戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈支撐環(huán)境建模方法研究

摘 要： 戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，憑借統(tǒng)一的通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)了傳感器平臺(tái)、武器平臺(tái)、指控平臺(tái)的互聯(lián)互通互操作，顯著提高了信息分發(fā)效率，提高了作戰(zhàn)系統(tǒng)的整體效能，已成為作戰(zhàn)行動(dòng)的有力支撐。然而，由于數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)作戰(zhàn)運(yùn)用涉及的人員多、裝備多、覆蓋地域廣，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的實(shí)裝演練難以開(kāi)展，作戰(zhàn)訓(xùn)練難以組織。基于此背景，對(duì)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)與作戰(zhàn)環(huán)境的關(guān)系進(jìn)行剖析，對(duì)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)支撐作戰(zhàn)的模式進(jìn)行了研究，并對(duì)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)支撐環(huán)境模型的基本結(jié)構(gòu)以及建模基本方法進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞： 戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈； 數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)； 支撐環(huán)境； 建模

中圖分類(lèi)號(hào)： TN915?34； TB324.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）21?0047?03

Research on modeling method of tactical data link supporting environment

DAI Senqiang， YU Yimin

（PLA Academy of National Defense Information， Wuhan 430010， China）

Abstract： The tactical data link system can realize the connectivity and interoperability of the sensor platform， weapon platform， command and control platform by virtue of the unified communication protocol， and improve the efficiency of information distribution and overall efficiency of the military operation system significantly， which becomes the strong support for military operation. Since the military operation application of the data link system involves a lot of staff， many equipments， and broad coverage area， it is hard to develop the real equipment drill of data link system， and organize the military operation drill. On the basis of this background， the relationship between data link network and military operation environment is analyzed， the military operation mode supported by data?link network is researched， and the fundamental structure and basic modeling method of data link network supporting environment are studied.

Keywords： tactical data link； data link network； supporting environment； modeling

0 引 言

作戰(zhàn)環(huán)境廣義上指的是作戰(zhàn)空間中人員和武器裝備外的客觀環(huán)境，作戰(zhàn)環(huán)境確定了作戰(zhàn)行動(dòng)的邊界條件，對(duì)所有作戰(zhàn)單元構(gòu)成的整個(gè)作戰(zhàn)體系的能力發(fā)揮進(jìn)行了限制。然而身處環(huán)境之中的交戰(zhàn)各方會(huì)有意識(shí)或無(wú)意識(shí)的與戰(zhàn)場(chǎng)發(fā)生交互[1]，對(duì)作戰(zhàn)環(huán)境產(chǎn)生各種各樣的影響，從而改變了作戰(zhàn)行動(dòng)的邊界條件。在軍事建模領(lǐng)域，通常把作戰(zhàn)環(huán)境分為綜合自然環(huán)境與戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境兩大類(lèi)[2]。美軍在使命空間功能描述（FDMS）中又將戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境分為軍事環(huán)境與人文環(huán)境，其中軍事環(huán)境包括使命任務(wù)，力量狀況，情報(bào)、指揮控制、通信等信息系統(tǒng)，防護(hù)偽裝，各種威脅沖突等內(nèi)容[3]，這一觀點(diǎn)也得到了國(guó)內(nèi)外的基本認(rèn)同。

目前，隨著軍隊(duì)信息化水平的逐步提升，武器裝備對(duì)信息的需求越來(lái)越精細(xì)，對(duì)實(shí)時(shí)性的要求越來(lái)越高。戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)憑借統(tǒng)一的通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)了傳感器平臺(tái)、武器平臺(tái)、指控平臺(tái)的互聯(lián)互通互操作，顯著提高了信息分發(fā)效率，所具備的諸如態(tài)勢(shì)共享、自由文電、電子戰(zhàn)、交戰(zhàn)協(xié)同等功能不僅為作戰(zhàn)單元提供了更廣泛的能力，也大幅提高了信息利用的效率，已成為作戰(zhàn)行動(dòng)的有力支撐。

