递归式两栖编队通信网络仿真试验设计方法∗

（武汉船舶通信研究所 武汉 430205）

1 引言

当前联合作战背景下，编队整体兵力能否有效发挥，取决于对各种作战信息的采集、控制和使用程度。对于兵力种类繁多、作战过程复杂的两栖编队作战，战场控制权能否成功夺取更依赖于信息流的畅通和通信网络的合理利用程度。通信网络实现指挥控制信息、战场态势感知信息、信息共享化等无缝传输功能［1～2］，是保障两栖编队综合作战效能实现的重要因素，而通信装备又是通信网络的核心构件，因而，通信网络装备体系设计是两栖编队通信网络体系建设亟需解决的问题。

目前，针对跨军兵种多元节点作战的两栖编队通信网络装备建设处于探索阶段，通信保障能力需求分析及以需求为导向的网络开设方案缺乏仿真验证平台。在信息化快速提升的大环境下，建模与仿真是两栖编队通信网络装备设计有效开展的重要手段，是系统设计和部队训练的主要技术途径之一［3］，尤其在信息系统需求分析阶段［4］和系统框架推演评估阶段［5］具有重要的研究意义。构建两栖编队通信网络装备仿真试验环境，能为当前装备设计方案提供不同两栖编队作战样式下特定通信保障能力仿真试验的校核、验证和确认（Verification，Validation and Accreditation，VV&A）平台。

两栖编队相关论文研究集中在其作战战法、战场态势评估等研究［6～8］上，针对两栖编队通信网络研究的论文比较少，而在仿真试验设计领域，熊志纲利用仿真软件NS2对两栖作战环境中的移动模型的网络路由协议进行了仿真验证［9］，陈革等通过实时管理系统仿真实现两栖装甲车辆训练模拟器［10］，刘润才等提出了分步式交互仿真中利用智能行为实体构建方式生成计算机生成兵力的方法［11］，另外在两栖作战视景仿真［12～14］、效能评估［15］也有所建树。上述研究均没有进一步实现通信装备在两栖作战环境中网络效能建模、仿真及评估，但均可在两栖编队网络仿真试验设计中借鉴运用。

本文从仿真架构设计、模型设计及试验环境设计等方面介绍两栖编队网络仿真试验框架，以典型两栖编队作战案例在该仿真框架下的实现及作战通信效能评估，提出两栖编队通信装备初步需求，仿真结果能有效指导两栖通信装备的研制功能指标和性能指标。

2 两栖编队通信网络装备与作战行动

两栖编队作战是涵盖海、陆、空的立体综合体系作战。两栖编队一般包括大型两栖作战舰艇（一般为两栖攻击舰和船坞登陆舰）、驱逐舰、护卫舰、潜艇、陆特战兵力、舰载飞机、航空兵等兵力和装备。功能上遂行海上突击和两栖登陆作战，覆盖海陆空天潜不同方向和层次的作战任务，具有较强的兵力投送、进攻和防御能力［16］。其中两栖作战舰艇利用舰载直升机和气垫登陆艇实施立体兵力投送进行两栖登陆作战；驱逐舰和护卫舰组成水面打击群可以实施对海突击和对岸打击作战，也可实施对空防御作战和对潜防御作战，对两栖登陆作战提供火力支援和综合防护。

两栖编队通信网是两栖编队作战指挥信息体系化的核心传输网络，以有、无线传输网络为基础，针对作战节点多样化、远距化等特点，依托各种通信手段满足情报信息按需传送、作战指令准确分发、战场态势及时共享。在不同使命需求下，实现舰艇部队、陆战部队和航空兵等不同类型的两栖作战力量之间海、陆、空异构网络互联互通，支撑陆战兵力登陆突击作战，保障编队完成集结装载、航渡警戒、立体输送、突击上陆、陆上作战以及扫雷破障、综合补给等两栖作战行动。

两栖编队通信网装备是两栖编队通信网体系的基本组件，其设计技术立足于将单个战术网通信装备集成设计为编队通信网，使战场信息资源透明化，促成通信网络综合效能以实现全网络方案，增强两栖编队信息化作战能力。按装备功能和类型划分，包括短波通信分系统、超短波通信分系统、微波通信分系统和数据链通信分系统等。

