分布式C4ISR系统通信报文传输标准仿真验证系统设计

郭 明，姚力波，王子玲

（海军航空工程学院 山东 烟台 264001）

在现代信息化战争中，信息优势的获取越来越成为关键因素。夺取信息优势的关键之一就是建立完备的指挥、控制、通信、计算机、情报、侦察和监视系统（C4ISR系统）[1]。C4ISR系统包含各种信息源、信息处理中心和信息用户等子系统，一个完善的C4ISR系统需要的众多的硬件和软件支持。在C4ISR系统中，信息的传递与分发是支持整个C4ISR系统正常运作的基础。为保证系统的规范化和可扩展性，各国C4ISR系统中都设计了一套专用的通信报文标准用于各装设备与子系统之间的通信与信息交互，所有加入C4ISR系统的装设备都要符合这套通信报文标准的规范与要求。随着科学技术的进步以及装设备水平的提高，旧有通信报文标准可能面临升级换代。一旦新的标准出台，原有装设备与子系统也必须依据新的通信报文标准进行软硬件改造。由于涉及面广，通信报文标准的升级换代是十分谨慎与复杂的事情，必须严肃对待。在贯彻新的通信报文标准前，必须做充分的报文可行性分析与正确性验证。

系统仿真技术[2]为C4ISR通信报文标准的仿真验证提供了技术途径，本文利用分布式交互仿真（DIS，Distributed Interactive Simulation）技术对C4ISR系统中目标情报信息交互进行建模与仿真，建立相应的实体模型和节点模型，并利用想定文件设定特定的战术背景，构建特定的目标情报信息传输案例，仿真C4ISR系统中目标情报信息传输的全过程，为通信标准的制定与装备的相关改造提供可行性分析与技术支撑。

1 系统功能和组成

1.1 系统功能

分布式C4ISR系统通信报文传输标准仿真验证系统主要研究C4ISR系统中各种信息源、信息处理中心和信息用户之间信息传输的仿真应用研究，并对通信报文标准进行正确性验证与性能评估。其主要功能为：

1）构建逼真的C4ISR系统信息传输网络通信环境；

2）实现信息源、信息处理中心、信息用户之间信息传输的全过程；

3）对通信报文标准中各类报文的正确性和有效性进行验证；

4）对通信报文标准中各类报文的性能及效能进行测试评估研究；

5）为C4ISR系统实装贯标改造提供技术与决策支撑。

1.2 系统组成

分布式C4ISR系统通信报文传输标准仿真验证系统由仿真控制中心节点、信息源节点、信息处理中心节点、信息用户节点和网络通信监控节点等5类节点组成。仿真控制中心节点和网络通信监控节点各1台，信息源节点、信息处理中心节点和信息用户节点的数量由整个系统的规模及通信需求决定。图1以4个信息源节点（2个雷达站、1架预警机、1个机动雷达）、2个信息处理中心节点和2个信息用户节点为例说明系统的组成方案。

图1 系统组成框图Fig.1 The system composition block diagram

1.2.1 仿真控制中心节点

仿真控制节点由场景管理、仿真想定管理、仿真推演和仿真控制等功能模块组成。场景管理模块基于MapX组件开发，是想定系统运行的地理信息平台，它有图层管理，地图放大、缩小、漫游和地图加载功能，实现仿真各元素的可视化展示。仿真想定管理模块可依托于场景管理模块，在可视化的基础上构建具有一定战术背景的仿真想定，即包括参与仿真的信息源、信息处理中心、信息用户等节点的初始参数设定，又确定参与仿真中的运动实体及其运动模型。同时，仿真想定模块构建了基于XML标准化技术的仿真想定库，可实现想定文件的加载、删除、保存、导入、导出等基本操作。想定推演模块则负责对想定文件所表示的战场环境进行模拟演练，验证运动实体运动参数设置的合理性。仿真控制模块是整个仿真系统的控制中枢，负责控制整个仿真进程，实现包括仿真开始、仿真暂停、仿真继续和仿真停止等操作，并可灵活设置仿真运行的速度。同时，仿真控制模块还可对整个仿真的基本参数进行设定，包括目的、仿真时间、各仿真节点网络地址的分配等。

