一種基于Link16數(shù)據(jù)鏈的自主武器協(xié)同系統(tǒng)*

劉舉濤，閆新峰，金 文

（北京航天長(zhǎng)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(jì)算機(jī)、情報(bào)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(lái)的。冷戰(zhàn)時(shí)針對(duì)指揮態(tài)勢(shì)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(kāi)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(dòng)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(tái)實(shí)現(xiàn)同類武器和不同種類武器平臺(tái)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(gè)不同種類武器平臺(tái)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(jí)精度的統(tǒng)一戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，綜合協(xié)調(diào)使用多平臺(tái)火控系統(tǒng)，解決多個(gè)武器平臺(tái)的目標(biāo)信息、火力資源共享等問(wèn)題，實(shí)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?guó)、北約用于C31的主要戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈，從上世紀(jì)80年代開(kāi)始裝備部隊(duì)，具有保密、大容量、抗干擾、無(wú)中心節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)，它采用TDMA技術(shù)，已在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中得到實(shí)戰(zhàn)檢驗(yàn)。自主協(xié)同數(shù)據(jù)鏈基于link16的以上特點(diǎn)和成功得到應(yīng)用的背景來(lái)完成武器各節(jié)點(diǎn)（各單個(gè)數(shù)據(jù)鏈中的武器）的空中組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)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(guò)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?cái)?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(cè)控系統(tǒng)發(fā)送。如果中繼彈通信失效或被擊毀，會(huì)在攻擊彈中自主或由地面控制找一個(gè)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(gè)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(wú)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(gè)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(tái)。協(xié)議棧向下控制無(wú)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(tái)的命令格式化為標(biāo)準(zhǔn)信息，通過(guò)建鏈層與物理層完成指令的分發(fā)。對(duì)接收到的格式化消息轉(zhuǎn)換為作戰(zhàn)單元可識(shí)別的數(shù)據(jù)信息，通過(guò)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(shí)接收物理層的上傳幀數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)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(hào)的傳輸功能，主要包括數(shù)字信號(hào)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(guò)對(duì)協(xié)議棧的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)一種自主武器協(xié)同控制、通信的設(shè)計(jì)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(jì)

2.1 數(shù)據(jù)鏈物理層設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)鏈物理層設(shè)計(jì)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(hào)接收與解調(diào)、基帶信號(hào)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(kāi)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(shí)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(hào)的解跳頻、模數(shù)轉(zhuǎn)換、解調(diào)和信道譯碼等功能；同時(shí)完成跳頻圖案的產(chǎn)生、干擾信號(hào)檢測(cè)、鏈路狀態(tài)收集等功能。功率放大器完成輸出射頻信號(hào)的功率放大功能；低噪聲放大器完成輸入射頻信號(hào)的功率放大功能；切換開(kāi)關(guān)完成收發(fā)信號(hào)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(diǎn)；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(jì)

（1）系統(tǒng)采用TDMA通信體制，采用網(wǎng)狀拓?fù)?、跳頻技術(shù)完成通信。

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

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

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

（4）同步設(shè)計(jì)的方法有以下四種：①按照武器系統(tǒng)開(kāi)機(jī)誤差來(lái)進(jìn)行初始時(shí)間校準(zhǔn)；②加電后雙方采用第一頻點(diǎn)進(jìn)行定頻通信一次，非主節(jié)點(diǎn)應(yīng)答確認(rèn)后，才以跳頻通信的方式進(jìn)行一次初始時(shí)間校準(zhǔn)；③利用專用同步時(shí)隙進(jìn)行粗同步；④每個(gè)時(shí)隙都包含同步字段，在每個(gè)時(shí)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(shí)隙幀結(jié)構(gòu)。每個(gè)時(shí)幀內(nèi)，需要占用2個(gè)時(shí)隙發(fā)送同步時(shí)隙幀進(jìn)行同步。同步信息結(jié)構(gòu)按照“時(shí)分秒時(shí)幀跳頻數(shù)”的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)跳頻數(shù)的累加計(jì)數(shù)，完成對(duì)時(shí)隙的同步計(jì)數(shù)。一個(gè)時(shí)隙劃分為6個(gè)跳頻計(jì)數(shù)包，如圖5所示。一個(gè)時(shí)幀則包括384個(gè)跳頻計(jì)數(shù)包。由于同步信息需要傳輸完整的跳頻計(jì)數(shù)信息，設(shè)系統(tǒng)最長(zhǎng)工作時(shí)間為1小時(shí)，傳輸信息量計(jì)算如下：一個(gè)時(shí)幀包括384個(gè)跳頻計(jì)數(shù)包，設(shè)置為9bit計(jì)數(shù)；系統(tǒng)工作一小時(shí)（60×60×2秒），需要13bit計(jì)數(shù)，則總共需要22bit，留出3bit作為備用比特，共計(jì)有25bit計(jì)數(shù)信息。

