劉舉濤，閆新峰，金 文

（北京航天長征飛行器研究所 北京 100076）

引 言

數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)侵笓]、控制、通信、計算機(jī)、情報監(jiān)視與偵察（C4ISR）系統(tǒng)框架的基本組成部分[1]，是基于“網(wǎng)絡(luò)中心站”理念提出來的。冷戰(zhàn)時針對指揮態(tài)勢數(shù)據(jù)鏈：美軍和北約有l(wèi)ink-1、link-4、link-11、link-14，前蘇聯(lián)有АЛМ-1、АЛМ-4、СПК-68、СПК-75、Bell Crown；美軍從上世紀(jì)70年代中期開始發(fā)展link-16/JTIDS等數(shù)據(jù)鏈技術(shù)；當(dāng)前，美軍選用了Rockwell Collins研制的TTNT（戰(zhàn)術(shù)瞄準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)）進(jìn)行組網(wǎng)，TTNT是一種基于IP的高速動態(tài)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)[2]。

武器協(xié)同數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)菙?shù)據(jù)鏈技術(shù)的一種，它是一種支持地面和武器平臺實現(xiàn)同類武器和不同種類武器平臺間協(xié)同作戰(zhàn)的通用型武器協(xié)同數(shù)據(jù)鏈的總稱。武器協(xié)同數(shù)據(jù)鏈負(fù)責(zé)將多個不同種類武器平臺的傳感器、制導(dǎo)設(shè)備等連接在一起，產(chǎn)生具有武器控制級精度的統(tǒng)一戰(zhàn)場態(tài)勢，綜合協(xié)調(diào)使用多平臺火控系統(tǒng)，解決多個武器平臺的目標(biāo)信息、火力資源共享等問題，實現(xiàn)武器協(xié)同，提高聯(lián)合打擊能力[3]。通常，武器協(xié)同數(shù)據(jù)鏈包括協(xié)同作戰(zhàn)能力網(wǎng)絡(luò)、戰(zhàn)術(shù)成員網(wǎng)絡(luò)、戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)瞄準(zhǔn)技術(shù)和武器數(shù)據(jù)鏈等[4]。

link16數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)敲绹⒈奔s用于C31的主要戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈，從上世紀(jì)80年代開始裝備部隊，具有保密、大容量、抗干擾、無中心節(jié)點的特點，它采用TDMA技術(shù)，已在海灣戰(zhàn)爭中得到實戰(zhàn)檢驗。自主協(xié)同數(shù)據(jù)鏈基于link16的以上特點和成功得到應(yīng)用的背景來完成武器各節(jié)點（各單個數(shù)據(jù)鏈中的武器）的空中組網(wǎng)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各節(jié)點互聯(lián)、互通、互操作。武器自主或由地面控制選擇主武器和從武器，由1枚主武器（中繼彈，以下同）和n枚從武器（攻擊彈，以下同）構(gòu)成基本子網(wǎng)系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)控制，中繼彈向攻擊彈分發(fā)指令信息，攻擊彈向中繼彈發(fā)送各自的偵察捕控數(shù)據(jù)、導(dǎo)彈信息、工作狀態(tài)參數(shù)等；由中繼彈匯總后統(tǒng)一編碼，向地面測控系統(tǒng)發(fā)送。如果中繼彈通信失效或被擊毀，會在攻擊彈中自主或由地面控制找一個中繼武器完成中心控制、信息通信和傳輸?shù)墓δ堋?/p>

1 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)組成

數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)通常包含數(shù)據(jù)鏈硬件設(shè)備和數(shù)據(jù)鏈協(xié)議棧。

1.1 典型硬件組成

典型的數(shù)據(jù)鏈設(shè)備由四個部分組成：戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)（TDS）、接口控制處理器、數(shù)據(jù)鏈終端設(shè)備以及無線收發(fā)裝置。設(shè)備之間的連接關(guān)系如圖1所示[5]。

