基于“軟硬結合”平臺的導航戰體系對抗與評估系統研究

張國義,劉 華,高翔霄,向才炳,柴 強

(1.中國航天電子技術研究院 衛星導航系統工程中心，北京 10094; 2.北京遙測技術研究所，北京 100094; 3.北京宇航系統工程研究所，北京 100076; 4.32021部隊，北京 100094)

0 引言

衛星導航系統/應用系統的導航戰從作戰對抗對象體系來看，可分為使導航系統自身能力退化/失效和使導航應用能力效能退化/失效。前者是使衛星和地面支持系統(運控、測控)失去星地測量、星間測量和數據通信能力，這樣導航衛星和地面支持系統失去導航電文數據注入更新和正確測量數據來源[1]；后者是以噪聲信號、轉發欺騙信號、生成式相干干擾信號進行區域遮蔽/壓制、欺騙，使得區域內衛星導航接收機失鎖、錯鎖導航信號，從而不能授時、定位、測速或授時、定位、測速錯誤。從作戰對抗技術手段上來看是使衛星導航系統所有含接收機和信機被壓制/干擾、欺騙，包括壓制干擾和欺騙干擾兩類。

圖1 試驗推演評估仿真分系統

導航戰體系對抗與評估系統是一個支持交互式裝備體系作戰試驗仿真的試驗系統，為試驗與評估聯合作戰狀態下導航體系裝備運用作戰效能，必須能夠詳細地模擬要素參與的地面、空中系統作戰，并能將電子戰，信息戰等戰法有效地集成到模型。基于統一的開發標準、數據交換協議和協調一致的體系結構，通過計算機網絡把試驗推演評估仿真分系統和物理仿真分系統連接起來，用以模擬導航戰體系對抗狀態下裝備及戰術運用，模擬各種信息源生成體系對抗試驗所需的各種數據和信息，評估體系將其作為對抗試驗的輸入信源，用以驗證系統在對抗條件下效能。

試驗推演評估仿真分系統具備軟件仿真系統靈活性及易于擴充規模的要求，物理仿真分系統具備裝備實體的物理特性，“軟硬結合”模式通過硬件設備可與軟件模型無差別的等效集成，共同構建試驗環境，進行全規模全要素驗證；靈活性與真實性有效統一。試驗系統基于代表系統近真實狀態的系統級試驗驗證理念，構建涵蓋信息流、控制流、時間流的多層次對抗研究平臺，同時具有靈活可控的體系架構，軟硬件可靈活操控及配置，具備擴展升級能力。

1 試驗推演評估仿真分系統

導航體系對抗推演在系統運用中主要可以體現三個層次：①在第一層次，能模擬諸軍兵種間的聯合作戰問題，并表現不同作戰樣式的綜合情況。重點描述和解決體系對抗如：導航電子戰與聯合導航體系保障、綜合信息戰、無人應用系統作戰等。②在第二層次，能模擬運用導航應用裝備的作戰行動，描述導航相關裝備、兵力的對抗與作戰效果計算。③在第三層，能模擬具體場景的作戰行動，通過相應要素的戰術運用，用數字手段模擬仿真實兵、實裝達到模擬實兵推演的控制、導調與評估的目的。

1.1 試驗推演評估仿真分系統總體組成

體系對抗試驗推演評估仿真分系統的組成包括系統主體與對外接口，如圖1所示。體系對抗試驗推演評估仿真分系統主體包括試驗任務子系統、推演仿真運行調度引擎、數學仿真子系統、試驗體系節點模型和評估分析子系統五部分，其他包括監控顯示子系統、仿真控制子系統，場景配置插件、信息服務與數據管理軟件等，并支持物理仿真分系統協同仿真控制，體系對抗推演評估仿真分系統對外接口主要實現與物理仿真子系統的聯合/協同的試驗能力。

1.2 試驗任務系統

該系統是整個仿真系統的中樞，主要功能是根據試驗規劃任務腳本、系統仿真模式及流程開發腳本、對抗運行場景開發腳本映射為仿真運行調度引擎的啟停、各類模型參數或屬性中，并進行初始運行的加載。試驗想定與配置涉及大量的任務、模式、參數的切分，包括：1)對抗試驗任務規劃；2)系統仿真的工作模式及流程；3)導航系統及應用系統的對抗場景配置。

