战场实时综合态势信息分发技术研究
2022-07-13许银龙都安平
许银龙, 都安平
(中国电子科技集团公司第十四研究所, 江苏 南京 210039)
0 引 言
在现代战争中，作战单位的指挥决策高度依赖战场态势信息，尤其在瞬息万变的战场中，态势信息分发在战场通信中的地位日益突出[1]，对取得战场决策优势和战争主动权具有重大意义。
目前，在指挥控制和协同作战领域，针对态势信息分发存在广泛的研究[2]。文献[3-4]研究了基于服务的态势信息分发方法，提出把寻找信息转换为寻找服务，用服务的思想来改进态势信息分发方法；文献[5-7]研究了基于发布/订阅模式的信息分发方法，该模式能够保证将数据实时、可靠地分发到所有订阅者，能够实现数据通信双方在时间、空间和控制流三方面的完全解耦；文献[4]将语义Web技术与发布订阅系统结合起来，利用态势的语义知识，支持复杂态势信息的订阅分发；文献[8-9]研究了基于Redis与WebSocket等实时通信系统，设计一套可靠高效的态势信息推送方案，解决系统内分布式节点跨网跨域等系统间的数据通信问题。
文献[10]提出一种基于DDS规范的实时信息分发服务平台框架；文献[11]提出一种应用于协同作战场景的信息分发算法,侧重于底层作战网络通信链路的建立问题，未对上层的态势信息分发问题展开研究；文献[12]研究了面向任务的信息分发技术，通过分析用户的身份特征和行为特征，提高信息需求分析的命中率，从而实现准确有效的信息分发；文献[13]提出了一种应用于联合作战的态势分发共享技术，可以实现指挥所内和指挥所间的态势共享；文献[14]针对舰艇编队网络化防空作战中传统信息分发机制的不足，提出智能推送、自主查询、临时订购和终端过滤的信息分发机制,确保实现不同级别、不同作战实体间的信息共享。
上述研究内容在一定程度上为不同的作战应用场景提供了态势分发的新思路，但应用在现代战场信息系统上仍存在以下问题：1)态势信息分发的准确度不够。现有的态势信息分发技术只能在粗粒度的范畴实现各类用户对态势信息的定向获取，用户仍需要通过人工方式进行筛选和过滤，来避免大量无用信息的干扰[12]。这种方法降低了整个态势分发过程的处理效率，严重时将影响作战单位对态势的快速判断；2)态势信息分发实时性不高。现有的态势信息分发技术没有对实时态势信息和非实时态势信息进行区别处理，需要从态势信息目录中进行人工筛选和订阅，从而对用户需要的态势信息造成影响。
本文针对实时综合态势及以上问题，提出了战场实时综合态势信息分发方法，对战场指挥控制信息系统的设计和开发具有一定的指导作用，可以为作战单位提供实时、高效的战场态势信息，能够支持用户进行快速准确的指挥决策，可以为各级作战单位协同作战、能打仗、打胜仗提供支撑。
1 战场实时综合态势信息分类
战场态势包含的信息量巨大，并且随着敌我力量的变化随时间动态变化，敌我战场目标类别属性更加复杂齐全、战场环境信息(气象条件、地形地貌环境、电磁空间)更加多样，战场态势信息呈现出动态、海量、异构、复杂等特点[15]。战场实时态势信息是由描述海空情、敌我属性识别，以及各类预警、探测图像等多个方面的海量信息构成。战场实时综合态势信息是指对高实时的海空情、技侦情报、电抗情报、预警信息等进行多源处理后的综合态势，在数据接口层面具有相同的形式，同时在相应的数据项字段上进行区分。
对战场实时综合态势信息分类能够细化态势信息数据类型颗粒度，可以以此为依据，结合分发规则实现将精确的实时综合态势信息提供给对应的用户或作战单位。
战场实时综合态势信息种类繁多复杂，可以从态势信息的不同属性进行区分，每种属性均可作为分发要素。如目标类别属性包括：空中、空间、海上、水下、轨道、弹道，敌我类别属性包括：敌方、我方、未识别；军民类别属性包括：军用、民用，以及预警信息，侦测图像信息等。
本文提出指示字节表示法，来表示每一种分发要素是否需要分发。指示字节表示法使用可扩展的字符型数组，命名为vector
指示字节表示法具有可扩展性，可以按需设计分发要素的颗粒度和数量，同时在软件设计和实现层面降低了耦合性。态势信息分发要素参考值定义举例见表1。
确定态势信息分发要素后，对其进行数据类别整编，作为态势信息目录进行发布。用户可以按需选择态势信息内容，由系统管理员进行审批操作，录入分发管理数据库。
2 战场实时综合态势信息分发方法
2.1 用户管理
所谓的用户是指作战单位或态势信息接收方。
