操振宇，寇明延，李 峭

（北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京 100191）

現(xiàn)代軍事戰(zhàn)爭(zhēng)中，武器數(shù)據(jù)鏈能有效增強(qiáng)武器系統(tǒng)的操控能力，是提高武器平臺(tái)作戰(zhàn)效能和打擊彈藥命中率的重要手段。武器數(shù)據(jù)鏈將信息系統(tǒng)和武器平臺(tái)更加緊密地鉸鏈在一起，實(shí)現(xiàn)了從傳感器到射手的無縫連接。20世紀(jì)90年代末，美軍先后成功研制了協(xié)同作戰(zhàn)能力（CEC）和戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)瞄準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（TTNT）等用于武器的數(shù)據(jù)鏈[1]。隨著數(shù)字化戰(zhàn)場(chǎng)的進(jìn)一步深化，以及精確制導(dǎo)武器在現(xiàn)代化戰(zhàn)場(chǎng)中越來越高的使用率，武器必然要鏈接到戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈中[2-3]。為武器系統(tǒng)加裝數(shù)據(jù)鏈，可使武器在發(fā)射到擊中目標(biāo)期間連續(xù)接收、處理目標(biāo)信息、選擇攻擊目標(biāo)，提高對(duì)固定目標(biāo)及對(duì)“時(shí)敏目標(biāo)”“機(jī)動(dòng)目標(biāo)”的精確打擊能力。進(jìn)一步提升打擊效果、突破敵軍防御。武器數(shù)據(jù)鏈及其技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展前景，代表了適應(yīng)未來網(wǎng)絡(luò)化戰(zhàn)爭(zhēng)形式的新型數(shù)據(jù)鏈及其技術(shù)發(fā)展的方向和趨勢(shì)[4-5]。

武器數(shù)據(jù)鏈中使用定向天線技術(shù)能充分利用定向數(shù)據(jù)傳輸良好的隱蔽性、抗干擾性和抗截獲性，同時(shí)天線選擇的方向性又降低了鄰近結(jié)點(diǎn)之間的相互干擾，提高了網(wǎng)絡(luò)的空間復(fù)用度和吞吐量。

本文設(shè)計(jì)了一種基于定向天線的武器數(shù)據(jù)鏈建立方案，該方案采用定向天線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通信過程不依賴于第三方信息，以提高通信網(wǎng)絡(luò)的健壯性。定向武器數(shù)據(jù)鏈由武器發(fā)射平臺(tái)初始化建立，實(shí)現(xiàn)對(duì)武器的定向制導(dǎo)以及武器發(fā)射平臺(tái)之間的聯(lián)合制導(dǎo)。之后通過OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件對(duì)數(shù)據(jù)鏈的建立過程及建立完成后的數(shù)據(jù)通信進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了該方案的可行性。

1 定向武器數(shù)據(jù)鏈設(shè)計(jì)

假設(shè)現(xiàn)有多個(gè)武器發(fā)射平臺(tái)節(jié)點(diǎn)A，B，…，J，若武器平臺(tái)A要發(fā)射武器，則由A發(fā)起武器數(shù)據(jù)鏈申請(qǐng)，其他武器平臺(tái)節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身的運(yùn)動(dòng)軌跡、信道情況、作戰(zhàn)角色等信息，向A發(fā)送響應(yīng)消息。A對(duì)收到的回應(yīng)進(jìn)行評(píng)估，選定離目標(biāo)最近的節(jié)點(diǎn)作為聯(lián)合制導(dǎo)節(jié)點(diǎn)，共同制導(dǎo)武器命中目標(biāo)。武器數(shù)據(jù)鏈的工作流程如圖1所示。