現(xiàn)今，聯(lián)合作戰(zhàn)已成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的主流，而聯(lián)合作戰(zhàn)往往覆蓋區(qū)域廣闊，參與人員、裝備眾多，開(kāi)展聯(lián)合作戰(zhàn)實(shí)兵實(shí)裝訓(xùn)練和演習(xí)將耗費(fèi)大量人力、物力，且存在各軍種、單位難以協(xié)調(diào)、訓(xùn)練情況及計(jì)劃方案難以評(píng)估等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)作為聯(lián)合作戰(zhàn)行動(dòng)的重要支撐，其組織籌劃與操作使用是聯(lián)合作戰(zhàn)行動(dòng)中不可缺少的關(guān)鍵一環(huán)。因此，研究數(shù)據(jù)鏈支撐作戰(zhàn)行動(dòng)的建模技術(shù)，搭建面向作戰(zhàn)運(yùn)用的數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境開(kāi)展數(shù)據(jù)鏈裝備操作訓(xùn)練和網(wǎng)絡(luò)組織方案的推演評(píng)估對(duì)解決聯(lián)合作戰(zhàn)訓(xùn)練開(kāi)展困難具有重大意義。

1 數(shù)據(jù)鏈支撐環(huán)境概述

數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)作為一種先進(jìn)的軍事信息系統(tǒng)，其保障作戰(zhàn)活動(dòng)的方式主要體現(xiàn)為作戰(zhàn)單元之間依托數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的信息交互，而且作戰(zhàn)活動(dòng)會(huì)對(duì)包含數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境產(chǎn)生影響。因此，數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)可視為保障作戰(zhàn)活動(dòng)的支撐環(huán)境，構(gòu)成的作戰(zhàn)環(huán)境框架如圖1所示。

1.1 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)概述

美國(guó)防部（DOD）將戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈定義為用于傳輸機(jī)器可讀的數(shù)字信息的標(biāo)準(zhǔn)通信鏈路。數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)采用無(wú)線通信協(xié)議和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)陸基、空中及水面艦艇等各類(lèi)平臺(tái)之間數(shù)據(jù)信息交換的信息系統(tǒng)[4]。

相較于普通的通信系統(tǒng)，數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)最主要的區(qū)別在于傳輸?shù)男畔閷?shí)時(shí)的格式化數(shù)據(jù)，以及較高的跳頻速率[5]，數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)具有如下主要特征：

（1） 抗毀性強(qiáng)，通用數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)無(wú)中心節(jié)點(diǎn)的工作方式，使得任意節(jié)點(diǎn)的毀傷通常并不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。

（2） 抗干擾能力強(qiáng)，數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)跳頻速率達(dá)到了每秒數(shù)萬(wàn)次，每個(gè)周期內(nèi)脈沖的駐留時(shí)間在微秒級(jí)別[6]，因此，難以對(duì)其進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)；而且數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)工作帶寬高達(dá)數(shù)百兆赫茲[7]，采用掃頻式干擾及噪聲壓制進(jìn)行干擾的效果較差。

（3） 實(shí)時(shí)性好，系統(tǒng)信息格式的一致性避免了網(wǎng)間格式轉(zhuǎn)換帶來(lái)的時(shí)延，TDMA的接入方式也可顯著節(jié)省網(wǎng)絡(luò)接入所需的時(shí)間。

在數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)支撐下，作戰(zhàn)平臺(tái)能獲得更加完備的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)、實(shí)現(xiàn)更默契的協(xié)同支援，指揮員可以實(shí)現(xiàn)更加靈活的指揮控制；使得作戰(zhàn)單元克服客觀限制因素的能力顯著增強(qiáng)，提高了整個(gè)作戰(zhàn)體系對(duì)客觀條件的適應(yīng)性。數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)已成為信息化作戰(zhàn)中不可缺少的關(guān)鍵支撐。

1.2 數(shù)據(jù)鏈信息獲取方式

獲取信息是保障作戰(zhàn)及指揮的首要工作。數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)鏈接了各式各樣的傳感器平臺(tái)，能對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中包括地形、氣象、水文等自然環(huán)境信息以及敵方目標(biāo)的數(shù)量、種類(lèi)等信息進(jìn)行搜集，并根據(jù)預(yù)先制定的規(guī)則對(duì)信息進(jìn)行綜合處理，去除冗余，形成統(tǒng)一態(tài)勢(shì)。其次，數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)成員通過(guò)定期報(bào)告PPLI消息[8]，提供自身的地理位置、燃料、裝備等狀態(tài)信息。指控、協(xié)同以及網(wǎng)絡(luò)管理過(guò)程也會(huì)產(chǎn)生各類(lèi)指令信息。這些信息在數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)流轉(zhuǎn)，在網(wǎng)絡(luò)成員之間交換，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)成員之間的態(tài)勢(shì)共享、指揮控制、戰(zhàn)術(shù)協(xié)同等動(dòng)作。