圖1 典型的數(shù)據(jù)鏈設(shè)備組成Fig.1 The typical data link device composition

1.2 數(shù)據(jù)鏈協(xié)議棧組成及功能

協(xié)議棧是構(gòu)建數(shù)據(jù)鏈的核心，完成信息交互。數(shù)據(jù)鏈協(xié)議棧典型模型包括處理層、建鏈層與物理層。三個子層向上為作戰(zhàn)單元提供應(yīng)用接口。其中，作戰(zhàn)單元可以為傳感器、指揮系統(tǒng)或者武器平臺。協(xié)議棧向下控制無線收發(fā)機(jī)等信道設(shè)備。典型的數(shù)據(jù)鏈協(xié)議棧模型如圖2所示。圖2中各層的功能為：①處理層，處理層作為數(shù)據(jù)鏈核心組成單元，完成數(shù)據(jù)系統(tǒng)有關(guān)功能。處理層將傳感器、導(dǎo)航設(shè)備與作戰(zhàn)指揮平臺的命令格式化為標(biāo)準(zhǔn)信息，通過建鏈層與物理層完成指令的分發(fā)。對接收到的格式化消息轉(zhuǎn)換為作戰(zhàn)單元可識別的數(shù)據(jù)信息，通過嵌入式接口傳送到人機(jī)接口。②建鏈層，建鏈層將處理層下發(fā)的格式化消息處理成幀信息送到物理層；同時接收物理層的上傳幀數(shù)據(jù)，經(jīng)過解幀后恢復(fù)為格式化的消息。③物理層，物理層完成數(shù)字信號的傳輸功能，主要包括數(shù)字信號的編解碼、變頻放大、交織加擾與調(diào)制解調(diào)功能。

下文基于圖2模型，采用link16數(shù)據(jù)鏈技術(shù)，通過對協(xié)議棧的設(shè)計，實現(xiàn)一種自主武器協(xié)同控制、通信的設(shè)計方法。

圖2 典型的數(shù)據(jù)鏈協(xié)議棧模型Fig.2 The typical data link protocol stack model

2 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)鏈物理層設(shè)計

數(shù)據(jù)鏈物理層設(shè)計主要完成與作戰(zhàn)單元應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互、基帶數(shù)據(jù)處理、高頻信號接收與解調(diào)、基帶信號的調(diào)制與發(fā)送等功能，主要由通信設(shè)備和組網(wǎng)收發(fā)天線組成，其組成示意圖示于圖3。

通信設(shè)備包括電源接口單元、基帶處理單元、功放單元、低噪聲放大器和切換開關(guān)。電源接口單元用于完成電源變換及調(diào)整，為通信設(shè)備各單元提供穩(wěn)定可靠的電源供給；同時提供與外部設(shè)備的數(shù)據(jù)收發(fā)接口?；鶐幚韱卧糜谕瓿砂l(fā)送數(shù)據(jù)的組幀、編碼、調(diào)制、數(shù)模轉(zhuǎn)換、上變頻和頻率跳變功能；用于完成接收信號的解跳頻、模數(shù)轉(zhuǎn)換、解調(diào)和信道譯碼等功能；同時完成跳頻圖案的產(chǎn)生、干擾信號檢測、鏈路狀態(tài)收集等功能。功率放大器完成輸出射頻信號的功率放大功能；低噪聲放大器完成輸入射頻信號的功率放大功能；切換開關(guān)完成收發(fā)信號的切換功能。

圖3 數(shù)據(jù)鏈物理層組成Fig.3 The data link physical layer composition

通信設(shè)備連接收發(fā)天線構(gòu)成物理層，天線的指標(biāo)為：①工作頻點；②帶寬：③駐波比；④方向圖；⑤輸入阻抗；⑥射頻連接器選擇。

2.2 處理層與建鏈層通信體制設(shè)計

（1）系統(tǒng)采用TDMA通信體制，采用網(wǎng)狀拓?fù)洹⑻l技術(shù)完成通信。

（2）時隙分配。規(guī)定每個時幀為0.5s，在1個時幀內(nèi)包含44個時隙，每個時隙長度為7.8125ms，其中，同步占用2個時隙，用于兩個武器之間的時鐘同步，每兩個武器之間的單向傳輸占用21個時隙。每個時隙可傳輸數(shù)據(jù)量4.096kbit，則兩個武器間每個時幀可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量為4.096kbit×21=86.016kbit，即兩個武器傳輸速率最大可以達(dá)到180.224kbit。

（3）時隙結(jié)構(gòu)設(shè)計。一個時隙長度為7.8125ms，由同步字段、數(shù)據(jù)字段和傳輸保護(hù)時間段組成。每時隙幀結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4所示。同步字段用于組網(wǎng)通信時的時鐘同步，傳輸保護(hù)用于對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)和校驗，數(shù)據(jù)字段是有效的組網(wǎng)通信數(shù)據(jù)，每時隙的數(shù)據(jù)字段包含4個脈沖包SP，每個脈沖包傳輸完整的一幀組網(wǎng)通信數(shù)據(jù)，即每個時隙可以傳輸4遍完整組網(wǎng)通信數(shù)據(jù)。

圖4 時隙幀結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.4 Time slot frame structure design

（4）同步設(shè)計的方法有以下四種：①按照武器系統(tǒng)開機(jī)誤差來進(jìn)行初始時間校準(zhǔn)；②加電后雙方采用第一頻點進(jìn)行定頻通信一次，非主節(jié)點應(yīng)答確認(rèn)后，才以跳頻通信的方式進(jìn)行一次初始時間校準(zhǔn)；③利用專用同步時隙進(jìn)行粗同步；④每個時隙都包含同步字段，在每個時隙內(nèi)依據(jù)同步字段的內(nèi)容采用同步碼捕獲進(jìn)行同步。

