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战术数据链传输时延及其作战效果影响分析方法研究

作　者: 任培
导　师: 周经伦
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 战术数据链传输时延数据拟合 Acyclic-Continuous-Phase-Type分布时分多址作战效果影响机制
分类号: E83
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

战术数据链的基本功能是在作战单元之间传输消息,消息传输的时效性对作战效果有重要影响。战术数据链只有及时、准确、可靠的将信息提供给作战人员,提高作战人员掌握信息的质量,才有可能使作战人员做出更科学的决策,提升作战效果。本文以美军及我军现役战术数据链为背景,研究战术数据链消息传输时间延迟及其对作战效果影响的分析方法,主要工作包括如下四个方面:(1)提出基于Acyclic-Continuous-Phase-Type(ACPH)分布的战术数据链消息生成模型。给出了ACPH分布拟合数据链消息生成数据的封闭形式EM算法,与传统算法相比,该算法具有拟合能力强、在低阶和高阶都具有较强的数值稳定性的特点,对于具有突发性、较为平滑、未知类型等特点的消息数据均具有较好的拟合效果。给出了ACPH分布随机变量抽样算法,示例分析表明,基于该算法生成的随机数抽样分布概率密度和概率分布曲线与真实的ACPH分布非常接近,两者均值和方差基本相同,相对误差很小。ACPH数据拟合算法及其随机变量抽样算法能够满足战术数据链系统消息生成建模的需求。(2)在分析TDMA数据链消息传输过程的基础上,提出基于ACPH/D/1/K模型分析TDMA数据链不同类型消息传输时延;基于ACPH1+ACPH2/D/1/K模型分析高优先级消息传输时延;基于ACPHA/SA/1/K—ACPHB/SB/1/K模型分析中继消息传输时延。针对确定性分布的Laplace-stieltjes变换为无理函数的问题,研究了基于Padé逼近分析ACPH/D/1/K排队系统虚拟等待时间分布和丢包率的算法。示例分析表明,基于该算法计算的排队系统虚拟等待时间、丢包率、平均时延与仿真结果非常接近,能够满足TDMA数据链时延分析精度要求。(3)建立了战术数据链仿真分层协议模型,设计并实现了战术数据链时延仿真分析平台,给出了消息格式转换流程。基于该平台分别对轮询数据链时延及其影响因素、多网数据链时延及其影响因素和消息生成模型对数据链时延的影响进行了仿真分析。结果表明网络拓扑、站点数量、消息格式转换、消息传输方式、消息生成模型和站点转发策略等因素对消息时延、站点响应时间和时延抖动等指标均有重要影响,分析了上述因素与数据链时延的关系,给出了控制数据链时延等指标的基本原则。(4)通过分析战术数据链对空空作战效果和信息优势的影响,给出了战术数据链对空空作战效果的影响机制。分析战术数据链对空空作战效果的影响,需首先分析战术数据链支持下的空空作战过程,随后分析战术数据链支持下的空战模型,最后应用空战模型计算整个作战任务的作战效果指标。以超视距空战为背景,分析了战术数据链支持下的超视距空战过程,战术数据链时延对超视距空战的影响机制,改进了现有的先敌发射概率模型和先敌发射指数模型,示例分析表明,改进后的模型能够较好的反映战术数据链时延对超视距空战效果的影响。