1.3 試驗體系節點模型

體系對抗試驗推演評估分系統需要建模與實際系統對應的節點模型，用于完成系統試驗。實際系統映射到仿真系統中節點與節點屬性(包含業務動作、輸入輸出接口、控制接口、涉及的接口及關鍵技術、特性參數等方面)的要求。

導航戰體系對抗任務對應實際物理系統所需參與的節點類型及節點屬性存在約束關系。從仿真導航戰體系對抗任務需求出發得到為滿足系統軟件閉環驗證節點模型，從而與系統物理組成構成映射關系。

按照系統支持信息、業務、系統性能的作戰試驗需求，對仿真節點進行設計。其中一級節點包括地面支持系統、衛星、星間網絡、用戶和環境、對抗干擾源；同時地面支持系統包括綜合管控子系統、地面支持子系統和三個二級節點。

1.4 數學仿真子系統

為保證對抗試驗、推演、評估的可靠和可信，必須確保星地/星間鏈路模擬的關鍵體制、軟件和算法的可行性和有效性，提供數據支持網絡、節點的帶寬鏈路和導航定位算法等仿真數據，數學仿真模型需要仿真生成與通信和觀測數據有關的各類數據，包括空間段軌道與衛星鏈路帶寬、環境段影響數據、星間觀測數據、地面觀測數據等。

1)空間段軌道數據仿真；

2)對抗及運行接入控制環境影響數據仿真；

3)星間網絡數據仿真；

4)星地網絡數據仿真。

1.5 對抗試驗推演仿真運行引擎

1.5.1 試驗推演仿真運行引擎結構

對抗試驗推演仿真運行引擎是試驗系統的推演及調度核心，它根據對抗試驗規劃配置信息，控制仿真時間推進和空間約束進行分布式仿真運行，驅動系統按照空間關系、相關時序運行，模擬導航系統對抗運行的全過程。試驗推演仿真運行引擎結構如圖2所示。

圖2 試驗推演仿真運行引擎

1.5.2 推演引擎

圖3 推演引擎組成圖

推演引擎組成如圖3所示，通過任務規劃導入模塊將任務規劃數據分解入庫并提交推演引擎。推演引擎按照時間引擎推動進行不停地解算；推演引擎中包含反應規則、行為、各實體、事件幾個部分，推演引擎循環計算的方法是“行為-反應-行為變化”。推演引擎運算的結果通過顯示接口向外輸出。推演引擎運算產生的事件列表可以通過顯示接口向外輸出。在推演過程中，可通過人工干預模塊改變實體的行為(例如：改變導航應用裝備實體的機動路線、裝備的使用狀態，干擾對抗裝備的接入控制方式和規模)；可以通過推演進程控制模塊控制推演過程，控制推演開始、推演暫停、重新推演；通過空間引擎和時間引擎控制推演區域和頻度。推演產生的事件是待評估主要輸出之一。

1.6 評估子析系統

評估分析子系統主要是對相關驗證試驗需要進行指標評估的數據進行管理、分析與評估，其評估算法可以采用插件方式進行開發，同時支持在線評估和事后評估。

2 物理仿真分系統總體組成

2.1 物理仿真分系統結構模型

導航戰體系對抗物理仿真分系統要基于系統級等規模(或比例)、全要素、近真實、任意場景可設的平臺，要建立對抗物理仿真分系統，需要研究并具備的能力包括體系對抗信號環境的生成能力、體系對抗環境的信號監測能力、針對體系對抗因素的抗干擾能力。

物理仿真分系統的系統模塊組成：至少8臺導航衛星信號模擬器(A、B、C、D、E、F、G、H)、至少7臺北斗/GPS雙模接收機、一臺服務器)、數學仿真軟件、空間段體系對抗仿真系統(星間鏈路仿真)以及一個數據處理服務器組成；另外添加的4類欺騙干擾模塊、4類阻塞干擾模塊、4類射頻切換與疊加模塊組成。

圖4 導航戰體系對抗物理仿真分系統框圖

對抗物理仿真分系統結構如圖4所示，綜合控制計算機通過網絡連接各類干擾源(阻塞干擾器、欺騙干擾器)、環境段、全球仿真軟件模塊，通過網絡連接空間段仿真計算機，進行仿真參數的配置和控制生成。其中，S模擬測控站、運控模擬測通、星間鏈路運管Ka站和衛星模擬器分別能夠實現對工程系統信號的仿真生成；阻塞干擾器用于產生測控、運控上注、星間鏈路、衛星 B1/B2/B3頻段的阻塞干擾，欺騙干擾器生成測控、運控上注、星間鏈路、衛星B1/B2/B3的欺騙信號。

