鄧連印，黃　威

(1．中國航天科技集團公司錢學森空間技術實驗室，北京 100094；2．中國空間技術研究院，北京 100094)

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美軍天基通用數(shù)據鏈分析

鄧連印1，黃威2

(1．中國航天科技集團公司錢學森空間技術實驗室，北京 100094；2．中國空間技術研究院，北京 100094)

高技術條件下的現(xiàn)代戰(zhàn)爭，作戰(zhàn)樣式已經發(fā)展到由指揮控制系統(tǒng)、偵察監(jiān)視系統(tǒng)、聯(lián)合火力打擊系統(tǒng)等各種系統(tǒng)構成的作戰(zhàn)體系的對抗，戰(zhàn)場中能否獲取信息優(yōu)勢將決定戰(zhàn)爭的成敗。在介紹美軍數(shù)據鏈發(fā)展歷程和通用寬帶數(shù)據鏈發(fā)展概況的基礎上，著重分析了美軍天基通用數(shù)據鏈的前期技術驗證情況和未來實戰(zhàn)應用模式，以期對開展相關領域論證研究具有一定的參考意義。

武器裝備；體系對抗；天基通用數(shù)據鏈

0　引言

近幾次高技術戰(zhàn)爭中，數(shù)據鏈技術在戰(zhàn)場中的成功運用起到了至關重要的作用。通過數(shù)據鏈，可以將眾多復雜的武器平臺以及指揮控制平臺有機地連為一體，實現(xiàn)戰(zhàn)場態(tài)勢共享，縮短決策時間，提高指揮控制速度及協(xié)同作戰(zhàn)能力，發(fā)揮體系的整體作戰(zhàn)效能。

為充分挖掘天基情報、監(jiān)視與偵察(ISR)平臺的戰(zhàn)術應用潛力，美軍高度借鑒通用數(shù)據鏈(CDL)在空基平臺的成功應用經驗，通過“作戰(zhàn)響應空間”(ORS) 計劃大力發(fā)展天基通用數(shù)據鏈(space CDL)技術，將其作為美軍構建多源戰(zhàn)場情報體系的重要手段[1]，并成功驗證了成像偵察衛(wèi)星的戰(zhàn)術應用能力。ORS 計劃下的“戰(zhàn)術衛(wèi)星”(TacSat) 技術驗證項目首次實現(xiàn)了CDL 技術的天基應用，并成功驗證了在戰(zhàn)場條件下直接向低軌道成像偵察衛(wèi)星下達任務指令，以及實時接收戰(zhàn)術圖像數(shù)據的能力，逐步完成天基ISR 平臺與現(xiàn)有ISR 戰(zhàn)術體系的集成。

1　美軍數(shù)據鏈的發(fā)展概況

美軍數(shù)據鏈經過半個多世紀的發(fā)展，經歷了初始階段、獨立發(fā)展階段和協(xié)同與整合階段，已經形成了完整的體系。美軍數(shù)據鏈技術已從單向視距點對點、低速率、無保密、無抗干擾能力、功能單一發(fā)展到目前的超視距大規(guī)模組網、高速率、保密、綜合抗干擾能力和多功能于一體，如圖1所示[2]。

國外數(shù)據鏈應用裝備以美國最具代表性，特點是其應用裝備覆蓋各軍兵種，具備視距/超視距功能，綜合數(shù)據鏈能夠搭載多平臺，有多種通信方式和多種功能。態(tài)勢感知數(shù)據鏈基本可按照軍兵種成體系發(fā)展，已經逐步形成統(tǒng)一標準，從而達到三軍協(xié)同的目的；情報偵察數(shù)據鏈以一個通用CDL標準為基礎，并根據作戰(zhàn)需求衍生出多種不同應用的體系；武器協(xié)同數(shù)據鏈還屬于專用的范疇，各軍兵種各自發(fā)展，如圖2所示[2-3]。

圖1　美軍數(shù)據鏈發(fā)展歷程

2　美軍通用數(shù)據鏈(CDL)

20世紀90 年代，美軍研制了CDL，并指定CDL為圖像和信號情報采集系統(tǒng)的標準通信鏈路，這反映了數(shù)據鏈將向大容量、通用化方向發(fā)展的趨勢，并將其作為衛(wèi)星、偵察機及無人機與地面控制站之間傳輸圖像及信號情報的標準鏈路，以實現(xiàn)各軍兵種和政府機構使用的ISR 數(shù)據收集系統(tǒng)間的無縫通信。它主要是為了滿足特殊應用，傳輸?shù)臄?shù)據內容是不經過處理的原始傳感器數(shù)據。

