郭 明，姚力波，王子玲

（海軍航空工程學(xué)院 山東 煙臺 264001）

在現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭中，信息優(yōu)勢的獲取越來越成為關(guān)鍵因素。奪取信息優(yōu)勢的關(guān)鍵之一就是建立完備的指揮、控制、通信、計算機(jī)、情報、偵察和監(jiān)視系統(tǒng)（C4ISR系統(tǒng)）[1]。C4ISR系統(tǒng)包含各種信息源、信息處理中心和信息用戶等子系統(tǒng)，一個完善的C4ISR系統(tǒng)需要的眾多的硬件和軟件支持。在C4ISR系統(tǒng)中，信息的傳遞與分發(fā)是支持整個C4ISR系統(tǒng)正常運作的基礎(chǔ)。為保證系統(tǒng)的規(guī)范化和可擴(kuò)展性，各國C4ISR系統(tǒng)中都設(shè)計了一套專用的通信報文標(biāo)準(zhǔn)用于各裝設(shè)備與子系統(tǒng)之間的通信與信息交互，所有加入C4ISR系統(tǒng)的裝設(shè)備都要符合這套通信報文標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范與要求。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及裝設(shè)備水平的提高，舊有通信報文標(biāo)準(zhǔn)可能面臨升級換代。一旦新的標(biāo)準(zhǔn)出臺，原有裝設(shè)備與子系統(tǒng)也必須依據(jù)新的通信報文標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行軟硬件改造。由于涉及面廣，通信報文標(biāo)準(zhǔn)的升級換代是十分謹(jǐn)慎與復(fù)雜的事情，必須嚴(yán)肅對待。在貫徹新的通信報文標(biāo)準(zhǔn)前，必須做充分的報文可行性分析與正確性驗證。

系統(tǒng)仿真技術(shù)[2]為C4ISR通信報文標(biāo)準(zhǔn)的仿真驗證提供了技術(shù)途徑，本文利用分布式交互仿真（DIS，Distributed Interactive Simulation）技術(shù)對C4ISR系統(tǒng)中目標(biāo)情報信息交互進(jìn)行建模與仿真，建立相應(yīng)的實體模型和節(jié)點模型，并利用想定文件設(shè)定特定的戰(zhàn)術(shù)背景，構(gòu)建特定的目標(biāo)情報信息傳輸案例，仿真C4ISR系統(tǒng)中目標(biāo)情報信息傳輸?shù)娜^程，為通信標(biāo)準(zhǔn)的制定與裝備的相關(guān)改造提供可行性分析與技術(shù)支撐。

1 系統(tǒng)功能和組成

1.1 系統(tǒng)功能

分布式C4ISR系統(tǒng)通信報文傳輸標(biāo)準(zhǔn)仿真驗證系統(tǒng)主要研究C4ISR系統(tǒng)中各種信息源、信息處理中心和信息用戶之間信息傳輸?shù)姆抡鎽?yīng)用研究，并對通信報文標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行正確性驗證與性能評估。其主要功能為：

1）構(gòu)建逼真的C4ISR系統(tǒng)信息傳輸網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境；

2）實現(xiàn)信息源、信息處理中心、信息用戶之間信息傳輸?shù)娜^程；

3）對通信報文標(biāo)準(zhǔn)中各類報文的正確性和有效性進(jìn)行驗證；

4）對通信報文標(biāo)準(zhǔn)中各類報文的性能及效能進(jìn)行測試評估研究；

5）為C4ISR系統(tǒng)實裝貫標(biāo)改造提供技術(shù)與決策支撐。

1.2 系統(tǒng)組成

分布式C4ISR系統(tǒng)通信報文傳輸標(biāo)準(zhǔn)仿真驗證系統(tǒng)由仿真控制中心節(jié)點、信息源節(jié)點、信息處理中心節(jié)點、信息用戶節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)通信監(jiān)控節(jié)點等5類節(jié)點組成。仿真控制中心節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)通信監(jiān)控節(jié)點各1臺，信息源節(jié)點、信息處理中心節(jié)點和信息用戶節(jié)點的數(shù)量由整個系統(tǒng)的規(guī)模及通信需求決定。圖1以4個信息源節(jié)點（2個雷達(dá)站、1架預(yù)警機(jī)、1個機(jī)動雷達(dá)）、2個信息處理中心節(jié)點和2個信息用戶節(jié)點為例說明系統(tǒng)的組成方案。

