数据链仿真研究*

杨 光,周经伦,王文政

(1.海军工程大学,武汉 430033,2.国防科技大学信息系统与管理学院,长沙 410073)

数据链仿真研究*

杨 光1,2,周经伦2,王文政2

(1.海军工程大学,武汉 430033,2.国防科技大学信息系统与管理学院,长沙 410073)

数据链仿真是数据链武器装备论证的重要内容和有效方法。主要对战术数据链系统的设计开发、测试评估、协同互联和互操作、模拟训练等重要研究领域的仿真应用研究,战术数据链分布仿真技术以及国外战术数据链模拟器的建设进行了述评。最后,对数据链仿真研究领域亟待解决的问题进行介绍。

数据链,建模,仿真

引 言

数据链[1](Tactical Data Link)是一种汇集通信、导航和识别的综合化战场信息系统,是信息化作战中各种作战平台与网络的互联及信息业务互通的基础。数据链仿真是用计算机辅助技术对数据链系统进行建模、分析和设计,从而为数据链系统的开发、研制和评测建立快速的研究环境,在这种环境中,软件模型能够与硬件数据和真实的信号结合起来,从而对数据链系统进行快速、高效、准确的研究。

按照仿真的颗粒度,数据链仿真分为链路仿真、网络仿真和作战仿真 3个层次。主要用于数据链组网优化、作战效能评估和模拟训练。

数据链仿真技术研究在国内起步较晚,多以链路级和网络级数据链仿真研究为重点,缺乏面向作战应用的数据链仿真研究。在数据链组网规划仿真方面,缺乏对基于作战运用的组网研究。在数据链作战效能评估仿真技术方面,虽进行了初步研究,但缺乏顶层设计和数据链仿真系统技术的支持。数据链装备训练模拟技术研究目前在国内尚属起步阶段。

1 国外数据链仿真研究

美军历来就十分重视数据链建模与仿真的相关研究。上世纪60年代初,美空军针对赛奇(SAGE)系统的战斗机和陆军防空导弹系统的数据链仿真,是国外最早开展的数据链仿真工作。国外数据链仿真主要应用于数据链的设计开发、测试评估、协同作战、模拟训练、网络规划等方面。

1.1 设计开发

与一般的通信系统不同,战术数据链传输的主要是实时的格式化作战数据,在信息传输的实时性、可靠性和安全性等方面都有较高的要求。因此,在数据链系统的设计开发过程中,需要对报文格式的设计、验证;编码、调制方案的选择;接入控制技术的确定;抗干扰技术、导航技术、中继技术的研究开发等开展相应的仿真研究,为战术数据链的设计开发提供决策支持。美陆军开发了一套 JT IDS综合选址工具 JIST[2]。它可以将 JTIDS网络配置在各种各样的地形条件下,通过多种信道模型,利用集成化的电子地图,预测链路损耗,进行 JTIDS链路多径预算。

1.2 测试评估

为测试各战术数据链系统的性能,完成数据链与指控、武器平台之间的交链和信息融合,检验数据链网络的连通性,以及对战术数据链的作战效能进行评估,需要开展数据链测试评估技术研究工作。由于测试评估工作的复杂性,一般在完全仿真环境或者半实物仿真环境下进行。在数据链仿真测试环境中,可以通过安全的有线网络将地理上分开的测试设备、战术计算机系统以及仿真终端连接起来,满足各种数据链设备独立测试和联合测试的需要,实现综合测试和人员培训。同时,可以进行多种数据链系统综合组网测试。

1978年,美海军建立了以协同作战为目的的海军战术系统协同作战中心(NCTSI),其任务是确保战术数据链系统的协同工作能力,并为海上舰艇编队作战提供支持。美军自上世纪90年代建立了美军数据链联合测试与评估中心。该中心的系统综合设施(SIF)与综合测试平台(CTB)构成了一套完善的分布式数据链测试系统。美国Dynamics Research公司开发的战术数据链集成、测试和仿真环境 JTD/M LTD[3]采用面向对象的动态交互仿真技术,可以对各种数据链系统进行仿真。瑞典开发的Link 16测试和仿真工具[4],能支持在海、陆、空平台下的 Link 16通信系统的测试、评估和验证工作。

数据链系统是战术通信网的重要组成部分,是编织空空网络和空地网络的基础。美军历来重视战术通信网的建模与仿真研究工作,相继开发出多种应用与战术通信网系统仿真与综合应用的系统,它包括 TIM S、 SIMNET、NETW ARS和 SEAM LSS等系统。这些系统均不同程度地支持数据链仿真。在网络性能分析方面,英国的 Lancaster University建立了第一个OPNET的仿真模型。该模型主要仿真了JTIDS的 TDMA工作方式、几种业务在网络中的传输情况等。

在战术数据链作战效能评估方面,国外一般都是在网络中心战概念框架下开展[5]。 Altrichter W.W.[6]利用在两个场景下的仿真结果演示了JT IDS相对导航对态势感知、目标识别以及武器分发能力提高的水平。

