陳康平，黃新明，李崢嶸

低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈體系架構(gòu)及應(yīng)用前景

陳康平，黃新明，李崢嶸

（國(guó)防科技大學(xué) 電子科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410073）

針對(duì)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈面臨的數(shù)據(jù)傳輸距離有限、數(shù)據(jù)傳輸容量受限，以及中高軌道衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈存在著傳輸損耗大、延遲高等問題，提出基于低軌（LEO）衛(wèi)星通信系統(tǒng)的低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈：介紹國(guó)內(nèi)外低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r；總結(jié)加快發(fā)展建設(shè)適用于數(shù)據(jù)鏈的低軌通信系統(tǒng)和在低軌衛(wèi)星中放置數(shù)據(jù)鏈端機(jī)2種低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈建設(shè)方案，并提出適合低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈的抗干擾通信技術(shù)和低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)的時(shí)間基準(zhǔn)、空間基準(zhǔn)方案；最后分析低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈特點(diǎn)。結(jié)果表明低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈具有廣闊的應(yīng)用前景。

數(shù)據(jù)鏈；低軌（LEO）衛(wèi)星通信系統(tǒng)；低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈；抗干擾；時(shí)間基準(zhǔn)；空間基準(zhǔn)；應(yīng)用前景

0 引言

自俄烏沖突爆發(fā)以來，馬斯克的“星鏈”在俄烏沖突中發(fā)揮了巨大的作用。英國(guó)《泰晤士報(bào)》報(bào)道稱，烏克蘭部隊(duì)使用“星鏈”進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和調(diào)試無人機(jī)，使士兵能夠有針對(duì)性地精確發(fā)射反坦克武器。此外，俄羅斯情報(bào)部門表示，“星鏈”參與了幫助烏軍擊沉俄羅斯黑海艦隊(duì)旗艦“莫斯科”號(hào)導(dǎo)彈巡洋艦的計(jì)劃[1]?！靶擎湣笔且环N新型的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)，部隊(duì)可依托“星鏈”，傳輸機(jī)器可讀的格式化消息，將傳統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈無法覆蓋的作戰(zhàn)單元接入到數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)中，把戰(zhàn)場(chǎng)感知的信息及時(shí)地反饋給武器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的快速精準(zhǔn)打擊?！靶擎湣闭宫F(xiàn)了低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)在數(shù)據(jù)鏈中的巨大作用。

“星鏈”工作于衛(wèi)星信道。根據(jù)數(shù)據(jù)鏈信號(hào)工作頻段，目前數(shù)據(jù)鏈常用的傳輸信道有短波信道、超短波信道、衛(wèi)星信道等，其工作頻段劃分如表1所示。

常用的數(shù)據(jù)鏈如美國(guó)Link-4、Link-11、Link-16數(shù)據(jù)鏈都是通過軍用電臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[2]，其工作于超短波信道、短波信道，通信范圍有限。超短波信道以視距傳輸為主，受到地球曲率影響，其極限距離為340 km，同時(shí)存在著在傳輸過程中容易受到障礙物遮擋，以及多徑效應(yīng)等不足。短波信道可通過天波傳輸擴(kuò)展傳輸距離，但是其傳播特性受到電離層晝夜、季節(jié)性變化影響，且信道擁擠、信道不穩(wěn)定并存在通信盲區(qū)，在目前數(shù)據(jù)鏈的應(yīng)用中多用于超短波信道電臺(tái)的備份。衛(wèi)星信道工作頻段寬，信道容量大，良好的衛(wèi)星星座能夠?qū)崿F(xiàn)全球覆蓋通信，不受距離的限制。

依托衛(wèi)星信道的數(shù)據(jù)鏈又稱為衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈。目前，國(guó)外典型的衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈主要有英國(guó)海軍的衛(wèi)星戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈（satellite tactical data link，STDL）、美國(guó)海軍開發(fā)的衛(wèi)星戰(zhàn)術(shù)數(shù)字信息鏈路（satellite tactical digital link J，S-TADIL J）、聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)分發(fā)系統(tǒng)（joint tactical information distribution system，JTIDS）距離擴(kuò)展（JTIDS distance extension，JRE）等[3]。

