艦船數據鏈信息通信系統實時性提升的對策措施研究

李有才，陳文良，向東陽

(1.海軍陸戰學院，廣州 510430；2.解放軍91487部隊, 湛江 524334)

艦船數據鏈信息通信系統實時性提升的對策措施研究

李有才1，陳文良2，向東陽1

(1.海軍陸戰學院，廣州 510430；2.解放軍91487部隊, 湛江 524334)

艦船數據鏈信息通信作為一種特定的通信傳輸手段，實時性要求高，如果不能在規定的時限內完成任務，許多數據將失去意義。實時性對艦船數據鏈信息系統非常重要，也是其生命力所在，論文從數據信息傳輸延時入手，探討了提高數據鏈信息系統實時性的對策措施。

實時性；數據鏈通信；對策舉措

0 引 言

隨著信息技術的飛速發展，一種以信息化武器裝備為基礎，以確定信息安全、奪取信息優勢為主要制勝因素，在陸海空天網電等多維領域進行的體系對抗正逐步登上舞臺。艦船作為一種具有廣泛的機動能力和靈活反應能力的綜合作戰平臺，要充分發揮各類武器系統的效能，必須融入我軍龐大的信息流網絡數據系統，實現信息資源共享、武器平臺共用。因此，一種鏈接各作戰平臺、優化信息資源、有效調配和使用作戰能量的“數據鏈”在各型艦船中廣泛使用。數據鏈已經成為艦船信息作戰行動的支柱和力量提升的“倍增器”。艦船數據鏈信息通信實時性是衡量數據鏈信息系統作戰能力的重要指標，是指揮員實時掌握戰場周邊目標動態、確定戰場態勢發展趨勢、制定作戰指揮方案、下定指揮決策、采取正確行動的重要依據。數據鏈信息類型包括作戰指揮與控制信息、警報情報與戰場態勢信息、超視距目標指示與引導信息、航空管制與綜合氣象信息、戰勤保障與武器協同共用信息等，不同的信息類型有不同的時效要求，如果不能在規定的時限內完成信息傳輸與交換任務，許多數據信息將失去意義[1]。數據鏈信息系統傳輸的典型信息類型為目標數據信息情報，而數據情報信息一般由預警機(警戒機)、直升機、觀測雷達站等引導兵力提供，以預警機(警戒機)引導艦船(編隊)為例，其數據信息傳輸流程如圖1所示。

根據信息傳輸流程，數據信息傳輸延時包括探測系統確定目標運動要素解算、顯示環節引起的延時T1，機載探測設備、機載指揮控制戰術平臺、機載數據鏈終端與信道機發射系統間的信息交換延時T2，信息數據在傳輸媒介傳輸的延時T3，艦船(編隊)信息接收系統、數據鏈終端、指揮控制戰術平臺間的信息交換延時T4，以及操作手在整個流程中的人機交互時延和人為延誤延時等。要提高數據鏈信息系統實時性，必須從影響數據信息延時的因素入手，采取必要的對策措施以提高數據信息的實時性。

圖1 數據鏈系統信息傳輸流程

1 提高探測系統目標信息搜索探測速度，縮短目標參數解算、顯示時間

觀察探測系統搜索探測目標，確定目標運動要素解算的過程，實際上就是目標建立航跡的過程，而目標航跡建立時間與觀察探測系統掃描周期、探測概率、航跡起始邏輯與航跡管理規則等算法設計有關。用建立航跡時的觀察探測系統掃描次數的平均值與觀察探測系統掃描周期的乘積可以表示建立航跡的平均時間，邊掃描、邊識別、邊捕獲、邊跟蹤目標的過程是時間、狀態都離散的馬爾科夫鏈，根據m/n航跡邏輯平均建立航跡時間計算公式，可以計算觀察探測系統確定目標運動要素解算、顯示環節引起的時延T1為[2]：

(1)

而 :

(2)

故有：

(3)

因此，要提高觀察探測系統確定目標運動要素解算、顯示速度，首先應加快探測系統觀察探測周期，提高信息掃描速度，縮短探測捕獲與目標顯示時間等。而顯控臺目標顯示所需時間，主要由指控系統情報顯控臺命令解釋至報文生成時間、命令報文發送至處理機的時間、處理機分析處理時間和指控系統情報顯控臺情報信息表頁或圖形生成時間等部分組成，上述所有時間都與數據鏈信息系統CPU對中斷任務的處理規則和數據運算速度有關，因此，提高CPU對中斷任務的處理規則和數據運算速度是提高探測系統目標信息掃描速度，縮短目標參數解算、顯示時間的關鍵。

