来源：第三维度

    摘要: 战术数据链是 C4 ISR 系统的重要组成部分,其作战效能的评估是我军数据链系统发展中迫切需要解决的关键问题。 监视是战术数据链的主要作战任务。 讨论了战术数据链监视效能评估指标,建立了战术数据链监视效能仿真模型,利用对美军 11 号链的研究实例说明了战术数据链作战效能仿真研究的方法。 建立的仿真模型和研究方法对战术数据链建设具有指导意义。

    当前世界性新军事变革的实质就要把工业时代适于打机械化战争的机械化部队,建设成为一支适合于打信息化战争的信息化部队[1],掌握信息权者将操胜券。 战术数据链(Tactical Data Link) 是一种以无线信道为主,以格式化信息的传输、处理为主要目的,在指挥控制系统、传感器、武器平台之间完成特定战役Π战术协同所需的信息系统[2]。 作为 C4ISR 的重要组成部分和网络中心战[3,4]的重要支撑技术,战术数据链的建设已经成为信息化战争发展的重要标志,对其进行各项研究已经刻不容缓。

    作战效能是武器装备系统的最终效能和根本质量保证[5]，对战术数据链进行作战效能评估可以在系统发展阶段对战术数据链设计与实现所采用的关键技术提供验证和分析依据,对战术数据链技术体制、方案评审、设计定型以及编制体制调整提供决策依据 ;在系统使用阶段可以为系统综合配套建设、制定合理的作战原则和运用方法提供决策依据。 因此对作战效能的研究是关系到战术数据链系统发展的重大问题,必须选择合适的方法进行。 

    文献[6]提出了战术数据链性能评估的解析方法,但作战效能评估需要结合作战过程,相比性能评估更加动态,单纯采用解析方法并不能适应这种动态要求。 美军通过大量作战、演习实测统计得到 F215C 战机配备航空数据链后杀伤率提高为原来的 216 倍[4,7],但这种作战效能评估方法代价太高,并不适合我军使用。 与实测和解析方法相比,模拟仿真法具有可控、无破坏性、允许多次重复使用等特点,另外,模拟仿真法能够以较小的代价来模拟影响作战过程的因素,适合于我军现阶段战术数据链效能评估研究的要求。

    在对大规模多任务的复杂系统进行效能评估时,很难在一个模型中反应系统的全部使命任务,因此一般根据其不同的使命任务分别进行评估[5,8]。 战术数据链的一个主要作战任务是实时监视战场态势,主要指战术数据链要能够发现进入其监视区域的各种敌对目标并进行跟踪,测出目标的各运动参数和位置坐标等数据,将态势信息及时上报到决策机关以形成对敌目标的有效打击。 战术数据链的监视效能是指由战术数据链执行监视任务的作战行动所能完成预期目标的程度。 监视效能评估必须在一定的作战想定下考虑,一个典型的战术数据链监视使命作战想定如图 1 所示。

图 1 战术数据链监视任务

    如图所示,敌机要摧毁我方重要军事目标 A,当敌机从其飞行方向飞行至雷达监视距离 Ds 以内时,我方某雷达可以发现该敌机并进行跟踪,该雷达在属于自己的轮询时隙将已经跟踪到的敌机数据上报给预警指挥机,由预警指挥机引导我方防空部队对敌机进行超视距攻击,在 Attack Time 时间内击落敌机。 整个想定完成了敌机信息从传感器到射手的传递过程,是战术数据链的典型应用。

    由于雷达能够同时跟踪和一个时隙内上报的目标数目有限,肯定会有敌机不能及时被击落,造成对我方军事目标 A 的毁坏甚至摧毁。 假设我方防空部队掌握敌机的航迹之后的杀伤率为 100 %,敌机在进入其攻击范围 Dsaf后距离目标越近,对目标的毁坏越大,当敌机可以飞行至距离目标 R 以内就可以完全摧毁目标。 因此,当所有敌机都被击落且没有敌机飞行至距离目标 R 以内,我方作战任务成功 ;只要有一架敌机可以飞行至距离目标 R 以内,则我方的作战任务失败。