圖1 系統(tǒng)組成框圖Fig.1 The system composition block diagram

1.2.1 仿真控制中心節(jié)點

仿真控制節(jié)點由場景管理、仿真想定管理、仿真推演和仿真控制等功能模塊組成。場景管理模塊基于MapX組件開發(fā)，是想定系統(tǒng)運行的地理信息平臺，它有圖層管理，地圖放大、縮小、漫游和地圖加載功能，實現(xiàn)仿真各元素的可視化展示。仿真想定管理模塊可依托于場景管理模塊，在可視化的基礎(chǔ)上構(gòu)建具有一定戰(zhàn)術(shù)背景的仿真想定，即包括參與仿真的信息源、信息處理中心、信息用戶等節(jié)點的初始參數(shù)設(shè)定，又確定參與仿真中的運動實體及其運動模型。同時，仿真想定模塊構(gòu)建了基于XML標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)的仿真想定庫，可實現(xiàn)想定文件的加載、刪除、保存、導(dǎo)入、導(dǎo)出等基本操作。想定推演模塊則負(fù)責(zé)對想定文件所表示的戰(zhàn)場環(huán)境進(jìn)行模擬演練，驗證運動實體運動參數(shù)設(shè)置的合理性。仿真控制模塊是整個仿真系統(tǒng)的控制中樞，負(fù)責(zé)控制整個仿真進(jìn)程，實現(xiàn)包括仿真開始、仿真暫停、仿真繼續(xù)和仿真停止等操作，并可靈活設(shè)置仿真運行的速度。同時，仿真控制模塊還可對整個仿真的基本參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，包括目的、仿真時間、各仿真節(jié)點網(wǎng)絡(luò)地址的分配等。

1.2.2 信息源節(jié)點

信息源節(jié)點主要實現(xiàn)信息源傳輸數(shù)據(jù)的獲取、處理、報送等功能的仿真。根據(jù)系統(tǒng)模擬目標(biāo)的基本參數(shù)和航跡數(shù)據(jù)，依據(jù)信息源的性能參數(shù)，生成信息源原始探測數(shù)據(jù)；通過預(yù)先設(shè)定的劇情或者人機(jī)交互實現(xiàn)對探測數(shù)據(jù)處理的仿真，如目標(biāo)的檢測、跟蹤、編批等，生成目標(biāo)的屬性、航跡等態(tài)勢信息；將原始探測數(shù)據(jù)、態(tài)勢信息和狀態(tài)信息通過信息傳輸模型進(jìn)行發(fā)送。

1.2.3 信息處理中心節(jié)點

信息處理中心節(jié)點主要實現(xiàn)各級信息處理中心節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)的獲取、處理、報送等功能的仿真。接收多個信息源節(jié)點發(fā)送的原始探測數(shù)據(jù)或處理后的態(tài)勢信息，根據(jù)設(shè)置的信息處理中心性能參數(shù)對多個信息源的探測數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，生成綜合態(tài)勢；接收信息用戶的情報請求，生成信息用戶所需要的態(tài)勢數(shù)據(jù)。

1.2.4 信息用戶節(jié)點

信息用戶節(jié)點實現(xiàn)信息用戶依據(jù)不同級別的使用權(quán)限，實現(xiàn)目標(biāo)綜合態(tài)勢信息的訂閱、接收、顯示、分發(fā)等功能的仿真。依據(jù)劇情設(shè)定或者人機(jī)交互，向信息處理中心節(jié)點發(fā)出情報請求，將情報請求按照通信報文標(biāo)準(zhǔn)編碼發(fā)送；接收信息處理中心節(jié)點發(fā)送的態(tài)勢信息，并按照通信報文標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行解碼，生成并顯示態(tài)勢。

1.2.5 網(wǎng)絡(luò)通信監(jiān)控節(jié)點

網(wǎng)絡(luò)通信監(jiān)控節(jié)點實現(xiàn)各個信息源、信息處理中心和信息用戶節(jié)點之間在模擬的信道中傳輸數(shù)據(jù)和報文的實時監(jiān)控，并對相關(guān)信息進(jìn)行截獲和統(tǒng)計，獲取整個仿真系統(tǒng)信息傳輸?shù)膩G包率、誤碼率、信道吞吐量等信息，驗證信道傳輸?shù)目煽啃院托诺赖膫鬏斝剩灰钥梢暬谋憩F(xiàn)形式對各個仿真節(jié)點傳輸?shù)男畔⒑凸?jié)點自身的信息狀態(tài)轉(zhuǎn)移進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控及動態(tài)顯示，使系統(tǒng)仿真的過程和結(jié)果更具直觀性。