2 規范通信協議標準，優化調制解調方式，確保系統數據信息交互通暢

機載探測設備、機載指揮控制戰術平臺、機載數據鏈終端與信道機發射系統間的信息交換時延T2由四大部分延時所組成:機載指揮控制戰術平臺作戰指揮系統情報處理計算機對輸入、編輯、收集的數據信息進行處理的延時T21；機載指揮控制戰術平臺數據信息存儲到緩存器等待發送，直到數據鏈終端提出信息申請，緩存器將信息傳遞給數據鏈終端的延時T22；機載數據鏈終端網控器按照預先約定的通信協議格式，對信息進行編輯處理，然后送入數據密碼器進行加密，密化后的數據信息通過調制解調器，完成數據信息到音頻基帶信息的調制，再通過內部信道、接口、平臺管理與控制中心，由平臺管理與控制中心將信息分配至相應的數據鏈通信信道設備所造成的一系列延時T23；音頻基帶數據信息通過機載數據鏈信道機設備(短波或超短波電臺)進行射頻調制與放大，受信息傳輸的速率影響所產生的延時T24，即T2=T21+ T22+ T23+ T24。考慮當前海軍預警機(警戒機)數據鏈信息系統與艦船數據鏈信息系統的研制開發屬于同一單位，網控站(主站)與從屬站(從站)數據信息系統的硬件設備、軟件技術基本一致，因此， T2與T4基本一致(T2=T4)。要縮短上述設備、平臺、系統信息交換時間T2或T4，關鍵是數據通信協議標準化。通信協議是數據鏈系統網絡內各用戶必須遵循的格式與規范，是實現系統、終端之間有效交換數據信息，縮短交換時間的決定性因素[3]。通信協議包括網絡控制、幀同步、差錯控制、自動反饋重發、流量控制、特殊情況與異常狀態恢復等內容。為確保數據鏈實時性，數據鏈網絡必須選用傳輸效率高、反應速度快、簡單實用的通信協議，盡量采用前向糾錯與檢錯刪除通信協議，少用或不用交織反饋校驗通信協議，盡可能優化信息編輯、調制、解調方式，節省終端之間接口輸入輸出傳輸與數據信息轉換的時間；在采用較短數據幀長度和緊湊的信息編碼的同時，在協議管理上禁止節點長時間地占住信道；在設計數據鏈系統信息格式時，嚴格信息格式和工作規程，貫徹綜合、統一、一致的理念，使信息數據采集、加工、傳輸、處理無障礙，避免信息在傳輸過程中，因通信協議格式不兼容或轉換復雜而降低實時性。

3 科學設計網絡結構關系，降低網絡鏈路總數，提高信息表達效率

根據目前掌握的資料，研究數據鏈信息系統的延時或實時性，一般把T2、T3、T4三者綜合起來研究，統稱為數據信息從信息發射源到接收端信息宿源的平均時延。設N為數據鏈信息通信網絡鏈路總數, λi為第i條鏈路的平均傳輸速率，μi為進入第i條鏈路的信息長度，Ci為第i條鏈路的總容量，Ri為一次性進入第i條鏈路的數據總量，則數據信息從信息發射源到接收端信息宿源的最小平均時間Tmin為[4]：

(4)

即：

(5)

從Tmin的數學模型不難看出，數據信息從信息發射源到接收端信息宿源的平均時延與數據鏈信息通信網絡的鏈路總數、信息傳輸速率、信息長度、信息容量等因素密切相關。因此，要提高數據鏈實時性，一是減少單個網絡鏈路總數。要根據兵力執行戰術任務的不同，歸一化網絡戰術特性，將執行同一任務的兵力進行歸類，集中單一建網。或是根據數據鏈工作頻率、帶寬和數據信息的實時性要求，選擇合適的節點數量，即便增開數據鏈網絡，也要實現信息傳輸分流，減輕單個網絡的壓力，滿足實時性要求。二是提升網絡信息傳輸速率。要采用功能齊全、結構穩定的網絡結構，避免信息通道大量信息積壓、阻塞，甚至在實時性要求比較高的場合，直接采取點對點的信息傳輸路徑，提高信息傳輸速率。或以基本保障武器裝備有效攻擊距離為基準，適當選擇中繼平臺數量，并從實時性角度去考慮，選擇高頻段、寬頻帶、高速率數據鏈信息系統中繼平臺。三是提升信息表達效率。當前艦船數據鏈信息通信系統傳輸帶寬、信息速率基本恒定，從技術上暫時無法改變，同一個信息內容如果要素表達不精練、信息內容數據過長、數據包過大，則信息傳輸與交換的時間拉長，網絡各節點交換的次數增多，信息網絡資源利用率降低。要提高信息表達效率，首先應該采用面向比特的方法來定義信息標準，壓縮信息量。其次是盡量避免傳輸占用信道時間較長的信息業務和過大的數據包，即多選用密語、簡語、無線電信號、短信、郵件等簡潔的數據信息表達方式，少用或不采用圖片、圖形、表格、圖像等復雜信息傳輸業務等。