1.2.2 信息源节点

信息源节点主要实现信息源传输数据的获取、处理、报送等功能的仿真。根据系统模拟目标的基本参数和航迹数据，依据信息源的性能参数，生成信息源原始探测数据；通过预先设定的剧情或者人机交互实现对探测数据处理的仿真，如目标的检测、跟踪、编批等，生成目标的属性、航迹等态势信息；将原始探测数据、态势信息和状态信息通过信息传输模型进行发送。

1.2.3 信息处理中心节点

信息处理中心节点主要实现各级信息处理中心节点传输数据的获取、处理、报送等功能的仿真。接收多个信息源节点发送的原始探测数据或处理后的态势信息，根据设置的信息处理中心性能参数对多个信息源的探测数据进行融合处理，生成综合态势；接收信息用户的情报请求，生成信息用户所需要的态势数据。

1.2.4 信息用户节点

信息用户节点实现信息用户依据不同级别的使用权限，实现目标综合态势信息的订阅、接收、显示、分发等功能的仿真。依据剧情设定或者人机交互，向信息处理中心节点发出情报请求，将情报请求按照通信报文标准编码发送；接收信息处理中心节点发送的态势信息，并按照通信报文标准进行解码，生成并显示态势。

1.2.5 网络通信监控节点

网络通信监控节点实现各个信息源、信息处理中心和信息用户节点之间在模拟的信道中传输数据和报文的实时监控，并对相关信息进行截获和统计，获取整个仿真系统信息传输的丢包率、误码率、信道吞吐量等信息，验证信道传输的可靠性和信道的传输效率；以可视化的表现形式对各个仿真节点传输的信息和节点自身的信息状态转移进行统一监控及动态显示，使系统仿真的过程和结果更具直观性。

2 仿真系统实现

2.1 场景管理与态势显控

为增加仿真系统的直观性和可读性，仿真系统想定编制及目标态势显示通常都在地理信息系统上进行描绘，因此开发一套适用于想定开发和态势显示的地理信息平台是整个分布式C4ISR通信报文传输标准仿真验证系统的基础。由于系统所需的地理信息平台的功能并不复杂，实际仿真系统开发中依托轻量级的第三方控件MapX实现地理信息系统的功能[3]，主要包括：

1）场景管理：包括地图加载、图层管理、地图放大、缩小、漫游，仿真实体标注、运动实体运动轨迹规划等。

2）态势显控：主要对运动实体的航迹进行绘制。

2.2 仿真想定管理

C4ISR系统通信报文标准是一整套通信报文的集合，其在设计与编制的时候需要考虑各种情况下，信息源、信息处理中心以及信息用户之间可能使用的通信报文。然而，战场环境千变万化，如果仅是普通对所有报文进行单机的功能验证，则可能会掩盖多消息并发处理或目标密集极限时，通信报文标准在性能或容错机制上的缺陷。为更好的对通信报文标准进行仿真验证，需要仿真想定编辑与管理功能。让用户以一定的专业知识为依托，编辑具有相应战术背景的仿真想定，仿真运行时，按照仿真想定规定的剧情进行通信报文标准的验证与评估。

仿真系统建立仿真想定库，可新建、修改、删除、导入、导出想定文件，实现功能完备的仿真想定管理功能。同时，设计实体、关系、交互模型，并采用通用的XML文件对仿真想定进行规范化设计与描述，提高了仿真想定的可重用性和可移植性。一个完整的仿真想定由实体、关系、交互、相关资源等模块组成，整个仿真想定的XML结构如图2所示。

图2 仿真想定的XML结构图Fig.2 XML structure of simulation scenario

2.2.1 实体模型设计

实体是可识别的人、装备、组织、设施或概念等，是作战行动及其相互影响的主体或客体。在仿真系统中，实体是指参与仿真的具有一定独立行为能力的单元，包括指挥实体、行动实体、战略目标（机场、港口、阵地等）、各类信息、通信系统等[4]。具体到本文的应用背景中，实体主要指的是C4ISR系统中的各类通信系统（即信息源、信息处理中心和信息用户）以及各种类型（空中、海面、水下等）目标。其中，信息源、信息用户及各种目标皆可能为行动实体。

