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        外軍JRE發(fā)展情況淺析

        2021-09-06 05:40:20崔宗星范義龍李富強
        現(xiàn)代計算機 2021年22期
        關(guān)鍵詞:信息

        崔宗星,范義龍,李富強

        (中國電子科技集團公司第二十研究所,西安710068)

        0 引言

        在現(xiàn)代戰(zhàn)場復雜電磁環(huán)境中,數(shù)據(jù)鏈是實現(xiàn)后方指揮控制單元、前方作戰(zhàn)單元與分散在各處的偵察單元間戰(zhàn)術(shù)信息安全高效傳輸?shù)男畔⑾到y(tǒng)。數(shù)據(jù)鏈連接了作戰(zhàn)系統(tǒng)的聽視覺與骨骼肌肉,支撐偵、控、打、評殺傷鏈的閉環(huán)。在以美軍為代表的外軍數(shù)據(jù)鏈發(fā)展與應用歷程中,因使用環(huán)境與作戰(zhàn)需求的不同,不同軍種研制了不同技術(shù)體制、消息標準及形態(tài)功能各異的數(shù)據(jù)鏈裝備,使得數(shù)據(jù)鏈的發(fā)展出現(xiàn)了諸多分支。隨著戰(zhàn)場全球化進程加快,廣域跨軍種聯(lián)合作戰(zhàn)的需求愈發(fā)強烈,各軍種不同數(shù)據(jù)鏈類型平臺間態(tài)勢、指令、情報信息端到端超視距互通的問題亟需解決。

        1 JRE發(fā)展現(xiàn)狀

        1.1 JRE的概念

        聯(lián)合范圍擴展JRE(Joint-Range Extension)是指對視距數(shù)據(jù)鏈的作用范圍進行擴展,以實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈消息超視距傳輸?shù)囊环N技術(shù)體制。JRE的概念既不與特定設(shè)備綁定,也不與特定作戰(zhàn)平臺綁定。美國防部通過建立JRE的標準,即聯(lián)合范圍擴展應用層協(xié)議JREAP,來指導相關(guān)系統(tǒng)、設(shè)備、軟件的研制與集成工作。從網(wǎng)絡(luò)角度看,JRE實現(xiàn)了孤立數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)間通過衛(wèi)星鏈路或地面網(wǎng)、第三代軍用保密電話等信道媒介的信息鉸鏈,在每一個數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)中,都存在承擔網(wǎng)關(guān)責任的特殊平臺,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)鏈消息與JREAP封裝消息間的格式轉(zhuǎn)換與處理;從平臺角度看,JRE實現(xiàn)了面向用戶的任務(wù)界面與面向鏈路的信道終端間的集成鉸鏈。

        1.2 JRE的由來與發(fā)展

        上世紀90年代初,為解決戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)信息鏈J(TADIL J,北約稱Link 16)向超視距作戰(zhàn)單位發(fā)送目標航跡等信息時,總是需要空基平臺使用大量網(wǎng)絡(luò)中繼時隙進行消息轉(zhuǎn)發(fā),引起整個聯(lián)合數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)時隙資源與網(wǎng)絡(luò)容量緊張的問題[1],美國戰(zhàn)區(qū)導彈防御局考慮采用衛(wèi)星中繼的方式來解決這一問題,美國防部于1994年通過了TADIL-J范圍擴展計劃及其演示驗證試驗,這一計劃是JRE的雛形,有效解決了戰(zhàn)區(qū)導彈防御局的超視距態(tài)勢共享需求。經(jīng)過近三十年發(fā)展,JRE已成為主要的數(shù)據(jù)鏈范圍擴展與集成應用手段之一,并形成了成熟的標準與裝備體系。

        1.3 JRE的應用與裝備

        JRE起初作用于多個孤立的Link 16數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)間,通過衛(wèi)星鏈路或地面有線網(wǎng)絡(luò),建立超視距的戰(zhàn)術(shù)信息共享網(wǎng)絡(luò)。通過采用JREAP及多鏈集成技術(shù),可使那些原本難以互通的數(shù)據(jù)鏈裝備實現(xiàn)部分乃至全部消息的互通。JREAP訂立之初,美國空軍戰(zhàn)機就已采用JREAP-A(代指JREAP附錄A,即傳輸幀頭與應用幀頭采用JREAP全棧協(xié)議組建了半雙工令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)),依托機載UHF頻段DAMA(按需分配多址接入)信道設(shè)備,與UFO、Milstar系列衛(wèi)星實現(xiàn)遠程超視距態(tài)勢與指令信息的傳輸;2005年,美國太平洋司令部(現(xiàn)印太司令部)站點也安裝了JRE系統(tǒng)及UHF衛(wèi)星信道設(shè)備;2008年,美國海軍在測試兩棲登陸艦Tarawa的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈功能時,驗證了系統(tǒng)JREAP-C(代指JREAP附錄C,即傳輸層采用TCP/UDP協(xié)議,應用層采用JREAP應用協(xié)議)傳輸能力,該能力基于艦上指控系統(tǒng)與通用鏈路管理系統(tǒng)CDLMS實現(xiàn),且能夠?qū)崿F(xiàn)與宙斯盾彈道導彈防御系統(tǒng)的關(guān)鍵信息互操作;2014年,美國空軍E-8C聯(lián)合星預警機通過加裝JREAP-C設(shè)備,實現(xiàn)了基于衛(wèi)星信道的Link16范圍擴展……