1.3 协同互联和互操作

解决数据链协同互联和互操作问题有两条途径[7]:一是让所有的数据链系统在交换战术信息时采用相同的数据链标准;二是在不同的数据链标准之间利用数据链网关设备来达到互联的目的。对于第一种方法,要改变现有数据链标准将涉及到一系列问题,实现起来非常困难。因此,目前数据链协同互联与互操作的研究主要采用第二种方法。

美空军实施的战术数据链网关计划,将 Link 16/罗塞塔网关的先进概念技术演示作为优先发展的项目。澳大利亚空军05/086号工程[8]也重点研究了罗塞塔网关技术。罗塞塔网关采用客户机 /服务器结构,运用包括文本分析技术、实时查询语言(RQL)数据库以及转送准则目标网关等一系列技术,可以在当前或未来战场上装备 Link 16、EPLRS、VM F以及 SADL的单元之间提供互操作。

1.4 模拟训练

美军早在上世纪 70年代就开始了其模拟训练的历史。美军现役的许多综合仿真系统都具有数据链模拟训练的功能。为了在不影响战术数据链正常使用的情况下,共享其战术信息,实现基于DIS的仿真训练,美国阿拉巴马州的 COLSA公司便开展了对真实战术数据链系统和 DIS模拟训练系统之间报文格式转换的研究[9],研制了一种战术数据链转换器。该转换器能将战术数据链的真实报文转换为信号 PDU,并能实现报文的识别、转发和端-端目的标记。

1.5 战术数据链分布交互仿真

随着基于 HLA/DIS框架的数据链分布式仿真研究的逐步深入,数据链分布交互仿真已经成为当前数据链仿真研究的热点问题。仿真互操作标准组织 (Simulation Interoperability Standards Organization,SISO)于近期相继提出了基于 DIS/HLA的 Link 16仿真标准和 Link 11/11B仿真标准,给出了 Link 16和 Link 11/11B仿真的相关术语、定义和约定,确定了战术数据链报文交换格式,以及利用DIS和 HLA技术进行 Link 16和 Link 11/11B数据链仿真的实现框架。目前,数据链仿真研究主要集中在 DIS/HLA通信系统仿真,即如何在DIS/HLA 环 境 下 对 JMCOMS、CEC、Link16、Link22等动态可编程数据链进行仿真。

2 国内研究现状

国内数据链研制和建设起步很晚,数据链仿真技术的研究也相对落后。主要研究工作集中在对数据链链路层和网络的仿真,对面向作战应用的数据链仿真研究相对较少。主要应用于数据链抗干扰性能分析、数据链网络性能分析及数据链效能评估。

1)数据链抗干扰性能分析

北京理工大学信息科学技术学院现代通信实验室[10]对 JTIDS的传输性能进行分析,在 SPW软件中建立了系统的链路仿真平台,并基于该平台,分别对系统在不同条件下的误码性能进行了仿真。解放军 63880部队的刘义等[11]运用 SIMULINK对JTIDS信号的产生与解调进行了仿真,分析其抗干扰能力。解放军电子工程学院信息工程系[12,13]对JTIDS对抗中使用的侦察干扰技术进行研究,建立了编译码模型、M SK调制解调模型、扩频调制解调模型、干扰模块以及调频模型等,并在此基础上建立了JTIDS的几类不同格式消息的抗干扰分析仿真实验平台,研究了不同的干扰策略和干扰信号对Link16数据链消息同步捕获的影响,并通过仿真模拟对干扰的效果进行了分析。

2)数据链网络性能分析

北京理工大学信息科学技术学院现代通信实验室[14-16]开发了 JTIDS网络建模与仿真平台,分析了端机退出带来的网络拓扑结构变化问题、链路仿真和网络仿真跨平台间的接口问题、相对导航的误差源问题以及不同传输码型对传输性能的影响问题等。解放军理工大学邢智等[17]利用OPNET网络仿真软件并以 Link16数据链为对象,建立了相应的网络模型、节点模型以及进程模型,仿真分析了响应时间与跟踪容量要求对时隙分配的约束。解放军电子工程学院信息工程系[18]基于 OPNET网络仿真平台,建立了节点和网络两层仿真模型对 Link16的时隙分配算法进行了仿真。此外,司小江[19]开展了对数据链网络规划问题的建模研究。

3)数据链效能评估

费爱国[20]对空战中航空数据链的效能进行了仿真研究,分析了航空数据链对空战的 7个方面影响,即抗干扰性、保密性、增大指挥容量、与机载武器交链能力、自动化引导功能、态势感知能力、网络续接能力等,并对空战中数据链的作战效能作了评估;赵晓睿[21]对联合战术信息系统在超视距作战中作战效能进行了仿真评估。

3 数据链仿真研究领域需要解决的问题

3.1 数据链仿真模型框架

根据数据链仿真系统框架,建立如图 1所示的模型框架,并分析各模型的功能,为数据链组网仿真、数据链作战效能评估仿真和数据链装备模拟训练仿真提供模型支持,具体如下:

