实战条件下防空反导兵器指挥控制通信系统性能评估*

郑学合，杨森，杨杰，卜祥元

(1.北京电子工程总体研究所，北京 100854;2.北京理工大学通信技术研究所，北京 100081)

0 引言

近期世界上几场局部战争表明:空袭作战对战争的进程和结局具有决定性的影响，防空反导能力建设对打赢一场高科技局部战争具有重要作用。防空反导兵器面临着由空袭体系构造的极其复杂的战场环境，包含了与实战条件诸要素密切相关的雷达、指控通信、制导指令传输、导引头、引信等开放的信息链路环节，对信息依赖性强。贴近实战条件下评估防空反导兵器的作战性能，具有重大的现实需求和理论研究价值。

指控通信系统是受复杂环境［1］影响的信息链路环节之一。“实战条件下防空反导兵器指控通信系统性能评估”希望解决以下几个问题:

(1)实战条件内涵、统一、规范、定量化描述问题。做到要素化、模型化、参数化。

(2)实战条件要素对指控通信链路的影响机理，与能够敏感的链路环节建模、验模方法问题。做到有接口、能敏感、可置信。

(3)防空反导兵器作战能力的仿真评估方法。目前只能进行单次的外场试验，性能评估停留在印象化、模糊化的水平。需要在仿真平台上能够复现，通过敏感度试验得到作战性能边界。

本文综述了在上述方面的研究进展与成果。

1 研究内容与思路

研究内容包括:

(1)研究各类实战条件对指控通信系统的影响机理，构建实战条件要素与防空反导兵器指控通信系统性能之间的关联关系框架;

(2)进行防空反导兵器典型工作环境的信道传输、链路级工作性能建模研究;

(3)提出指控通信系统通信网络实战性能评估指标体系;

(4)设计实战性能仿真平台并进行仿真验证。

研究整体思路见图1。

2 实战条件要素对防空反导兵器指控通信性能影响机理与关联关系

通过分析实战环境中影响指控通信系统的因素，给出以下3个层次的关联关系:战场环境要素与指控通信系统性能以及与反导兵器系统作战能力的关联关系、干扰要素与接收机关联关系、网络层关联关系。

实战条件下对防空反导兵器指控通信系统产生主要影响的是电磁环境要素，即来自敌方的人为有意干扰。首先表现在网络节点间链路误码率性能下降甚至中断，进而影响信息在网络中传输的延迟和可靠性，导致指控、目标指示等信息不能到达目的节点或到达目的节点的延时变大，从而影响到防空反导兵器系统的杀伤概率和杀伤区。关联关系如图2所示。

图1 研究思路图Fig.1 Diagram of research way

干扰要素与指控通信系统物理层之间的关联关系主要体现在干扰机的干扰样式、干扰机功率、干扰机与接收机位置关系上［2］。而接收机与指控通信系统物理层之间的关联关系主要体现在通信系统本身的信号波形、信号抗干扰体制与编码方式上［3］。不同接收机对指控通信系统物理层性能影响主要体现在接收机的天线特性、射频特性及处理损耗中［4］。各实战要素与指控系统物理层之间的关联关系如图3所示。

实战条件对指控通信系统网络层的影响主要考虑网络的拓扑结构、网络路由方式及MAC(media access control)协议。物理层中不同干扰对于指控通信系统网络层的影响体现在点到点之间的网络丢帧率、单点覆盖范围等，进而影响网络的拓扑结构［3-5］，同时结合业务需求与服务质量(quality of service，QoS)影响网络的丢包率、网络的吞吐量与网络延时。网络层参数与指控系统性能之间的关联关系如图4所示。

