基于QualNet的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈三維動態(tài)仿真

劉 勇

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

1 引 言

戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈作為現(xiàn)代軍用電子信息系統(tǒng)的核心技術(shù),是各種軍事信息系統(tǒng)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和信息業(yè)務(wù)互通的技術(shù)基礎(chǔ)。通過充分利用仿真技術(shù)及其支撐環(huán)境,以定性與定量相結(jié)合的分析方法,可以評價系統(tǒng)的性能、質(zhì)量與戰(zhàn)術(shù)使用能力,促進發(fā)展決策的科學(xué)化[1—2]。

目前,戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈仿真研究主要集中在二維平面內(nèi),不能夠完全反映受到地理、天氣等因素影響下的仿真情況,而少部分文獻把仿真拓展到三維空間,但均沒有考慮到目標的機動性因素。

本文在研究時,把仿真拓展到三維空間,加入目標的機動性因素,給出了三維仿真的動態(tài)模型及其滿足的更普遍關(guān)系式,同時基于QualNet仿真平臺,通過模型加載實現(xiàn)三維動態(tài)仿真。

2 仿真框架結(jié)構(gòu)

2.1 QualNet仿真結(jié)構(gòu)

QualNet軟件結(jié)構(gòu)如圖1所示,其中圖中間是QualNet基于離散事件仿真。

輸入包括:

(1)波形、射頻、協(xié)議、設(shè)備模型建模;

(2)業(yè)務(wù)流量;

(3)戰(zhàn)場流量數(shù)據(jù)模型IER;

(4)地形與環(huán)境感知的傳播模型;

(5)三維模型建模。

輸出包括:

(1)統(tǒng)計數(shù)據(jù):每個節(jié)點的吞吐量、延時、丟包、抖動等相關(guān)技術(shù)參數(shù);

(2)2D界面:用來構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)拓撲,執(zhí)行網(wǎng)絡(luò);

(3)3D界面:用來演示網(wǎng)絡(luò)的情況。

圖1 QualNet軟件結(jié)構(gòu)Fig.1 QualNet software structure

2.2 QualNet開發(fā)工具

QualNet的開發(fā)工具包括[3]:

(1)Scenario Designer仿真場景設(shè)計,包括網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)、物力拓撲、業(yè)務(wù)、節(jié)點中OSI層次協(xié)議配置、協(xié)議參數(shù)配置、信道配置等;

(2)Animator圖形化的網(wǎng)絡(luò)實驗和演示工具;

(3)Designer基于圖形化優(yōu)先狀態(tài)機(FSM)的用戶自定義協(xié)議設(shè)計工具;

(4)Analyzer統(tǒng)計數(shù)據(jù)的圖形化工具,顯示用戶需要的參數(shù)指標;

(5)Tracer分組級的數(shù)據(jù)記錄和可視化工具。

3 建模的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 移動模型

在聯(lián)合作戰(zhàn)的戰(zhàn)術(shù)環(huán)境中,各作戰(zhàn)平臺一般按照建制編隊協(xié)同完成任務(wù)。編隊內(nèi)成員適用于參考點組移動模型,各編隊的主站適用于隨機路點模型。所以戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈三維仿真移動模型主要應(yīng)該研究參考點組移動模型和隨機路點模型。

3.1.1 參考點組移動模型

參考點組移動模型(Reference Point Group Mobility,RPGM)表示一組移動節(jié)點的隨機運動[4]。

組移動軌跡是基于“邏輯”的,它可以是指定的也可以是完全隨機的。組邏輯中心的運動完全刻畫了它對應(yīng)的組中移動節(jié)點的運動,包括它們的方向和速度。移動節(jié)點在其自身預(yù)先定義的參考點附近移動,而總體來講其移動依賴于組的移動。參考點組移動模型具有以下特點。

(1)每個群都有一個邏輯“中心”,“中心”的移動屬性定義了整個群的行為方式(包括位置、速度、方向、加速度等),因此群的行動軌跡和位移矢量是由“中心”的軌跡和矢量所提供,通常節(jié)點是一成不變地分布于群的范圍之內(nèi)。

(2)每個節(jié)點都被分配一個參考點,節(jié)點可以自由地處在其參考點周圍,參考點也允許節(jié)點在范圍內(nèi)獨立自由移動,參考點跟隨群的移動而發(fā)生位置變化(見圖2)。