從公開的信息來看，STDL、 S-TADIL J等衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈通過在指揮控制處理器中增加衛(wèi)星接口來解決數(shù)據(jù)鏈視距受限的問題，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈距離擴(kuò)展[4]。早期使用的衛(wèi)星為中高軌道衛(wèi)星軌道，由于衛(wèi)星高度較高，這些類型的衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈面臨著傳輸速率受限、信道擁擠、時(shí)延較長(zhǎng)等問題[5]。近年來，隨著“星鏈”等低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展，低時(shí)延、高通量的低軌衛(wèi)星在軍用領(lǐng)域得到了巨大關(guān)注。為此，本文將從低軌衛(wèi)星的角度，探討基于低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈，彌補(bǔ)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈面臨的數(shù)據(jù)傳輸距離有限、數(shù)據(jù)傳輸容量受限，以及中高軌道衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈存在的傳輸損耗大、延遲長(zhǎng)等不足。

1 低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)

根據(jù)衛(wèi)星所處軌道高度，可以將衛(wèi)星劃分為低地球軌道（low Earth orbit，LEO）衛(wèi)星、中地球軌道（middle Earth orbit，MEO）衛(wèi)星、高軌道（geosynchronous Earth orbit，GEO）衛(wèi)星，其所處高度分別為：低地球軌道衛(wèi)星500～2000 km，中地球軌道衛(wèi)星2000～20000 km，高軌道衛(wèi)星35786 km[6]。由里弗斯傳輸方程可推得，衛(wèi)星信道自由空間傳輸損耗（free-space spreading loss，F(xiàn)SL）可由發(fā)射機(jī)天線接收功率t和接收機(jī)天線接收功率r的比值表示為

最早的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)是20世紀(jì)90年代實(shí)現(xiàn)的“銥星”系統(tǒng)，其共有6個(gè)軌道面，每個(gè)軌道均勻分布有11顆衛(wèi)星，由此組成的低軌衛(wèi)星星座可以覆蓋全球，為全球任何地點(diǎn)提供通信服務(wù)[8]。近年來，集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展顯著降低了衛(wèi)星的研制成本以及衛(wèi)星的能耗、質(zhì)量、尺寸；同時(shí)，回收火箭技術(shù)以及一箭多星技術(shù)的迅速發(fā)展使得衛(wèi)星發(fā)射的成本急速降低。各國(guó)均開始大力部署低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)。目前各國(guó)主要的低軌衛(wèi)星星座項(xiàng)目匯總?cè)绫?所示。

美國(guó)已經(jīng)在多方面對(duì)數(shù)據(jù)鏈與低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)結(jié)合進(jìn)行了嘗試：2019年11月初，美空軍宣布在C-12J情報(bào)飛機(jī)平臺(tái)上驗(yàn)證了與“星鏈”首批衛(wèi)星的互聯(lián)，通信速度達(dá)到610 Mbit/s[10]；目前還在繼續(xù)評(píng)估“星鏈”衛(wèi)星與其他武器平臺(tái)的連接能力。

表2 部分國(guó)家低軌星座項(xiàng)目匯總[9]

我國(guó)目前正大力推進(jìn)低軌衛(wèi)星星座的建設(shè)，未來的低軌衛(wèi)星星座將實(shí)現(xiàn)低軌物聯(lián)網(wǎng)、低軌導(dǎo)航增強(qiáng)、低軌通導(dǎo)融合等功能[11]。利用低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)在數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)之間傳輸數(shù)據(jù)，將極大地?cái)U(kuò)展數(shù)據(jù)鏈的通信距離，同時(shí)具備通導(dǎo)融合的低軌衛(wèi)星信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)未來衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈時(shí)間、位置基準(zhǔn)的天基化，提高低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的抗毀性。

2 低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈體系架構(gòu)

2.1 低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈2種建設(shè)方案

S-TADILJ、STDL等衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈均是基于中高軌衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)距離擴(kuò)展，存在著較大的傳輸損耗和時(shí)延。尤其在強(qiáng)調(diào)快速精確打擊的現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，高時(shí)延嚴(yán)重影響武器的命中率。發(fā)展基于低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)俏磥淼内厔?shì)。對(duì)基于低軌衛(wèi)星通信的衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈建設(shè)，本文總結(jié)出以下2種建設(shè)方案。