        近年來JRE相關(guān)設(shè)備已在外軍多國部隊大量列裝使用,據(jù)近年披露資料,典型的JRE設(shè)備包含:

        (1)HUNTR戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)。美國防高級計劃研究局引進的HUNTR戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)支持Link 16、可變消息格式(VMF)、目標光標(CoT)、聯(lián)合距離擴展應用協(xié)議(JREAP)、態(tài)勢感知數(shù)據(jù)鏈(SADL)和協(xié)同電子支援措施行動(CESMO)等多種消息格式轉(zhuǎn)換處理。在德國空軍的Timber Express 2020演習期間通過該網(wǎng)關(guān)進行了雙向Link 16、CESMO、VMF和JREAP-C的操作,包括通過HUNTR在所有設(shè)備上建立文本聊天鏈接和共享態(tài)勢圖。HUNTR允許地面部隊使用基于Android和Windows操作系統(tǒng)的軟件與Link 16戰(zhàn)斗機一起執(zhí)行近距離空中支援(DACAS)任務(wù),并且實現(xiàn)了歷史上第一例Link 16戰(zhàn)斗機指揮空中客車無人機聯(lián)隊(MUM-T)遠程攻擊指定目標。HUNTR戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)人機操作界面包含有共用態(tài)勢圖、目標參數(shù)信息欄、對話框與消息轉(zhuǎn)換開關(guān)控制矩陣。

        圖1 HUNTR戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)人機界面

        (2)賽克(SAIC)公司JRE系列產(chǎn)品。賽克公司是一家美國JRE軟件提供商。其JRE軟件產(chǎn)品能夠經(jīng)濟可靠地向作戰(zhàn)人員提供態(tài)勢感知與指揮控制信息。純軟件的產(chǎn)品能夠在幾乎所有處理器上運行,方便購買和集成。軟件可橋接不兼容的數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò),并提供情報獲取和執(zhí)行任務(wù)所需的共用態(tài)勢圖。賽克宣稱其基于JRE的產(chǎn)品能夠提供準確、可靠、近實時的戰(zhàn)場感知能力,在需要的時間、地點向用戶提供需要的數(shù)據(jù)。賽克提供的JRE戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)關(guān)設(shè)備支持北美航空航天防御司令部的骨干網(wǎng),能夠向美國和加拿大提供準確的陸地、空中、海上威脅的態(tài)勢感知圖;支持美國空軍中東戰(zhàn)區(qū)戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈架構(gòu)的心跳信息;且支持澳大利亞國土防御網(wǎng)的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)記錄程序。此外,賽克還擁有JRE戰(zhàn)術(shù)平板終端等面向單兵的設(shè)備。

        (3)泰雷茲(THALES)公司JRE系列產(chǎn)品。法國泰雷茲公司的TopLink系列產(chǎn)品已在十幾個國家服役。TopLink-Core是一種數(shù)據(jù)路由器和轉(zhuǎn)發(fā)器,作為軟件模塊運行在計算機上,支持異構(gòu)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)間通信。它可以獨立在網(wǎng)絡(luò)中工作,也可以寄宿于任務(wù)系統(tǒng)主機。此外,泰雷茲還有專用于指控平臺的終端TopLink-Commander和專用于武器平臺的TopLink-Core plus軟件模塊。Commander可實現(xiàn)沖突與告警等監(jiān)視功能、指控命令、武器協(xié)調(diào)管理及任務(wù)控制等功能;Core plus則支持態(tài)勢共享、空中任務(wù)控制、編隊內(nèi)任務(wù)/目標分配等功能。

        2 JRE消息標準

        JRE消息標準是聯(lián)合范圍擴展應用層協(xié)議互操作性標準(JREAP)。其標準號為美軍標MIL-STD-3011,或北約STANAG-5518。JREAP的最新版本是2019年發(fā)布的MIL-STD-3011D。