圖2 DR GM模型Fig.2 DRGM model

(3)節(jié)點在參考點范圍內(nèi)自由移動,參考點為節(jié)點提供配置參數(shù),當參考點發(fā)生移動時,參考點A首先帶著群的位移矢量 GM(由群的矢量決定,既是由邏輯“中心”決定)發(fā)生位移A※B,新的參考點位置由隨機的位移矢量RM,加到新的參考點B生成;

(4)隨機位移矢量RM獨立于參考點以前的位置,其大小是以參考點為圓心的某些半徑的長度,方向是0°～360°隨機的(見圖3)。

圖3 參照點位移示意圖Fig.3 Reference point mobility

參考點移動模型整個組的運動方程可以用公式來表示:

3.1.2 隨機路點模型

隨機路點模型(Random Waypoint Model)的算法描述[5]如下:

初始狀態(tài)時,節(jié)點在整個仿真區(qū)域均勻分布,每個節(jié)點隨機選擇仿真區(qū)域中的一個點作為目的地。在區(qū)間[Vmin,Vmax]中選擇一個固定速度,其中Vmax是移動節(jié)點的最大允許速度。到達目的地后,節(jié)點暫停時延 Tpause。若暫停時間 Tpause為零,則該模型表示連續(xù)移動。暫停結(jié)束后,重新選擇目的地和速度。此過程重復(fù)直到仿真結(jié)束。

Vmax和 Tpause是兩個最重要的參數(shù),如果 Vmax取值較小而Tpause取值較大,則網(wǎng)絡(luò)的拓撲較為穩(wěn)定;如果Vmax取值較大而Tpause取值較小,則節(jié)點移動較快,網(wǎng)絡(luò)拓撲處于高度變化的狀態(tài)。改變這兩個參數(shù),特別是Vmax,移動路點模型可以產(chǎn)生不同的移動場景。

3.2 移動建模

戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的參與平臺包括地面固定平臺和空中與海面移動平臺兩類,移動性是該網(wǎng)絡(luò)的顯著特性之一。網(wǎng)絡(luò)的各項性能指標,例如吞吐量、傳輸時延、路由的有效性都與平臺的移動性直接相關(guān)。

3.2.1 空中成員的移動模型

根據(jù)實際作戰(zhàn)環(huán)境以及飛機飛行的特點,考慮建立以下移動模型:主節(jié)點采用隨機路點模型,成員節(jié)點采用參考點組移動模型。

移動模型的算法描述如下:

初始狀態(tài)下,將起始群中主站附近任意一點定為邏輯中心點,在各成員節(jié)點周圍為每個節(jié)點選取一個參考點。邏輯中心點按照隨機行走模型移動,各成員按照參考點組移動模型進行移動。

整個組的運動方程可以用如下公式表示:

式中 ,θl(t)∈(0,2π],Vl(t)∈[Vmin,Vmax]。

如果考慮成員節(jié)點和主節(jié)點之間的相關(guān)性,整個組的運動方程可以用如下公式表示:

式中,δθ≤1,0≤δv,δv是成員節(jié)點相對邏輯中心節(jié)點的偏離速度系數(shù),δθ是偏離焦度系數(shù);vm(t)和θm(t)表示成員節(jié)點運動的速度和角度;vl(t)和θl(t)表示邏輯中心節(jié)點運動的速度和角度,采用這兩個參數(shù)來反映成員在速度和方向上對中心節(jié)點的偏差;Amax和Smax表示了成員節(jié)點與參考點之間關(guān)聯(lián)關(guān)系,如果 Amax和 Smax較小,說明組移動性強,成員與參考點之間運動相關(guān)性也強。

3.2.2 海上成員的移動模型

在戰(zhàn)術(shù)環(huán)境下,海軍的作戰(zhàn)單元按照建制協(xié)同完成任務(wù)也是非常常見的,所以海上成員的移動模型也應(yīng)該以組移動模型為主,和航空型成員的移動方式相似。

3.2.3 地面成員的移動模型

(1)地理分隔模型

地面成員根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)性質(zhì)不同,如部隊在行進過程中,要根據(jù)地形、地貌的特點,設(shè)置節(jié)點移動方式,因此基于“地形”的移動模型——地理分隔模型,對于地面成員更符合實際網(wǎng)絡(luò)特征。