2.1CDL概念、類型與功能

按定義，CDL是一種全雙工、抗干擾、點對點的寬帶數(shù)字數(shù)據鏈，工作在X或Ku波段(通常地/海面終端會配備雙波段工作能力， 而機載終端則只能工作在X波段或Ku波段)。為保證美軍各軍兵種ISR系統(tǒng)的互操作性，美國國防部于1991年將CDL確定為國防部標準，并強制在各軍兵種間推行。根據國防部的要求：除了質量不超過30磅(13.61kg)的小型無人機系統(tǒng)(SUAS)以外，美軍各軍兵種和國防機構的空基ISR平臺與地面處理設施之間進行的圖像和信號情報的寬帶傳輸必須兼容CDL標準[1-2]。

圖2　美軍主要數(shù)據鏈應用裝備圖譜

CDL 共定義了5 種類型的鏈路，分別適用于視距內，或經由中繼進行“超視距”(BLOS)的不同數(shù)據傳輸。這5 種類型如表1所示[1-2]。

表1　CDL定義的5種類型數(shù)據鏈路

CDL主要功能包括[1-3]：1)飛行平臺高度數(shù)據偵察信息的實時回傳；2)飛行參數(shù)和飛行平臺上的設備工作狀態(tài)的實時回傳；3)具有保密、抗干擾參數(shù)的前向指令傳輸；4)飛行參數(shù)、定位參數(shù)等重要參數(shù)的注入；5)對飛行平臺的跟蹤定位；6)空中平臺的數(shù)據交互和協(xié)同組網；7)戰(zhàn)場偵察信息的分發(fā)；8)空中數(shù)據中繼。

2.2CDL系統(tǒng)組成

CDL系統(tǒng)的基本構成包括發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、天線及饋源系統(tǒng)、信號處理及顯示系統(tǒng)。實際應用中，CDL系統(tǒng)設備可分為機載系統(tǒng)設備和地面系統(tǒng)設備。圖3顯示了通用數(shù)據鏈系統(tǒng)的組成。

圖3　通用數(shù)據鏈系統(tǒng)組成

1)CDL機載系統(tǒng)設備

機載設備對接收到的地/海面前向信號進行變頻、放大、解擴、解調、譯碼，解密，經分接器分離出各類數(shù)據并輸出；同時，還接收機載任務設備送來的偵察數(shù)據及圖像，并對其進行編碼輸出和數(shù)據復接，形成返向數(shù)據流，經加密、調制、上頻率、功放及天線發(fā)往地面[1-2]。

2)CDL地面系統(tǒng)設備

CDL地面設備由天線組合、跟蹤伺服設備、高頻箱、變頻組合、天線跟蹤設備及綜合數(shù)據終端設備等組成。天線組合包括全向天線、定向天線等；跟蹤伺服設備包括天線座、伺服機構及電路；高頻箱包括雙工器、低噪聲放大器、功放及定向耦合器等設備；變頻組合包括上/下變頻器；綜合數(shù)據終端設備包括綜合基帶數(shù)據解調單元、圖像解碼單元、測速測角單元、數(shù)據分發(fā)單元及系統(tǒng)監(jiān)控單元等；加密機負責對鏈路中傳輸?shù)臄?shù)據進行加解密。地面設備還包括UPS及光端機等設備[1-2]。

最初的CDL 系統(tǒng)僅支持點對點的空地鏈路傳輸。經過20 多年的發(fā)展，CDL 系統(tǒng)不僅能夠支持點對多點的廣播模式，還可通過空基平臺和國防衛(wèi)星通信系統(tǒng)(DSCS) 等通信衛(wèi)星系統(tǒng)進行數(shù)據中繼，實現(xiàn)數(shù)據的超視距(BLOS)傳輸。在此期間，美軍先后推出了“標準CDL”(STD-CDL) 、“先進CDL”(A-CDL)、“網絡CDL”(N-CDL) 等共計15 種CDL 波形，并相繼發(fā)展出“模塊化可互操作表面終端”(MIST) 、“空基信息傳輸系統(tǒng)”(ABIT)、“戰(zhàn)術通用數(shù)據鏈”(TCDL)、“多平臺通用數(shù)據鏈”(MP-CDL) 等不同平臺、各種類型的CDL 終端。在此基礎上，美軍已構建出基于CDL 的戰(zhàn)術ISR 網絡體系。通過這一體系，美軍現(xiàn)役U-2、RC-7 、RC-135 等有人偵察機，以及“全球鷹”、“先驅者”(Outrider)、“捕食者”等無人機系統(tǒng)，均可直接支持戰(zhàn)場用戶的戰(zhàn)術作戰(zhàn)[2-3]。