1.3 數(shù)據(jù)鏈信息分發(fā)方式

數(shù)據(jù)鏈信息交互方式主要由其時(shí)隙分配及網(wǎng)絡(luò)組織情況決定，目前以美軍JTIDS為代表的通用鏈普遍采用TDMA的固定時(shí)隙分配方式，其他綜合鏈則大部分采用輪詢(xún)的時(shí)隙分配方式[9]。TDMA方式保證了可靠的網(wǎng)絡(luò)接入質(zhì)量且接入帶來(lái)的時(shí)延極小，但網(wǎng)絡(luò)接入的靈活性較低；輪詢(xún)方式則能靈活地調(diào)整網(wǎng)絡(luò)成員的收發(fā)，但會(huì)耗費(fèi)一定時(shí)延且不能確保網(wǎng)絡(luò)接入質(zhì)量。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)規(guī)劃人員根據(jù)參與平臺(tái)數(shù)量、種類(lèi)，作戰(zhàn)覆蓋地域范圍等現(xiàn)實(shí)情況，兼顧網(wǎng)絡(luò)接入質(zhì)量的穩(wěn)定及網(wǎng)絡(luò)接入的靈活性，選擇通用鏈或綜合鏈系統(tǒng)搭建數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)，將時(shí)隙分配給各個(gè)網(wǎng)絡(luò)成員[10]，使其加入到不同的功能子網(wǎng)。即可通過(guò)各子網(wǎng)內(nèi)平臺(tái)之間的信息交換，形成各種戰(zhàn)術(shù)能力。

1.4 數(shù)據(jù)鏈戰(zhàn)術(shù)能力

戰(zhàn)術(shù)能力是數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)支撐作戰(zhàn)活動(dòng)的具體表現(xiàn)形式，數(shù)據(jù)鏈具備的戰(zhàn)術(shù)功能主要有態(tài)勢(shì)信息共享、指揮控制、戰(zhàn)術(shù)協(xié)同、電子戰(zhàn)等。在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)籌劃階段，設(shè)計(jì)人員會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)鏈消息執(zhí)行功能的不同對(duì)時(shí)隙資源進(jìn)行分配，即形成網(wǎng)絡(luò)參與組（NPG），一個(gè)戰(zhàn)術(shù)功能往往需要由多個(gè)NPG共同完成。例如，態(tài)勢(shì)共享功能通常需要精確參與定位識(shí)別（PPLI）、目標(biāo)監(jiān)視等NPG共同執(zhí)行；戰(zhàn)術(shù)協(xié)同需要武器協(xié)同、戰(zhàn)斗機(jī)?戰(zhàn)斗機(jī)等NPG共同執(zhí)行。

借助數(shù)據(jù)鏈重疊網(wǎng)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)成員還可以靈活地切換到其他NPG子網(wǎng)[9]，進(jìn)行信息交互，在正確的時(shí)間獲取所需的信息。憑借這種高效的信息交互，使整個(gè)作戰(zhàn)系統(tǒng)之間的信息傳遞、交互更為順暢、靈活，體系作戰(zhàn)的能力得到了顯著提高。

2 數(shù)據(jù)鏈支撐環(huán)境模型

2.1 模型結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)鏈支撐作戰(zhàn)的表現(xiàn)形式為數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)主要由節(jié)點(diǎn)和鏈路構(gòu)成，節(jié)點(diǎn)為加入到數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)中的各類(lèi)作戰(zhàn)平臺(tái)，鏈路則為各平臺(tái)之間的通信連接。因此，作戰(zhàn)行動(dòng)與數(shù)據(jù)鏈支撐環(huán)境之間的接口即為各節(jié)點(diǎn)與作戰(zhàn)平臺(tái)之間的映射關(guān)系。各類(lèi)平臺(tái)依托加裝的數(shù)據(jù)鏈終端進(jìn)行信息交互的過(guò)程可視為平臺(tái)映射的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)鏈支撐環(huán)境之間進(jìn)行信息交互的過(guò)程。據(jù)此可知，數(shù)據(jù)鏈支撐環(huán)境基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