方案一：加快發(fā)展建設(shè)適用于數(shù)據(jù)鏈的低軌通信系統(tǒng)。低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈本質(zhì)是通過低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)傳感器平臺(tái)、指揮控制平臺(tái)和武器平臺(tái)等的互聯(lián)互通。為此，低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)應(yīng)能讀取目前數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)中的機(jī)器可讀的格式化消息，在接入方式、消息封裝格式的設(shè)計(jì)上應(yīng)滿足數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的要求，確保低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)能夠良好地接入數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)。此外，這種方案對(duì)于低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的星上數(shù)據(jù)處理能力也提出了更高的要求。低軌衛(wèi)星類似于數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)信息中繼站，通過對(duì)接收到的數(shù)據(jù)鏈消息進(jìn)行快速處理，將其轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的其他節(jié)點(diǎn)。由于低軌衛(wèi)星僅僅作為一個(gè)中繼站，對(duì)數(shù)據(jù)鏈單元發(fā)送的數(shù)據(jù)鏈信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，其中繼轉(zhuǎn)發(fā)的僅僅是數(shù)據(jù)鏈信號(hào)中所包含的“信息”，而不是數(shù)據(jù)鏈的原始“信號(hào)[12]；因此，如果衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的時(shí)延過長(zhǎng)，數(shù)據(jù)鏈信號(hào)本身所包含的態(tài)勢(shì)信息將無法及時(shí)共享。此外，該方案下低軌衛(wèi)星的作用僅僅是“透明中繼/轉(zhuǎn)發(fā)”，沒有在波形層面處理，對(duì)中繼2端的數(shù)據(jù)鏈節(jié)點(diǎn)而言，無法進(jìn)行精準(zhǔn)的同步，對(duì)同步要求高的數(shù)據(jù)鏈跳頻模式的影響尤為巨大。

方案二：在低軌衛(wèi)星中放置數(shù)據(jù)鏈端機(jī)。2019年5月，美國(guó)衛(wèi)訊公司（Viasat）獲得了美國(guó)空軍的合同，計(jì)劃為低軌衛(wèi)星裝備Link16數(shù)據(jù)鏈[13]。目前該計(jì)劃的進(jìn)展還未公布，但提供了一種衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈建設(shè)的新思路。低軌衛(wèi)星作為數(shù)據(jù)鏈節(jié)點(diǎn)接入數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)中，能夠有效降低星上數(shù)據(jù)信息處理的延遲，共享數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)。這種方案下隨著低軌衛(wèi)星通過搭載數(shù)據(jù)鏈端機(jī)，作為數(shù)據(jù)鏈節(jié)點(diǎn)接入數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)中，在擴(kuò)展傳統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈的通信范圍的同時(shí)，可以進(jìn)一步降低衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈的延時(shí)，實(shí)時(shí)共享戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息，同時(shí)保持傳統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈跳頻等抗干擾模式的使用。

圖1 單顆低軌衛(wèi)星覆蓋示意

以我國(guó)及周邊熱點(diǎn)區(qū)域?yàn)槔?，低軌衛(wèi)星覆蓋范圍為100°E—140°E，北緯10°N—50°N，低軌衛(wèi)星高度為1000 km，要保證該區(qū)域24 h覆蓋，則所需的衛(wèi)星數(shù)量總結(jié)如表3所示。

表3 單星覆蓋范圍和所需衛(wèi)星數(shù)量

可見，在設(shè)計(jì)搭載數(shù)據(jù)鏈端機(jī)的低軌衛(wèi)星星座時(shí)，低軌衛(wèi)星天線張角越大，單星可見范圍越大，覆蓋熱點(diǎn)區(qū)域所需的衛(wèi)星數(shù)目越少。如須削減成本，可從星上天線張角的角度進(jìn)行突破，選擇合適的低軌衛(wèi)星星座。

2.2 低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈的抗干擾通信技術(shù)設(shè)計(jì)

軍事通信強(qiáng)調(diào)對(duì)抗條件下的可靠通信，對(duì)于低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈同樣如此。目前數(shù)據(jù)鏈中采用的抗干擾技術(shù)主要有直接序列擴(kuò)頻、跳頻擴(kuò)頻、直接序列擴(kuò)頻+跳頻擴(kuò)頻的組合[14]。這些方式對(duì)低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈仍然具有參考意義，但同時(shí)要兼顧低軌衛(wèi)星的信道特點(diǎn)。在低軌衛(wèi)星信道條件下，星地之間信號(hào)傳輸面臨的信道環(huán)境較為復(fù)雜。其中快速時(shí)變的多普勒是不可忽視的一個(gè)的因素。多普勒頻移公式為

以（1～2 GHz）波段為例，在低軌衛(wèi)星最大速度7.9 km/s下，其多普勒頻移可達(dá)26～52 kHz；同時(shí)低軌信道面臨著陰影、雨衰、閃爍、大氣吸收等衰落的影響。在如此復(fù)雜的信道條件下，傳統(tǒng)的通信手段難以滿足要求。此外，在低軌衛(wèi)星中放置數(shù)據(jù)鏈端機(jī)的情況下，應(yīng)盡可能節(jié)省低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈的功耗。

