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(zhàn)爭表明:空襲作戰(zhàn)對戰(zhàn)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(zhàn)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(zhàn)場環(huán)境，包含了與實戰(zhàn)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(huán)節(jié)，對信息依賴性強。貼近實戰(zhàn)條件下評估防空反導兵器的作戰(zhàn)性能，具有重大的現(xiàn)實需求和理論研究價值。

指控通信系統(tǒng)是受復雜環(huán)境［1］影響的信息鏈路環(huán)節(jié)之一?！皩崙?zhàn)條件下防空反導兵器指控通信系統(tǒng)性能評估”希望解決以下幾個問題:

(1)實戰(zhàn)條件內涵、統(tǒng)一、規(guī)范、定量化描述問題。做到要素化、模型化、參數(shù)化。

(2)實戰(zhàn)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(huán)節(jié)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(zhàn)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(xiàn)，通過敏感度試驗得到作戰(zhàn)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(zhàn)條件對指控通信系統(tǒng)的影響機理，構建實戰(zhàn)條件要素與防空反導兵器指控通信系統(tǒng)性能之間的關聯(lián)關系框架;

(2)進行防空反導兵器典型工作環(huán)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(tǒng)通信網(wǎng)絡實戰(zhàn)性能評估指標體系;

(4)設計實戰(zhàn)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(zhàn)條件要素對防空反導兵器指控通信性能影響機理與關聯(lián)關系

通過分析實戰(zhàn)環(huán)境中影響指控通信系統(tǒng)的因素，給出以下3個層次的關聯(lián)關系:戰(zhàn)場環(huán)境要素與指控通信系統(tǒng)性能以及與反導兵器系統(tǒng)作戰(zhàn)能力的關聯(lián)關系、干擾要素與接收機關聯(lián)關系、網(wǎng)絡層關聯(lián)關系。

實戰(zhàn)條件下對防空反導兵器指控通信系統(tǒng)產生主要影響的是電磁環(huán)境要素，即來自敵方的人為有意干擾。首先表現(xiàn)在網(wǎng)絡節(jié)點間鏈路誤碼率性能下降甚至中斷，進而影響信息在網(wǎng)絡中傳輸?shù)难舆t和可靠性，導致指控、目標指示等信息不能到達目的節(jié)點或到達目的節(jié)點的延時變大，從而影響到防空反導兵器系統(tǒng)的殺傷概率和殺傷區(qū)。關聯(lián)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(tǒng)物理層之間的關聯(lián)關系主要體現(xiàn)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(tǒng)物理層之間的關聯(lián)關系主要體現(xiàn)在通信系統(tǒng)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(tǒng)物理層性能影響主要體現(xiàn)在接收機的天線特性、射頻特性及處理損耗中［4］。各實戰(zhàn)要素與指控系統(tǒng)物理層之間的關聯(lián)關系如圖3所示。

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

選取定頻、直序擴頻、跳擴頻3類通信系統(tǒng)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(tǒng)的影響機理，考慮到指控通信系統(tǒng)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(tǒng)的影響甚小，可以忽略，結合指控通信系統(tǒng)的不同通信體制，分別構建地理環(huán)境要素與通信鏈路的關聯(lián)關系、干擾要素與定頻通信鏈路性能關聯(lián)關系、干擾要素與直序擴頻通信鏈路性能關聯(lián)關系、干擾要素與跳擴頻通信鏈路性能關聯(lián)關系、防空反導指控通信系統(tǒng)鏈路與網(wǎng)絡性能關聯(lián)關系，分析過程中主要將噪聲寬帶阻塞干擾、轉發(fā)式干擾作為典型干擾［6-8］，如圖5 ～9 所示。

3 指控通信系統(tǒng)傳輸鏈路建模

在實戰(zhàn)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(huán)節(jié)影響機理研究，模型在大多數(shù)情況下對實戰(zhàn)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(shù)據(jù)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)模型。辨識建模方法采用系統(tǒng)辨識技術，根據(jù)系統(tǒng)實際運行或試驗過程中所取得的輸入/輸出數(shù)據(jù)，利用各種辨識算法來建立系統(tǒng)的動靜態(tài)數(shù)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(jù)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(huán)節(jié)的建模采用了基于機理的建模方法。首先基于實戰(zhàn)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(zhàn)條件、信息鏈路內部環(huán)節(jié)及參數(shù)與輸出性能的關聯(lián)關系。根據(jù)關聯(lián)關系確定建模粒度和模型實現(xiàn)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(xiàn)該模塊的處理過程，將其處理特性進行較為全面的再現(xiàn);而對于重要性不高，也即對實戰(zhàn)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(xiàn)其實際處理過程，而是在先驗知識的基礎上，直接針對其統(tǒng)計性能進行建模;對于那些與實戰(zhàn)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(zhàn)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(shù)據(jù)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(fā)射與接收建模、統(tǒng)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(shù)據(jù)(如果數(shù)據(jù)不足，也可以采用模擬數(shù)據(jù))對模型運行結果進行校驗。校驗要在中間環(huán)節(jié)、最終性能輸出環(huán)節(jié)2個層面上進行，校驗的數(shù)據(jù)要根據(jù)靜態(tài)/動態(tài)數(shù)據(jù)的不同，以及時、頻、平穩(wěn)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(tǒng)才具備一定的置信度。

