劉 勇

(中國西南電子技術(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)實現(xiàn)網(wǎng)絡互聯(lián)和信息業(yè)務互通的技術(shù)基礎(chǔ)。通過充分利用仿真技術(shù)及其支撐環(huán)境,以定性與定量相結(jié)合的分析方法,可以評價系統(tǒng)的性能、質(zhì)量與戰(zhàn)術(shù)使用能力,促進發(fā)展決策的科學化[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,而少部分文獻把仿真拓展到三維空間,但均沒有考慮到目標的機動性因素。

本文在研究時,把仿真拓展到三維空間,加入目標的機動性因素,給出了三維仿真的動態(tài)模型及其滿足的更普遍關(guān)系式,同時基于QualNet仿真平臺,通過模型加載實現(xiàn)三維動態(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)務流量;

(3)戰(zhàn)場流量數(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)計數(shù)據(jù):每個節(jié)點的吞吐量、延時、丟包、抖動等相關(guān)技術(shù)參數(shù);

(2)2D界面:用來構(gòu)造網(wǎng)絡拓撲,執(zhí)行網(wǎng)絡;

(3)3D界面:用來演示網(wǎng)絡的情況。

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

2.2 QualNet開發(fā)工具

QualNet的開發(fā)工具包括[3]:

(1)Scenario Designer仿真場景設(shè)計,包括網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)、物力拓撲、業(yè)務、節(jié)點中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)絡實驗和演示工具;

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

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

(5)Tracer分組級的數(shù)據(jù)記錄和可視化工具。

3 建模的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 移動模型

在聯(lián)合作戰(zhàn)的戰(zhàn)術(shù)環(huán)境中,各作戰(zhàn)平臺一般按照建制編隊協(xié)同完成任務。編隊內(nèi)成員適用于參考點組移動模型,各編隊的主站適用于隨機路點模型。所以戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈三維仿真移動模型主要應該研究參考點組移動模型和隨機路點模型。

3.1.1 參考點組移動模型

參考點組移動模型(Reference Point Group Mobility,RPGM)表示一組移動節(jié)點的隨機運動[4]。

組移動軌跡是基于“邏輯”的,它可以是指定的也可以是完全隨機的。組邏輯中心的運動完全刻畫了它對應的組中移動節(jié)點的運動,包括它們的方向和速度。移動節(jié)點在其自身預先定義的參考點附近移動,而總體來講其移動依賴于組的移動。參考點組移動模型具有以下特點。

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

(2)每個節(jié)點都被分配一個參考點,節(jié)點可以自由地處在其參考點周圍,參考點也允許節(jié)點在范圍內(nèi)獨立自由移動,參考點跟隨群的移動而發(fā)生位置變化(見圖2)。

圖2 DR GM模型Fig.2 DRGM model

(3)節(jié)點在參考點范圍內(nèi)自由移動,參考點為節(jié)點提供配置參數(shù),當參考點發(fā)生移動時,參考點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,新的參考點位置由隨機的位移矢量RM,加到新的參考點B生成;

(4)隨機位移矢量RM獨立于參考點以前的位置,其大小是以參考點為圓心的某些半徑的長度,方向是0°～360°隨機的(見圖3)。

圖3 參照點位移示意圖Fig.3 Reference point mobility

參考點移動模型整個組的運動方程可以用公式來表示:

3.1.2 隨機路點模型

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

初始狀態(tài)時,節(jié)點在整個仿真區(qū)域均勻分布,每個節(jié)點隨機選擇仿真區(qū)域中的一個點作為目的地。在區(qū)間[Vmin,Vmax]中選擇一個固定速度,其中Vmax是移動節(jié)點的最大允許速度。到達目的地后,節(jié)點暫停時延 Tpause。若暫停時間 Tpause為零,則該模型表示連續(xù)移動。暫停結(jié)束后,重新選擇目的地和速度。此過程重復直到仿真結(jié)束。

Vmax和 Tpause是兩個最重要的參數(shù),如果 Vmax取值較小而Tpause取值較大,則網(wǎng)絡的拓撲較為穩(wěn)定;如果Vmax取值較大而Tpause取值較小,則節(jié)點移動較快,網(wǎng)絡拓撲處于高度變化的狀態(tài)。改變這兩個參數(shù),特別是Vmax,移動路點模型可以產(chǎn)生不同的移動場景。

3.2 移動建模

戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的參與平臺包括地面固定平臺和空中與海面移動平臺兩類,移動性是該網(wǎng)絡的顯著特性之一。網(wǎng)絡的各項性能指標,例如吞吐量、傳輸時延、路由的有效性都與平臺的移動性直接相關(guān)。

3.2.1 空中成員的移動模型

根據(jù)實際作戰(zhàn)環(huán)境以及飛機飛行的特點,考慮建立以下移動模型:主節(jié)點采用隨機路點模型,成員節(jié)點采用參考點組移動模型。