評估預處理子系統，能夠對各類信號故障狀態，包括空間衛星鐘差/軌道差誤差、偽距信號誤差、對抗交互過程積累結果等待評估數據進行預處理；交由推演評估仿真分系統評估各分系統多類、多路功率可調、制式可調的干擾信號的對導航體系干擾效果，完成對裝備體系干擾對抗性能測試評估。

2.2 衛星測控對抗

測控對抗主要考慮：鏈路壓制、重放式干擾、偽指令干擾，和協議干擾[2]。測控對抗試驗導航戰體系對抗系統局部連接如圖5所示。

圖5 測控對抗試驗系統連接示意圖

測控對抗試驗中，物理仿真分系統把干擾信號合路于從模擬在軌條件S信道模擬器出來的測控上注信號上，進入遙控接收機，使單星或多星遙控接收機被阻塞，失去S遙控上注(或S信道備份運控指令L上注)能力，從而失去對衛星平臺的控制能力。評估服務器接收從S模擬測控站和導航衛星模擬器的輸出數據，評測對抗結果。

2.3 導航載荷/運控對抗

檢驗衛星在L上行干擾條件下組網提供服務的能力[3-4]。包括：上行注入接收載荷、星載信息處理載荷、衛星鐘與時頻載荷等在復雜干擾環境下的北斗體系作戰效能評估，連接關系如圖6所示。

圖6 衛星導航載荷對抗試驗系統連接示意圖

在測評設備的控制下，運控上注信號生成設備產生上行正常注入信號，有線方式通過環境段發送給被測衛星模擬器上注載荷，建立起上行收發鏈路。L頻段上行注入信號干擾源設備根據測試評估要求產生不同干擾形式、不同電平和不同注入數據的信號，對導航衛星模擬器上的擴頻上注測距接收機的信號、信息處理能力進行測試；同時，系統信號質量監測設備和導航信號接收機接收衛星模擬器的下行導航信號，建立起下行收發鏈路。信號質量監測設備對衛星模擬器下行導航信號從信號質量層面進行分析，導航接收機對導航信號進行精密偽距測量和下行電文的解析，評估服務器完成系統對抗結果的評估。

2.4 星間干擾對抗

導航星座的星間鏈路受到干擾時，會影響到整個衛星系統的服務性能[5-6]。星間鏈路可能面臨的干擾包括壓制式干擾和欺騙式干擾等，在導航戰體系對抗系統模擬星間鏈路對抗試驗的連接如圖7所示。

圖7 星間鏈路對抗試驗系統連接示意圖

物理仿真分系統通過有線方式將Ka干擾源信號和經過環境段輸出Ka站正常信號按預期的功率比合路后接入導航衛星星間鏈路接收機載荷，檢測星間鏈路接收機載荷，然后處理在Ka站和導航監測接收機段的監測數據，評估服務器對目標衛星及星座的壓制、反制等試驗干擾或抗干擾結果進行評估，并從導航接收機的角度評估對導航體系效能的評估。

2.5 導航信號戰區遮蔽/壓制、欺騙

考慮到已經規劃有伴星欺騙、低軌小衛星轉發欺騙、機載壓制干擾、地面大功率區域干擾等手段[7]。系統進行導航信號區域遮蔽試驗連接如圖8所示。

圖8 導航信號區域遮蔽試驗系統連接示意圖

物理仿真分系統將L導航干擾源的干擾信號合路于經過環境段的衛星下行導航信號上，評估服務器針對干擾的類型和強度結合導航/監測接收機的輸出評估導航干擾源的遮蔽/壓制效能，或者評估接收機的抗壓制效能。試驗可以在單干擾源與多干擾源等情況下進行。

3 評估體系

3.1 影響導航體系抗干擾性能評估的關聯因素

導航戰體系對抗中導航體系整網性能退化/劣化是隨著星座衛星被干擾的數量和位置的變化而變化，導航戰體系對抗性能評估場景涉及干擾站類型、干擾類型、數量、干擾站功率、干擾站位置、被干擾的衛星、干擾開始/持續時長等要素。導航體系對抗的星座抗干擾性能與單星抗干擾性能、星座整網星地-星間建鏈及處理的抗干擾性能等多種因素有關。