目前，長(zhǎng)距離（long range，LoRa）調(diào)制技術(shù)具有低功耗、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，在2018年2月成功接收到了來自低軌衛(wèi)星的信號(hào)[15]。根據(jù)文獻(xiàn)[16]，在中心頻率490 Mhz、頻偏31.25 kHz條件下，數(shù)據(jù)能夠正常調(diào)制解調(diào)的最大移動(dòng)速度為19.133 km/s，遠(yuǎn)大于低軌衛(wèi)星的最大運(yùn)行速度。最新的長(zhǎng)距離-跳頻擴(kuò)頻（long range-frequency hopping spread spectrum，LR-FHSS）技術(shù)具有超大容量接入和超強(qiáng)抗干擾的特點(diǎn)，可以顯著提升數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的容量和抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間低功耗、可靠的通信[17]。

LoRa調(diào)制技術(shù)是線性調(diào)頻調(diào)制技術(shù)（chirp spread spectrum，CSS）的一種，其本質(zhì)為移頻線性調(diào)頻技術(shù)，與直擴(kuò)和調(diào)頻一樣，同屬于擴(kuò)頻技術(shù)。未來的低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈信號(hào)抗干擾設(shè)計(jì)可以考慮利用線性調(diào)頻調(diào)制技術(shù)，以克服低軌衛(wèi)星信道快速時(shí)變的多普勒頻移。

線性調(diào)頻調(diào)制具有較強(qiáng)的抗干擾特性和對(duì)多普勒頻移不敏感的特點(diǎn)，通過線性調(diào)頻+直擴(kuò)、線性調(diào)頻+跳頻技術(shù)的組合，可以適應(yīng)低軌衛(wèi)星信道快速時(shí)變的多普勒頻移，同時(shí)保證低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈具有較強(qiáng)的抗干擾特性。

2.3 低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)時(shí)間、空間基準(zhǔn)方案

網(wǎng)絡(luò)時(shí)間基準(zhǔn)（network time reference，NTR）、位置基準(zhǔn)（position reference，PR）是建立數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)必不可少的組成部分。對(duì)于給定的數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)，NTR可由網(wǎng)絡(luò)單元內(nèi)任一指定單元（一個(gè)且僅僅一個(gè)）擔(dān)任，其他網(wǎng)絡(luò)單元?jiǎng)t周期性調(diào)整內(nèi)部時(shí)鐘，使其與NTR保持時(shí)間同步。同樣，位置基準(zhǔn)PR一般由地面單位擔(dān)任，以達(dá)到無限保持初始位置和位置品質(zhì)的目的。

目前我國(guó)北斗三號(hào)已經(jīng)完成組網(wǎng)，后續(xù)我國(guó)將推進(jìn)以中高軌骨干衛(wèi)星加上海量低軌衛(wèi)星的混合星座為核心的國(guó)家衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)和下一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。利用混合星座實(shí)現(xiàn)通信信號(hào)與導(dǎo)航信號(hào)的融合是未來的發(fā)展趨勢(shì)。在國(guó)家衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)體系下，低軌星數(shù)據(jù)鏈在利用低軌衛(wèi)星進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)，接收來自北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的精確定位授時(shí)信號(hào)，即接收的信號(hào)是包含了通信加導(dǎo)航的通導(dǎo)融合信號(hào)，可以確保數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各單元時(shí)間基準(zhǔn)和位置基準(zhǔn)的高品質(zhì)。此外隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的演變，指定單元擔(dān)任數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間和位置基準(zhǔn)已經(jīng)難以滿足數(shù)據(jù)鏈強(qiáng)抗毀性的要求，利用具有良好導(dǎo)航系統(tǒng)的空中移動(dòng)平臺(tái)擔(dān)任NTR和PR，甚至直接以衛(wèi)星作為時(shí)間空間基準(zhǔn)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)時(shí)間、空間基準(zhǔn)天基化以及數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)組網(wǎng)和去中心化的目的，從而提高數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的抗毀性。

3 低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈的應(yīng)用前景及發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈可滿足遠(yuǎn)距離、大容量數(shù)據(jù)傳輸需求