2 仿真系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 場景管理與態(tài)勢顯控

為增加仿真系統(tǒng)的直觀性和可讀性，仿真系統(tǒng)想定編制及目標(biāo)態(tài)勢顯示通常都在地理信息系統(tǒng)上進(jìn)行描繪，因此開發(fā)一套適用于想定開發(fā)和態(tài)勢顯示的地理信息平臺是整個分布式C4ISR通信報文傳輸標(biāo)準(zhǔn)仿真驗證系統(tǒng)的基礎(chǔ)。由于系統(tǒng)所需的地理信息平臺的功能并不復(fù)雜，實際仿真系統(tǒng)開發(fā)中依托輕量級的第三方控件MapX實現(xiàn)地理信息系統(tǒng)的功能[3]，主要包括：

1）場景管理：包括地圖加載、圖層管理、地圖放大、縮小、漫游，仿真實體標(biāo)注、運動實體運動軌跡規(guī)劃等。

2）態(tài)勢顯控：主要對運動實體的航跡進(jìn)行繪制。

2.2 仿真想定管理

C4ISR系統(tǒng)通信報文標(biāo)準(zhǔn)是一整套通信報文的集合，其在設(shè)計與編制的時候需要考慮各種情況下，信息源、信息處理中心以及信息用戶之間可能使用的通信報文。然而，戰(zhàn)場環(huán)境千變?nèi)f化，如果僅是普通對所有報文進(jìn)行單機(jī)的功能驗證，則可能會掩蓋多消息并發(fā)處理或目標(biāo)密集極限時，通信報文標(biāo)準(zhǔn)在性能或容錯機(jī)制上的缺陷。為更好的對通信報文標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行仿真驗證，需要仿真想定編輯與管理功能。讓用戶以一定的專業(yè)知識為依托，編輯具有相應(yīng)戰(zhàn)術(shù)背景的仿真想定，仿真運行時，按照仿真想定規(guī)定的劇情進(jìn)行通信報文標(biāo)準(zhǔn)的驗證與評估。

仿真系統(tǒng)建立仿真想定庫，可新建、修改、刪除、導(dǎo)入、導(dǎo)出想定文件，實現(xiàn)功能完備的仿真想定管理功能。同時，設(shè)計實體、關(guān)系、交互模型，并采用通用的XML文件對仿真想定進(jìn)行規(guī)范化設(shè)計與描述，提高了仿真想定的可重用性和可移植性。一個完整的仿真想定由實體、關(guān)系、交互、相關(guān)資源等模塊組成，整個仿真想定的XML結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 仿真想定的XML結(jié)構(gòu)圖Fig.2 XML structure of simulation scenario

2.2.1 實體模型設(shè)計

實體是可識別的人、裝備、組織、設(shè)施或概念等，是作戰(zhàn)行動及其相互影響的主體或客體。在仿真系統(tǒng)中，實體是指參與仿真的具有一定獨立行為能力的單元，包括指揮實體、行動實體、戰(zhàn)略目標(biāo)（機(jī)場、港口、陣地等）、各類信息、通信系統(tǒng)等[4]。具體到本文的應(yīng)用背景中，實體主要指的是C4ISR系統(tǒng)中的各類通信系統(tǒng)（即信息源、信息處理中心和信息用戶）以及各種類型（空中、海面、水下等）目標(biāo)。其中，信息源、信息用戶及各種目標(biāo)皆可能為行動實體。

實體可用其屬性來描述，其中包括標(biāo)識屬性、空間屬性、行為屬性、裝備屬性等。標(biāo)識屬性提供實體的標(biāo)識信息，用以區(qū)別于其它實體，如標(biāo)識碼、所屬方、軍兵種、類屬信息、級別等?？臻g屬性描述實體在戰(zhàn)場空間的位置，包括經(jīng)度、緯度、高深度等。行為屬性是實體的運動特性指標(biāo)，主要描述實體的運動軌跡、運動模型等。裝備屬性表征實體所具備的預(yù)期完成任務(wù)目標(biāo)的能力，如信息源所裝備的預(yù)警雷達(dá)的種類、型號、數(shù)量、名稱參數(shù)等。

2.2.1.1 信息源實體模型

信息源是情報信息的主要來源，其利用一定的探測裝備對目標(biāo)進(jìn)行探測識別，進(jìn)而將目標(biāo)信息按照通信報文標(biāo)準(zhǔn)發(fā)送給其隸屬的信息處理中心，完成目標(biāo)情報信息的上報。信息源根據(jù)其是否具備機(jī)動能力分為固定式（如雷達(dá)站）與機(jī)動式（如預(yù)警機(jī)），其仿真實體模型利用標(biāo)識屬性、空間屬性、行為屬性和裝備屬性來共同描述。