全文目录

摘要  11-13
ABSTRACT  13-15
第一章绪论  15-35
  1.1 研究背景及意义  15-16
    1.1.1 研究背景  15
    1.1.2 研究意义  15-16
  1.2 战术数据链概况  16-24
    1.2.1 美军数据链  16-19
    1.2.2 我军数据链  19
    1.2.3 战术数据链基本概念  19-21
    1.2.4 数据链拓扑结构  21-22
    1.2.5 数据链消息传输过程  22-24
  1.3 论文研究的主要问题及其国内外研究现状  24-31
    1.3.1 数据链消息生成建模方法  25-26
    1.3.2 数据链时延解析分析方法  26-28
    1.3.3 数据链时延仿真分析方法  28-29
    1.3.4 数据链对空空作战效果影响分析方法  29-31
  1.4 主要研究内容及结构安排  31-33
  1.5 论文主要贡献及创新点  33-35
第二章数据链消息生成建模方法  35-61
  2.1 数据链消息生成过程建模思路  35-38
    2.1.1 数据链消息生成过程  35-37
    2.1.2 数据链消息特征类型  37
    2.1.3 数据链消息生成建模分布选择  37-38
  2.2 Phase-Type 分布  38-41
    2.2.1 PH 分布定义  39-40
    2.2.2 PH 分布的稠密性  40
    2.2.3 PH 分布拟合问题  40-41
  2.3 基于ACPH 分布拟合数据链消息生成数据方法  41-58
    2.3.1 ACPH 分布  41-43
    2.3.2 ACPH 概率密度及概率分布函数的推导  43-45
    2.3.3 ACPH 分布数据拟合的封闭形式EM 算法  45-53
    2.3.4 ACPH 分布拟合数据链消息生成数据示例分析  53-58
  2.4 ACPH 分布随机变量抽样算法  58-60
    2.4.1 ACPH 分布随机变量抽样算法  58
    2.4.2 ACPH 分布随机变量抽样示例分析  58-60
  2.5 本章小结  60-61
第三章 TDMA 数据链时延解析分析方法  61-79
  3.1 TDMA 数据链组网协议分析  61-65
    3.1.1 TDMA 数据链时隙划分方法  61-62
    3.1.2 TDMA 数据链时隙访问方法  62
    3.1.3 TDMA 数据链时隙分配方法  62-63
    3.1.4 TDMA 数据链消息传输过程  63-64
    3.1.5 TDMA 数据链时延分析思路  64-65
  3.2 基于ACPH/D/1/K 的TDMA 数据链不同类型消息传输时延分析  65-77
    3.2.1 ACPH 更新过程  65-66
    3.2.2 ACPH/G/1 排队系统虚拟等待时间分布  66
    3.2.3 ACPH/ACPH/1 排队系统分析  66-69
    3.2.4 ACPH/D/1/K 排队系统分析  69-73
    3.2.5 示例分析  73-77
  3.3 TDMA 数据链高优先级消息传输时延分析  77
  3.4 TDMA 数据链中继消息传输时延分析  77-78
  3.5 本章小结  78-79
第四章数据链时延仿真分析方法  79-112
  4.1 数据链仿真分层协议模型  79-80
  4.2 数据链时延仿真分析平台设计与实现  80-87
    4.2.1 TDL-DSAP 结构  80-81
    4.2.2 人机交互总控程序  81-82
    4.2.3 模型支持模块  82-85
    4.2.4 数据支持模块  85-86
    4.2.5 工具支持模块  86
    4.2.6 平台运行方式  86-87
  4.3 轮询数据链时延及其影响因素仿真分析  87-94
    4.3.1 组网协议分析  87-88
    4.3.2 仿真示例构建  88-89
    4.3.3 仿真结果分析  89-93
    4.3.4 结论  93-94
  4.4 多网数据链时延及其影响因素仿真分析  94-106
    4.4.1 多网数据链组网协议分析  95-97
    4.4.2 仿真示例构建  97-101
    4.4.3 仿真结果分析  101-105
    4.4.4 结论  105-106
  4.5 消息生成模型对数据链时延的影响仿真分析  106-111
    4.5.1 仿真示例构建  106-107
    4.5.2 仿真结果分析  107-110
    4.5.3 结论  110-111
  4.6 本章小结  111-112
第五章数据链时延对空空作战效果影响分析方法  112-127
  5.1 数据链对空空作战效果的影响机制  112-119
    5.1.1 数据链对空空作战效果的影响  112-114
    5.1.2 数据链对信息优势的影响  114-118
    5.1.3 数据链对空空作战效果的影响机制  118-119
  5.2 数据链时延对超视距空战效果影响分析  119-126
    5.2.1 数据链支持下的超视距空空作战过程  119-120
    5.2.2 数据链时延对超视距空战的影响  120-121
    5.2.3 超视距空战模型  121-123
    5.2.4 示例分析  123-126
  5.3 本章小结  126-127
结束语  127-129
致谢  129-130
参考文献  130-140
作者在学期间取得的学术成果  140-142
附录A 多网仿真参数配置  142-143

战术数据链传输时延及其作战效果影响分析方法研究

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