圖5 時(shí)隙內(nèi)跳頻計(jì)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(jì)。如作戰(zhàn)單元應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)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L(zhǎng)DPC（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(diǎn)剔除設(shè)計(jì)。由中繼武器對(duì)空域中的干擾進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)方法是對(duì)接收到的頻點(diǎn)進(jìn)行FFT變換，做頻譜分析，如果發(fā)現(xiàn)某個(gè)頻點(diǎn)的頻譜比其他頻點(diǎn)高，則認(rèn)為該頻點(diǎn)為干擾頻點(diǎn)。對(duì)于需要剔除頻點(diǎn)的情況，由中繼武器判斷并給出剔除頻點(diǎn)命令和待剔除的頻點(diǎn)，在收到攻擊武器反饋回的確認(rèn)信號(hào)后，才進(jìn)行頻點(diǎn)剔除操作，在下一時(shí)幀起始時(shí)刻開(kāi)始執(zhí)行；如果未收到確認(rèn)信號(hào)，則暫不進(jìn)行頻點(diǎn)剔除，并重新發(fā)送剔除頻點(diǎn)命令。

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

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(guò)程組網(wǎng)通信及策略選擇，本節(jié)還針對(duì)中繼彈失效情況下的選擇展開(kāi)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(yàn)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(guò)程工作內(nèi)容

飛行過(guò)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(shí)序圖如圖8所示。

①鏈路建立包括建立時(shí)間、通信。在武器飛行的助推段和過(guò)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(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)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(chǎng)態(tài)勢(shì)偵察、攻擊等任務(wù)，數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)則完成對(duì)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(guò)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(guò)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?cái)?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(guò)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(wú)法繼續(xù)中繼工作時(shí)，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(shí)支持由地面測(cè)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(jì)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(chǎng)態(tài)勢(shì)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(duì)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(guò)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(guò)何種方式使圖像形成穩(wěn)定數(shù)據(jù)流。

⑥其他?？刂频孛嫣炀€的最大增益點(diǎn)，使其指向中繼武器天線輻射面；地面測(cè)控車的車載控制單元具備識(shí)別中繼武器與攻擊武器功能，只對(duì)中繼武器的位置做跟蹤指向解算及動(dòng)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(guò)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(guò)程中，當(dāng)中繼武器失效時(shí)，需要重新選擇中繼武器，選擇方法有優(yōu)先級(jí)法和地面控制法，具體如下。

①優(yōu)先級(jí)法

a.在制定規(guī)則時(shí)，就對(duì)每發(fā)彈確定優(yōu)先級(jí)，中繼彈優(yōu)先級(jí)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(shí)，確定中繼武器失效，由優(yōu)先級(jí)為2的彈作為中繼彈，依次類推。

b.這里假設(shè)個(gè)時(shí)間，如10s地面作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)沒(méi)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(shí)間（也假定10s），攻擊彈就會(huì)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(méi)收到，次優(yōu)先級(jí)的武器就會(huì)被確認(rèn)為中繼武器，被確認(rèn)的中繼武器會(huì)升高，并開(kāi)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(gè)全向天線，作為中繼武器時(shí)，該發(fā)武器會(huì)升高，啟動(dòng)腹部天線，作為攻擊武器時(shí)，啟動(dòng)背部天線。

②地面控制法

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

b.通常每固定時(shí)間（也假定10s），攻擊彈就會(huì)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(huì)根據(jù)攻擊武器的位置信息，選擇一個(gè)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(shí)，該武器會(huì)升高，并啟動(dòng)腹部天線。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文論述了如何基于link16的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)來(lái)完成一個(gè)自主武器協(xié)同系統(tǒng)的方法，通過(guò)此方法，能實(shí)現(xiàn)在武器飛行過(guò)程中，當(dāng)中繼武器因受控或意外失效而無(wú)法繼續(xù)中繼工作時(shí)，武器間會(huì)自我選擇中繼武器或通過(guò)地面指揮系統(tǒng)完成對(duì)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(guò)中繼衛(wèi)星或直接與地面通信，傳輸各自的偵察捕控?cái)?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(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)自主武器協(xié)同數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)。

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