复杂电磁环境下装备保障指挥控制建模研究

2011-12-28蔡纪伟贾云献蔡军锋吴巍屹

河北科技大学学报 2011年2期

关键词：指控电磁装备

蔡纪伟，贾云献，蔡军锋，吴巍屹

（1．军械工程学院装备指挥与管理系，河北石家庄 050003；2．军械工程学院弹药工程系，河北石家庄 050003）

复杂电磁环境下装备保障指挥控制建模研究

蔡纪伟1，贾云献1，蔡军锋2，吴巍屹1

（1．军械工程学院装备指挥与管理系，河北石家庄 050003；2．军械工程学院弹药工程系，河北石家庄 050003）

通过仿真的方法来研究复杂电磁环境对装备保障指挥控制带来的影响，就必须建立相应的指挥控制模型。在分析了复杂电磁环境对装备保障指挥控制造成影响的基础上，建立了面向HLA仿真的装备保障指挥控制模型体系，并说明了其运行过程。为了满足仿真的需要，进一步建立了电磁环境仿真模型，分析了对通信通断的影响。最后研究了装备保障指挥控制网络并建立了相应的网络拓扑结构模型，为装备保障仿真的运行打下了基础。

复杂电磁环境；装备保障；指挥控制网络

复杂电磁环境是信息化条件下影响作战的重要因素。复杂电磁环境下的战争，对战场制电磁权的争夺越来越激烈，复杂电磁环境也给装备保障带来了极为深远的影响，装备指挥、物资保障、技术保障、战场生存面临巨大挑战，必须切实提高复杂电磁环境下装备保障能力，才能适应未来信息化战争要求［1］。通过仿真的方法来研究装备保障问题已经得到军事专家的广泛认可，建立复杂电磁环境下的装备保障指挥控制模型，就可以用来分析复杂电磁环境对装备保障指挥控制的影响，从而为提高复杂电磁环境下提高装备保障指挥效能的提供途径，也是未来战场提高装备保障能力的重要方法。

1 复杂电磁环境对装备保障指挥控制的影响分析

在未来信息化条件下作战过程中，电磁领域的侦察、干扰与反干扰、欺骗与反欺骗、摧毁，将加剧原本已很复杂的电磁环境的严酷程度，严重影响装备保障指挥效能的发挥［2］。复杂电磁环境对装备保障系统的主要影响包括以下几个方面。

1．1 装备保障指挥控制系统面临的威胁增大

在复杂电磁环境下，装备指挥系统将会面临着多种手段、多种方式的电磁威胁。一方面是敌方会通过雷达、红外、电子等设备对我进行昼夜不停的侦察，我装备指挥机构和保障分队遭敌打击的危险增大；另一方面是敌方利用各种电子干扰设备对我装备指挥控制网络进行全方位的干扰，这对我军装备指挥信息获取及传输能力构成较大威胁。

1．2 增加了装备保障指挥控制的难度

信息化条件的战场上，装备保障行动高度依赖于各种信息，信息的获取与运用贯穿于装备保障行动的始终。装备指挥人员需要大量利用指挥控制通信网络进行信息交互。因而敌人对我装备保障指挥控制网络的主动攻击也更为猛烈，使得装备保障信息交互容易被干扰破坏，造成保障信息不全，指挥决策难。

1．3 影响了装备保障的效果，难以达到及时、准确

由于装备保障分队通信受敌干扰，预警探测设备也无法按作战需求随机开机，难以对战场态势实施连续监控。增加被敌突击力量袭击的风险，迫使保障分队增加防卫力量，使得我方保障分队机动转移速度变慢。在敌方电子干扰和欺骗下，我方获取情报信息的质量将会受到很大的影响，也造成保障分队行动不及时，快速反应难，保障效果也就难以做到及时、准确。

2 装备保障指挥控制模型体系

复杂电磁环境下的装备保障指挥控制建模要能充分模拟装备保障系统中各实体的信息采集、处理、分发、交互等实际的指挥控制过程。在装备保障仿真过程中，除了各种装备保障业务模型，还应该包含指挥控制模型、电磁环境模型、指挥控制网络模型和无线通信模型等。笔者构建的基于HLA（高层体系结构）的装备保障仿真模型的体系结构如图1所示，在RTI（仿真支撑软件）上以指挥控制网络为基础运行装备保障仿真的各种模型。

图1 装备保障仿真模型结构示意图

运行过程如图2所示，电磁环境仿真模型和指挥控制网络模型是无线通信模型的基础，无线通信模型的运行结果为其他装备保障业务模型服务，最后仿真数据在效能评估系统中进行分析，并为装备保障指挥控制网络的优化提供依据。