圖1 武器數(shù)據(jù)鏈工作流程Fig.1 Work process of weapon data link

每個(gè)武器平臺(tái)具有兩副定向天線，一副用于機(jī)間通信，另一副用于飛機(jī)與武器間的通信。

定義如下兩種天線波束掃描方式[6-7]：

1）快掃描：天線波束以角速度ω沿一定的方向?qū)?60°范圍內(nèi)各個(gè)覆蓋區(qū)進(jìn)行快掃描。設(shè)天線波束寬度為 α（rad），在每個(gè)覆蓋區(qū)停留時(shí)間為 τ（s）。

掃描角速度 ω=α/τ，快掃描周期 TR=2π/ω=（2π/α）τ（s）。

2）慢掃描：天線以角速度Ω沿一定的方向?qū)?60°范圍內(nèi)各個(gè)覆蓋區(qū)進(jìn)行慢速掃描，它在每個(gè)波束覆蓋區(qū)的停留時(shí)間大于TR，即天線的波束在一個(gè)覆蓋區(qū)停留的時(shí)間應(yīng)大于快掃描時(shí)天線波束掃描一周的時(shí)間，設(shè)天線的波束寬度也是α（rad）。則天線慢掃描周期TS=2π/Ω=（2π/α）2τ（s）。

慢掃描用于天線在特定扇區(qū)內(nèi)的通信，其他時(shí)刻的通信采用快掃描方式。

2 仿真設(shè)計(jì)

OPNET是一款廣泛應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)建模和仿真工具，具有先進(jìn)的建模機(jī)制、完備的模型庫、完善的外部接口等優(yōu)點(diǎn)。OPNET采用離散事件驅(qū)動(dòng)仿真，提供了3層建模機(jī)制[8]：最上層為網(wǎng)絡(luò)層，反映網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；中間層為節(jié)點(diǎn)層，由相應(yīng)的功能模塊構(gòu)成，反映設(shè)備特性；最底層為進(jìn)程層，用有限狀態(tài)機(jī)來描述通信的各個(gè)狀態(tài)。OPNET還允許用戶使用有限狀態(tài)機(jī)自行開發(fā)協(xié)議，并提供了豐富的類C語言庫函數(shù)[9]，可以方便地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的協(xié)議，是網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中常用的仿真平臺(tái)。

本文基于OPNET搭建了仿真場(chǎng)景，建立了相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)模型和進(jìn)程模型，對(duì)武器鏈的建立過程以及作戰(zhàn)飛機(jī)與武器間的通信進(jìn)行了仿真。

2.1 應(yīng)用場(chǎng)景

假設(shè)作戰(zhàn)空域?yàn)?00 km×500 km，多架作戰(zhàn)飛機(jī)隨機(jī)分布在區(qū)域之中。當(dāng)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)（target）后，武器平臺(tái)節(jié)點(diǎn)A發(fā)起武器數(shù)據(jù)鏈的建立申請(qǐng)，建立成功之后，通過與選定的聯(lián)合制導(dǎo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)合制導(dǎo)，控制武器（Weapon）從發(fā)射到命中目標(biāo)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 武器數(shù)據(jù)鏈仿真場(chǎng)景Fig.2 Simulation scenario of weapon data link

2.2 節(jié)點(diǎn)建模

仿真場(chǎng)景中有2種節(jié)點(diǎn)模型，武器平臺(tái)節(jié)點(diǎn)和武器節(jié)點(diǎn)，其中武器平臺(tái)節(jié)點(diǎn)又包括發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并發(fā)起武器鏈建立申請(qǐng)的發(fā)起節(jié)點(diǎn)（A）和協(xié)同武器平臺(tái)節(jié)點(diǎn)（B，C，…，J）。