（5）同步時隙幀結(jié)構(gòu)。每個時幀內(nèi)，需要占用2個時隙發(fā)送同步時隙幀進(jìn)行同步。同步信息結(jié)構(gòu)按照“時分秒時幀跳頻數(shù)”的方式進(jìn)行設(shè)計，通過對跳頻數(shù)的累加計數(shù)，完成對時隙的同步計數(shù)。一個時隙劃分為6個跳頻計數(shù)包，如圖5所示。一個時幀則包括384個跳頻計數(shù)包。由于同步信息需要傳輸完整的跳頻計數(shù)信息，設(shè)系統(tǒng)最長工作時間為1小時，傳輸信息量計算如下：一個時幀包括384個跳頻計數(shù)包，設(shè)置為9bit計數(shù)；系統(tǒng)工作一小時（60×60×2秒），需要13bit計數(shù)，則總共需要22bit，留出3bit作為備用比特，共計有25bit計數(shù)信息。

圖5 時隙內(nèi)跳頻計數(shù)包劃分Fig.5 The division of frequency hopping counting package during the time slot

（6）數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)設(shè)計。如作戰(zhàn)單元應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀長度為27字節(jié)，幀頻為50Hz，最大數(shù)據(jù)速率為27Byte×50Hz×8bit/Byte=10.8kb/s。脈沖包采用的信道編碼方式為LDPC（1536，1024），脈沖包同步信息傳輸幀格式如圖6所示。

圖6 脈沖包同步信息傳輸幀格式Fig.6 Pulse packet synchronization information transmission frame format

（7）干擾頻點剔除設(shè)計。由中繼武器對空域中的干擾進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測方法是對接收到的頻點進(jìn)行FFT變換，做頻譜分析，如果發(fā)現(xiàn)某個頻點的頻譜比其他頻點高，則認(rèn)為該頻點為干擾頻點。對于需要剔除頻點的情況，由中繼武器判斷并給出剔除頻點命令和待剔除的頻點，在收到攻擊武器反饋回的確認(rèn)信號后，才進(jìn)行頻點剔除操作，在下一時幀起始時刻開始執(zhí)行；如果未收到確認(rèn)信號，則暫不進(jìn)行頻點剔除，并重新發(fā)送剔除頻點命令。

2.3 作戰(zhàn)應(yīng)用單元的作戰(zhàn)流程設(shè)計

作戰(zhàn)應(yīng)用單元作戰(zhàn)流程分地面設(shè)置及通信初步建立，飛行過程組網(wǎng)通信及策略選擇，本節(jié)還針對中繼彈失效情況下的選擇展開論述。

2.3.1 地面工作內(nèi)容

起飛前地面工作內(nèi)容包括作戰(zhàn)數(shù)量確認(rèn)、數(shù)據(jù)裝訂及網(wǎng)絡(luò)通信初步確認(rèn)，其工作流程圖如圖7所示。

①作戰(zhàn)單元的數(shù)量確認(rèn)。

②地面數(shù)據(jù)裝訂：在發(fā)射前，由地面完成數(shù)據(jù)裝訂、網(wǎng)絡(luò)設(shè)置、參數(shù)設(shè)置等工作。

③網(wǎng)絡(luò)驗證：發(fā)射前，完成初步網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)互通。

圖7 起飛前地面工作流程圖Fig.7 The preflight ground work flow

2.3.2 飛行過程工作內(nèi)容

飛行過程包括的內(nèi)容有鏈路建立、數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠通信、武器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成、中繼武器選擇規(guī)則、圖像編碼方式及傳輸穩(wěn)定，其工作時序圖如圖8所示。

①鏈路建立包括建立時間、通信。在武器飛行的助推段和過渡段（發(fā)射后的0～m秒內(nèi)），為數(shù)據(jù)鏈路建立階段；在武器飛行段，數(shù)據(jù)鏈路需進(jìn)入正常工作狀態(tài)，并完成各武器的空中組網(wǎng)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各節(jié)點互聯(lián)互通。

②通信穩(wěn)定可靠及中繼彈的任務(wù)。在武器飛行段，需要保證數(shù)據(jù)鏈可穩(wěn)定傳輸雙向通信數(shù)據(jù)，并滿足全程正常工作的要求；中繼彈承擔(dān)著戰(zhàn)場態(tài)勢偵察、攻擊等任務(wù)，數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)則完成對應(yīng)的偵察圖像數(shù)據(jù)和攻擊指令的雙向傳輸。