4 強化人機交互訓練，杜絕人為延誤，縮短人機交互時間

在數據鏈專向通信中，每條數據信息從信源到信宿至少有2次人機交換時間，以預警機(警戒機)引導艦船(編隊)為例，即預警機(警戒機)飛行員對目標的判斷和對目標信息進行編輯、處理、發送的第1次人機交互時間和接收端艦船(編隊)情報臺操作員對目標信息的確認、歸類與處理分發的第2次人機交互時間。數據鏈信息系統完成一次人機交互時間又分為操作手輸入信息時間Tcr和顯控臺回顯所需時間Txk，操作手輸入信息時間Tcr與操作人員對目標的判斷和反應速度、操作人員數據信息業務處理能力、作戰行動戰術態勢的復雜程度、命令格式要素的設計架構等因素相關，目前平均形成1條數據鏈信息指令的人機交互時間不應該超過10s；顯控臺回顯所需時間Txk與數據鏈信息系統CPU對中斷任務的處理規則和運算速度有關，根據目前技術，Txk一般不超過1s。人為延誤時間是指因人為操作失誤或由于敵方有意干擾造成的數據鏈路中斷，或由于指揮員的能力、水平限制，造成對數據信息的處理誤判而指揮決策的猶豫、遲疑導致的時延等，相對人機交互時延來講，時間長，影響大，后果嚴重。因此，要縮短人機交互時延，杜絕人為延誤，一是應提高數據鏈信息系統操作手的操作技能，通過實驗室模擬系統操作使用訓練、兵力戰術行動背景的實裝實操訓練等形式提高操作手參數設置、網絡開通、數據輸入輸出速度和信息格式編排、整理、分發處理速度；二是強化數據鏈信息系統操作手戰法訓法能力訓練，通過分隊與分隊對抗、紅方與藍方對抗的形式，提升各級指揮員對系統掉鏈中斷、信息阻塞延時、設備故障搶修的應急處理能力和抗擾抗毀的信息對抗能力；三是提升數據鏈信息系統裝備、平臺、終端的技術水平，通過現有裝備的技術改造，高新技術裝備的引進，加快系統數字化建設步伐，實現數據信息處理智能化、自動化，從而降低系統與系統、終端與終端以及人機交互時間等。

5 結束語

信息傳輸的延時是造成數據鏈信息不實時的根源，影響數據信息延時的因素包括探測平臺獲取、處理目標信息的能力，系統通信協議標準兼容性，系統網絡結構與路由選擇，信息量大小與信息表達效率，系統智能化程度與操作手技能等，要提高艦船數據鏈信息通信實時性必須通過提高探測系統目標探測周期和掃描速度，縮短顯控臺目標參數解算和顯示時間，規范通信協議標準和網絡結構關系，減少網絡鏈路總數和提高信息表達效率，加強操作手與各級指揮員人機交互訓練，提高基于體系對抗條件下的艦船數據鏈信息系統快速建鏈能力、快速傳輸能力、快速處理能力等措施解決。

[1] 任培.戰術數據鏈傳輸延時及其作戰效果影響分析[D].長沙：國防科技大學，2007.

[2] 沈閩鋒,陳盼.導彈對目標信息延誤的自適應性分析[M].廣州：海軍兵種指揮學院，2012.

[3] 李桂倫,孫東平.數據鏈的發展及關鍵技術探討[J].軍事通信技術,2007(3)：35-36.

[4] 許錦洲,王來和.信息作戰技術與裝備[M].南京:南京海軍信息戰研究教育中心,2010.

Research into The Countermeasures Improving The Real-time Performance of Warship Data Link Information Communication System

LI You-cai1,CHEN Wen-liang2,XIANG Dong-yang1

(1.Naval Marine Academy,Guangzhou 510430,China;2.Unit 91487 of PLA, Zhanjiang 524334,China)

As a specific transmission means,the warship data link communication demands strong real-time performance.The data is meaningless if they can't be transmitted within the stipulated time limit,so the real-time performance is very important for the warship data link information system.This paper discusses the countermeasures improving the real-time performance of data link information system starting from the time delay of data information transmission.

real-time performance;data link communication;countermeasure

2015-12-20

TN919

A

CN32-1413(2016)06-0042-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.06.009