3　美軍天基通用數(shù)據鏈3.1　基本概念及發(fā)展概況

天基通用數(shù)據鏈(space CDL)是通用數(shù)據鏈由空基向天基的延伸，本質上仍屬于通用數(shù)據鏈，對應第四類數(shù)據鏈(Class IV)。通過配備天基CDL載荷，成像偵察衛(wèi)星等天基ISR平臺能夠兼容美軍CDL標準，可以利用現(xiàn)有戰(zhàn)場CDL地面設施完成衛(wèi)星任務下達和數(shù)據實時接收。但在運行環(huán)境和指控系統(tǒng)的內在差異要求下，天基CDL必須在空基CDL的基礎上有所改進。首先，天基CDL載荷必須能夠適應真空、空間輻射和極端溫度變化等空間環(huán)境條件；其次，天基CDL載荷應具有更小的體積、更輕的質量和更低的功率，同時可提供空間系統(tǒng)的標準接口；此外，空間環(huán)境對信號的傳輸和加密等方式也提出了新的要求；最后，需要對地面指控、處理和分發(fā)體系結構進行調整，以滿足戰(zhàn)場戰(zhàn)術應用需求。

CDL作為美軍充分定義并取得高度成功的數(shù)據鏈系列，長期應用于空基ISR平臺，其功能貼近天基ISR平臺的需要，美軍于2004年再次推薦使用天基CDL作為“作戰(zhàn)響應空間”(ORS)計劃的標準通信結構。ORS計劃是美軍為確保軍事航天技術優(yōu)勢、推動空間系統(tǒng)重大轉型而提出的，該計劃在發(fā)展天基CDL的過程中，采用了“兩步走”的方式：首先通過“戰(zhàn)術衛(wèi)星”(TacSat)項目驗證了天基CDL的可行性和應用潛力，隨后再通過“作戰(zhàn)響應空間-1”衛(wèi)星(ORS-1)引導天基CDL向實戰(zhàn)應用階段過渡[4]。

3.2技術驗證階段

2003年，美國防部轉型辦公室(OFT)提出了“戰(zhàn)術衛(wèi)星”項目(TacSat)，旨在通過一系列成本低廉的小型衛(wèi)星，驗證可實現(xiàn)戰(zhàn)場快速響應的衛(wèi)星平臺和有效載荷技術。分別于2006年12月和2009年5月發(fā)射的“戰(zhàn)術衛(wèi)星-2”(TacSat-2)和“戰(zhàn)術衛(wèi)星-3”(TacSat-3)均將天基CDL作為重點驗證的有效載荷技術之一?；赥acSat項目對系統(tǒng)成本和研制周期的嚴格限制，以及技術驗證項目相對較低的可靠性要求，TacSat-2和TacSat-3衛(wèi)星均采用了基于“商用貨架式”(COTS)空基產品的CDL系統(tǒng)。

3.2.1TacSat-2

TacSat-2是ORS計劃下的第一顆技術驗證衛(wèi)星。天基CDL分系統(tǒng)主要由微波調制解調器部件(MMA)、電子操縱陣列(ESA)發(fā)射天線和貼片接收天線組成，共支持三種鏈路，如圖4所示。TacSat-2 MMA采用了與TARS MMA完全相同的模塊(板卡)、內部底盤結構和美國軍標(MIL-STD)連接件，而僅對其進行了最低限度的修改。ESA發(fā)射天線每個陣元均具有專用的放大器和移相器，可提供任務所需的EIRP值和操縱控制，如圖5所示。

圖4　TacSat-2天基CDL分系統(tǒng)組成框圖

圖5　TacSat-2衛(wèi)星CDL天線布局

TacSat-2衛(wèi)星成功在90min內完成了從接收戰(zhàn)場用戶成像要求、對目標進行成像，到通過CDL下行鏈路將圖像下傳給戰(zhàn)場用戶的完整任務流程。TacSat-2的驗證結果表明,CDL/MIST是適用于戰(zhàn)術成像衛(wèi)星的可用星地鏈路。通過簡單的軟件修改過程，具有天基CDL載荷的戰(zhàn)術偵察衛(wèi)星將能夠支持美軍在全球范圍內的任意MIST終端。另外，TacSat-2衛(wèi)星還驗證了MIST終端在偵察衛(wèi)星與空基偵察平臺間的快速切換能力。

3.2.2TacSat-3

TacSat-3天基CDL系統(tǒng)增加了網絡能力, 包括MMA部件、射頻部件、 一副直徑為12英寸的拋物面天線和一副寬波束喇叭天線，如圖6所示。在TacSat-3任務中，從戰(zhàn)術用戶提出成像要求，到衛(wèi)星成像、處理并將高光譜數(shù)據傳輸?shù)綉?zhàn)術用戶終端，整個過程在10min內完成。TacSat-3具有星上圖像處理能力和存儲設備，可在完成戰(zhàn)術圖像產品分發(fā)之后，將原始數(shù)據下傳至下一個地面站。對于實時性要求不高的常規(guī)任務，用戶也可通過“保密互聯(lián)網協(xié)議路由網絡”(SIPR-NET)，向TacSat-3衛(wèi)星下達任務指令和接受圖像產品[4-7]，如圖7所示。