發(fā)起節(jié)點(diǎn)是武器鏈運(yùn)作的主控節(jié)點(diǎn)，它的作用包括發(fā)起申請(qǐng)，選定聯(lián)合制導(dǎo)節(jié)點(diǎn)和備份聯(lián)合制導(dǎo)節(jié)點(diǎn)，制導(dǎo)權(quán)的轉(zhuǎn)移，制導(dǎo)武器及重置任務(wù)等。協(xié)同武器平臺(tái)節(jié)點(diǎn)則根據(jù)接收到發(fā)起節(jié)點(diǎn)不同的控制消息，做出不同的響應(yīng)。若被選中為聯(lián)合制導(dǎo)節(jié)點(diǎn)，則要在發(fā)起節(jié)點(diǎn)制導(dǎo)權(quán)轉(zhuǎn)移后，承擔(dān)起制導(dǎo)武器的作用。武器節(jié)點(diǎn)的功能較為簡(jiǎn)單，主要包括響應(yīng)武器平臺(tái)的各種信息，接受武器平臺(tái)的制導(dǎo)以及定期反饋?zhàn)陨懋?dāng)前的位置信息等。

節(jié)點(diǎn)模型如圖3所示。ant_ctrl和ant_ctrl_backup是天線控制模塊，分別控制ant_weapon和ant_backup這兩副天線，控制天線工作在掃描狀態(tài)或者對(duì)準(zhǔn)狀態(tài)。processor模塊是核心處理模塊，其功能是設(shè)置節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，處理不同信息。不同節(jié)點(diǎn)類型的processor模塊采用不同的進(jìn)程模型，對(duì)此將在下一小節(jié)做進(jìn)一步介紹。

2.3 進(jìn)程建模

進(jìn)程模型通過有限狀態(tài)機(jī)（FSM）的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖（STD）來支持節(jié)點(diǎn)各功能的實(shí)現(xiàn)，用戶可根據(jù)實(shí)際需求自行編寫進(jìn)程模型。下面詳細(xì)介紹實(shí)現(xiàn)核心模塊processor的進(jìn)程模型。

圖3 節(jié)點(diǎn)模型Fig.3 Node model

2.3.1 發(fā)起節(jié)點(diǎn)processor模塊的進(jìn)程模型

如圖4所示，發(fā)起節(jié)點(diǎn)在初始化（init狀態(tài)）之后，進(jìn)入到wait狀態(tài)，若收到選定的聯(lián)合制導(dǎo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的聯(lián)合制導(dǎo)成功消息，則進(jìn)入聯(lián)合制導(dǎo)（JointGuide）狀態(tài)；若發(fā)起節(jié)點(diǎn)成功轉(zhuǎn)移制導(dǎo)權(quán)，則回到wait狀態(tài)。

圖4 發(fā)起節(jié)點(diǎn)processor模塊采用的進(jìn)程模型Fig.4 Process model of initiated node′s processor module

2.3.2 協(xié)同武器平臺(tái)節(jié)點(diǎn)processor模塊的進(jìn)程模型

如圖5所示，協(xié)同武器平臺(tái)節(jié)點(diǎn)在初始化（init狀態(tài)）之后，需經(jīng)過發(fā)起節(jié)點(diǎn)和武器節(jié)點(diǎn)的兩步確認(rèn)，方進(jìn)入JointGuide狀態(tài)進(jìn)行聯(lián)合制導(dǎo)；當(dāng)收到任務(wù)重置、任務(wù)超時(shí)、釋放預(yù)留資源等控制信息時(shí)，則返回wait狀態(tài)等待數(shù)據(jù)鏈重新建立。

圖5 協(xié)同武器平臺(tái)節(jié)點(diǎn)processor模塊采用的進(jìn)程模型Fig.5 Process model of cooperation node′s processor module

如果本節(jié)點(diǎn)既不是聯(lián)合制導(dǎo)節(jié)點(diǎn)，也不是備份聯(lián)合制導(dǎo)節(jié)點(diǎn)，則一直處在wait狀態(tài)。

2.3.3 武器節(jié)點(diǎn)processor模塊的進(jìn)程模型

武器節(jié)點(diǎn)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，其進(jìn)程模型如圖6所示。