一般情况下，进行态势信息分发之前需要已知用户的链路通信地址、所需的态势信息数据种类等信息。因此，需要对用户进行统一管理，包括用户编号、用户名称、链路通信地址等信息。一般情况下有两种方法获取用户信息：1)用户主动注册，并直接在态势信息目录中订阅所需的态势信息，然后由本地系统管理员进行审批，将有效用户加入本地用户信息表；2)本地系统管理员直接对用户信息进行增删改操作，将结果录入用户信息表。
在用户信息表中，将用户编号作为唯一性约束，即不允许存在多条用户信息的用户编号重复的情况。用户信息表举例见表2。
2.2 分发计算
简单地讲，态势信息分发规则规定了通过什么链路、向谁、发送什么范围内的什么类型的数据[13]。分发计算是将实时综合态势信息与态势信息分发规则进行匹配计算，输出满足分发规则的实时综合态势信息。
基于Map的数据模型可以将态势信息、用户编号、分发规则表示成三元组形式。例如<态势信息A,用户B,分发规则C >，表示将满足分发规则C的态势信息A发送给用户B。
分发计算前，需要建立态势信息分发管理数据库，存储三张二维表。
态势信息分发要素参考值表，用于存储态势信息分发要素，如目标类别属性、目标敌我属性等，如表1所示。
表1 态势信息分发要素参考值
用户信息表，用于存储用户的基本信息，包括用户编号，链路通信地址、是否为有效用户等，如表2所示。
表2 用户信息表
分发规则表，用于存储分发规则。指挥员操作后，写入分发管理数据库。态势分发服务读取后依据分发规则对态势信息进行分发计算。在分发规则表中，将用户编号作为唯一性约束，即不允许存在多条分发规则的用户编号重复的情况。分发规则表举例见表3。
表3 分发规则表
根据以上数据存储需求，构建分发管理数据库模型如图1所示。
图1 分发管理数据库模型
其中，UserInfo用于存储用户信息，UserID作为主键,所有的用户信息用集合U={u1,u2,…，un}表示，集合内的元素u内容包括
DistributeElement用于存储分发要素数据，ElementID作为主键，存储表1态势信息分发要素参考值信息。MidElementData存储分发要素过程数据，RuleID和ElementID为双主键。
DistributeRule用于存储分发规则，ID为主键，UserID、RuleID为外键,所有的分发规则用集合R={r1,r2,…，rn}表示，集合内的元素r内容包括< ID,UserID,RuleID,ElementResult >。
战场实时综合态势信息分发结构如图2所示。
图2 战场实时综合态势信息分发结构图
用户注册时，通过调用用户管理数据库访问接口填写用户名称、链路通信地址，同时分配唯一的用户编号，将上述用户信息写入分发管理数据库并向用户反馈。
用户注册成功后，可通过态势信息目录数据库访问接口浏览分发管理数据库中的态势信息目录，选择需要的态势信息，生成分发规则，或直接由系统管理员生成分发规则，并在分发管理数据库完成分发规则数据更新。
态势分发服务通过分发管理数据库访问接口获取分发规则和用户信息，通过用户数据报协议(User Datagram Protocol, UDP)传输协议获取实时综合态势信息，通过分发规则匹配计算，将满足用户分发规则的数据向用户发送。
以态势信息的目标类别属性和敌我属性为例，分发要素参考值见表1。分发规则匹配算法描述如下。
输入为态势信息分发规则集合R、用户信息集合U、实时综合态势信息集合Z。
输出为所有满足分发规则R的实时综合态势信息。
1)生成态势信息分发要素参考值表，发布态势信息目录；
2)用户订阅、本地用户管理，对用户信息表进行增删改操作；
3)操作员在态势信息分发管理终端上编辑态势信息分发要素，生成分发规则表R；
4)态势分发服务读取分发管理数据库的态势信息分发规则R、用户信息表U；
5)态势分发服务接收实时综合态势信息z(z∈Z)，进行分发计算；采用逻辑运算符判断实时态势信息z是否满足分发规则R，举例：
如果r.ElementResult & FSPEC[0] == 80H
且
实时态势信息z是空中目标
则
实时态势信息z满足向用户u(u∈U，且u.UserID =r.UserID)的分发条件，其余分发要素的判断方法同上所述；
6)态势分发服务获取用户u的的链路通信参数(u.userIP)，当该用户为有效用户时(u.isEffective == true)向其发送实时态势信息，否则抛弃数据包，并转到5)；
7)态势信息分发规则需要进行增加、删除或修改时，转到4)。
分发计算逻辑处理流程如图3所示。
图3 分发计算逻辑处理流程