    从上面分析可以看出,在作战任务成功的情况下,我方作战任务完成程度与敌机被击落时距离目标的距离有关,因此在作战任务成功时,战术数据链的监视效能 Esuccess可以由下式计算 :

    其中 d 为所有来犯敌机被击落时距离攻击目标的平均距离,当 d > Dsaf时认为 Esuccess = 1。在作战任务失败时,由于我方目标已经被摧毁,讨论已经被击落敌机距离攻击目标的距离显得意义不大,此时我方作战任务的作战效能与已经被击落的敌机数目有关,则作战任务失败时战术数据链监视效能评估指标 Elost可以由公式 2 计算：

    其中 Ndestroyed表示被击落的敌机数目 , M 表示来犯敌机总数。

    确定了战术数据链监视效能评估指标之后,就可以利用合适的评估方法进行评估,仿真是战术数据链作战效能评估的有效方法。 目前大量仿真软件采用离散事件驱动机制,本文建立了基于离散事件驱动的战术数据链监视效能仿真模型,仿真流程如图 2 所示。 新事件由当前发生事件产生,事件按照将要发生的顺序插入事件链表。 每个敌机到达事件发生时,敌机到达时间以及已到达的敌机数目会被记录和统计,每个时隙到达事件发生时,预警指挥机会呼叫某个站点。 需要说明的是,该仿真模型根据美军 11 号链建立,允许同一站点在一个轮询周期内被连续呼叫两次[2],因此若当前呼叫是本轮询周期对该站的第一次呼叫,则产生对该站第二次呼叫的时隙到达事件,如果该站已经被呼叫过一次,则产生对下一站呼叫的时隙到达事件。 当所有敌机都被击落或者我方目标被摧毁时,仿真结束并对仿真结果进行统计分析。 

图 2 战术数据链监视效能仿真流程

    根据不同的作战想定,经过简单的修改(比如呼叫策略、某些固定参数等),就可以对不同类型的战术数据链进行仿真研究,下一节以美军 11 号链为例说明了战术数据链监视作战效能的仿真研究方法。

    在武器装备系统的初期论证阶段,经常与现有装备的作战效能比较来讨论是否需要建设该武器装备系统,在建设发展以及使用阶段,则需要研究如何改进、发挥武器装备系统的作战效能问题。 本节首先与单部雷达执行监视任务时的作战效能相比说明战术数据链建设的必要性,但应该合理组织 ;然后讨论了影响战术数据链监视效能的因素,重点讨论了一次呼叫可以上报的目标数目对监视效能的影响,该指标同时也会影响战术数据链消息格式的确定。

    当使用位于图 1 中我方目标 A 附近的单部雷达完成监视任务时,雷达如果在还有跟踪能力时发现敌机就会跟踪敌机并直接引导我方防空部队对敌机进行攻击,如果已经没有跟踪能力则必须等待有敌机被击落后才能跟踪新的敌机。 虽然使用单雷达完成监视任务不用将目标上报预警指挥机会更快地对敌机进行攻击,但是监视范围也随之变小,该节用仿真结果说明了使用 11 号链所能带来的作战效能的变化量。

    仿真假设敌机到达服从泊松分布,根据文献[2],仿真中的一些参数设置如表 1 所示,本文接下来的仿真实例中没有特别说明的变量设置均由表 1 确定。

表 1 仿真参数设置

    图 3 (a) 给出了敌机到达服从λ= 019的泊松分布, PlaneofCall = 3 时使用单雷达和 11 号链完成监视任务时的作战效能比较。 假设当雷达发现敌机时,敌机的雷达也可以引导敌机对我方目标进行开始进行攻击,即雷达的 Ds = Dsaf = 40km。 可以看出,雷达并没有完成作战任务,而 11 号链在其监视距离小于 80km 时也没有完成作战任务,在监视距离与单雷达相等时甚至小于单雷达监视效能,但是随着监视距离的增加,11 号链的监视效能逐步增大,最终可以达到 1,即保证目标 A 不受任何损失。 图3 (b) 是 PlaneofCall = 8 时单雷达和 11 号链监视效能比较,11 号链的监视效能逐步增大后会明显高于单部雷达,但是也只有监视距离大于 60km 之后,其监视效能才能大于单雷达。 由此可以得到,建设 11 号链可以明显提高监视作战行动的作战效能,但是需要合理的配置建设。