圖6 武器節(jié)點(diǎn)processor模塊采用的進(jìn)程模型Fig.6 Process model of weapon node′s processor module

proc狀態(tài)處理各種信息，并接受武器平臺(tái)的制導(dǎo)，F(xiàn)eedback狀態(tài)定時(shí)向制導(dǎo)節(jié)點(diǎn)反饋本節(jié)點(diǎn)的位置信息。

3 仿真結(jié)果

仿真場(chǎng)景如圖2所示，武器平臺(tái)A發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，發(fā)起武器鏈的建立并制導(dǎo)武器擊中目標(biāo)。仿真的任務(wù)主要有兩點(diǎn)，一是模擬定向武器鏈的連接建立過程，二是武器鏈建立成功后武器平臺(tái)節(jié)點(diǎn)與武器節(jié)點(diǎn)之間的通信過程。仿真環(huán)境參數(shù)設(shè)置：兩套無線收發(fā)機(jī)傳輸速率均為2 Mbps，采用BPSK調(diào)制，一套頻段為1 600 MHz，另一套頻段為1 800 MHz。MAC采用TDMA，時(shí)幀200 ms，分為8個(gè)時(shí)隙，第一個(gè)時(shí)隙用于機(jī)間通信，其他時(shí)隙用于作戰(zhàn)飛機(jī)與武器間的通信。

武器鏈的建立過程以及武器接受武器平臺(tái)制導(dǎo)的信息在OPNET調(diào)試工具ODB中打印出如圖7所示。

圖7 武器接受制導(dǎo)并定時(shí)反饋位置信息Fig.7 Feedback information of weapon node

可見，武器節(jié)點(diǎn)首先由發(fā)起節(jié)點(diǎn)制導(dǎo)，經(jīng)過制導(dǎo)權(quán)的轉(zhuǎn)移，武器接受被選定的聯(lián)合制導(dǎo)節(jié)點(diǎn)制導(dǎo)，武器鏈建立成功。

武器鏈建立成功后，武器平臺(tái)對(duì)武器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行制導(dǎo)，武器節(jié)點(diǎn)也會(huì)定期向武器平臺(tái)反饋?zhàn)陨淼奈恢眯畔?。二者間數(shù)據(jù)通信的延遲如圖8所示，約為150 ms。武器數(shù)據(jù)鏈對(duì)時(shí)間延遲比較敏感，文獻(xiàn)[10]中提出武器數(shù)據(jù)鏈從源節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生數(shù)據(jù)包到接收端正確接收的延遲為亞秒級(jí)，文獻(xiàn)[11]中指出從傳感器到射手的全部鏈路延遲應(yīng)該為100 ms左右。通過對(duì)上述文獻(xiàn)的分析研究可得，本數(shù)據(jù)鏈方案基本符合設(shè)計(jì)要求。

圖8 網(wǎng)絡(luò)延遲仿真結(jié)果Fig.8 Network delay of simulation

仿真運(yùn)行中發(fā)起節(jié)點(diǎn)的天線指向角度如圖9所示，在制導(dǎo)過程中，武器平臺(tái)的天線始終指向武器節(jié)點(diǎn)，同理，武器節(jié)點(diǎn)的天線也指向武器平臺(tái)，兩副天線處于對(duì)準(zhǔn)狀態(tài)。定向天線的設(shè)計(jì)提高了數(shù)據(jù)通信的隱蔽性和抗干擾抗截獲性。

圖9 定向天線指向角度示意圖Fig.9 Pointing angle of directional antenna

4 結(jié)語

武器數(shù)據(jù)鏈作為當(dāng)前制導(dǎo)武器發(fā)展的主要方向，其主要技術(shù)難點(diǎn)是高速、大容量信息傳輸和多源多目標(biāo)信息融合，是信息化武器發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文提出了一種基于定向天線的武器數(shù)據(jù)鏈協(xié)同作戰(zhàn)方案，并就其建立過程和聯(lián)合制導(dǎo)進(jìn)行了設(shè)計(jì)仿真，對(duì)武器數(shù)據(jù)鏈的研究工作提供參考和借鑒。

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