1)数据链系统仿真基础模型

数据链基础模型包括战术数据系统(TDS)模型、数据链终端(DTS)模型、数据链网络协议模型、干扰模型、信道模型和战场环境模型等。

2)数据链组网仿真模型

包括数据链组网规划模型、数据链网络模型和数据链网络管理模型等。其中,数据链组网规划模型是在满足视距约束、组网约束和时延约束等条件下,仿真确定网络成员构成和位置、成员通信方式、数据链设备参数等,进行网络拓扑设计和优化,使网络能够满足作战条件下的传输容量需求和节点连通性要求并生成数据链规划报告。数据链网络模型用于数据链网络的初始化。数据链网络管理模型用于模拟数据链网络运行状态管理与监控过程。

3)数据链作战效能评估仿真模型

包括作战过程仿真模型、效能评估模型和效能指标聚合模型等。其中,作战过程模型用于模拟武器装备作战运用的全过程,是数据链效能评估仿真的上层模型。效能评估模型用于效能指标的仿真计算,是数据链作战效能评估的底层支撑。效能指标聚合模型对数据链作战效能指标体系进行聚合运算,得到数据链作战效能综合评估结果。

4)数据链模拟训练仿真模型

包括模拟训练过程模型、交互式视景仿真模型和训练效果评价模型。其中,模拟训练过程模型对数据链网络的拓扑结构和作战单元构成、作战过程和异常情况等进行描述,设计数据链战场环境,模拟生成数据链装备训练方案及其想定背景。数据链装备的交互式视景仿真模型为受训人员呈现战场态势和装备操作界面,并实时响应受训人员的操作,以提高对数据链装备的战术运用能力。训练效果评价模型将根据训练过程难度、干扰决策和训练结果,结合受训者操作流程、步骤、反应时间等,按照一定的准则对训练效果进行评价。

3.2 数据链仿真体系结构

数据链系统是一个分布式系统,数据链仿真系统包括数据链组网、作战效能评估和模拟训练等多个子系统,各子系统之间采用的是松耦合的连接方式,因此,采用目前较为先进的和广泛使用的分布式仿真技术 HLA,建立基于 HLA的数据链仿真系统框架,如图2所示。

仿真系统由通过 RTI交互的一组成员构成。数据链仿真成员主要由组网仿真、作战效能评估仿真、模拟训练 2个仿真应用系统以及多个联邦成员组成。态势显示成员组包提供战场态势模拟和显示;数据采集成员用于进行数据收集和实时数据分析;数据库成员对仿真所需的数据链系统和网络的性能参数、武器装备性能参数、战场环境数据以及仿真结果等进行存储和管理;模型库成员对数据链组网模型、作战效能评估模型、模拟训练过程模型以及数据链仿真基础模型等进行存储、管理和调度;运行控制成员主要用于控制仿真时间推进;战场环境成员包括地形环境和大气环境数据,为数据链组网仿真、作战效能评估仿真和模拟训练进行战场环境生成;数据链通信成员组包括舰船、战机、预警机和地面指挥所等成员,分别仿真各相应作战单元的功能和行为;作战方案编辑成员组包括编队输入成员、作战布署输入成员和作战行动输入成员,用于提供数据链仿真所需的各类作战参数。

4 结 论

从数据链的发展来看,为适应未来信息化战争的需求,提高战术数据链的整体作战效能,战术数据链将朝着网络化、集成化、体系化和功能综合化方向发展。因此,在开发研制各种战术数据链的同时,多种型号数据链之间的协同互联成为数据链建设中需要重点解决的问题之一,而关键技术之一就是数据链网关技术的仿真研究,研究相应的数据链消息格式转换技术和转发设备。同时,为适应未来信息化战争复杂多变的战场环境,数据链组网仿真研究也是未来研究的方向之一,其核心就是研究灵活的组网方式,构建合理的一体化数据链体系结构。另外,如何合理运用数据链装备,使其充分发挥作战效能,也是当前信息化作战及综合电子信息系统建设中急需解决的问题之一,为此,需要开展数据链作战效能评估仿真研究,为武器装备作战运用提供科学依据。

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A Survey of Data Link Simulation Technologies

YANG Guang1,2,ZHOU Jing-lun2,W ANGWen-zheng2
(1.N aval University of Engineering,Wuhan,430033,China,2.Co llegeof In formation System and Management,N ationa l University of Defense Technology,Changsha 410073,China)

Data link sim ulation is the important contentand effectivem ethod o f the data link equipment certification.In this paper,the app lication ofmodeling and simulation technique in current tactical data link research domain was reviewed,such as,design and development,test and evaluation,cooperation and interoperability,sim ulated training,etc.and,the Distributed Interactive Sim ulation technology o f tactical data link and the building of tactical data link simulators was surveyed respectively.Eventually,some of the issues regarding the developm ent of data link simulation,as well as the questions encountered are described.

data link,modeling,sim ulation

N 945

A

1002-0640(2011)05-0004-04

2010-01-15

2010-04-21

国家自然科学基金(60701006);国防基金资助项目(513040305)

杨 光(1981- ),男 ,湖北武汉人,博士,讲师,研究方向:数据链系统及装备仿真,电子信息系统及装备仿真。