两栖编队典型作战行动主要包括登陆战斗、珊瑚岛礁进攻战斗、濒海城镇进攻战斗、濒海山地进攻战斗、特种战斗、空降战斗、珊瑚岛礁防御战斗、仓促防御战斗、行军与输送、非战争军事行动等十余种。其中，登陆作战在美、英等西方国家称为两栖突击，是两栖编队作战最主要和最重要的类型。与其他两栖作战类型相比，登陆作战的参战军兵种最齐全、作战空间更广阔、指挥协同最复杂、战斗程度最惨烈、支援任务更艰巨，是最具代表性的两栖编队作战样式。以下仿真试验以两栖登陆作战为例展开。

3 通信网络仿真架构设计

两栖编队通信网系统仿真思路主线为，根据不同作战想定的不同作战阶段，采用流程仿真、视景仿真等技术，构建两栖编队作战仿真环境；拟定通信装备参数（数量、技术体制、频率、带宽、覆盖范围等）进行部署，在此环境上进行仿真校核；拟制不同作战想定下的通信组织规划和通信网络开设方案，在该环境中进行推演验证，进而确定并评估该网络开设方案下的作战通信效能。

由于两栖舰艇、两栖编队作战过程复杂多变，针对我军的具体作战流程通信需求均为理论推导。因而评估两栖编队作战能力的指标体系就不能简单从现有文献材料中推导出来，参数化的平台模型和装备模型未进行校核前，验证网络开设方案就无任何说服力，可信度不高，相应的评估指标也无法在仿真初期设置，更不能从仿真过程中采集监控。

因此，不能沿用传统仿真设计方式方法来开展两栖预研仿真，必须另辟蹊径，逆向思维，先集成仿真引擎构建直观展现两栖编队作战活动及作战流程的环境，将参数化平台模型及通信装备模型置于此环境中，进行作战平台行为（运动轨迹、行为触发等）和通信装备能力（覆盖范围、传输带宽等）的反复校核，直至合理为止。然后通过作战流程和通信装备能力，逐步细化不同作战阶段下的通信组织规划和通信网络开设方案，进而通过通信网络开设引擎将拟定的通信网络开设方案在仿真推演环境中推演验证，递归修正，直至满足作战通信网络保障需求为止。以上述过程为仿真基本过程，将原来从需求至仿真的思路转变为从仿真至需求反复递归的思路。思路可归纳为，基于参数化模型和作战流程校核后的两栖编队通信网仿真推演环境，再根据完善后的仿真推演环境提出两栖编队作战效能评估指标，进而有效开展仿真验证与综合效能评估确认。

本系统拟采用的仿真架构如图1所示。采用基于组件的仿真系统开发模式，综合集成作战节点与通信装备参数化建模组件、二/三维可视化仿真推演组件、作战通信效能评估组件，达到“模型与实验框架分离”的目的；通过独立于模型的作战行为仿真引擎、通信网络开设引擎、作战通信控制引擎的互操作，实现以通信效能触发作战活动为仿真主线、集离散与连续系统仿真于一体的混合系统仿真；以仿真想定设立、编队作战仿真推演、综合效能分析评估为主线，通过通信控制引擎集成具备强大数据分析和调试功能、动态显示功能的仿真推演环境。

图1 校核、验证与确认闭环递归式集成框架

4 通信网络仿真模型设计

两栖作战是一个由位置分散、运行独立、信息互联的作战平台及通信装备组成的复杂军事战争系统，建立两栖编队通信网仿真推演环境的过程是一项复杂的以仿真模型为基础的系统工程，必须对构建的仿真模型进行体系设计。如前所述，登陆作战是两栖编队作战最主要的类型，因而以下拟以两栖编队近海登陆作战为例进仿真实验模型设计。