        2.1 標準定位

        JREAP用于在通用信道和網(wǎng)絡(luò)上傳輸戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈消息。格式化消息嵌入到JREAP幀格式的數(shù)據(jù)內(nèi)容字段,可在衛(wèi)星鏈路或者地面鏈路進行遠程傳輸。JREAP擴展了那些通信范圍有限的數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò),提供超視距接入的能力,減少了對數(shù)據(jù)鏈中繼平臺的依賴,降低了網(wǎng)絡(luò)負載壓力,在視距數(shù)據(jù)鏈不可用情況下提供了一種備份的通信手段,并對那些沒有專門裝備數(shù)據(jù)鏈設(shè)備的平臺,提供了一種通過衛(wèi)星或其他手段連接到平臺的方式。

        2.2 格式分析

        JREAP根據(jù)傳輸鏈路的物理特性與其OSI網(wǎng)絡(luò)分層模型,分為全棧協(xié)議與應用協(xié)議兩種封裝格式和處理方法。全棧協(xié)議適用于無可靠傳輸層協(xié)議衛(wèi)星信道如UHF令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)(JREAP-A)、SHF/EHF點對點網(wǎng)絡(luò)(JREAP-B)[2]。全棧協(xié)議消息結(jié)構(gòu)如圖2所示。

        圖2 JREAP全棧協(xié)議消息結(jié)構(gòu)

        JRE傳輸塊頭主要包含發(fā)送源信息、發(fā)送時間及精度、幀長信息等。傳輸塊頭確保信息在不具有送達保障的鏈路中可靠傳輸,支撐冗余發(fā)送、序列號定位、整包校驗等傳輸功能,另外描述發(fā)送源時間精度、時間有效性、發(fā)送時間,以支撐接收單位結(jié)合接收時間,確定傳輸及處理時間,推測數(shù)據(jù)內(nèi)容的真正產(chǎn)生時間。JRE消息組頭主要包含后方具體數(shù)據(jù)鏈消息源信息、產(chǎn)生時長信息、類型及數(shù)據(jù)長度、控制應答信息等。消息組頭指示內(nèi)容中各組數(shù)據(jù)的產(chǎn)生源、本組數(shù)據(jù)經(jīng)過的傳輸與處理時間,以及本組消息要求的確認應答方式。在JRE的消息組中還定義了網(wǎng)絡(luò)管理消息組頭與相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)管理消息,用于解決鏈路上的時間同步、消息確認應答、遠程過濾、特殊事件、拓撲維護等功能。

        應用協(xié)議適用于JREAP嵌入TCP/UDP等有保障傳輸層協(xié)議的信道數(shù)據(jù)包中,適合因特網(wǎng)等傳輸媒介(JREAP-C)。應用協(xié)議消息結(jié)構(gòu)如圖3所示。

        圖3 JREAP應用協(xié)議消息結(jié)構(gòu)

        應用層頭中主要定義了數(shù)據(jù)鏈消息源信息、產(chǎn)生時長信息、類型及數(shù)據(jù)長度。功能與消息組頭相當,此外還規(guī)定了協(xié)議的版本信息。

        3 JRE關(guān)鍵技術(shù)

        JRE除定義了一種面向通用信道的傳輸格式,最重要的功能還包含網(wǎng)絡(luò)共用時間基準確立、態(tài)勢信息外推、態(tài)勢信息過濾、網(wǎng)絡(luò)拓撲維護等幾個方面。

        3.1 共用時間基準確立

        為解決數(shù)據(jù)鏈互聯(lián)與消息處理時時間統(tǒng)一問題,JRE設(shè)計了基于狀態(tài)機的共用時間基準確立流程與JRE成員之間協(xié)調(diào)時間基準的消息格式。該格式通過兩組比特位標識每個參與者可用時間源、基于權(quán)值運算的建議時間源。通過在JRE成員間周期交互共用時間基準消息,各參與者不斷更新自身建議源的權(quán)重,最終在建議源統(tǒng)一的基礎(chǔ)上完成時間狀態(tài)向穩(wěn)定的轉(zhuǎn)移,實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時間同步。該方式適合鏈路時延較低且?guī)捵銐虻逆溌?,而JREAP附錄A的令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)則采用了一種簡化的共用時間基準確立過程,通過指定鏈路固定傳輸時延,采用網(wǎng)絡(luò)控制器周期廣播共用時間基準消息,其他參與者基于消息接收時戳加鏈路固定傳輸時延的方式實現(xiàn)全網(wǎng)時間同步。JRE網(wǎng)絡(luò)共用時間基準確立流程如圖4所示。