选取定频、直序扩频、跳扩频3类通信系统作为典型通信体制，从时、频、空不同的域研究典型干扰对不同体制指控通信系统的影响机理，考虑到指控通信系统自身具有的抗干扰能力，通过研究分析可知，相对于对抗干扰而言，自然干扰对指控通信系统的影响甚小，可以忽略，结合指控通信系统的不同通信体制，分别构建地理环境要素与通信链路的关联关系、干扰要素与定频通信链路性能关联关系、干扰要素与直序扩频通信链路性能关联关系、干扰要素与跳扩频通信链路性能关联关系、防空反导指控通信系统链路与网络性能关联关系，分析过程中主要将噪声宽带阻塞干扰、转发式干扰作为典型干扰［6-8］，如图5 ～9 所示。

3 指控通信系统传输链路建模

在实战条件下指控通信链路建模存在的难点是:由于缺乏多要素组合对指控通信环节影响机理研究，模型在大多数情况下对实战条件不敏感，与外部的干扰模型没有信号级仿真的接口。同时，模型也缺乏试验数据进行可信性校验。因此，无法采用仿真手段通过多次试验定量评估信息链路性能，只能通过有限次的外场试验。

目前仿真模型基本分为功能级和信号级模型2类，系统建模方法基本分为基于机理和基于辨识的建模方法、或是两者的混合建模方法3种。机理建模重物理过程的作用机理，采用这种方法建模时，必须对实际系统进行深入分析、研究，提取本质、主流的因素，忽略一些非本质的因素，合理确定对系统模型准确度有决定性影响的物理变量及其作用关系，目的是建立简单清晰、又有相当精度并能反映物理变化过程的系统模型。辨识建模方法采用系统辨识技术，根据系统实际运行或试验过程中所取得的输入/输出数据，利用各种辨识算法来建立系统的动静态数学模型，多适用于功能级模型(如作用距离、概率模型)的建立。

根据研究的需要确定了必须采用信号级模型，因此对信息链路环节的建模采用了基于机理的建模方法。首先基于实战条件多要素组合对指控通信链路影响机理研究，确定对实战条件、信息链路内部环节及参数与输出性能的关联关系。根据关联关系确定建模粒度和模型实现层次，决定信息链路应该采用信号级的模型，还是采用功能级的模型或者是二者相结合。具体而言，就是对于重要的模块采用信号级的建模方法进行建模，精确地复现该模块的处理过程，将其处理特性进行较为全面的再现;而对于重要性不高，也即对实战条件要素不敏感的模块，采用粗粒度的建模方法，如功能级建模方法进行建模，不复现其实际处理过程，而是在先验知识的基础上，直接针对其统计性能进行建模;对于那些与实战条件要素基本不相关的模块，则可以考虑忽略不建。这样有效解决了模型对实战条件能够敏感和建模有效性的问题。

按照上述思路，完成指控通信链路层建模，包括8个功能模块74个子模块，功能组成见图10［9］。其中链路级传输建模主要包括数据源建模、组帧与拆帧建模、信道编码与信道译码建模、调制与解调建模、直扩与解扩建模、脉冲成形与匹配滤波建模、发射与接收建模、统计性能建模几个部分，典型扩频通信链路级模型见图11。相关详细模型在本文中不再列出。

在完成模型构建后，还要利用外场试验数据(如果数据不足，也可以采用模拟数据)对模型运行结果进行校验。校验要在中间环节、最终性能输出环节2个层面上进行，校验的数据要根据静态/动态数据的不同，以及时、频、平稳性等本质特征，选取不同的校验方法。只有通过模型校验，构建的仿真系统才具备一定的置信度。

为减少仿真处理数据量，提高仿真速度，在保证仿真精度、粒度的前提下，可以在仿真建模中不考虑模拟部分。实战条件下防空反导兵器指控通信系统链路进行分析、抽象、建模，得到实战条件下防空反导兵器指控通信系统链路抗干扰性能仿真模型，如图12所示。