要实现两栖编队作战通信仿真推演，必须要有相应能够达到仿真目标的作战平台模型和通信装备模型，因此对于模型构建提出如下需求。

1）模型类型全覆盖

两栖编队作战涉及众多类型、不同型号的舰艇、飞机、两栖车辆等装备类型及各类兵力，因此需要建立覆盖上述作战样式所涉及的全部兵力及装备。

2）装备兵力模型使用多层次

两栖编队作战规模有班组、分队、合成分队和战术群等，有大有小，组织形式不一，使用装备类型和兵力类型也不一。因此，有必要分层次对装备模型和兵力模型进行聚合组建模。

两栖编队作战是涉及兵力繁多、武器装备复杂、作战地域广泛的作战，涉及的作战变量与作战关系极其复杂。由于被建模对象的复杂性、系统组分之间关系的复杂性等，模型体系面临的问题包括作战仿真对象和过程的复杂性、建模过程的复杂性和模型之间关系的复杂性以及模型变更的复杂性，采用参数化的“类-实例”建模方法来摒弃上述复杂性，使得模型可扩展、可重构。必须考虑两栖编队作战空间内参与作战与通信的敌我双方所有要素，包括参与作战的平台实体、通信装备和自然环境等。模型涉及水面舰艇、潜艇、直升机等多个兵种兵力和短波、超短波、各种数据链等多种通信装备，以及影响通信效能的基础环境模型，因此两栖编队作战模型体系具有要素多、规模大、关系结构复杂等特点。采用层次分明的方式设计仿真模型，如图2所示，基础类模型为战场环境模型，实体模型为作战平台模型，影响仿真推演结果的关键模型为通信装备模型。具体如下。

图2 两栖编队通信网模型体系

1）实体模型体系

两栖编队作战中具备独立的物理属性和行为属性的实体都可以创建实体模型，主要是作战平台模型，包括两栖运输舰艇、两栖装甲车、护航艇、航空兵等多兵种作战节点的作战行为属性（运动轨迹、行为触发）。其行为模型是整个仿真环境运行的主线，能驱动每个作战想定的进程推演。

2）基础模型体系

基础模型也即是战场环境模型，用来描述两栖编队作战过程中涉及的与环境相关地、海岸线、海洋、水文气象、电磁模型。战场环境的建模是获得和提高两栖编队作战仿真推演的可信性、互操作性、可重用性的关键。战场环境模型分为环境描述模型、环境效应模型和作战通信要素仿真模型等，前者对影响两栖编队作战的环境因素进行描述；后者是战场环境对两栖作战进程及通信效能所产生影响的描述。

3）关键模型体系

两栖编队通信网仿真推演环境立于验证通信网络开设方案且评估通信效能，参数不同的通信装备将可能影响网络开设方案的设置。因此通信装备模型是其关键模型，包括部署在作战平台上的短波分系统装备、超短波分系统装备、卫星装备、综合链装备等通信能力属性（覆盖范围、传输带宽等）。

采用自顶向下、逐层分解的方法把两栖编队作战流程分解为一系列相互关联的作战子流程，然后采用组件式设计方法将其编排成若干子模型，并校核作战平台模型行为的合理性和完备性；重点还要结合实体模型和关键模型，对不同需求下两栖编队通信网开设方案进行验证。同时，自底向上，基于作战环境模型，将具备行为属性的作战平台仿真模型及具备通信能力的通信装备模型动仿真推演模型综合运行，进而采用效能评估指标参数设置及数据采集功能，完成在该通信网络开设方案下对系统作战通信效能的评估和确认。

5 通信网络仿真试验环境设计

5.1 功能模块设计

两栖编队通信网络仿真试验环境主要用于模拟在典型两栖编队作战样式下，在考虑大气环境、海洋环境和电磁环境对通信能力影响的情况下，针对拟定的通信网络开设方案，推演出编队不同作战平台间话音、文电、数据、视频的传输与交换过程，进而对两栖编队作战通信效能进行综合评估。

该环境包括两个部分：一是过程仿真推演软件，能在二维态势中创建和输出作战任务，根据两栖作战任务制定通信装备作战使用方案，能够在二维/三维态势中实时显示战场态势、通信效果以及作战环境（地理环境、大气环境、海洋环境和电磁环境），并能基于通信结果进行作战通信效能评估，主要包括二维态势模块、三维态势模块、通信仿真模块、作战仿真模块、效能评估模块、三维态势模块、通信网络开设引擎模块六个部分。二是通信设备模拟软件，有效地模拟两栖编队作战过程中节点使用的数据链、卫星、短波、超短波等通信设备和网络相关射频资源使用情况及信息输出，建立高精度的仿真模型，在后台实现对过程仿真推演软件的可靠支撑。