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的發(fā)展，對(duì)遠(yuǎn)距離、大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨笤絹碓礁?。以空空?dǎo)彈為例，為適應(yīng)未來空戰(zhàn)的作戰(zhàn)需求，空空導(dǎo)彈的攻擊距離越來越大，中遠(yuǎn)程空空導(dǎo)彈的攻擊距離將達(dá)到200 km以上，遠(yuǎn)程空空導(dǎo)彈的攻擊距離將達(dá)400 km以上。導(dǎo)彈數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的傳輸距離要滿足中制導(dǎo)信息的傳輸要求，其傳輸距離應(yīng)不小于導(dǎo)彈最大發(fā)射距離時(shí)的中制導(dǎo)距離[18]；因此數(shù)據(jù)鏈必須具備遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?。在?zhàn)場(chǎng)損傷評(píng)估中，遠(yuǎn)程導(dǎo)彈彈載數(shù)據(jù)鏈可通過光學(xué)和紅外攝像設(shè)備捕獲戰(zhàn)場(chǎng)圖像，為后續(xù)戰(zhàn)斗做進(jìn)一步分析；由此產(chǎn)生的圖像信息數(shù)據(jù)量大，且回傳的距離遠(yuǎn)，也要求數(shù)據(jù)鏈具有遠(yuǎn)距離、大容量傳輸數(shù)據(jù)信息的能力。

目前傳統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備主要有短波數(shù)傳電臺(tái)、超短波數(shù)傳電臺(tái)等，超短波電臺(tái)只能實(shí)現(xiàn)視距通信，且受地形的影響較大。短波電臺(tái)雖然可實(shí)現(xiàn)超視距傳輸，但其傳輸性能受電離層影響較大，穩(wěn)定性、通信質(zhì)量均較差，難以滿足數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的需求。中高軌道衛(wèi)星可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，但其數(shù)據(jù)傳輸容量較低。低軌衛(wèi)星距離地面較近，可以選擇更高的頻段、更大的帶寬；因此低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)，能實(shí)現(xiàn)大容量的數(shù)據(jù)傳輸。以“星鏈”為例，單個(gè)用戶鏈路的傳輸速率最高可達(dá)1 Gbit/s，每顆衛(wèi)星可提供17～23 Gbit/s的下行容量，足以滿足數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨骩19]。我國(guó)最新的“虹云”低軌衛(wèi)星星座，經(jīng)過測(cè)試，其視頻傳輸速率也可達(dá)到1.5 MHz[20]，相較于傳統(tǒng)的超短波頻段或者短波頻段的數(shù)傳電臺(tái)以及中高軌道衛(wèi)星，具有較大優(yōu)勢(shì)。

3.2 低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈可支持設(shè)備小型化以及更加靈活的組網(wǎng)

數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備及天線尺寸和設(shè)備工作頻段密切相關(guān)，以短波電臺(tái)為例，工作頻段處于1.5～30 MHz，其天線波長(zhǎng)較長(zhǎng)，其天線波長(zhǎng)最佳尺寸在10～200 m，極大占用了設(shè)備平臺(tái)的使用空間。對(duì)于飛機(jī)導(dǎo)彈等平臺(tái)，就犧牲了其靈巧性和隱身性。而對(duì)于中高軌道衛(wèi)星而言，要保證地面設(shè)備能夠接收到中高軌道衛(wèi)星的微弱信號(hào)，其終端設(shè)備設(shè)計(jì)也不可避免地具有較大的尺寸。低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)較傳統(tǒng)的電臺(tái)，工作于微波波段300 MHz～300 GHz，其天線尺寸可以設(shè)計(jì)得更短。同時(shí)相較于中高軌衛(wèi)星，低軌衛(wèi)星星地之間的路徑更短，信號(hào)損失更小，對(duì)于接收終端，可以進(jìn)行更加理想的小型化設(shè)計(jì)，能簡(jiǎn)單便捷地加裝在多種武器系統(tǒng)中，并且可以單兵攜帶。

目前對(duì)低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的研究大多集中在作為地面通信網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充，以實(shí)現(xiàn)對(duì)海量用戶接入的靈活迅速組網(wǎng)。這一性能運(yùn)用到低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈中將擴(kuò)展數(shù)據(jù)鏈的組網(wǎng)方式。待接入節(jié)點(diǎn)僅須手持小型化數(shù)據(jù)鏈設(shè)備以及手持衛(wèi)星通信收發(fā)機(jī)，就可以接入低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)單兵接入組網(wǎng)。在未來戰(zhàn)爭(zhēng)中，單兵僅須將目標(biāo)信息通過數(shù)據(jù)鏈接入至各類武器平臺(tái)，即可實(shí)現(xiàn)快速、精準(zhǔn)打擊。此外，還可以實(shí)現(xiàn)各軍種數(shù)據(jù)鏈之間的融合，實(shí)現(xiàn)廣域?qū)崟r(shí)態(tài)勢(shì)共享，促進(jìn)各軍種的協(xié)同，提升聯(lián)合作戰(zhàn)水平。

