天基信息网络数据链应用技术

陈 冬

（中国电子科技集团公司第十研究所，成都 610036）

1 应用需求

以Link11、Link16为典型的传统数据链装备以地面（空、海）应用为主［1-2］，主要支持有限区域内的有限用户使用，在覆盖区域范围、传输容量、应用方式等方面存在局限性，无法支持远海用户应用，无法支撑未来新型作战平台遂行全球任务的需求。

这些新的需求主要体现在以下几个方面。从任务类型上看，新型数据链需要支持反隐身目标、防空防天作战、远距离快速精确打击等任务［3］。从系统覆盖范围上看，从局域的、视距的覆盖范围向跨地域、全球全空间拓展［4-5］。从传输组网能力上看，为满足复杂电磁环境下更多、更先进的作战平台和传感器应用要求，需要大幅提升数据链传输带宽、网络用户容量、抗干扰能力等主要技术指标，提高智能化组网能力、异构网络互连能力等。从用户支持性上看，还需要考虑未来将要发展的新型平台应用需求，如高速、高空、空间等平台［4］的接入能力。

天基信息网络具有覆盖范围大、可获取信息种类多、持续工作时间长、应用领域广等特点，将天基信息网络与面向作战应用的数据链系统相结合，一方面，可以实现天基信息资源向战术级应用延伸，重点支持战场机动信息感知平台、作战平台、武器的战术使用能力，完善应用装备体系，提升天基信息资源的现实效益；另一方面，利用天基网络高覆盖、远距离、大容量、多源信息等优势，在广域范围内为各作战平台提供链路连接手段，可有效解决数据链系统的空域覆盖、远程实时信息保障的难题，大幅提升数据链使用效能，扩展数据链应用模式和应用范围。

2 基本理论

2.1 概念定义

基于天基信息网络的卫星数据链是一个广义概念，而不是一条完成单一应用功能的数据链系统。对卫星数据链定义的认识如图1所示。卫星数据链以空间基础设施为依托，采用统一的网络协议和格式化消息标准，在作战平台间实时高效可靠传输、分发、处理数据链格式化消息，实现各类作战资源紧密铰链，支撑大覆盖范围的天、空、地一体的感知、指挥和信息协同应用。

2.2 内涵特征

卫星数据链的核心特征，是综合利用空间的任务载荷、传输通道、计算处理等资源，将经过处理的天基信息，为广域空间用户提供数据链应用服务。空间资源来自高、中、低轨通信类、感知类、导航类卫星等，天基信息则包括天基网络产生的信息和经由天基网络处理的信息。卫星数据链可以不依托于地面设施独立运行。

卫星数据链可以将卫星通信信道作为传统数据链系统的传输通道，扩展单跳传输距离、扩大系统作用范围；也可以与天基信息资源深度交联，以卫星或星座为核心，构建面向应用，链接各种传感器、指控系统及武器平台，支撑“观察、评估、决策、行动（OODA）”［6］环路运行的综合应用系统。

2.3 实现形式

第1种实现形式，利用天基信息网络中的通信资源，为地面数据链网络/数据链节点提供远距离互连能力，为数据链用户提供广域组网能力。主要使用通信卫星作为中继节点，星上可以采用透明转发或星上数据链处理载荷的方案：透明转发支持数据链骨干节点远程互连、以地面大站为中心的星状组网；处理载荷可以在星上对数据链消息进行实时处理再转发，支持小型平台单跳组网、支持异构数据链网络组网，如图2所示。

第2种实现形式，通过卫星数据链将天基信息网络生成的空间信息直接分发到用户，实现天基信息的战术应用。例如，将遥感卫星任务载荷获取的遥感数据按照一定的格式处理、组帧，向广域范围内其他数据链用户广播分发。分发手段可以由遥感卫星直接分发，以保证实时性；也可以通过天基网络中的高轨通信卫星间接分发，以获得更好的覆盖性和连续性，如图3所示。

