體系對抗下的跨層協同指揮與控制網絡的性能分析

論文類別:工學論文 > 通信學論文
論文作者: 李小影
上傳時間:2014/8/17 18:06:00

  【摘 要】文章以未來信息化戰爭環境為前提,以傳統的指揮與控制網絡為基礎,對未來一體化聯合作戰特點進行了分析,構建跨層協同指揮與控制網絡模型,並采取網絡建模和仿真的方法對網絡模型的結構、抗毀能力進行詳細探討。
  【關鍵詞】網絡中心戰 跨層協同 指揮與控制網絡 抗毀能力
  1 引言
  傳統的作戰思想以作戰平臺為中心,編制呈樹狀結構,各個平臺依靠自身的傳感器和武器,平臺之間缺乏信息共享和協同能力,從而限制了整體作戰效能的發揮。
  美國國防部提出的網絡中心戰[1]是一種全新概念的戰爭模式,它是一種典型的網絡體系之間的對抗作戰。美軍利用強大的信息網絡將多種類型的偵察定位系統、指揮機構、武器裝備等互聯互通,實現情報信息共享,作戰指揮與控制一體化[2-3],獲取戰場信息主導權,快速掌握戰爭的主動權,實現對敵方關鍵節點的確定性打擊,以最短的時間、最小的代價破擊敵方作戰體系。
  網絡中心戰將系統中的各個作戰平臺網絡化,極大地增強了平臺間的橫向聯系,呈扁平化結構,以提高信息獲取和共享能力,增強了戰場態勢感知能力,加快決策和指揮速度,實現協同作戰,提高作戰效能。自上世紀90年代以來,這種信息化戰爭模式在多次戰爭的應用效果已充分地展示其強大的打擊能力,目前已被世界各國公認為最先進的作戰模式,網絡中心戰必然成為未來戰爭的主要形式。
  網絡中心戰平面模型如圖1所示:
  通過基礎信息網絡將整個作戰空間的各種傳感器和武器裝備(包括陸基、海基、空基、天基等)組成一個包括傳感器網絡、指揮與控制網絡、作戰武器裝備網絡的一體化強大網絡。傳感器網絡從各個傳感器收集信息,並快速生成戰場感知,指揮與控制網絡根據戰場感知網絡提供的態勢信息以及武器交戰網絡反饋的作戰效果,動態地調整作戰命令,保證各交戰單元的同步進行,並動態分配任務,最終通過火力打擊網絡單元實現對目標的實時精確打擊。
  作戰體系網絡是由超大規模的傳感、指揮、交戰實體或系統經由射頻等各種無線或光/電纜等有線連接形成的復雜網絡系統[4]。從圖論拓撲[5]角度,在該系統中,傳感、作戰和指揮實體抽象為節點,這些實體間的信息/物質/能量交互可以抽象為鏈接邊。
  (1)傳感節點:獲取戰場信息,發現、鎖定和跟蹤目標,並將目標信息傳給其它節點。
  (2)指揮與控制節點:是作戰體系網絡的核心。對戰場環境信息和作戰雙方軍事實力進行綜合分析,形成指揮決策,再交由其它節點進行執行。它接受上級任務,對下級進行指揮決策,從全局層次上協調、監督、控制各個交戰單元,對系統的目標、資源等進行合理安排和調度。
  (3)交戰節點:由硬殺傷和軟殺傷武器組成。交戰單元只接受唯一指揮與控制節點指揮控制。交戰節點要與其它交戰節點進行作戰協同,必須通過與其連接的指揮與控制節點間接實現協同。交戰網是指由部署在陸、海、空、天的各種武器系統以及幹擾設備經由有線或無線通信協議聯結而成的受指揮控制網絡支配的網絡。
  在信息化戰爭條件下,作戰一方通過傳感器網絡偵察探測敵方目標信息,這些感知信息包括反射光、紅外信號、無線電頻譜能量、通信或音頻能量等,然後通過信息網絡傳輸與分發,經過數據融合、分析與處理後,傳遞到指揮所加以利用,從而形成作戰方案、計劃和命令,實施火力打擊。
  作戰體系網絡內部節點之間的信息流主要特點如下:
  (1)體系對抗之初,所有節點都是可控的。傳感節點和交戰節點必須在指揮與控制單元的控制下,各指揮與控制單元都有上下級關系。
  (2)指揮與控制單元同時指揮控制多個傳感單元和交戰單元。指揮控制依托信息網絡系統直接地鏈接到重要/關鍵節點[6]。重要節點是連接度大的節點,如前方指揮所;關鍵節點是連接度不高的節點,但擔負重要的任務,如衛星站。
  (3)傳感單元為多個指揮與控制單元提供傳感信息,實現目標信息共享。
  (4)傳感單元之間共享目標傳感信息,減少自身獲取信息的時間,提高傳感信息質量。
  (5)傳感單元對己方交戰單元的探測、跟蹤和定位等信息感知,並將感知信息發送到指揮與控制單元,便於指揮與控制單元及時掌握其任務完成和毀傷等信息。
  (6)交戰單元只能執行唯一確定的指揮與控制單元發出的指令,避免命令沖突。
  2 指揮與控制網絡的特征參數
  主要的網絡特征參數如下:
  (1)網絡節點數。其定義為網絡中所包含的全部節點數量,反映了作戰雙方的參戰規模。
  (2)網絡邊數。其定義為網絡中所包含邊的總數,反映了作戰體系中各單元之間關系的復雜程度。但是,指揮與控制系統中的有線或無線通信裝備數量、指揮與控制機構和裝備的信息處理能力以及信道傳輸能力都受到限制,因此網絡的邊數也不宜過多。當網絡中邊的總數與節點總數的比值超過一定限度時,網絡有可能由於過多的向前或向後的反饋環路導致癱瘓。
  (3)節點的度。其定義為該節點與其它節點鏈接的數量。在交戰網絡中,節點的度在一定程度上反映了它的重要程度,度值越大表明節點越重要,是己方保護的重點,更是敵方打擊的重點目標。
  (4)節點/網絡的聚類系數。在傳統層級樹狀指揮與控制網絡中,節點之間不具有區域協同能力,只能通過間接方式進行作戰組織協同,在遭到打擊時,不能有效地自主網絡重建。節點的聚類系數定義為所有與該節點相鄰接的節點之間的實際連邊數目占它們之間可能的最大連邊數目的比例。網絡的聚類系數即網絡中所有節點的聚類系數的平均值。聚類系數的含義在兩個方面得到充分體現:當網絡中各個節點之間需要共同完成某一任務時,節點聚類系數大小反映出相互協同能力的強弱;網絡聚類系數反映了交戰單元之間的區域協同能力以及網絡在通信故障或遭到毀傷時的自重建能力。當一些交戰單元通信故障或損毀,聚類系數較高的其它交戰單元則通過鄰近節點與重要節點鏈接,從而有效地完成網絡重建。