分发管理数据库中存储分发要素、分发规则和用户信息，在分发计算前获取基于Map数据模型的三元组信息，即态势信息、用户编号和分发规则，通过分发匹配算法实现对态势信息和用户之间的关联计算，输出满足用户分发规则的态势信息。
使用上述实时综合态势分发方法更加直观，用户可以得到更加符合其需求的态势信息，并且具有更好的扩展性，在一定程度上可以提高实时综合态势信息分发的效率。
3 实验验证
在千兆以太网环境下搭建如图4的验证环境，具体配置见表4所示。
表4 验证环境配置表
图4 态势信息分发验证环境
其中，态势信息分发服务器部署态势信息分发服务，用于读取分发规则和用户信息，并对实时接收的综合态势信息进行匹配计算；分发管理数据库服务器用于安装oracle 11g关系型数据库，存储分发规则等信息；态势信息分发管理终端用于模拟实时综合态势信息，通过UDP传输协议发出，并进行用户管理操作；用户模拟终端用于模拟数据接收方，用不同的端口区分多个用户接收链路。
参考表1在态势信息分发管理终端上模拟发送具有多种不同属性的实时综合态势信息，包括空中目标、海上目标、空间目标，增加用户信息：
<9999,用户1,192.168.1.200:10001,有效>、
<9998,用户2,192.168.1.200:10002,有效>、
<9997,用户3,192.168.1.200:10003,有效>，
设置分发规则<9999,D0H>、<9998,80H>、<9997,F0H>，经态势信息分发服务器按分发规则匹配算法计算后，在分发情报用户终端上对应的端口进行捕包测试，记录输出结果见表5。
表5 态势分发服务结果输出
下面对分发要素扩展性进行验证，在表1的基础上增加“全部实时综合态势信息”，见表6粗体部分。
表6 修改后的态势信息分发要素参考值
参考表1在态势信息分发管理终端上模拟发送具有多种属性的实时综合态势信息，包括空中目标、海上目标、空间目标。修改用户信息如下：<9999,用户1,192.168.1.200:10001,有效>、<9998,用户2,192.168.1.200:10002,有效>、<9997,用户3,192.168.1.200:10003,无效>,设置分发规则<9999,010180H>、<9998,010180H>、<9997, 010180H>，经态势信息分发服务器按分发规则匹配算法计算后，在分发情报用户终端上对应的端口进行捕包测试，记录输出结果见表7。
表7 态势分发服务结果输出
从表5可以看出，当分发规则包含了全部实时综合态势信息且用户为有效状态，则分发计算时，会将所有的实时综合态势输出。表明不论目标什么属性，只要在较粗的分发要素颗粒度上满足条件，就能实现态势信息的分发。
下面针对分发性能做进一步的实验验证。在图4的测试环境下，与文献[8]基于Redis和WebSocket的发布订阅推送方案进行对比，测试不同数据包大小和不同用户数量下的实时态势信息分发性能。测试结果如图5～图6所示。
图5 1个用户下的分发性能对比图
图6 5个用户下的分发性能对比图
上述本文态势信息分发方法的测试结果是使用UDP传输协议时不丢包的最大信息分发速率。测试结果表明，随着信息平均长度变大和用户数量变多，两种方法的信息分发速率均呈递减的趋势，这是因为数据包大小和用户数量导致的网络通信开销变大，影响了数据传输。通过高精度计时器测算，本文的态势信息分发方法分发计算和网络数据收发耗时均在毫秒级，数据接收缓存耗时小于0.1 ms，分发计算耗时小于0.5 ms，数据发送耗时小于0.1 ms，因此本文提出的实时综合态势信息分发方法，具有较强的实时性，相比基于Redis和采用TCP传输协议的WebSocket的态势信息推送方案，在信息分发速率要求高和不可靠的信息传输场景方面具有较大的优势。
本文提出的指示字节表示法，可以让软件设计者按需设计分发要素颗粒度，降低了分发规则设计的复杂度，能够快速根据系统应用需求，调整分发内容，在一定程度上提高了软件维护和运行效率。
5 结 语
本文提出的战场实时综合态势信息分发方法，通过指示字节表示法实现了态势信息分发要素的可扩展设计,可以自由按需设计分发要素的颗粒度和种类数量，支持多种态势信息对多用户的实时态势信息分发，能够满足态势信息分发实时性的要求，能够指导先进指挥控制信息系统实时态势信息分发功能的设计和实现，在实际作战中具有重要意义。
该方法已在某信息系统进行实战应用，运行效果良好。本文在研究态势分发技术时仅考虑了对战场指挥决策具有较大影响的实时态势信息，下一步需针对非实时态势信息分发的问题展开研究。