第3种实现形式，综合运用天基网络的各类信息资源（包括天基传感器、通信、通用处理载荷平台等），构成天地一体化的数据链网络，实时交互态势、指令、协同等信息，支持低轨小卫星战术组网、天地协同远程精确打击等特殊应用。在这种方式中，一个显著特点是，天基网络中的节点也是卫星数据链的用户，如图4所示。

3 体系架构

3.1 系统架构

卫星数据链的整体系统架构，是以不同轨道、不同类型的空间基础设施即卫星为基础构建的，数据链用户节点包括陆、海、空作战平台，以及部分天基战术节点。天地一体化的卫星数据链架构如下页图5所示。

3.2 功能架构

卫星数据链主要功能是完成天地一体化的远程大范围指挥控制、态势共享、战术协同、数据分发、网络互连等。其中：

1）指挥控制：实现指挥单元对远程或广域范围内作战平台的组网指挥控制；

2）信息共享：实现天基遥感信息、战场态势信息广域共享；

3）网络互连：采用点对点方式，实现跨地域数据链网络互连；

4）数据分发：以天基节点为中心实现大容量综合数据的广域组网传输与分发；

5）武器协同：包括远程武器控制、依托低轨卫星实现天地一体化武器协同，支持远程精确打击、联合防空反导等应用。

3.3 协议架构

卫星数据链的分层协议架构如表1所示。相对于地面数据链系统，该分层协议的不同点主要体现在链路层和物理层，部分组网应用只涉及物理层。而网络层以上特别是应用层的消息格式主要是继承现有数据链消息格式（例如Link16的J系列消息），并可能根据后续功能需求和新型平台装备需求新增或扩展。

表1 卫星数据链分层协议架构

其中，物理层是卫星数据链的传输通道，依托卫星通信信道进行设计。主要包括：UHF、S、Ka频段的窄带卫星通信，通信速率为kb/s级，支持低速信息应用；Ku、Ka频段宽带卫星通信，通信速率达Mb/s级，支持大容量信息传输与分发；抗干扰卫星通信一般工作在Ka及以上频段，采用跳频/扩频、调零天线等综合抗干扰手段［7］，可支持复杂电磁环境中指挥控制信令的高可靠传输。在平台应用上，涉及高动态信号检测、高机动天线捕获与跟踪、共形天线等技术体制。

链路层设计需要在卫星转发器的功率和带宽条件下，设计满足大用户容量、多种类站型、低时延组网要求的链路层接入协议。典型的，针对大口径用户终端，TDMA 体制（可扩展为 MF-TDMA）［8］具有灵活组网和扩容能力；针对小口径用户终端，采用全双工FDMA+令牌环方式［9］，可有效提高卫星频带利用率，同时系统实现简单。

3.4 典型应用

从指挥控制、信息分发、武器协同等方面，下面探讨卫星数据链的几种典型作战应用，包括应用模式、参与单元、业务类型、容量需求等。卫星数据链的应用模式不仅限于以下内容。

3.4.1 对远程作战平台的指挥控制

下页图6所示为远程指挥控制典型应用。C2单元通过卫星数据链，将指挥控制指令传送至视距外作战单元，用于任务分配、指挥引导、编队重构等，实现对作战平台的远程、高效、可靠指挥控制。其中卫星信道包括透明转发和星上处理两种模式，以支持不同口径的用户站型。

3.4.2 星上信息融合

星上态势融合典型应用如下页图7所示。卫星作为数据链节点，在星上有机融合处理多源传感器获取的目标信息，统一生成广域态势，并按需分发至卫星波束范围内的各数据链用户。

3.4.3 天基遥感信息分发

天基遥感信息分发应用如图8所示。天基遥感卫星通过卫星数据链广播分发链路，直接将传感器原始数据、战术级遥感信息分发至覆盖范围内的作战平台，实现实时遥感信息与作战平台交联，为任务规划和管理决策提供在线支持。

3.4.4 超视距武器协同

超视距武器协同应用如图9所示，通过卫星实现远程分布式传感器协同探测、远程目标指示。主要针对的作战任务如超视距精确打击、反隐身目标等。超视距协同可提升协同作战的打击范围、提升对目标（特别是隐身目标）的预警能力和打击精度。