3.3 低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)與其他無線系統(tǒng)間干擾小

目前，各類數(shù)據(jù)鏈裝載的平臺(tái)均安裝了多種類多頻段的電子設(shè)備。以機(jī)載平臺(tái)為例，目前各類型飛機(jī)往往裝備了超短波電臺(tái)、短波電臺(tái)、高度表、微波著陸設(shè)備等，在電磁屏蔽做得不到位的情況下，往往容易造成設(shè)備間干擾。在超短波數(shù)傳電臺(tái)使用過程中，還容易受到其他機(jī)外干擾。此外，短波電臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，由于天線長(zhǎng)、功率大，其使用期間往往會(huì)對(duì)機(jī)載無線電造成干擾，并且大功率數(shù)據(jù)傳輸還容易對(duì)機(jī)內(nèi)其他各種電氣設(shè)備造成影響。而利用低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，由于頻率間隔大，能夠較好地解決各設(shè)備間的干擾問題；此外低軌衛(wèi)星接收機(jī)使用較低功率即可滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅^好地避免了大功率對(duì)其他設(shè)備的影響。

3.4 依托低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈可實(shí)現(xiàn)多軍種數(shù)據(jù)鏈的融合

經(jīng)過多年的發(fā)展，美國(guó)各軍種均研制了適合自身使用的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，這些數(shù)據(jù)鏈開發(fā)并沒有統(tǒng)一的報(bào)文標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)受制于數(shù)據(jù)鏈的作用范圍、數(shù)據(jù)傳輸容量、各軍種的作戰(zhàn)理念，因而并未過多考慮與其他軍種之間的數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)。

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)越來越強(qiáng)調(diào)各軍種之間的協(xié)同作戰(zhàn)，勢(shì)必要融合各軍種之間的不同類型的數(shù)據(jù)鏈，發(fā)揮各個(gè)軍種的優(yōu)勢(shì)。如圖2所示，依托低軌衛(wèi)星遠(yuǎn)距離、大容量通信的優(yōu)勢(shì)，低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈連接地面、空中、海上的數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建空天地海一體化數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)在一個(gè)較大范圍內(nèi)的陸?？仗於嘬姺N協(xié)同。各軍種通過統(tǒng)一的報(bào)文標(biāo)準(zhǔn)，接入低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)，使得艦艇、戰(zhàn)機(jī)、戰(zhàn)車、導(dǎo)彈之間能夠共享數(shù)據(jù)鏈戰(zhàn)場(chǎng)信息態(tài)勢(shì)。此外利用低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，指揮所能夠?qū)崟r(shí)對(duì)各軍種之間進(jìn)行協(xié)調(diào)，增強(qiáng)信息化作戰(zhàn)水平。

圖2 空天地海一體化數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)

3.5 我國(guó)低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈發(fā)展現(xiàn)狀

鑒于低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈的廣泛應(yīng)用前景，我國(guó)已經(jīng)開始對(duì)低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈的建設(shè)進(jìn)行前瞻性的探討研究。文獻(xiàn)[12-13]指出，低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈還存在著低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈星地時(shí)延比傳統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈長(zhǎng)，以及多普勒頻偏會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)產(chǎn)生影響等問題。其構(gòu)建了低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈時(shí)延模型，以建立平均響應(yīng)時(shí)間和所分配時(shí)隙的關(guān)系，針對(duì)性地提出傳輸時(shí)延補(bǔ)償?shù)姆椒?，減少時(shí)延的影響；同時(shí)針對(duì)星地多普勒頻偏大的問題，提出了接收機(jī)時(shí)頻同步方案，在多普勒頻偏大于30 kHz時(shí)，接收機(jī)仍然可以捕獲目標(biāo)。這些方法可以為我國(guó)未來的低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈建設(shè)提供技術(shù)支撐。

