行結果進行校驗。校驗要在中間環節、最終性能輸出環節2個層面上進行，校驗的數據要根據靜態/動態數據的不同，以及時、頻、平穩性等本質特征，選取不同的校驗方法。只有通過模型校驗，構建的仿真系統才具備一定的置信度。

為減少仿真處理數據量，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。實戰條件下防空反導兵器指控通信系統鏈路進行分析、抽象、建模，得到實戰條件下防空反導兵器指控通信系統鏈路抗干擾性能仿真模型，如圖12所示。

4 指控通信網絡系統實戰性能仿真平臺建立

實戰條件下防空反導兵器指控通信系統性能仿真平臺完成物理層、數據鏈路層、網絡層3個層次的仿真，應用Matlab和Opnet作為仿真工具，通過由C#語言編寫的主控臺控制程序控制分布式指控通信仿真系統中的相關參數，如通信節點位置、干擾機參數、仿真起止等，而Matlab，Opnet，主控臺之間通過高層體系結構(high level architecture，HLA)實現仿真中各種參數、控制信息的傳遞，其架構如圖13所示。

圖9 防空反導指控通信系統鏈路與網絡性能關聯關系Fig.9 Connection relation between the communication in air defense and antimissile and the network function

其中，Matlab支持細粒度的物理層、鏈路層仿真，Opnet支持網絡性能仿真。采用了以實時時間推進下的多平臺交互式聯合仿真為架構的設計思路，將多平臺統一調度起來，利用HLA架構下的聯邦成員互通機制［10-11］，分別對Matlab和Opnet環境中的輸入和屬性進行配置，以運行支撐環境(run time infrastructure，RTI)實現2個平臺間的仿真同步。

仿真平臺具備的基本功能包括:

(1)在給定信道、干擾和通信體制下，評估指控通信系統的抗干擾能力;

(2)在給定部署場景下，評估指控通信網絡工作性能。

所建立的指控通信系統性能仿真平臺具備以下特點:

(1)可靈活設置無線通信系統工作參數，如調制解調方式、編譯碼方式、跳頻參數、發射功率等;

(2)可靈活設置信道傳輸模型參數，如地形參數、衰落和噪聲信號參數等。并可根據數字地圖讀取地理特征參數;

(3)可靈活設置干擾機參數，如干擾機數目、干擾信號類型和參數、干擾機運動軌跡等;

(4)可靈活設置基于地理信息的無線通信網絡參數，如網絡規模、節點數量、節點位置、節點工作狀態、網絡拓撲結構等;

(5)可完整記錄仿真過程中各個處理單元的實時數據，并可回放;

(6)可收集并實時顯示無線通信鏈路和網絡性能，包括:鏈路誤碼率、網絡連通性、吞吐量、丟包率、時延等;

(7)支持獨立仿真和聯合仿真2種方式;

(8)采用模塊化結構，便于進行功能擴展及維護。

圖14～16給出了仿真平臺可設置的參數與配置內容。

選取美軍Link-16數據鏈和某綜合數據鏈指控通信系統作為驗證用例，選擇美軍典型的干擾機AN/TLQ-17A，AN/ALQ-99作為干擾源，利用仿真平臺對其在復雜戰場環境下實戰性能進行了仿真分析，結果如表1所示。

圖14 防空反導兵器指控通信系統實戰性能仿真平臺網絡層可配置項Fig.14 Assignable items for network layer of the simulation system of the command control system function of air defense antimissile

表1 典型指控通信系統實戰能力分析驗證Table 1 Analysis and verification of the typical communication system in actual war

圖15 防空反導兵器指控通信系統實戰性能仿真平臺鏈路層可配置項Fig.15 Assignable items for data-link layer of the simulation system of the command control system function of air defense antimissile

圖16 防空反導兵器指控通信系統實戰性能仿真平臺干擾機可配置項Fig.16 Assignable items for jammer of the simulation system of the command control system function in air defense antimissile

5 結束語

本文將實戰條件分解為電磁干擾和地理地形2類要素，從時頻、頻域、空域建立了實戰條件多要素組合對防空反導兵器指控通信性能影響的關聯關系，并依據機理研究結果建立了普適性的信號級仿真模型。

提出了鏈路層與網絡層協同交互仿真的仿真平臺開發思路，利用RTI推進機制建立了基于HLA的分布式防空反導兵器指控通信系統實戰性能仿真平臺。該平臺可以嵌入到體系仿真系統中，完成指控通信系統的實時仿真，為整個武器系統的效能仿真提供通信鏈路級的支撐。

本文的研究結果可以為后續研究和設計提供基礎:

(1)通信干擾模擬器、通信信道模擬器的設計與開發;

(2)指控通信系統性能評估的數學、半實物仿真設計;

(3)防空反導兵器網絡化協同作戰體系仿真;(4)通信系統規劃和作戰配置工具開發。

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