基于OPNET的定向武器数据链设计与仿真

2012-07-31操振宇寇明延

中国民航大学学报 2012年6期

操振宇，寇明延，李峭

（北京航空航天大学电子信息工程学院，北京 100191）

现代军事战争中，武器数据链能有效增强武器系统的操控能力，是提高武器平台作战效能和打击弹药命中率的重要手段。武器数据链将信息系统和武器平台更加紧密地铰链在一起，实现了从传感器到射手的无缝连接。20世纪90年代末，美军先后成功研制了协同作战能力（CEC）和战术目标瞄准网络技术（TTNT）等用于武器的数据链[1]。随着数字化战场的进一步深化，以及精确制导武器在现代化战场中越来越高的使用率，武器必然要链接到战术数据链中[2-3]。为武器系统加装数据链，可使武器在发射到击中目标期间连续接收、处理目标信息、选择攻击目标，提高对固定目标及对“时敏目标”“机动目标”的精确打击能力。进一步提升打击效果、突破敌军防御。武器数据链及其技术的应用和发展前景，代表了适应未来网络化战争形式的新型数据链及其技术发展的方向和趋势[4-5]。

武器数据链中使用定向天线技术能充分利用定向数据传输良好的隐蔽性、抗干扰性和抗截获性，同时天线选择的方向性又降低了邻近结点之间的相互干扰，提高了网络的空间复用度和吞吐量。

本文设计了一种基于定向天线的武器数据链建立方案，该方案采用定向天线进行数据通信，通信过程不依赖于第三方信息，以提高通信网络的健壮性。定向武器数据链由武器发射平台初始化建立，实现对武器的定向制导以及武器发射平台之间的联合制导。之后通过OPNET网络仿真软件对数据链的建立过程及建立完成后的数据通信进行仿真，验证了该方案的可行性。

1 定向武器数据链设计

假设现有多个武器发射平台节点A，B，…，J，若武器平台A要发射武器，则由A发起武器数据链申请，其他武器平台节点根据自身的运动轨迹、信道情况、作战角色等信息，向A发送响应消息。A对收到的回应进行评估，选定离目标最近的节点作为联合制导节点，共同制导武器命中目标。武器数据链的工作流程如图1所示。

图1 武器数据链工作流程Fig.1 Work process of weapon data link

每个武器平台具有两副定向天线，一副用于机间通信，另一副用于飞机与武器间的通信。

定义如下两种天线波束扫描方式[6-7]：

1）快扫描：天线波束以角速度ω沿一定的方向对360°范围内各个覆盖区进行快扫描。设天线波束宽度为 α（rad），在每个覆盖区停留时间为 τ（s）。

扫描角速度 ω=α/τ，快扫描周期 TR=2π/ω=（2π/α）τ（s）。

2）慢扫描：天线以角速度Ω沿一定的方向对360°范围内各个覆盖区进行慢速扫描，它在每个波束覆盖区的停留时间大于TR，即天线的波束在一个覆盖区停留的时间应大于快扫描时天线波束扫描一周的时间，设天线的波束宽度也是α（rad）。则天线慢扫描周期TS=2π/Ω=（2π/α）2τ（s）。

慢扫描用于天线在特定扇区内的通信，其他时刻的通信采用快扫描方式。

2 仿真设计

OPNET是一款广泛应用的网络建模和仿真工具，具有先进的建模机制、完备的模型库、完善的外部接口等优点。OPNET采用离散事件驱动仿真，提供了3层建模机制[8]：最上层为网络层，反映网络的拓扑结构；中间层为节点层，由相应的功能模块构成，反映设备特性；最底层为进程层，用有限状态机来描述通信的各个状态。OPNET还允许用户使用有限状态机自行开发协议，并提供了丰富的类C语言库函数[9]，可以方便地实现复杂的协议，是网络设计中常用的仿真平台。

本文基于OPNET搭建了仿真场景，建立了相应的节点模型和进程模型，对武器链的建立过程以及作战飞机与武器间的通信进行了仿真。

2.1 应用场景

假设作战空域为500 km×500 km，多架作战飞机随机分布在区域之中。当发现目标（target）后，武器平台节点A发起武器数据链的建立申请，建立成功之后，通过与选定的联合制导节点进行联合制导，控制武器（Weapon）从发射到命中目标。网络拓扑结构如图2所示。