低軌衛(wèi)星星座的建設(shè)是低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈的重要一環(huán)。目前，在低軌衛(wèi)星星座建設(shè)上，我國(guó)起步較晚，但發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁。2022年，我國(guó)一共執(zhí)行了64次航天發(fā)射任務(wù)，其中25次載荷軌道為低軌軌道，包括銀河航天6顆低軌通信試驗(yàn)衛(wèi)星、吉利時(shí)空道宇01組衛(wèi)星、微厘空間低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)的S3/S4/ S5/S64顆試驗(yàn)衛(wèi)星[21]，涵蓋了低軌衛(wèi)星通信、物聯(lián)網(wǎng)、低軌導(dǎo)航增強(qiáng)、遙感等諸多方面，并取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。特別是在低軌導(dǎo)航增強(qiáng)領(lǐng)域，前期珞珈一號(hào)的偽距測(cè)距精度達(dá)到2～3 m，微厘空間低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)的測(cè)距精度也將達(dá)到厘米級(jí)[22]。低軌導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)的突破為低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈時(shí)間空間基準(zhǔn)天基化，提高低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈的抗毀性提供了技術(shù)支撐。此外，隨著小衛(wèi)星制造成本的進(jìn)一步降低以及火箭發(fā)射技術(shù)的提升，在軍事領(lǐng)域，部分學(xué)者提出構(gòu)建以大規(guī)模低軌衛(wèi)星為基礎(chǔ)的太空監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)視臨近地區(qū)作戰(zhàn)目標(biāo)，以提升重點(diǎn)地區(qū)研判和提前預(yù)警的能力[23]。在低軌衛(wèi)星星座快速建設(shè)的基礎(chǔ)上，基于低軌衛(wèi)星星座的低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈將進(jìn)入實(shí)質(zhì)建設(shè)階段，目標(biāo)是提升我軍戰(zhàn)場(chǎng)信息共享能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了建設(shè)低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈的2種方案：一是加快發(fā)展建設(shè)適用于數(shù)據(jù)鏈的低軌通信系統(tǒng)，該方案中低軌衛(wèi)星擔(dān)任中繼站，轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)鏈節(jié)點(diǎn)消息；二是在低軌衛(wèi)星中放置數(shù)據(jù)鏈端機(jī)，該方案可通過盡可能增大低軌衛(wèi)星張角來減少覆蓋熱點(diǎn)地區(qū)所需的低軌衛(wèi)星數(shù)目。針對(duì)低軌衛(wèi)星信道特性特點(diǎn)提出了線性調(diào)頻+直擴(kuò)、線性調(diào)頻+跳頻技術(shù)來解決信道多普勒頻移大的問題；并從當(dāng)前熱門的通導(dǎo)融合角度，提出數(shù)據(jù)鏈時(shí)間基準(zhǔn)和位置基準(zhǔn)去中心化，提高數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的抗毀性；最后對(duì)低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈的應(yīng)用前景和我國(guó)低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈的建設(shè)狀況進(jìn)行了介紹，為后續(xù)我國(guó)數(shù)據(jù)鏈建設(shè)提供參考。

[1] “星鏈”對(duì)俄烏沖突影響到底有多大[N]. 滄州晚報(bào), 2022-10-21(13).

[2] 張磊. 航空數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)技術(shù)研究[D]. 西安電子科技大學(xué), 2010.

[3] 駱光明. 數(shù)據(jù)鏈:信息系統(tǒng)連接武器系統(tǒng)的捷徑[M]. 楊斌, 邱致和, 李云茹, 副主編. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2010: 188-198.

[4] 周音, 徐露, 何昭然. 衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈體系結(jié)構(gòu)與技術(shù)體制研究[J]. 信息與電腦(理論版), 2020, 32(21): 117-119.

[5] 馮文超, 常浩凱, 彭根, 等. 衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈在戰(zhàn)場(chǎng)中的應(yīng)用問題研究[J]. 電腦迷, 2017, 15(20): 23.

[6] 陳思雨. 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)多址接入?yún)f(xié)議與認(rèn)證方法研究[D]. 南京郵電大學(xué), 2017.

[7] 黨博文. 被誤讀的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)[EB/OL]. 通信產(chǎn)業(yè)報(bào)網(wǎng), 2020-07-13. https://t.cj.sina.com.cn/articles/view/ 1708813312/65da6c0001900ntxx?from=tech.

[8] 周兵, 劉紅軍. 國(guó)外新興商業(yè)低軌衛(wèi)星通信星座發(fā)展述評(píng)[J]. 電訊技術(shù), 2018, 58(9): 1108-1114.

[9] 馬福建. 低軌導(dǎo)航增強(qiáng)星座優(yōu)化與信號(hào)頻率設(shè)計(jì)研究[D]. 武漢大學(xué), 2021.