实体可用其属性来描述，其中包括标识属性、空间属性、行为属性、装备属性等。标识属性提供实体的标识信息，用以区别于其它实体，如标识码、所属方、军兵种、类属信息、级别等。空间属性描述实体在战场空间的位置，包括经度、纬度、高深度等。行为属性是实体的运动特性指标，主要描述实体的运动轨迹、运动模型等。装备属性表征实体所具备的预期完成任务目标的能力，如信息源所装备的预警雷达的种类、型号、数量、名称参数等。

2.2.1.1 信息源实体模型

信息源是情报信息的主要来源，其利用一定的探测装备对目标进行探测识别，进而将目标信息按照通信报文标准发送给其隶属的信息处理中心，完成目标情报信息的上报。信息源根据其是否具备机动能力分为固定式（如雷达站）与机动式（如预警机），其仿真实体模型利用标识属性、空间属性、行为属性和装备属性来共同描述。

1）标识属性：为信息源的基本属性，包括名称、敌我属性、兵种、军级、在C4ISR系统中的唯一标识等。

2）空间属性：为信息源的位置属性，主要包括经度、维度、高深度、是否为机动信息源等，想定中记录的是仿真实体的初始位置。

3）行为属性：为信息源的运动属性，主要为运动轨迹编号，该属性为机动信息源所特有，固定式信息源不具备该属性。

4）装备属性：为信息源的探测属性，该属性为信息源特有属性，记录信息源所具有的探测装备种类编号及数量，一个信息源可包含多个探测装备。

2.2.1.2 信息处理中心实体模型

信息处理中心不具有探测装备而且一般为固定式，因此其仿真实体模型仅利用标识属性和空间属性描述即可，其内容与信息源的相关属性基本相同。

2.2.1.3 信息用户实体模型

与信息处理中心相比，信息用户可能具有机动性能，因此，信息用户的仿真实体模型需要利用标识属性、空间属性和行为属性来共同进行描述，其内容与信息源的相关属性基本相同。

2.2.1.4 运动目标实体模型

运动目标为信息源探测的对象，其仿真实体模型可通过标识属性、空间属性与行为属性来共同刻画。空间属性和行为属性与信息源的类似，标识属性包括名称、目标属性、目标类别、目标类型、所属国籍等。

2.2.2 关系模型设计

关系指仿真节点的内在联系，其类型包括隶属关系、管辖和授权、认证关系。信息源隶属一定的信息处理中心，其决定了信息情报上报的方向；信息处理中心根据其级别的不同，隶属其上级信息处理中心，同时可管辖多个信息源和下级信息处理中心，可授权多个信息用户；信息用户可获得多个信息处理中心的认证，从其获取定制的情报信息。想定中，关系记录包括关系编号、关系主体、关系类型、关系客体等。

2.2.3 交互模型设计

交互为实体之间互相施加的影响，施加影响的实体称为主动实体，接受交互并受交互影响的实体称为被动实体。在通信仿真中，主动实体为发出通信报文的实体，被动实体为接收报文的实体。想定中，交互记录包括交互编号、报文发送实体、报文接收实体、报文中转实体、报文类、子报文类等。

2.2.4 运动资源

运动资源记录仿真中所有的运动轨迹，包括运动轨迹编号、运动轨迹名称及相应的拐点信息，每个拐点又包括拐点经度、维度、高深度及运动模型等信息。仿真想定根据运动轨迹编号将具备行为属性的运动实体与运动资源进行相关联。在仿真中，运动实体将按照关联轨迹进行规划运动。一个运动实体仅能对应一条运动资源，编队目标可同时对应于同一运动资源。

2.2.5 装备资源

装备资源记录仿真中所有信息源具备的装备，主要对探测装备的性能参数进行描述，以某雷达为例，其探测资源记录包括：装备编号、装备类型、装备名称、雷达维数、最大作用距离、扫描模式、扫描周期、检测概率、起始方位、结束方位、起始俯仰、结束俯仰、杂波数、距离探测精度、方位探测精度、距离系统偏差、方位系统偏差、俯仰系统偏差等。不同的信息源如果其配备的探测装备相同，则其对应同一装备资源。