图3 两栖编队通信网络仿真推演环境组成

5.2 功能流程及仿真引擎设计

两栖编队作战过程和通信网络开设方案互操作运行复杂，相对于当前从理论上考证满足两栖编队通信网特殊通信需求的装备集成方案及实现手段，可视化动态推演无疑更为直观、精确，其包括想定推演及态势显示两方面。前者为仿真节点提供能够驱动仿真运行的初始化数据，包括对仿真条件、约束、规则和过程等的结构化描述及，不仅涉及参与作战节点及其行为模型、作战流程的设计想定及推演，还涉及通信装备部署、通信网络开设方案的设计想定及推演；后者采用可视化交互式仿真技术，为操作人员提供能显示当前推演结果的态势显示界面，涉及海图的选取与匹配、作战节点运动、二/三维可视化态势显示。上述实现需要具备行为模型、决策模型及可视化显示等功能的作战行为仿真引擎、通信网络开设引擎、作战通信控制引擎的互操作，以实现通信与作战决策支持的集离散与连续系统仿真于一体的混合系统仿真，引擎的选取与设计需要开展专门的论证研究。

两栖编队作战是多军兵种参加的立体空间作战，参与的兵力数量众多，其通信网仿真推演环境需要高性能的并行仿真引擎来满足实时或超实时的要求。仿真引擎是独立于模型体系的，两者真正实现了松耦合的设计。本仿真推演环境拟采用独立于模型的作战行为仿真引擎、通信网络开设引擎、作战通信控制引擎的互操作，实现通信效能触发作战活动的集离散与连续系统仿真于一体的混合系统仿真；在独立运行方式下，系统的功能流程及仿真引擎设计如图4所示。

图4 两栖编队通信网系统功能流程及仿真引擎设计

其中，作战行为仿真引擎基于FLAMES（the Flexible Analysis Modeling and Exercise System，即柔性分析建模与训练系统），可以用于作战平台行为仿真开发和应用。FLAMES提供了构造仿真的框架以及与构造仿真、虚拟仿真、真实仿真之间的接口，其开放的面向对象结构使得用户在开发各种仿真系统时具有很大的灵活性，也很容易根据需要对作战平台模型进行修改。

通信网络开设引擎基于OMNeT++（Objective Modular Network TestBed in C++），一种开源的基于组件模块化的开放网络仿真平台。本环境通信模拟设备软件是通过OMNeT平台开发出来的各种通信协议模型。在这里所有通信模型是基于Mix⁃im-2.3通信仿真框架。支持修改原有框架，并新增通信仿真过程中模拟所需的天线、发射机、接收机等终端模型和数据链等协议模型。

作战通信控制引擎基于离散事件触发式仿真开发。态势显示界面包括海图二维显示、VBS3（Virtual Battle Space，虚拟战场空间）三维动态显示。

图5 二维显示主界面

三维显示环境VBS3是一个柔性的仿真训练解决方案，用于想定训练、任务预演等。仿真现代战场的各个方面，包括人员、地面车辆、两栖车辆、水面舰船、旋转翼和固定翼飞机、水下航行器以及相关的作战行为。VBS3是完整、可直接使用的战术级作战仿真系统，支持与UNITY3D的地形和模型共享。图6是其三维开发显示界面，图7为在典型两栖作战案例仿真过程中，对陆攻击阶段为指挥舰增加无盲区通信手段后时延监控情况数据统计结果。

图6 三维显示界面

图7 对陆攻击阶段为指挥舰增加无盲区通信手段后时延监控情况

6 结语

作为两栖编队通信网装备设计技术的基本验证框架，两栖编队通信网仿真试验环境的设计将抽象的通信流程转化为具体直观的两栖编队作战军事行动，将概念式的通信组织关系转化为形象式的通信态势呈现，将单调的监控数据转化为多维时空综合结果展示。

本文采用的递归式两栖编队通信网络仿真试验设计方法，在仿真推演过程中通过不同角度的展现形式表示大量的仿真数据，便于快速验证子网接口协议和网络开设方案的合理性，形成校核、验证和确认的递归式集成设计框架。可在设备研制阶段将通信装备主要性能参数和接口协议融合置于特定两栖编队作战仿真环境，便于两栖通信网络开设方案验证及装备短板定位。