图2 武器数据链仿真场景Fig.2 Simulation scenario of weapon data link

2.2 节点建模

仿真场景中有2种节点模型，武器平台节点和武器节点，其中武器平台节点又包括发现目标并发起武器链建立申请的发起节点（A）和协同武器平台节点（B，C，…，J）。

发起节点是武器链运作的主控节点，它的作用包括发起申请，选定联合制导节点和备份联合制导节点，制导权的转移，制导武器及重置任务等。协同武器平台节点则根据接收到发起节点不同的控制消息，做出不同的响应。若被选中为联合制导节点，则要在发起节点制导权转移后，承担起制导武器的作用。武器节点的功能较为简单，主要包括响应武器平台的各种信息，接受武器平台的制导以及定期反馈自身当前的位置信息等。

节点模型如图3所示。ant_ctrl和ant_ctrl_backup是天线控制模块，分别控制ant_weapon和ant_backup这两副天线，控制天线工作在扫描状态或者对准状态。processor模块是核心处理模块，其功能是设置节点的工作状态，处理不同信息。不同节点类型的processor模块采用不同的进程模型，对此将在下一小节做进一步介绍。

2.3 进程建模

进程模型通过有限状态机（FSM）的状态转移图（STD）来支持节点各功能的实现，用户可根据实际需求自行编写进程模型。下面详细介绍实现核心模块processor的进程模型。

图3 节点模型Fig.3 Node model

2.3.1 发起节点processor模块的进程模型

如图4所示，发起节点在初始化（init状态）之后，进入到wait状态，若收到选定的联合制导节点发送的联合制导成功消息，则进入联合制导（JointGuide）状态；若发起节点成功转移制导权，则回到wait状态。

图4 发起节点processor模块采用的进程模型Fig.4 Process model of initiated node′s processor module

2.3.2 协同武器平台节点processor模块的进程模型

如图5所示，协同武器平台节点在初始化（init状态）之后，需经过发起节点和武器节点的两步确认，方进入JointGuide状态进行联合制导；当收到任务重置、任务超时、释放预留资源等控制信息时，则返回wait状态等待数据链重新建立。

图5 协同武器平台节点processor模块采用的进程模型Fig.5 Process model of cooperation node′s processor module

如果本节点既不是联合制导节点，也不是备份联合制导节点，则一直处在wait状态。

2.3.3 武器节点processor模块的进程模型

武器节点相对比较简单，其进程模型如图6所示。

图6 武器节点processor模块采用的进程模型Fig.6 Process model of weapon node′s processor module

proc状态处理各种信息，并接受武器平台的制导，Feedback状态定时向制导节点反馈本节点的位置信息。

3 仿真结果

仿真场景如图2所示，武器平台A发现目标，发起武器链的建立并制导武器击中目标。仿真的任务主要有两点，一是模拟定向武器链的连接建立过程，二是武器链建立成功后武器平台节点与武器节点之间的通信过程。仿真环境参数设置：两套无线收发机传输速率均为2 Mbps，采用BPSK调制，一套频段为1 600 MHz，另一套频段为1 800 MHz。MAC采用TDMA，时帧200 ms，分为8个时隙，第一个时隙用于机间通信，其他时隙用于作战飞机与武器间的通信。

武器链的建立过程以及武器接受武器平台制导的信息在OPNET调试工具ODB中打印出如图7所示。

图7 武器接受制导并定时反馈位置信息Fig.7 Feedback information of weapon node

可见，武器节点首先由发起节点制导，经过制导权的转移，武器接受被选定的联合制导节点制导，武器链建立成功。

武器链建立成功后，武器平台对武器节点进行制导，武器节点也会定期向武器平台反馈自身的位置信息。二者间数据通信的延迟如图8所示，约为150 ms。武器数据链对时间延迟比较敏感，文献[10]中提出武器数据链从源节点产生数据包到接收端正确接收的延迟为亚秒级，文献[11]中指出从传感器到射手的全部链路延迟应该为100 ms左右。通过对上述文献的分析研究可得，本数据链方案基本符合设计要求。