图2 装备保障仿真模型运行示意图

3 装备保障指挥控制中的电磁干扰模型

电磁环境仿真模型用来模拟战场中复杂的电磁环境，利用该模型对通信模型产生影响，通过通信模型产生的通断信息来模拟复杂电磁环境对装备保障指挥控制系统产生的影响。笔者设计的电磁环境模型主要由3个模块构成。电磁环境想定模块用来输入装备保障仿真想定中的有关电磁环境的各种信息；自然电磁生成模块用来模拟雷电、静电、民用电磁辐射等电磁环境构成因素；电磁干扰生成模块用来模拟敌我双方为了一定的战术目的所产生的电磁压制、电磁干扰等电磁环境构成因素。

电磁环境产生模型产生的电磁干扰最后以干扰功率的形式影响信噪比，用信噪比来决定通信的通与断。不论是数字信号还是模拟信号，干扰效果都是由接收机端的干扰信号强度决定的。敌各种干扰源干扰信号到达接收机的功率［3］为

式中：Pti为第i个干扰源的发射功率；Gti为第i个干扰源的天线增益；L干i为第i个干扰源的传播路径损耗；Gri为第i个干扰源方向上的接收天线增益。

接收机受到的干扰总功率为

通过计算获得的接收功率、噪声功率、干扰功率等参数来计算信噪比（SNR）［4］。信噪比用分贝表示为

式中：Pr为接收功率；Pb为噪声功率；Pi为干扰功率，单位均为W。有效信噪比为

式中：GP为接收机的有效处理增益（d B）。对语音通信则采用接收机灵敏度的高低来判断是否能正确接收，一般认为语音清晰度在70%以上可以完全接收，在30%以下不能接收，在30%～70%之间基本上还能接收。接收机灵敏度是指其能接收到的并仍能正常工作的最小信号，接收信号电平［5］为

式中：NF为系统噪声系数（d B）；SNR为信噪比；k是玻尔兹曼常数，k＝1．38×10－23W／（K·Hz），T为开氏绝对温度值，地球大气中常假定为290 K；B是接收机有效带宽。

式中：k TB的单位是dBM；BW是接收机的有效带宽，单位是MHz。最后将接收信号电平S与电台灵敏度指标S0进行比较，当S≥S0时，能接收；否则不能接收。

4 装备保障指挥控制网络分析与建模

信息化战争中，装备指挥机构之间，装备指挥机构与作战指挥机构、装备保障力量、其他保障机构之间都需要传输大量的情报数据、指挥控制指令、协同信息以及合成的战场态势等信息，而这些都是通过装备保障指控网络传输的［6］。因此在对装备保障指控网络进行仿真建模之前，应首先对装备保障指挥的体系结构以及装备保障指挥控制信息流进行分析，如图3所示。

图3 装备保障系统信息交互示意图

下面将参与装备保障活动的实体抽象为节点并进行分类，并依靠装备保障指控网络通信模型对节点之间连通性的判断结果建立起指控网络拓扑结构模型。通过建立装备保障指控网络拓扑结构模型，可以直观地发现装备保障活动中“活动频繁”以及容易产生信息瓶颈的节点，从而为优化指控网络创造条件。

4．1 网络节点模型

依据对装备保障指挥控制网络的定义，结合装备保障指挥控制活动的运行，即装备保障信息的产生、装备保障的指挥以及装备保障行动的实施过程，将参与装备保障行动的单元进行抽象并分为3类，即装备保障节点、指挥控制节点和作战节点，并分别建立相应节点模型。

1）指挥控制节点模型＜C2＞：表示参与装备保障指挥控制活动的单元，它能接收、处理装备保障信息并指挥装备保障单元，包括各级指挥所、保障群、队等。

2）装备保障节点模型＜Support＞：表示实施各种装备保障行动的单元，它能接受指挥控制节点的指令对作战节点实施装备保障，主要指各种保障组。

3）作战力量节点模型＜Force＞：表示装备的使用单元，它是装备保障需求的主要产生点，并将保障需求信息上报给对应的指挥机构，从而推动装备保障行动的进行。

4．2 网络边模型

装备保障指控网络模型中连接不同节点的边，不仅可以表示节点之间的信息连接，还可以表示节点之间的隶属关系、指控关系和保障关系，边的长短还可以表示两节点之间的距离。它们之间的信息连接有可能因为某种情况中断，连边也就随之消失。还可以设置连边的权重，用来表示系统冗余、可靠性等。为了描述部队装备保障指控网络的拓扑结构，模型中将这些关系都抽象为边。笔者基于信息化条件下部队保障系统建设，将部队装备保障指控网络中可能存在的边［7］进行抽象，并进行以下假设。

1）初始网络中没有孤立的单元，所有的单元节点都在控制之中。

2）不同的C2节点之间可以连边，表示不同级别之间的指挥关系或者同级之间的协同。

3）不同的F节点之间可以连边，表示信息的传递。

4）每个S节点只与一个C2节点连边，表示保障信息的传递，并且确保了保障单元不接受不同指控单元的命令，造成冲突。

5）一个C2节点可以与若干个S节点相连，表示其可以指挥的装备保障力量。

6）一个C2节点可以与若干个F节点相连，表示其可以指挥的作战力量。

基于以上基本原则和假设，装备保障指控网络可以简单抽象表示，如图4所示。