1）標(biāo)識屬性：為信息源的基本屬性，包括名稱、敵我屬性、兵種、軍級、在C4ISR系統(tǒng)中的唯一標(biāo)識等。

2）空間屬性：為信息源的位置屬性，主要包括經(jīng)度、維度、高深度、是否為機(jī)動信息源等，想定中記錄的是仿真實體的初始位置。

3）行為屬性：為信息源的運動屬性，主要為運動軌跡編號，該屬性為機(jī)動信息源所特有，固定式信息源不具備該屬性。

4）裝備屬性：為信息源的探測屬性，該屬性為信息源特有屬性，記錄信息源所具有的探測裝備種類編號及數(shù)量，一個信息源可包含多個探測裝備。

2.2.1.2 信息處理中心實體模型

信息處理中心不具有探測裝備而且一般為固定式，因此其仿真實體模型僅利用標(biāo)識屬性和空間屬性描述即可，其內(nèi)容與信息源的相關(guān)屬性基本相同。

2.2.1.3 信息用戶實體模型

與信息處理中心相比，信息用戶可能具有機(jī)動性能，因此，信息用戶的仿真實體模型需要利用標(biāo)識屬性、空間屬性和行為屬性來共同進(jìn)行描述，其內(nèi)容與信息源的相關(guān)屬性基本相同。

2.2.1.4 運動目標(biāo)實體模型

運動目標(biāo)為信息源探測的對象，其仿真實體模型可通過標(biāo)識屬性、空間屬性與行為屬性來共同刻畫?？臻g屬性和行為屬性與信息源的類似，標(biāo)識屬性包括名稱、目標(biāo)屬性、目標(biāo)類別、目標(biāo)類型、所屬國籍等。

2.2.2 關(guān)系模型設(shè)計

關(guān)系指仿真節(jié)點的內(nèi)在聯(lián)系，其類型包括隸屬關(guān)系、管轄和授權(quán)、認(rèn)證關(guān)系。信息源隸屬一定的信息處理中心，其決定了信息情報上報的方向；信息處理中心根據(jù)其級別的不同，隸屬其上級信息處理中心，同時可管轄多個信息源和下級信息處理中心，可授權(quán)多個信息用戶；信息用戶可獲得多個信息處理中心的認(rèn)證，從其獲取定制的情報信息。想定中，關(guān)系記錄包括關(guān)系編號、關(guān)系主體、關(guān)系類型、關(guān)系客體等。

2.2.3 交互模型設(shè)計

交互為實體之間互相施加的影響，施加影響的實體稱為主動實體，接受交互并受交互影響的實體稱為被動實體。在通信仿真中，主動實體為發(fā)出通信報文的實體，被動實體為接收報文的實體。想定中，交互記錄包括交互編號、報文發(fā)送實體、報文接收實體、報文中轉(zhuǎn)實體、報文類、子報文類等。

2.2.4 運動資源

運動資源記錄仿真中所有的運動軌跡，包括運動軌跡編號、運動軌跡名稱及相應(yīng)的拐點信息，每個拐點又包括拐點經(jīng)度、維度、高深度及運動模型等信息。仿真想定根據(jù)運動軌跡編號將具備行為屬性的運動實體與運動資源進(jìn)行相關(guān)聯(lián)。在仿真中，運動實體將按照關(guān)聯(lián)軌跡進(jìn)行規(guī)劃運動。一個運動實體僅能對應(yīng)一條運動資源，編隊目標(biāo)可同時對應(yīng)于同一運動資源。

2.2.5 裝備資源

裝備資源記錄仿真中所有信息源具備的裝備，主要對探測裝備的性能參數(shù)進(jìn)行描述，以某雷達(dá)為例，其探測資源記錄包括：裝備編號、裝備類型、裝備名稱、雷達(dá)維數(shù)、最大作用距離、掃描模式、掃描周期、檢測概率、起始方位、結(jié)束方位、起始俯仰、結(jié)束俯仰、雜波數(shù)、距離探測精度、方位探測精度、距離系統(tǒng)偏差、方位系統(tǒng)偏差、俯仰系統(tǒng)偏差等。不同的信息源如果其配備的探測裝備相同，則其對應(yīng)同一裝備資源。

2.2.6 輔助信息

輔助信息指的是與仿真相關(guān)的其他一些說明類和設(shè)置類的信息，如仿真目的、仿真名稱、各仿真節(jié)點網(wǎng)絡(luò)配置、仿真環(huán)境、待驗證通信報文標(biāo)準(zhǔn)名稱等。其中仿真環(huán)境包括地理環(huán)境、氣象環(huán)境、水文環(huán)境等，信息源的探測裝備的性能可能會受到仿真環(huán)境的影響而不同。