  (5)平均路徑長度。即網絡中任意兩個節點間距離的平均值。兩個節點間距離定義為兩個節點之間的最短路徑上的邊數;網絡的平均路徑長度表征網絡傳遞信息的能力。一般地,路徑長度與信息傳遞的延遲時間呈線性關系,路徑長度短,信息的實時性程度高,情報信息的共享程度高,組織協同時效性高,從而獲得更好的作戰效能。因此,交戰網絡的平均路徑長度需要設計得盡量短小。
  3 指揮與控制網絡的特點
  網絡中心戰的指揮與控制網絡取決於軍事體制編制、作戰規則、指揮機構、作戰平臺、作戰武器裝備性能等因素,它是一個特殊的復雜網絡系統。一體化聯合作戰是網絡中心戰思想的具體體現,它是兩個或兩個以上軍兵種的統一作戰行動,在傳統的層級樹狀垂直的指揮體系的基礎上增加橫向聯系,具有作戰體系橫向鏈接的特征,以縱向聯通為前提,強調橫向聯通。在戰時將所需要的作戰力量,快速地拼接成為一個具有整體作戰能力的作戰系統[7]。目前各國軍隊都普遍地在橫向上擴大指揮跨度的數量,在縱向上壓縮指揮層次。如美軍指揮跨度由原來的5~6個增加到9個,空軍指揮層次由原來的5級減少到4級。在指揮方式上,從集中/委托式指揮向多級跨越、上下互動轉變,從單級封閉式集中決策向多級開放式分布決策轉變,從計劃控制向動態控制轉變。因此,未來的指揮與控制網絡具備以下主要特點:

免費論文下載中心 http://www.hi138.com   (1)指揮機構在縱向上呈現層次關系。指揮機構由上至下具有層次區分,由上至下節點的等級由高到低。指揮層次數是指揮機構上下級所區分的層級,不同層次的指揮與控制節點所需的協同態勢信息並不相同。指揮與控制節點隨著層次等級的提高,所需要的態勢信息更加全面。
  (2)交戰單元在橫向上呈現協同關系。在同一作戰集團內部,同一級別交戰單元之間協同關系;在不同作戰集團之間,它們的同一級別交戰單元之間也有協同關系。
  (3)跨級指揮。在同一作戰集團內部,上級指揮與控制單元可以對其內部的指揮單元進行跨級指揮。跨級指揮主要對重要/關鍵的節點進行越級指揮。指揮跨度是指揮機構在同級的每一層所指揮和管轄單位的數量。當網絡節點總數量固定時,指揮跨度越小,指揮層次越少,意味著橫向指揮的單元越多,因此對指揮與控制節點提出了更高的要求,需要節點具有更強的信息處理能力,穩健的信息傳輸需要得到更強的抗幹擾技術支持。此外,一旦某些節點遭受打擊,受其影響的節點將會更多,所以需要加強隱藏偽裝防護措施。
  (4)指揮決策時間開銷受到嚴格限制。由於協同作戰過程為一個相互嵌套的“觀察→評估→決策→行動→觀察”循環,每一個循環都必須在規定的時間窗口內完成。戰場環境瞬息萬變,指揮決策機構在對所掌握的戰場情報信息進行分析研究時,可能情報信息所反映的戰場情況已經失去了部分真實性甚至完全失效,而新的戰場環境信息不斷產生和起效用。指揮決策機構根據敵我雙方作戰態勢適時調整作戰行動,快速決策,縮短“目標發現→指揮決策→打擊目標”的周期。
  4 指揮與控制網絡的抗毀能力
  作戰指揮與控制網絡是作戰體系對抗的重要部位,也是體系破壞的主要打擊對象。信息化條件下的體系攻擊作戰主要采取精確打擊的方式,破壞敵方作戰體系網絡,實現速勝的目標。
  4.1 指揮與控制網絡可靠性度量指標
  作戰指揮可靠性定義為在體系對抗中,當指揮控制機構受到敵方攻擊、摧毀、幹擾、壓制時,能夠持續指揮並完成任務的可靠程度。對作戰指揮體系結構的指揮可靠性研究,其重點在於分析指揮體系結構節點損毀,以及節點之間信息傳輸通路遭破壞情況下指揮的穩定性,即在刪除網絡中部分節點或鏈接邊的情況下,網絡整體的連通性能,也就是網絡的抗毀能力分析。
  從指揮與控制網絡拓撲結構的角度分析,指揮與控制網絡在遭受攻擊後的網絡可靠性取決於三個方面因素的綜合結果:網絡中最大連通分量中節點的數目、網絡中連通分量的個數和平均路徑長度。其中,連通分量定義為無向圖中的極大連通子圖。網絡中最大連通分量中的節點個數越多,說明網絡在遭受打擊後的可連通性越好,整體作戰效能發揮越充分,初始狀態時最大連通分量就是整個網絡,所有指揮與控制節點都是連通的;各連通分量的平均路徑越小,說明信息流在該連通分量中的傳輸時效性越高,指揮與控制信息效能發揮越好;各連通分量的節點數越多,說明在節點總數一定的情況下連通分量越少,網絡的破碎程度越小,網絡可靠性越高。
  指揮與控制網絡可靠性評估指標定義為:
  (1)
  其中,nmax為網絡中最大連通分量的節點個數,m為整個網絡中連通分量的個數,nj為第j個連通分量中節點的個數,lj為第j個連通分量的平均路徑長度,孤立節點的最短路徑長度設定為無窮大。
  4.2 跨層協同指揮與控制網絡抗毀能力分析
  隨著精確制導和遠程攻擊武器的發展與應用,為了達成預期作戰效果,只需要對某些重要或關鍵目標實施精確打擊。一方的偵察探測能力和另一方隱藏偽裝的防護能力,是影響精確打擊效果的兩個決定性因素。如果一方的偵察探測能力占據優勢,那麽作戰就成為確定性打擊;如果另一方隱藏偽裝的防護能力占據優勢,那麽作戰就成為隨機性攻擊。
  隨機和確定性攻擊模式的仿真流程如圖2所示。
  對作戰指揮與控制網絡結構的抗毀能力分析,即對網絡拓撲結構可靠性的分析,本文不涉及節點和鏈接邊的自身可靠性,假設各節點的信息處理和鏈接邊的傳輸速度相同,各指揮節點之間的指揮可靠性通過網絡的連通性和節點之間的路徑長度來體現。
  多級跨層協同需要較多的有線或無線信息傳輸通路,但網絡的平均路徑長度非常小,指揮與控制信息傳輸的實時性較好。當交戰網絡節點總數固定時,在指揮與控制節點信息處理能力和信息傳輸容量等因素許可的條件下,應盡可能增加網絡的指揮跨度,減少網絡指揮層次,從而提高指揮與控制網絡的指揮時效性。相反,指揮跨度越小,指揮層級越多,作戰指揮信息交互時效性越差,很可能錯失最佳戰機。
  跨層協同指揮與控制網絡抗毀性能仿真參數設置如表1所示。
  隨機/確定性攻擊模式下的5級跨層協同網絡可靠性如圖3所示。
  隨機/確定性攻擊模式下的8級跨層協同網絡可靠性如圖4所示。
  由上述仿真結果分析,初步得出以下結論:
  (1)對於多級跨層協同指揮與控制網絡,高效能網絡的跨度大、層次少,同一作戰集團內部連接較緊密,不同作戰集團連接較少。
  (2)確定性攻擊的效果強於隨機攻擊效果,這個結論意味著攻擊前目標探測和偵察的準確性在信息化戰爭中起著重要地位。一方面,準確、實時的情報信息是攻擊敵方重要/關鍵節點的關鍵,從而毀壞敵方作戰體系網絡;另一方面,需要對己方的重要/關鍵節點采取隱藏偽裝防護措施,重點加強保護。
  5 結束語
  在未來的信息化戰爭中,需要提高偵察與反偵察手段,攻擊敵方重要/關鍵節點,同時保護己方重要/關鍵節點。從武器裝備研發角度,需要提高武器裝備的攻擊性能,同時提高戰場環境下武器裝備的偵察與反偵察能力,加強目標信息探測和信息處理等新技術、新方法的研究。
  

參考文獻


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