2.2.6 辅助信息

辅助信息指的是与仿真相关的其他一些说明类和设置类的信息，如仿真目的、仿真名称、各仿真节点网络配置、仿真环境、待验证通信报文标准名称等。其中仿真环境包括地理环境、气象环境、水文环境等，信息源的探测装备的性能可能会受到仿真环境的影响而不同。

2.3 通信网络环境仿真

逼真的通信网络环境仿真能够提高C4ISR系统通信报文标准仿真验证系统仿真结果分析的可信程度。QualNet是一种应用于无线、有线以及动态网络，具有快速、精确特性的网络开发、仿真系统。QualNet网络仿真工具在速度、可扩展性和模型保真度上具有较强优势。协议模型的源代码为开发者提供了一套完整的模型库，可用于全新的网络协议和算法，预测不同类型网络的性能，网络规模可扩展至上万个无线移动节点，对战场动态网络的仿真提供了技术支持。

QualNet是基于层的构架进行组织的，各层定义有对应的协议，协议之间的通信使用定义好的应用编程接口API函数，每一个节点都有一个协议栈，协议就分布在相应功能层中。协议中服务的选择、确定是通过QualNet的事件处理机制进行的[5]。各层定义、功能和服务协议见表1。

表1 QualNet分层定义、协议及功能Tab.1 The definition，protocol and funciton of the QualNet layers

考虑实际战场信息系统中通信多数采用数据链网络，而数据链网络的传输大多采用无线方式，并且这种网络拓扑结构简单、数据传输量大、消息实时性要求高的特点 ，特别在战情复杂时，需要大量的实时态势信息交互，网络控制信息增多，若按照传统的逐层通信将造成难以避免的迟滞，严重制约数据链的性能。为了尽可能提高模型的真实性，需要对QualNet的协议栈进行修改，将传输层与网络层合并为新的网络层，由其实现数据转发、路由选择、网络互、传输控制及维护等功能，为多链网络提供支持和服务，即在网络模拟中实现跨层通信的机制。

图3 仿真控制中心节点运行流程Fig.3 The running flow of the simulation control node

图4 信息源节点运行流程Fig.4 The running flow of the information source node

实际仿真中，可采用保留现有协议栈模型的基础上，通过建立新的消息结构实现底层与高层直接通信的方式[6]，来实现模拟网络的跨层通信。

图5 信息处理中心节点运行流程Fig.5 The running flow of the information processing center node

图6 信息用户节点运行流程Fig.6 The running flow of the information user node

3 仿真系统流程

仿真过程主要由各节点事件触发，按仿真时钟同步，产生事件时则调用相应模块进行处理并反馈。仿真运行后，网络通信监控节点自动对功能节点进行通信状态与传输信息的监控与显示，其他各类节点的运行流程如图3～6所示。

4 结束语

分布式C4ISR系统通信报文传输标准仿真验证系统的研究，实现了在信息化条件下C4ISR系统各情报分系统之间按照规定通信报文标准进行情报信息分发、共享的全过程，可进行通信报文标准的正确性验证与可行性分析，同时也可为新标准实施后的实装贯标改造工作提供技术支撑

[1]孙佳.C4KISR信息分发分系统仿真[D].沈阳：沈阳理工大学硕士学位论文，2008.

[2]黄柯隶.系统仿真技术 [M].长沙：国防科技大学出版社，1988.

[3]齐锐，屈韶琳，阳琳赞.用MapX开发地理信息系统[M].北京:清华大学出版社，2003.

[4]李玉成.仿真想定开发技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学硕士学位论文，2006.

[5]方标，王永斌，刘宏波.基于QualNet的数据链网络仿真研究[J].现代电子技术，2009（21）:5－8.

[6]刘浩然，宋福晓，方洪俊.Link22数据链网络的仿真系统设计[J].无线电工程，2011（6）:1－4.