4 需解决的关键问题

4.1 关于消息处理

卫星数据链消息处理应用需求大体上与现有数据链保持一致，但需要根据自身链路特点删减和扩充一些内容。例如，在网管方面，需要扩充与卫星信道相关的控制和切换；态势需要根据用户位置进行过滤，或按需分发；协同应用的消息处理需要增强对更大传输时延的容忍度。

4.2 空间路由寻址与按需分发

卫星数据链利用空间中各轨道上多种类型卫星组建网络，按照空间资源最大有效综合运用原则，研究空间高效路由寻址与按需分发技术，主要包括：基于任务驱动的拓扑控制与负载分配，根据任务优化拓扑，自动调整网络来支持业务；基于内容的寻址，支持用户根据兴趣自主订阅和提取信息；可扩展混合路由，在固定可连通区域采用主动式的端到端路由，在动态时断区域采用存储转发的逐跳路由。

4.3 与通信业务统一承载

数据链与通信共享紧缺的卫星资源，需要研究并制定统一的承载交换标准，实现优势资源共享，达到卫星最大化利用。主要是将数据链业务按照传输时延要求、多级速率要求和可靠性要求进行模型化，并采用基于IP的数据链业务自适应传输控制。

4.4 面向任务的资源调度与管理

卫星信道涉及多种频段链路，各种链路组网方式和支撑的业务互不相同。研究基于消息业务属性的QoS策略，建立与多种卫星信道相适应的交换处理机制，采用统一的网络资源动态调度管理，主要包括卫星链路状态实时监视、业务优先级控制管理、多链路信息复分接、多维负载均衡等。

4.5 关于平台集成

卫星通信设备应用于小型、高机动平台，需要采用小型化的低剖/共形天线、模块化/综合化设备形态，满足低信噪比、大频偏/频偏变化率和短突发传输要求的波形体制。采用Ka、Ku频段定向天线时，还需要考虑在高机动条件下的天线波束快速指向卫星并精确跟踪。

5 结论

美军大力研究利用卫星扩展数据链的作用范围和传输容量［3］，以保障其全球作战信息应用需求，逐渐形成了满足情报侦察、指挥控制应用需求的一系列卫星数据链，并广泛装备于各战术作战部队和武器平台。而我国航天系统资源在支持战术应用方面还处于起步摸索阶段，应用方式、使用能力和应用规模有限。特别是在当前我国安全和利益受海外力量挑战的关键时期，更显现出了发展远程信息保障能力的紧迫性和必要性。

因此，应兼顾当前急需和中长期可持续发展的要求，加快发展适应数据链应用特点的卫星数据链系统，完善现有数据链装备型谱，实现天基信息与作战平台的紧密交链，有效提高远程作战、联合作战的信息保障能力和体系对抗能力。

参考文献：

［1］骆光明，杨斌，邱志和，等.数据链［M］.北京:国防工业出版社，2008.

［2］梅文华，蔡善法.JTIDS/Link16数据链［M］.北京:国防工业出版社，2007.

［3］魏晨曦.美军天基通用数据链及发展［J］.航天电子对抗，2015，31（2）:20-23.

［4］刘隽，顾磊.卫星数据链的发展研究［J］.现代导航，2012，49（6）:462-465.

［5］李子木，陈艳丽，肖永伟.卫星数据链-卫星通信应用的新领域［J］.无线电通信技术，2005，31（6）:39-41.

［6］邱洪云，关慧，田莉，等.卫星战术数据链的应用及发展［J］.空间电子技术，2012（3）:1-4.

［7］赵国艳，周林.卫星数据链抗干扰问题研究［J］.电讯技术，2013，53（11）:1412-1416.

［8］尤静.卫星数据链技术发展研究［J］.计算机与网络，2012（21）:58-61.

［9］夏晓巍.适用于高动态平台的TDM/FDMA+令牌环卫星混合多址接入协议 ［J］.电讯技术，2013，53（10）:1343-1346.