2.3 通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境仿真

逼真的通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境仿真能夠提高C4ISR系統(tǒng)通信報文標(biāo)準(zhǔn)仿真驗證系統(tǒng)仿真結(jié)果分析的可信程度。QualNet是一種應(yīng)用于無線、有線以及動態(tài)網(wǎng)絡(luò)，具有快速、精確特性的網(wǎng)絡(luò)開發(fā)、仿真系統(tǒng)。QualNet網(wǎng)絡(luò)仿真工具在速度、可擴(kuò)展性和模型保真度上具有較強(qiáng)優(yōu)勢。協(xié)議模型的源代碼為開發(fā)者提供了一套完整的模型庫，可用于全新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和算法，預(yù)測不同類型網(wǎng)絡(luò)的性能，網(wǎng)絡(luò)規(guī)?？蓴U(kuò)展至上萬個無線移動節(jié)點，對戰(zhàn)場動態(tài)網(wǎng)絡(luò)的仿真提供了技術(shù)支持。

QualNet是基于層的構(gòu)架進(jìn)行組織的，各層定義有對應(yīng)的協(xié)議，協(xié)議之間的通信使用定義好的應(yīng)用編程接口API函數(shù)，每一個節(jié)點都有一個協(xié)議棧，協(xié)議就分布在相應(yīng)功能層中。協(xié)議中服務(wù)的選擇、確定是通過QualNet的事件處理機(jī)制進(jìn)行的[5]。各層定義、功能和服務(wù)協(xié)議見表1。

表1 QualNet分層定義、協(xié)議及功能Tab.1 The definition，protocol and funciton of the QualNet layers

考慮實際戰(zhàn)場信息系統(tǒng)中通信多數(shù)采用數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)，而數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的傳輸大多采用無線方式，并且這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單、數(shù)據(jù)傳輸量大、消息實時性要求高的特點 ，特別在戰(zhàn)情復(fù)雜時，需要大量的實時態(tài)勢信息交互，網(wǎng)絡(luò)控制信息增多，若按照傳統(tǒng)的逐層通信將造成難以避免的遲滯，嚴(yán)重制約數(shù)據(jù)鏈的性能。為了盡可能提高模型的真實性，需要對QualNet的協(xié)議棧進(jìn)行修改，將傳輸層與網(wǎng)絡(luò)層合并為新的網(wǎng)絡(luò)層，由其實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、路由選擇、網(wǎng)絡(luò)互、傳輸控制及維護(hù)等功能，為多鏈網(wǎng)絡(luò)提供支持和服務(wù)，即在網(wǎng)絡(luò)模擬中實現(xiàn)跨層通信的機(jī)制。

圖3 仿真控制中心節(jié)點運行流程Fig.3 The running flow of the simulation control node

圖4 信息源節(jié)點運行流程Fig.4 The running flow of the information source node

實際仿真中，可采用保留現(xiàn)有協(xié)議棧模型的基礎(chǔ)上，通過建立新的消息結(jié)構(gòu)實現(xiàn)底層與高層直接通信的方式[6]，來實現(xiàn)模擬網(wǎng)絡(luò)的跨層通信。

圖5 信息處理中心節(jié)點運行流程Fig.5 The running flow of the information processing center node

圖6 信息用戶節(jié)點運行流程Fig.6 The running flow of the information user node

3 仿真系統(tǒng)流程

仿真過程主要由各節(jié)點事件觸發(fā)，按仿真時鐘同步，產(chǎn)生事件時則調(diào)用相應(yīng)模塊進(jìn)行處理并反饋。仿真運行后，網(wǎng)絡(luò)通信監(jiān)控節(jié)點自動對功能節(jié)點進(jìn)行通信狀態(tài)與傳輸信息的監(jiān)控與顯示，其他各類節(jié)點的運行流程如圖3～6所示。

4 結(jié)束語

分布式C4ISR系統(tǒng)通信報文傳輸標(biāo)準(zhǔn)仿真驗證系統(tǒng)的研究，實現(xiàn)了在信息化條件下C4ISR系統(tǒng)各情報分系統(tǒng)之間按照規(guī)定通信報文標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行情報信息分發(fā)、共享的全過程，可進(jìn)行通信報文標(biāo)準(zhǔn)的正確性驗證與可行性分析，同時也可為新標(biāo)準(zhǔn)實施后的實裝貫標(biāo)改造工作提供技術(shù)支撐

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