[10] JEFF F. SpaceX's space-Internet woes: Despite technical glitches, the company plans to launch the first of nearly 12,000 satellites in 2019[J]. IEEE Spectrum, 2019, 56(1): 50-51.

[11] 倪少杰, 黃新明, 張鵬程. 導(dǎo)航通信融合定義、方式與典型系統(tǒng)[J]. 導(dǎo)航定位與授時(shí), 2022, 9(2): 41-47.

[12] 穆桐, 陶孝鋒, 史晶晶, 等. 星地一體化Link16低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈時(shí)隙分配數(shù)量研究①[J]. 空間電子技術(shù), 2021, 18(3): 53-57.

[13] 孫召, 陶孝鋒.,低軌衛(wèi)星Link16數(shù)據(jù)鏈關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 空間電子技術(shù), 2021, 18(3): 64-69.

[14] 趙嶸. Link-16數(shù)據(jù)鏈抗干擾能力研究[J]. 數(shù)碼設(shè)計(jì)(上), 2022(11): 48-50.

[15] BENKHELIFA F, BOUAZIZI Y. MCCANN J A. How orthogonal is LoRa modulation?[J]. IEEE Internet of Things Journal, 2022, 9(20): 1.

[16] 甘泉. LoRa物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2021.

[17] BOQUET G, TUSET-PEIRó P, ADELANTADO F, et al. LR-FHSS: Overview and performance analysis[J]. IEEE Communications Magazine, 2021, 59(3): 30-36.

[18] 張俊寶, 張蓬蓬, 宋琛. 空空導(dǎo)彈彈載數(shù)據(jù)鏈技術(shù)發(fā)展淺析[J]. 飛航導(dǎo)彈, 2014(9): 82-84.

[19] 方芳, 吳明閣. “星鏈”低軌星座的主要發(fā)展動(dòng)向及分析[J]. 中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào), 2021, 16(9): 933-936.

[20] 陳靜. 虹云工程首星[J]. 衛(wèi)星應(yīng)用, 2019(3): 77.

[21] 中國(guó)航天科技活動(dòng)藍(lán)皮書（2022）[N/OL]. 光明日?qǐng)?bào), 2023-01-19. https://news.gmw.cn/2023-01/19/content_36312818.htm.

[22] 江旭東, 陳瀟, 馬滿帥, 等. 典型低軌衛(wèi)星星座導(dǎo)航增強(qiáng)性能對(duì)比性評(píng)估研究[J]. 全球定位系統(tǒng), 2021, 46(2): 49-55.

[23] 趙鵬. 我國(guó)低軌衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)分析[J]. 衛(wèi)星應(yīng)用, 2021(8): 20-23.

Architecture and application prospect of LEO satellite data link

CHEN Kangping, HUANG Xinming, LI Zhengrong

（College of Electronic Science and Technology, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China）

Aiming at the problems of the limited data transmission distance and limited data transmission capacity of the traditional data link, and the high transmission loss and high delay of the medium and high orbit satellite data link, the paper proposed a low-orbit satellite data link based on low-orbit satellite communication system: the development of low Earth orbit (LEO) satellite communication system at home and abroad was introduced; and the two construction schemes of LEO satellite data link, including speeding up the development and construction of the LEO satellite communication system suitable for data link and placing the data link terminal machine in LEO satellite, were summarized; then the anti-interference communication technology suitable for LEO satellite data link and the time and space benchmark scheme for LEO satellite data link networking were put forward; finally, the characteristics of LEO satellite data link were analyzed. Results showed that LEO satellite data link would have a broad application prospect.

data link; low Earth orbit (LEO) satellite communication system; LEO satellite data link; anti-interference; time benchmark; spatial benchmark; application prospect

陳康平, 黃新明, 李崢嶸. 低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈體系架構(gòu)及應(yīng)用前景[J]. 導(dǎo)航定位學(xué)報(bào), 2023, 11(4): 113-119.（CHEN Kangping, HUANG Xinming, LI Zhengrong. Architecture and application prospect of LEO satellite data link[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2023, 11(4): 113-119.）DOI:10.16547/j.cnki.10-1096.20230416.

P228

A

2095-4999(2023)04-0113-07

2022-12-06

陳康平（1996—），男，浙江東陽(yáng)人，碩士研究生，研究方向?yàn)閷?dǎo)航與時(shí)空技術(shù)。

黃新明（1988—），男，湖北孝感人，博士，講師，研究方向?yàn)閷?dǎo)航與時(shí)空技術(shù)。