图 3 (a) PlaneofCall = 3 图 3 (b) PlaneofCall = 8

    要合理配置战术数据链从而提高其作战效能,必须对影响其作战效能的因素进行分析。 主要有以下几个 :监视距离、信道误码率、站点数目和同时跟踪或上报的目标数。

    1) 监视距离( Ds)

    监视距离越大对应敌机会在距离较远的位置被击落,战术数据链监视效能也就越大,如图 3 (a) 和 3(b) 所示。 可以看到,监视距离达到一定距离时监视效能会达到最大值,此时再增大监视距离对监视效能并无益处,但可能会带来数据链建设成本增加、本方战场电磁环境恶化等问题。

    2) 信道误码率( Pe)

    信道误码率决定了轮询呼叫成功率[6],误码率高则呼叫成功率低,轮询周期内的呼叫次数变多,轮询周期变长,敌机从被跟踪到被击落的时间间隔越长,对应着战术数据链监视效能下降,如图 4 所示。 仿真假设λ= 019, Ds = 80km, PlaneofCall = 3。

    3) 站点数目( N)

    站点数目变大会导致轮询周期变长,轮询周期太长会导致系统响应时间[2,6] 过长,同时会使战术数据链监视效能下降,如图 5 所示。 仿真假设λ= 019, Ds = 80km, PlaneofCall = 3。

    4) 同时跟踪或报告的目标数目( PlaneofCall)

    消息格式的确定是数据链建设中的一个关键问题[2], 该参数联合单个目标 航 迹 消 息 长 度(Lengthoftarget) 决定了每次报告的消息长度。 PlaneofCall 增大,对应轮询周期变长,但是每周期所能报告的敌机数目也会增大,敌机会在更少的轮询周期内被击落。 根据敌机的到达速度,监视效能随 PlaneofCall 的变化趋势分为以下三种。

    该情况下,一次呼叫只处理一架敌机时,一个轮询周期到达的敌机数目不大于 1 架且 PlaneofCall 增加1 时,轮询周期增加的时间内不会多于 1 架敌机到达。 因为到达敌机从被跟踪到被上报给预警指挥机的时间不会超过 1 个轮询周期,在监视距离足够大的情况下,没有敌机可以进入其攻击范围,战术数据链监视效能不会下降。 但是当 PlaneofCall 增加到一定数值,到达敌机等待一个轮询周期后被上报然后被击落时已经进入其攻击距离,此时战术数据链监视效能会下降,假设此时的 PlaneofCall 值定义为 P0,可以得到 :

    假设λ= 012, Ds = 60km,计算得 P0 = 12174,仿真结果如图 6 所示,可以看出,当 PlaneofCall = 13 时,11号链监视效能开始明显下降。

    RateΠ( (Lengthoftarget + S Slot) ·N + S Cycle) < λ ≤ RateΠLengthoftarget ·N (5)

    此时,当一次呼叫只报告一架敌机时,一个轮询周期内到达的敌机数目大于 1 架,但可以同时跟踪或报告的敌机数目增加 1 时,轮询周期变长的时间内不会多于 1 架敌机到达。 因此当 PlaneofCall = 1 时,会有敌机从进入监视区域到被上报给预警机的等待时间超过 1 个轮询周期,随着 PlaneofCall 的增大,每次呼叫可以报告的敌机数目会追上一个轮询周期内可以到达的敌机数目,此时,监视效能达到最大,定义此时的PlaneofCall 为 P1,可以得到 :