整個區(qū)域被分解成許多相鄰區(qū)間,不同的組群在不同的區(qū)間中活動。就如同在整個區(qū)域內(nèi),不同軍兵種在各自的區(qū)域進行各自的軍事行動,相對獨立。各區(qū)域可以通過對群首(主節(jié)點)移動方式的設(shè)置來控制本組群的移動方式。

(2)相互重疊模型

這個模型是指不同的組群在同一個范圍內(nèi)實施不同的任務(wù)。

3.3 場景建模

戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)三維仿真場景模型主要包括地形數(shù)據(jù)庫模型和天氣數(shù)據(jù)庫模型。

(1)地形數(shù)據(jù)庫模型

戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)三維仿真根據(jù)仿真環(huán)境的不同選擇相應(yīng)的地形數(shù)據(jù)庫文件。

在QualNet仿真軟件中可配置的地形數(shù)據(jù)庫文件有限,根據(jù)仿真需求要進行二次開發(fā),建立起適合自身仿真環(huán)境需求的地形數(shù)據(jù)庫模型。

(2)天氣數(shù)據(jù)庫模型

根據(jù)實際作戰(zhàn)天氣因素影響不同可以選擇相應(yīng)匹配的天氣數(shù)據(jù)庫文件。

4 結(jié)果演示

戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)三維仿真通過QualNet仿真軟件支持添加移動模型和場景模型的方式來進行系統(tǒng)三維仿真,同時通過配置網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、通信協(xié)議、仿真業(yè)務(wù)等參數(shù)保證系統(tǒng)仿真的真實性。

在三維模式下系統(tǒng)仿真結(jié)果演示如圖4所示。

圖4 三維仿真圖Fig.4 The 3D simulation

在系統(tǒng)三維仿真場景中加載地形文件及節(jié)點屬性后可以實現(xiàn)系統(tǒng)仿真的各項功能,包括動態(tài)演示、消息及性能實時跟蹤。

戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)三維仿真中的移動節(jié)點根據(jù)實際要求設(shè)定運動軌跡,節(jié)點間根據(jù)設(shè)定業(yè)務(wù)類型通信,在系統(tǒng)運行后對消息進行跟蹤從而達到實時仿真的目的。

5 結(jié)束語

本文主要研究了戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)三維仿真設(shè)計,包括移動模型、場景模型等,其中移動模型的設(shè)計成為系統(tǒng)三維仿真設(shè)計的關(guān)鍵。通過分析隨機路點模型、參考點組移動模型的特點設(shè)計了系統(tǒng)三維仿真移動模型,包括空中成員的移動模型、海上成員的移動模型、地面成員的移動模型。三維仿真場景模型提供仿真場景設(shè)置,包括地圖坐標、地形模式、地形文件、天氣模式、天氣類型等。仿真模型通過使用三維可視化工具動態(tài)顯示系統(tǒng)仿真過程中的性能,使系統(tǒng)三維仿真能真實地反映仿真結(jié)果,但由于硬件條件局限后期仍需要完善。

[1]黃柯棣,劉寶宏,黃健,等.系統(tǒng)仿真技術(shù)[M].北京:國防科技大學(xué)出版社,1998.HUANG Ke-di,LIU Bao-hong,HUANG Jian,et al.The system simulation technology[M].Beijing:National Defense University of Science and Technology Press,1998.(in Chinese)

[2]郭齊勝,董志明.戰(zhàn)場環(huán)境仿真[M].北京:國防工業(yè)出版社,2005.GUO Qi-sheng,DONG Zhi-ming.Battle Environment Simulations[M].Beijing:National Defense Industry Press,2005.(in Chinese)

[3]Scalable Network Technologies,Inc.QualNet 3.9 Programmer′s Guide[M].Scalable Network Technologies,Inc.,2005.

[4]Xiaoyan Hong,Mario Geria,Guangyu Pei,et al.A Group Mobility Model for Ad Hoc Wireless Networks[C]//Proceedings of ACM/IEEEMSWiM'99.Seattle Wa:IEEE,1999:53-60.

[5]Johnsom D Johnson,Maltz D.Dynamic source routing in Ad Hoc Wireless Networks[M]//Mobile Computing.Kluwer:A-cademic Publishers,1996:153-181.