因?yàn)樽鲬?zhàn)平臺(tái)與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間存在映射關(guān)系，根據(jù)作戰(zhàn)平臺(tái)之間的信息交互需求即可確定網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間的通信連接需求，并依此進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的組織設(shè)計(jì)。而數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的基本組成為節(jié)點(diǎn)和通信鏈路，需要進(jìn)一步的分析及研究。

2.2 節(jié)點(diǎn)模型

由上節(jié)可知，數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與作戰(zhàn)平臺(tái)之間存在映射關(guān)系。為確定節(jié)點(diǎn)模型的種類(lèi)及主要屬性特征，則需要對(duì)作戰(zhàn)平臺(tái)進(jìn)行分析和研究。作戰(zhàn)平臺(tái)之間的指揮控制及協(xié)同等活動(dòng)都依賴(lài)于數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)中的信息交互，因此，根據(jù)信息流程中角色的不同，作戰(zhàn)平臺(tái)可分為傳感器平臺(tái)、指控平臺(tái)及武器平臺(tái)。而在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中信息只經(jīng)歷產(chǎn)生和轉(zhuǎn)發(fā)，并不涉及對(duì)信息的分析和加工，據(jù)此可將所有作戰(zhàn)平臺(tái)映射為消息產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)和轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)兩大類(lèi)，如圖3所示。

消息產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)具備轉(zhuǎn)發(fā)的能力，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)不具備產(chǎn)生信息的能力。轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)模型直接由數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)中各種通信協(xié)議組成，能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)、中繼及網(wǎng)絡(luò)切換等功能；消息產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)在此基礎(chǔ)上具備了產(chǎn)生信息的能力，在引入作戰(zhàn)平臺(tái)模型后即可根據(jù)相應(yīng)模型實(shí)現(xiàn)態(tài)勢(shì)感知、指揮控制的動(dòng)作，產(chǎn)生態(tài)勢(shì)信息和指控指令。

2.3 網(wǎng)絡(luò)模型

網(wǎng)絡(luò)主要由節(jié)點(diǎn)及其之間的通信鏈路構(gòu)成，數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間通信連接的質(zhì)量會(huì)受到綜合自然環(huán)境中地形、氣象水文、電磁等條件的影響；而且，作戰(zhàn)平臺(tái)處在不斷的機(jī)動(dòng)之中，相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多徑效應(yīng)也會(huì)對(duì)通信連接的穩(wěn)定性造成較大影響。因此，需要構(gòu)建合理的鏈路模型來(lái)表征這些影響。

采用無(wú)向連接圖[G（V，E）]表示節(jié)點(diǎn)及鏈路狀態(tài)，其中[V]為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)集，[E]為任意節(jié)點(diǎn)[u，v]之間鏈路的集合，[（u，v）∈E；u，v∈V，]設(shè)置指標(biāo)[w（u，v）]：

式中：[m=0]表示節(jié)點(diǎn)[u，v]之間無(wú)法建立連接。

節(jié)點(diǎn)之間的距離、相對(duì)移動(dòng)，障礙物的遮擋等都是對(duì)無(wú)線通信質(zhì)量造成影響的關(guān)鍵因素。設(shè)[u，v]為節(jié)點(diǎn)[u，v]對(duì)應(yīng)的作戰(zhàn)平臺(tái)，[d（u，v）]表示[u，v]之間的距離；[Vu，Vv]表示[u，v]的移動(dòng)速度；[G（x，y，z）]為[u，v]附近區(qū)域內(nèi)的地形三維函數(shù)。可知[w（u，v）]為這些因素的函數(shù)，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

3 結(jié) 語(yǔ)

本文首先對(duì)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)建模與仿真的實(shí)用性進(jìn)行論證，隨后對(duì)數(shù)據(jù)鏈支撐環(huán)境概念進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，提出了數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)模型的基本結(jié)構(gòu)框架以及模型構(gòu)建的思路方法。由于篇幅有限，關(guān)于整個(gè)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)模型的詳細(xì)建立過(guò)程并未詳細(xì)介紹，數(shù)據(jù)鏈作戰(zhàn)運(yùn)用仿真系統(tǒng)的相關(guān)研究還有待進(jìn)一步發(fā)展。

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