為對導航戰體系對抗效能進行準確、全面評價，首先需要定義導航戰體系對抗性能評估標體系和評估方法[8-11]。導航戰體系對抗性能評估涉及多種干擾場景、多條星-地和星間鏈路(對應多顆衛星)、較長時間( 星-地、星間網絡拓撲隨時間變化)[12-13]；導航戰體系對抗性能的準確評估需要遍歷干擾場景、鏈路、運行時間3個維度[14-16]。為了導航戰體系對抗性能評估完備性要求，必須采用合適的方法實現對上述3個維度的完備建模和遍歷性覆蓋[17-18]。可以采用由從單鏈路到整網的次序和分系統單獨對抗到全系統對抗，依次實現運行時間、鏈路、干擾場景3個維度的遍歷。

3.2 導航星座業務性能評價方法

3.2.1 導航星座業務完整性評估

導航星座業務完整性評估在不同場景下是否能夠支持所有業務類型信息完整性運行，例如在正常業務場景下至少涵蓋：導航星座業務規劃上注業務、導航星座業務數據回傳業務。

3.2.2 導航星座業務完成度評估

導航星座業務完成度主要是通過業務數據的完整性來進行統計評估，例如：

1)導航星座數據業務，可利用回傳業務成功率來評估：

(1)

其中:Snum為測/運控及終端等地面接收節點數量，T為系統運行時間，sd為運行時間T內接收節點實際收到的回傳信息量，SD為運行時間T內接收節點理論應該收到的回傳信息量。

2)導航星座業務規劃上注業務，可利用運控上注業務成功率來評估：

(2)

其中:Lnum為從星上注業務節點數量，T為系統運行時間，ld為運行時間T內從星節點實際收到的運控上注信息量，LD為運行時間T內從星節點理論應該收到的運控上注信息量。

3.2.3 導航星座業務QoS滿足性評估

導航星座業務QoS滿足性評估主要是評估業務數據傳輸平均時延和業務數據傳輸丟包率是否滿足業務服務需求。

業務數據傳輸時延：自業務數據產生至數據成功被目的用戶接收所耗時間，為保證評估的合理性，取業務數據傳輸平均時延作為評估指標。

業務數據傳輸丟包率：目的用戶接收到源用戶產生的業務數據量與源用戶產生的業務數據總量之間的比值，即為業務數據傳輸丟包率。

3.2.4 故障模式下導航星座業務穩健性

故障模式下導航星座業務穩健性評估主要是評估故障模式下各類業務是否能夠正常進行，主要評估指標有故障容忍時間、性能下降率。

故障容忍時間定義為從故障開始時刻到導航業務服務性能不能滿足最低要求時所經歷的時間。

ΔT(i,j)=Tfinal(i,j)-T0(j)

(3)

其中:ΔT(i,j)為業務類型i對故障j的容忍時間，Tfinal(i,j)為業務i在故障j下服務性能下降到最低要求的時刻，T0(j)為故障開始發生時刻。

性能下降率定義為發生故障后業務服務性能趨于穩定時的性能相對于無故障發生時業務服務性能的差異變化。

(4)

其中:Δη(i,j)為業務類型i在故障模式j下的性能下降率，γfinal(i,j)為業務i在故障j下趨于穩定時服務性能，γnormal(i)為業務i無故障時的性能。

3.3 評估指標體系

從不同的視角出發，導航戰體系對抗性能描述也不同。本文從測控、運控/衛星載荷、星間鏈路、衛星導航區域遮蔽等方向考慮對抗手段、策略對單星、星座的影響，再分別從導航信息、空間信號精度/質量、星座狀態和系統服務性能進行評估[19-23]。導航戰體系對抗星座性能評估映射關系如圖9所示。

圖9 導航戰體系對抗星座性能評估映射關系

四類評估按項細分的框架如圖10所示。

圖10 衛星導航體系對抗性能體系的詳細評估項

不同分系統的對抗對導航衛星體系效能的影響是由分系統本身特性決定的，導航衛星體系在信號和信息層面的退化和劣化是系統效能退化直接原因。

4 結束語

本文對基于數字仿真與物理仿真結合的導航戰體系化平臺進行了論述，研究了基于數字仿真的試驗推演評估仿真分系統和與實現物理仿真的硬件平臺，分析了與體系對抗試驗和性能評估相關的要素，研究了體系對抗性能評估指標體系，可以用于衛星導航系統整網抗干擾性能的定量評估，對于不同導航體系對抗性能對比具有參考意義。在對體系對抗性能進行評估時，需要針對不同任務需求，結合具體應用背景分別進行論證。