③武器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。中繼武器在巡弋過程中，由1枚中繼武器和n枚攻擊武器構(gòu)成了基本子網(wǎng)系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)控制，中繼武器向n枚攻擊武器分發(fā)指令信息，n枚攻擊武器向中繼武器發(fā)送各自的偵察捕控數(shù)據(jù)、導(dǎo)彈信息、工作狀態(tài)參數(shù)等；由中繼武器匯總后統(tǒng)一編碼，向地面數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)發(fā)送；在各彈飛行過程中，攻擊武器只與中繼武器發(fā)生數(shù)據(jù)交互，不直接與地面數(shù)據(jù)鏈傳輸數(shù)據(jù)。

④中繼武器選舉規(guī)則。當(dāng)中繼武器因受控或意外失效而無法繼續(xù)中繼工作時，數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)具備自主選舉出替代的中繼武器的功能；同時支持由地面測控車的指揮員直接指定替代的中繼武器的功能，具體內(nèi)容將在下節(jié)描述。

⑤視頻圖像編碼方式及傳輸穩(wěn)定。在工作子網(wǎng)內(nèi)，設(shè)計視頻編碼模式，一種是較高碼率較高質(zhì)量的編碼模式，用于戰(zhàn)場態(tài)勢偵察、目標(biāo)捕控、特殊監(jiān)控等操作環(huán)境；另外一種是較低碼率較低質(zhì)量的編碼模式，用于武器的工作環(huán)境狀態(tài)瀏覽等；對于不同質(zhì)量的編碼模式，由地面指揮員、捕控員形成控制指令，通過彈-地信道上傳給中繼武器，再由中繼武器分發(fā)給每枚攻擊武器；在圖像質(zhì)量不好的情況下，通過何種方式使圖像形成穩(wěn)定數(shù)據(jù)流。

⑥其他。控制地面天線的最大增益點，使其指向中繼武器天線輻射面；地面測控車的車載控制單元具備識別中繼武器與攻擊武器功能，只對中繼武器的位置做跟蹤指向解算及動作；武器之間的數(shù)據(jù)傳輸，不能存在相互干涉。

圖8 飛行過程工作流程圖Fig.8 The work flow in the process of missile flight

2.3.3 中繼武器選舉規(guī)則

在飛行過程中，當(dāng)中繼武器失效時，需要重新選擇中繼武器，選擇方法有優(yōu)先級法和地面控制法，具體如下。

①優(yōu)先級法

a.在制定規(guī)則時，就對每發(fā)彈確定優(yōu)先級，中繼彈優(yōu)先級最高，設(shè)置為1，后續(xù)依次排序，當(dāng)中繼彈與地面失去聯(lián)系時，確定中繼武器失效，由優(yōu)先級為2的彈作為中繼彈，依次類推。

b.這里假設(shè)個時間，如10s地面作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)沒有接收到中繼武器數(shù)據(jù)，可認(rèn)為中繼武器失效，重新選擇中繼武器。

c.通常每固定時間（也假定10s），攻擊彈就會收到地面作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)發(fā)出的確認(rèn)信息，如果10s沒收到，次優(yōu)先級的武器就會被確認(rèn)為中繼武器，被確認(rèn)的中繼武器會升高，并開啟腹部天線。

d.每發(fā)武器既能作為中繼武器，也能作為攻擊武器，每發(fā)武器背部和腹部各有一個全向天線，作為中繼武器時，該發(fā)武器會升高，啟動腹部天線，作為攻擊武器時，啟動背部天線。

②地面控制法

a.當(dāng)中繼武器失效時，由地面作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)來確認(rèn)中繼武器。

b.通常每固定時間（也假定10s），攻擊彈就會發(fā)位置信息給地面，當(dāng)中繼武器與地面失去聯(lián)系后，地面就會根據(jù)攻擊武器的位置信息，選擇一個幾何分布位置合適的武器作為中繼武器。

c.當(dāng)某武器被選為中繼武器時，該武器會升高，并啟動腹部天線。

3 結(jié)束語

本文論述了如何基于link16的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)來完成一個自主武器協(xié)同系統(tǒng)的方法，通過此方法，能實現(xiàn)在武器飛行過程中，當(dāng)中繼武器因受控或意外失效而無法繼續(xù)中繼工作時，武器間會自我選擇中繼武器或通過地面指揮系統(tǒng)完成對中繼武器的選擇。所有攻擊武器與中繼武器通信，中繼武器通過中繼衛(wèi)星或直接與地面通信，傳輸各自的偵察捕控數(shù)據(jù)、導(dǎo)彈信息、工作狀態(tài)參數(shù)等，由地面指揮系統(tǒng)發(fā)出指揮命令或依據(jù)提前裝訂好的戰(zhàn)術(shù)方法來實現(xiàn)一個自主武器協(xié)同數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)。

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