星地链路信息干扰流程可视化建模研究

李义 张明智 秦永刚

现代信息网络对太空依赖的程度日益提高,星地信息链路已经成为侦察监视、通信联络、指挥决策等行动的基础设施和支撑要素[1].从近几场高科技局部战争可以看出,星地信息链路在各种军事活动中正在扮演越来越重要的角色,对敌方星地信息链路的干扰破坏活动已经成为对抗双方争夺“制信息权”的主要活动之一[2].星地链路信息干扰流程可视化研究,有助于辩证、系统地分析空间信息攻防时机、信息攻防行动的可行性、作战流程管理和武器装备等多方面的问题,找出影响和制约空间信息攻防行动的主要矛盾,解决空间信息攻击武器装备建设等一系列重大问题.以地基信息干扰系统干扰星地信息链路的过程为研究对象,运用工具UML 2.0&TAU G2,分别设计与验证其工作流程可视化模型,为干扰流程提供定性分析与验证.

1 星地链路信息干扰的基本想定

以地基信息干扰系统为例,从仿真武器系统构架模型的角度实现地基信息干扰系统的干扰流程可视化,在逻辑层次和行为层次上验证地基信息干扰系统的工作流程.根据TAU G2设计武器系统时的作战想定描述形式,以地基信息系统干扰对方星地链路的想定描述如下[3]:

1)目标:完成地基信息干扰系统对星地信息链路的干扰任务.

2)成员:地基信息干扰系统(包括控制系统、侦察分析系统和干扰发射机).

3)系统功能:

攻击:对空间信息链路的攻击(地基信息干扰系统攻击星地信息链路).

4)行为描述:

目标信息获取:空间目标监视系统(包括天基与地基空间目标监视系统)、武器系统自身的信息获取设备.

5)作战准备:接受上级命令进行攻击前准备、作战样式的选取、武器系统开始设置并跟踪目标等.

a)攻击:满足条件(指挥中心下达命令或其他条件)、空间目标监视系统引导武器系统攻击目标、其他系统进入相应状态.

b)评估:攻击过程中不断获取目标毁伤信息、指挥中心进行效果评估.

2 星地链路信息干扰流程可视化建模

在武器系统的作战流程可视化研究过程中,确定系统的功能是前提条件,武器系统工作的目的是为了履行和完成系统功能[4].

星地链路信息干扰系统的主要功能和任务包括“搜索确定卫星信号”、“跟踪锁定卫星信号”、“攻击信号”和“判断目标毁伤”[5].利用UML 2.0&TAU G2软件,构建星地链路信息干扰系统用例图,如图1所示.此用例图是一个高层作战概念.图中每个模块代表着一项相对独立的系统功能,建模的任务就是对每一个模块进行进一步的功能分解,为模型动态验证打下基础.

地基干扰系统主要包括三大部分,分别是“控制系统”、“侦察分析系统”和“干扰发射机”.由此,建立星地链路信息干扰系统的组织关系图,如图2所示.其中,地基干扰系统通过接口P1与指挥中心进行信息交互,具体到系统的内部结构就是接口P2.

根据软件对语法语义的规定,建立如图3所示的地基信息干扰系统内部作战节点之间的信息交互图.其中,控制系统有两个接口P3和P4,侦察分析系统有一个接口P5,干扰发射机有一个接口P6,3个系统之间利用接口建立内部结构之间的交互信息,其中一方发出的信号与另一方接收的信号必须相互对应.

根据交互图利用软件建立地基信息干扰系统的构架图,如图4所示.其中,每个功能模块设置相应的数据接口(Bus Port),根据系统功能与外界交互类型的不同,所设计的数据接口也不同.在模型运行过程中,仿真信号在这些虚拟接口和虚拟通道中进行传递.同时,作为地基信息干扰系统的作战流程可视化模型之一,它能够表明系统内部各节点物理结构的连接情况.

图1 星地链路信息干扰系统用例图

图2 地基干扰系统组织结构图

图3 地基干扰系统内部信息交互图

图4 地基信息干扰系统构架图

在地基信息干扰系统构架模型的设计过程中,系统内作战节点的状态图是必不可少的.同时,作为系统的作战流程可视化模型之一,它体现了系统与外界的信息交互和系统内各作战节点的状态变化过程,对“控制系统”、“侦察分析系统”和“干扰发射机”分别建立各自的状态模型,如图5∼图7所示.图5描述的是侦察分析系统的状态变换过程.图6描述的是控制系统的状态变换过程.图7描述的是干扰发射机的状态变换过程.