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

4 指控通信網(wǎng)絡系統(tǒng)實戰(zhàn)性能仿真平臺建立

實戰(zhàn)條件下防空反導兵器指控通信系統(tǒng)性能仿真平臺完成物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)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(tǒng)中的相關參數(shù)，如通信節(jié)點位置、干擾機參數(shù)、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(xiàn)仿真中各種參數(shù)、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(tǒng)鏈路與網(wǎng)絡性能關聯(lián)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(wǎng)絡性能仿真。采用了以實時時間推進下的多平臺交互式聯(lián)合仿真為架構的設計思路，將多平臺統(tǒng)一調度起來，利用HLA架構下的聯(lián)邦成員互通機制［10-11］，分別對Matlab和Opnet環(huán)境中的輸入和屬性進行配置，以運行支撐環(huán)境(run time infrastructure，RTI)實現(xiàn)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(tǒng)的抗干擾能力;

(2)在給定部署場景下，評估指控通信網(wǎng)絡工作性能。

所建立的指控通信系統(tǒng)性能仿真平臺具備以下特點:

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

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

(3)可靈活設置干擾機參數(shù)，如干擾機數(shù)目、干擾信號類型和參數(shù)、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(wǎng)絡參數(shù)，如網(wǎng)絡規(guī)模、節(jié)點數(shù)量、節(jié)點位置、節(jié)點工作狀態(tài)、網(wǎng)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(shù)據(jù)，并可回放;

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

(7)支持獨立仿真和聯(lián)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(shù)與配置內容。

選取美軍Link-16數(shù)據(jù)鏈和某綜合數(shù)據(jù)鏈指控通信系統(tǒng)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(zhàn)場環(huán)境下實戰(zhàn)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(tǒng)實戰(zhàn)性能仿真平臺網(wǎng)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(tǒng)實戰(zhàn)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(tǒng)實戰(zhàn)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(tǒng)實戰(zhàn)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(zhàn)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(zhàn)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(lián)關系，并依據(jù)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(wǎng)絡層協(xié)同交互仿真的仿真平臺開發(fā)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(tǒng)實戰(zhàn)性能仿真平臺。該平臺可以嵌入到體系仿真系統(tǒng)中，完成指控通信系統(tǒng)的實時仿真，為整個武器系統(tǒng)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(xù)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(fā);

(2)指控通信系統(tǒng)性能評估的數(shù)學、半實物仿真設計;

(3)防空反導兵器網(wǎng)絡化協(xié)同作戰(zhàn)體系仿真;(4)通信系統(tǒng)規(guī)劃和作戰(zhàn)配置工具開發(fā)。

［1］ 王汝群.戰(zhàn)場電磁環(huán)境［M］.北京:中國人民解放軍出版社，2006.WANG Ru-qun.The Electromagnetic Environment in Battlefiled［M］.Beijing:Chinese PLA Pubulishing House，2006.

［2］ ZHANG Yu，ZHENG Xue-he，YANG Sen，et al.Mo-deling and Performance Analysis of Frequency Hopping Spread Spectrum Communication System［C］∥2010 The Chinese Symposium on Information Science and Technology，2010.

［3］ 姚富強.軍事通信抗干擾及網(wǎng)系應用［M］.北京:中國人民解放軍出版社，2004.YAO Fu-qiang.Military Antijamming Communication and Network Application［M］.Beijing:Chinese PLA Publishing House，2004.

［4］ 郝建民.寬帶噪聲干擾對直接序列擴頻通信的干擾效果分析［J］.遙測遙控，2005，26(2):19-27.HAO Jian-min.The Effect of Correspondence Analysis of the Breadth Voice＇s Interference to the Direct Sequence［J］.Journal of Telemetry，Tracking and Command，2005，26(2):19-27.

［5］ 姚富強.通信抗干擾工程與實現(xiàn)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008.YAO Fu-qiang.Communication Antijamming Engineering and Practice［M］.Beijing:Publishing House of Elecctronics Industry，2008

［6］ ZHANG Yu，SUN Zhi-qiang，LU Ji-hua，et al.Simulation and Performance Analysis of FH Spread Spectrum Communication System Under Repeater Jamming［C］∥2011 3rd International Conference on Networks Security Wireless Communications and Trusted Computing，2011.

［7］ ZHANG Yu，ZHENG Xue-he，YANG Sen，et al.Performance Analysis and Simulation of DSSS System in Classical Urban Fading Enviornments and Pulse interference［C］∥2010 Chinese Symposium on Information Science and Technology，2010.

［8］ LI Wu-yuan，ZHENG Xue-he，YANG Sen，et al.A New Transmit Diversity Method Based on Water-Pouring Principle in Multiple Antennas Systems［C］∥2010 Chinese Symposium on Information Science and Technology，2010.

［9］ Michel C Jeruchim，Philip Balaban，Sam Shanmugan K.通信系統(tǒng)仿真［M］.周希元，陳衛(wèi)東，畢見鑫，譯.2版.北京:國防工業(yè)出版社，2004:15-16.Michel C Jeruchim，Philip Balaban，Sam Shanmugan K.Simulation of Communication Systems［M］.ZHOU Xiyuan，CHEN Wei-dong，BI Jian-xin，Translated.2nd ed.Beijing:National Defense Industry Press，2004:15-16.

［10］ 余曉剛，張玉冰，姚富強.基于HLA的通信電子戰(zhàn)仿真平臺設計［J］.電子對抗技術，2002，17(1):32-34.YU Xiao-gang，ZHANG Yu-bing，YAO Fu-qiang.Imitation Design of Electronic Combat Based on the HLA［J］.Electronic Warfare Technology，2002，17(1):32-34.

［11］ 楊田，徐志軍，王華力，等.基于HLA的空間信息對抗分布式仿真系統(tǒng)［J］.軍事通信技術，2007(4):87-90.YANG Tian，XU Zhi-jun，WANG Hua-li.Distribute Type Simulation System of Space Informention Resist Based on HLA［J］.Journal of Military Communications Technology，2007(4):87-90.