移動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定為邏輯中心點,在各成員節(jié)點周圍為每個節(jié)點選取一個參考點。邏輯中心點按照隨機行走模型移動,各成員按照參考點組移動模型進行移動。

整個組的運動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)點和主節(jié)點之間的相關(guān)性,整個組的運動方程可以用如下公式表示:

式中,δθ≤1,0≤δv,δv是成員節(jié)點相對邏輯中心節(jié)點的偏離速度系數(shù),δθ是偏離焦度系數(shù);vm(t)和θm(t)表示成員節(jié)點運動的速度和角度;vl(t)和θl(t)表示邏輯中心節(jié)點運動的速度和角度,采用這兩個參數(shù)來反映成員在速度和方向上對中心節(jié)點的偏差;Amax和Smax表示了成員節(jié)點與參考點之間關(guān)聯(lián)關(guān)系,如果 Amax和 Smax較小,說明組移動性強,成員與參考點之間運動相關(guān)性也強。

3.2.2 海上成員的移動模型

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

3.2.3 地面成員的移動模型

(1)地理分隔模型

地面成員根據(jù)作戰(zhàn)任務性質(zhì)不同,如部隊在行進過程中,要根據(jù)地形、地貌的特點,設(shè)置節(jié)點移動方式,因此基于“地形”的移動模型——地理分隔模型,對于地面成員更符合實際網(wǎng)絡特征。

整個區(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。就如同在整個區(qū)域內(nèi),不同軍兵種在各自的區(qū)域進行各自的軍事行動,相對獨立。各區(qū)域可以通過對群首(主節(jié)點)移動方式的設(shè)置來控制本組群的移動方式。

(2)相互重疊模型

這個模型是指不同的組群在同一個范圍內(nèi)實施不同的任務。

3.3 場景建模

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

(1)地形數(shù)據(jù)庫模型

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

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

(2)天氣數(shù)據(jù)庫模型

根據(jù)實際作戰(zhàn)天氣因素影響不同可以選擇相應匹配的天氣數(shù)據(jù)庫文件。

4 結(jié)果演示

戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)三維仿真通過QualNet仿真軟件支持添加移動模型和場景模型的方式來進行系統(tǒng)三維仿真,同時通過配置網(wǎng)絡節(jié)點、通信協(xié)議、仿真業(yè)務等參數(shù)保證系統(tǒng)仿真的真實性。

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)三維仿真場景中加載地形文件及節(jié)點屬性后可以實現(xiàn)系統(tǒng)仿真的各項功能,包括動態(tài)演示、消息及性能實時跟蹤。

戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)三維仿真中的移動節(jié)點根據(jù)實際要求設(shè)定運動軌跡,節(jié)點間根據(jù)設(shè)定業(yè)務類型通信,在系統(tǒng)運行后對消息進行跟蹤從而達到實時仿真的目的。

5 結(jié)束語

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,包括移動模型、場景模型等,其中移動模型的設(shè)計成為系統(tǒng)三維仿真設(shè)計的關(guān)鍵。通過分析隨機路點模型、參考點組移動模型的特點設(shè)計了系統(tǒng)三維仿真移動模型,包括空中成員的移動模型、海上成員的移動模型、地面成員的移動模型。三維仿真場景模型提供仿真場景設(shè)置,包括地圖坐標、地形模式、地形文件、天氣模式、天氣類型等。仿真模型通過使用三維可視化工具動態(tài)顯示系統(tǒng)仿真過程中的性能,使系統(tǒng)三維仿真能真實地反映仿真結(jié)果,但由于硬件條件局限后期仍需要完善。

[1]黃柯棣,劉寶宏,黃健,等.系統(tǒng)仿真技術(shù)[M].北京:國防科技大學出版社,1998.HUANG Ke-di,LIU Bao-hong,HUANG Jian,et al.The system simulation technology[M].Beijing:National Defense University of Science and Technology Press,1998.(in Chinese)

[2]郭齊勝,董志明.戰(zhàn)場環(huán)境仿真[M].北京:國防工業(yè)出版社,2005.GUO Qi-sheng,DONG Zhi-ming.Battle Environment Simulations[M].Beijing:National Defense Industry Press,2005.(in Chinese)

[3]Scalable Network Technologies,Inc.QualNet 3.9 Programmer′s Guide[M].Scalable Network Technologies,Inc.,2005.

[4]Xiaoyan Hong,Mario Geria,Guangyu Pei,et al.A Group Mobility Model for Ad Hoc Wireless Networks[C]//Proceedings of ACM/IEEEMSWiM'99.Seattle Wa:IEEE,1999:53-60.

[5]Johnsom D Johnson,Maltz D.Dynamic source routing in Ad Hoc Wireless Networks[M]//Mobile Computing.Kluwer:A-cademic Publishers,1996:153-181.