    此时,当一次呼叫只报告一架敌机时,一个轮询周期内到达的敌机数目大于 1 架且可以同时跟踪或报告的敌机数目增加 1 时,轮询周期变长的时间内到达的敌机会多于 1 架。 因此总会有敌机从进入监视区域到被上报给预警机的时间间隔超过 1 个轮询周期,但是随着 PlaneofCall 的增大,每个轮询周期内所能上报的敌机数目增加,相同数目的敌机会在更少的时隙周期内被上报,可以证明增加 PlaneofCall 会使得总上报

时间变小,敌机会在更短的时间都被击落,因此监视效能会提高,当从进入监视区域到被击落的时间间隔最长的那架飞机在被击落时恰好没有飞入其攻击范围时,监视效能会到达最大值,定义此时的 PlaneofCall假设λ= 2, Ds = 150km,计算得到 P2 = 4.13,仿真结果如图 8 所示,可以看到,当 PlaneofCall = 5 时,11 号链监视效能达到最大。

    由此看来,要使战术数据链发挥最大的作战效能,必须合理组织配置各项指标参数,尤其是每次呼叫可以上报的目标数目,该指标增大使轮询周期变长,但也增大了系统的处理能力,因此它对作战效能的影响并不是单调的趋势,在战术数据链建设和使用时要充分考虑。

    本文首先结合战术数据链的监视作战任务讨论了战术数据链监视效能评估指标,提供了评估的依据 ;然后建立了战术数据链监视效能仿真模型,丰富了战术数据链作战效能的研究手段 ;最后利用该模型对美军 11 号链进行了实例研究。 所建仿真模型和研究方法可以为我军战术数据链的建设提供科学定量依据。

    在建设以及使用战术数据链的过程当中,必须充分考虑系统响应时间等性能指标的要求,在满足性能指标的前提下合理配置影响战术数据链作战效能的因素,只有这样才能使整个作战行动的作战效能得到提高。 本文的仿真假设采用定长时隙的轮询策略,没有考虑具体的消息格式,下一步工作将对战术数据链具体消息格式进行考虑,以使评估结果更具实际意义。

    [1] 胡晓峰。 构建科学的战争模拟体系迎接新军事变革的挑战[J]。 系统仿真学报, 2004, 16 (2) : 190 - 193。Hu X F。 Construct the scientific architecture of war gaming and simulation to face the challenge of new revolution in military affairs[J]。 Journal of System Simulation, 2004, 16 (2) : 190 - 193。

    [2] Commanding Officer Navy Centre for Tactical Systems Interoperability (NCTSI) 。 Understanding Link211 : A Guidebook for Operators, Technicians, and Net Managers [R]。 1996。

    [3] David S, Alberts, John J。 Garstka, Frederick P。 Stein。 Network Centric Warfare : Developing and Leveraging Information Superiority[M]。 CCRP Publication Series, 1999。

    [4] Department of Defense。 Network Centric Warfare, DoD Report to Congress [R]。 2001。

    [5] 张最良, 李长生, 赵文志,等。 军事运筹学[M]。 北京 :军事科学出版社, 1993。Zhang ZL, Li C S, Zhao W Z, et al。 Military Operation Research[M]。 Beijing : Press of Military Science, 1993。

    [6] 董超, 田畅, 倪明放。 战术数据链性能评估方法研究[J]。 军事运筹与系统工程, 2007, (1) 。Dong C, Tian C, Ni M F。 Research on performance evaluation of tactical data link[J]。 Military Operation and System Engineering,2007, (1) 。

    [7] Money L。 Report on Network Centric Warfare Sense of the Report [R]。 Submitted to the Congress in Partial Fulfillment of Section 934 of the Defense Authorization Act for FY01, 2001。

    [8] 周智超, 吴晓锋。 SEA 方法及其在 C3I 系统效能分析中的应用 ( Ⅲ)2监视模型[J]。 系统工程理论与实践, 1999, 19(1) : 61 - 68。Zhou Z C, Wu X F。 SEA method and its application in effectiveness analysis of C3 I system( Ⅲ)2surveillance model[J]。 SystemsEngineering - Theory & Practice, 1999, 19 (1) : 61 - 68。