4 指控通信网络系统实战性能仿真平台建立

实战条件下防空反导兵器指控通信系统性能仿真平台完成物理层、数据链路层、网络层3个层次的仿真，应用Matlab和Opnet作为仿真工具，通过由C#语言编写的主控台控制程序控制分布式指控通信仿真系统中的相关参数，如通信节点位置、干扰机参数、仿真起止等，而Matlab，Opnet，主控台之间通过高层体系结构(high level architecture，HLA)实现仿真中各种参数、控制信息的传递，其架构如图13所示。

图9 防空反导指控通信系统链路与网络性能关联关系Fig.9 Connection relation between the communication in air defense and antimissile and the network function

其中，Matlab支持细粒度的物理层、链路层仿真，Opnet支持网络性能仿真。采用了以实时时间推进下的多平台交互式联合仿真为架构的设计思路，将多平台统一调度起来，利用HLA架构下的联邦成员互通机制［10-11］，分别对Matlab和Opnet环境中的输入和属性进行配置，以运行支撑环境(run time infrastructure，RTI)实现2个平台间的仿真同步。

仿真平台具备的基本功能包括:

(1)在给定信道、干扰和通信体制下，评估指控通信系统的抗干扰能力;

(2)在给定部署场景下，评估指控通信网络工作性能。

所建立的指控通信系统性能仿真平台具备以下特点:

(1)可灵活设置无线通信系统工作参数，如调制解调方式、编译码方式、跳频参数、发射功率等;

(2)可灵活设置信道传输模型参数，如地形参数、衰落和噪声信号参数等。并可根据数字地图读取地理特征参数;

(3)可灵活设置干扰机参数，如干扰机数目、干扰信号类型和参数、干扰机运动轨迹等;

(4)可灵活设置基于地理信息的无线通信网络参数，如网络规模、节点数量、节点位置、节点工作状态、网络拓扑结构等;

(5)可完整记录仿真过程中各个处理单元的实时数据，并可回放;

(6)可收集并实时显示无线通信链路和网络性能，包括:链路误码率、网络连通性、吞吐量、丢包率、时延等;

(7)支持独立仿真和联合仿真2种方式;

(8)采用模块化结构，便于进行功能扩展及维护。

图14～16给出了仿真平台可设置的参数与配置内容。

选取美军Link-16数据链和某综合数据链指控通信系统作为验证用例，选择美军典型的干扰机AN/TLQ-17A，AN/ALQ-99作为干扰源，利用仿真平台对其在复杂战场环境下实战性能进行了仿真分析，结果如表1所示。

图14 防空反导兵器指控通信系统实战性能仿真平台网络层可配置项Fig.14 Assignable items for network layer of the simulation system of the command control system function of air defense antimissile

表1 典型指控通信系统实战能力分析验证Table 1 Analysis and verification of the typical communication system in actual war

图15 防空反导兵器指控通信系统实战性能仿真平台链路层可配置项Fig.15 Assignable items for data-link layer of the simulation system of the command control system function of air defense antimissile

图16 防空反导兵器指控通信系统实战性能仿真平台干扰机可配置项Fig.16 Assignable items for jammer of the simulation system of the command control system function in air defense antimissile

5 结束语

本文将实战条件分解为电磁干扰和地理地形2类要素，从时频、频域、空域建立了实战条件多要素组合对防空反导兵器指控通信性能影响的关联关系，并依据机理研究结果建立了普适性的信号级仿真模型。

提出了链路层与网络层协同交互仿真的仿真平台开发思路，利用RTI推进机制建立了基于HLA的分布式防空反导兵器指控通信系统实战性能仿真平台。该平台可以嵌入到体系仿真系统中，完成指控通信系统的实时仿真，为整个武器系统的效能仿真提供通信链路级的支撑。

本文的研究结果可以为后续研究和设计提供基础:

(1)通信干扰模拟器、通信信道模拟器的设计与开发;

(2)指控通信系统性能评估的数学、半实物仿真设计;

(3)防空反导兵器网络化协同作战体系仿真;(4)通信系统规划和作战配置工具开发。

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