        圖4 JRE網(wǎng)絡(luò)共用時間基準確立流程

        3.2 態(tài)勢信息外推

        JRE繼承了Link 11與Link 16態(tài)勢共享[3]時采用間接接口單元轉(zhuǎn)換的方式,通過間接消息格式向Link 16網(wǎng)絡(luò)推送外部我方態(tài)勢信息;而在進行非我方的航跡消息轉(zhuǎn)發(fā)時保持數(shù)據(jù)鏈消息格式。JRE消息格式可承載數(shù)據(jù)鏈消息無法承載的消息生成、鏈路處理各環(huán)節(jié)的時間信息及位置質(zhì)量信息,根據(jù)平臺航向、速度、航跡質(zhì)量[4]等參數(shù),JRE可決定是否進行態(tài)勢外推,即通過外推處理算法[5]消除因媒介鏈路傳輸時延引起的位置偏差。態(tài)勢信息外推的過程是可控的,通常由進行消息處理的上層應用軟件決定,JRE可提供經(jīng)過外推處理的態(tài)勢信息,也可向上層提供包含有各環(huán)節(jié)詳細處理時間的原始數(shù)據(jù)信息。

        3.3 態(tài)勢信息過濾

        為了避免繁雜的作戰(zhàn)單位信息出現(xiàn)在用戶作戰(zhàn)視窗中,形成一種可由用戶控制的多圖層態(tài)勢顯示方式。JREAP支持向網(wǎng)內(nèi)成員平臺設(shè)置基于消息類型、消息時效、特定地理區(qū)域等條件的消息過濾器,以支持濾除特定消息的上報與轉(zhuǎn)發(fā)。數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)中通常定義專門一類過濾器消息,通過數(shù)據(jù)鏈射頻網(wǎng)絡(luò)向特定成員分發(fā)以實現(xiàn)其發(fā)送或接收消息的過濾。JRE充分考慮了與現(xiàn)役外軍數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)過濾器的兼容性,設(shè)計了一類在媒介鏈路發(fā)送的過濾消息格式及轉(zhuǎn)換方法。該類消息能夠在擴展鏈路上進行發(fā)送,同時支持轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)鏈過濾器消息類型,在數(shù)據(jù)鏈射頻網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。作戰(zhàn)平臺可基于敵我屬性、環(huán)境類型、身份編號、地理區(qū)域等信息過濾態(tài)勢信息,在局部戰(zhàn)場形成特定航跡監(jiān)控能力。

        3.4 網(wǎng)絡(luò)拓撲維護

        為了維持網(wǎng)絡(luò)拓撲動態(tài)變化,高效實現(xiàn)消息尋址與網(wǎng)絡(luò)管理,JREAP設(shè)計了直接連接表、網(wǎng)絡(luò)連接矩陣消息等用于交換JRE網(wǎng)絡(luò)參與者鏈路連接與連通性關(guān)系的消息。基于周期廣播消息的接收,在衛(wèi)星鏈路上的JRE成員平臺具備維持自身數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)內(nèi)鄰接平臺連通性的能力。通過將收集的信息轉(zhuǎn)換為直接連接表消息并在衛(wèi)星等擴展鏈路發(fā)送,如圖5所示。位于地面的管理中心可獲取全網(wǎng)拓撲關(guān)系并通過一種網(wǎng)絡(luò)鄰接矩陣消息向特定平臺發(fā)送全網(wǎng)拓撲。通過維持周期廣播與請求應答,JRE成員均可動態(tài)獲取全網(wǎng)及鄰接節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)連通關(guān)系,并自動維護更新,基于網(wǎng)絡(luò)拓撲維護功能,JRE網(wǎng)絡(luò)在異構(gòu)信道間進行消息轉(zhuǎn)發(fā)尋址功能得到了保障。

        圖5 JRE單元維護網(wǎng)絡(luò)拓撲

        4 結(jié)語

        外軍在數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的發(fā)展與綜合集成方面具有領(lǐng)先的科研與應用經(jīng)驗,為解決遠程數(shù)據(jù)鏈消息傳輸與鏈間信息互操作這一質(zhì)樸的需求,曾探索過許多方式與道路。JRE作為其中的一種延續(xù)至今,最大的特點就是體制引領(lǐng)與兼容并包。通過不斷更新相關(guān)技術(shù)標準引導新興裝備適配自身運行模式,同時考慮多種信道媒介、數(shù)據(jù)鏈消息格式集成的可能性,面向具體技術(shù)問題提出解決方案,這一模式本身就具有較強的適配性與可操作性,具有借鑒意義。

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