圖6　TacSat-3衛(wèi)星天基CDL系統(tǒng)組成框圖[4-6]

圖7　TacSat-3衛(wèi)星作戰(zhàn)概念(CONOPS)[5-7]

3.3實戰(zhàn)應用階段

2008年10月，“作戰(zhàn)響應空間-1”衛(wèi)星(ORS-1)項目獲得批準，正式啟動。2011年6月29日，ORS-1衛(wèi)星搭乘“米諾陶-1”火箭成功發(fā)射。在TacSat驗證項目的基礎上，這顆ORS計劃下的首顆業(yè)務衛(wèi)星配備了重新設計的天基CDL系統(tǒng)。ORS-1衛(wèi)星的發(fā)射，標志著美軍天基CDL已成功完成前期技術驗證階段，并初步進入實戰(zhàn)應用階段[6-7]。

作為實戰(zhàn)應用系統(tǒng)，ORS-1衛(wèi)星通過“虛擬任務控制中心”(VMOC)和“分布式通用地面系統(tǒng)”(DCGS)完全融入了美軍的ISR網絡體系， 從戰(zhàn)場指令下達到完成數(shù)據下傳的時間最快可達6.5min，如圖8所示。戰(zhàn)場作戰(zhàn)部隊可通過戰(zhàn)區(qū)的戰(zhàn)術地面站(TGS)

制定衛(wèi)星成像任務和接收圖像數(shù)據，并將數(shù)據集成到DCGS系統(tǒng)之中進行進一步處理和分發(fā)；而對于常規(guī)任務，空間操作中心(SOC)可通過美國本土的CDL地面站制定成像任務和接收圖像數(shù)據，生成圖像情報產品，并通過SIPRNET向作戰(zhàn)用戶分發(fā)[5-8]，如圖9所示。

圖8　ORS-1衛(wèi)星執(zhí)行戰(zhàn)術任務時的CDL操作時間安排[8]

圖9　ORS-1衛(wèi)星作戰(zhàn)概念[8]

4　結束語

美軍近年來的幾次局部戰(zhàn)爭經驗表明，戰(zhàn)場戰(zhàn)術應用已經成為空間偵察系統(tǒng)的必然發(fā)展方向。在此基礎上提出的天基CDL系統(tǒng)已經展現(xiàn)出巨大的戰(zhàn)術應用潛力。為積極應對美軍天基CDL系統(tǒng)所代表的空間偵察系統(tǒng)轉型，應大力推進發(fā)展供成像偵察衛(wèi)星戰(zhàn)術應用使用的星地數(shù)據鏈系統(tǒng)。■

[1]駱光明．數(shù)據鏈[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008．

[2]黃鵬，李宏智．數(shù)據鏈集成應用體系結構[J]．指揮信息系統(tǒng)與技術，2011,2(5):15-18．

[3]戴輝．武器協(xié)同數(shù)據鏈發(fā)展需求[J]．指揮信息系統(tǒng)與技術，2011,2(5):11-14．

[4]Galindez R, Davis T. Tactical satellite 3 CDL communications, a communications link for mission utility[C]∥Military Communications Conference, 2007.

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[6]Davis TM, Straight SD. Development of the tactical satellite 3 for responsive space missions[C]∥Los Angeles, CA:4thResponsive Space Conference, 2012.

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[8]Cox C, Cidzik W, HurleyM, et al. OASIS: adaptation of an airborne sensor for responsive space[C]∥Los Angeles,CA: 6thResponsive Space Conference, 2013.

Analysis of the USA military space CDL

Deng Lianyin1， Huang Wei2

(1．Qian Xuesen Laboratory of Space Technology,CATC,Beijing 100094,China；2．China Acodemy of Space Technology, Beijing 100094, China)

The mode of modem war under high technology has become the countermeasures of combat systems, which includes command and control system, reconnaissance and surveillance system, combine firepower system, etc. Information advantage will be decisive for the win of wars. The development of the USA military date link and CDL are introduced. Based on this, the prophase technology validation and future actual combat application modes of the USA military space CDL are analyzed. It is helpful for the study of correlative fields.

weapon equipment;system countermeasures;space CDL

2015-06-30；2016-03-02修回。

鄧連印(1980-)，男，碩士，主要研究方向為衛(wèi)星應用技術。

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