最后,建立地基信息干扰系统内部节点的作战序列模型,如图8所示,利用节点间的信息交互顺序确定作战信息的交互顺序和系统内作战节点之间的关系.

至此,就完成了对星地链路信息干扰流程的建模,同时也是干扰流程可视化建模,利用软件的运行功能,通过人为控制发送干扰信息或干扰信号推动模型运转,就可以将该武器系统的相应工作流程表现出来.

图5 侦察分析系统状态图

图6 控制系统状态图

图7 干扰发射机状态图

3 星地链路信息干扰流程可视化模型验证

利用UML 2.0&TAU G2软件,对星地链路信息干扰流程可视化模型进行验证,其验证结果如图9所示.模型的验证是对系统构架行为的验证,是根据控制系统、侦察分析系统和干扰发射机3个子系统之间的关联关系,利用模型建立的相关机制,由软件模拟产生出的接收到相关命令后,各系统对命令的执行情况和信息传递过程和结果,以此来验证模型的合理性、实用性、可操作性[6].

对系统构架行为的验证过程实际上是对系统构架图、状态图和作战序列图的跟踪验证,验证能否通过取决于以上3类视图的设计是否正确.因此,对系统构架行为的验证同时也是对系统工作流程可视化模型的验证.经过TAU G2的运行过程,软件输出模型的验证结果如图10所示.

干扰流程的构建以基本想定及干扰行动为基础,对模型的验证实现了对系统内作战节点的指挥关系、干扰行动与节点间信息交互关系的验证.因此,星地链路信息干扰的流程可视化模型验证结果说明了其干扰行动流程在逻辑层次与行为层次上是正确的.运用工作流程可视化的方法,通过类似的模型设计与验证过程,亦可验证地基动能反卫星系统与网络攻击武器系统的作战流程.

图8 地基干扰系统内部节点的作战序列图

图9 星地链路信息干扰流程可视化模型验证过程

图10 地基信息系统干扰流程可视化仿真结果

4 结论

通过星地链路信息干扰流程可视化的研究可以得到以下几点启示:

1)设计武器系统的作战流程可视化模型可通过使用顺序图、状态图与构架图的结合来描述,设计武器系统的作战流程可视化需求模型可通过用例图、组织结构关系图和交互图来描述.UML 2.0标准建模语言和TAU G2支持行为语言,通过提供一种用自然行为语言描述系统的方法,就可将系统工程师解放出来,使其专注于系统方面的技术研究,并且不需要写代码就可产生出一个可运行的系统模型,也可以产生一个无需代码的可运行的系统模型.这样,在没有任何代码的情况下,系统工程师就能够很容易让他们的客户直观地看到需求的未来结果,软件工程师很容易明白系统的真正需求[7].通过以上实例的作战流程可视化模型的验证过程可以产生类似编译武器系统软件的代码,结合编译平台实现武器系统软件的开发,这一成果对于我军未来武器装备的研究有积极的促进作用.

2)对星地链路信息干扰流程可视化的研究内容主要包括武器系统的作战任务与具有指挥功能的作战节点,它们组成了系统的用例图;武器系统的组织结构关系,系统内各作战节点的功能与依赖关系,它们组成了系统的组织结构图;武器系统内作战节点的信息联系,节点间信息接收与发送的方式和信息的种类,它们组成了系统内部结构的信息交互图;武器系统内各作战节点的状态变换过程与变换条件,它们组成了系统的状态图;武器系统内作战节点的物理结构信息联系与连接方式,它们组成了系统的构架图.上述视图既满足了系统的模型设计需求又完成了系统作战流程可视化模型的设计.

3)通过星地链路信息干扰这一实例的流程可视化仿真,其结果验证了武器系统作战流程及其可视化模型在逻辑层次与行为层次上的正确性,说明了系统的组织结构关系与系统内作战节点的作战指挥关系的协调性.验证结果证实了星地链路信息干扰流程可视化模型及其作战流程构建的合理性与正确性,间接地开发了执行空间信息攻防任务的作战系统架构模型,为描述与检验高层作战概念下系统的行为提供了依据.