美軍天基通用數(shù)據(jù)鏈分析

鄧連印，黃　威

(1．中國(guó)航天科技集團(tuán)公司錢學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094；2．中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京 100094)

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美軍天基通用數(shù)據(jù)鏈分析

鄧連印1，黃威2

(1．中國(guó)航天科技集團(tuán)公司錢學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094；2．中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京 100094)

高技術(shù)條件下的現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)，作戰(zhàn)樣式已經(jīng)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(gòu)成的作戰(zhàn)體系的對(duì)抗，戰(zhàn)場(chǎng)中能否獲取信息優(yōu)勢(shì)將決定戰(zhàn)爭(zhēng)的成敗。在介紹美軍數(shù)據(jù)鏈發(fā)展歷程和通用寬帶數(shù)據(jù)鏈發(fā)展概況的基礎(chǔ)上，著重分析了美軍天基通用數(shù)據(jù)鏈的前期技術(shù)驗(yàn)證情況和未來(lái)實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用模式，以期對(duì)開(kāi)展相關(guān)領(lǐng)域論證研究具有一定的參考意義。

武器裝備；體系對(duì)抗；天基通用數(shù)據(jù)鏈

0　引言

近幾次高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)中，數(shù)據(jù)鏈技術(shù)在戰(zhàn)場(chǎng)中的成功運(yùn)用起到了至關(guān)重要的作用。通過(guò)數(shù)據(jù)鏈，可以將眾多復(fù)雜的武器平臺(tái)以及指揮控制平臺(tái)有機(jī)地連為一體，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)共享，縮短決策時(shí)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(bào)、監(jiān)視與偵察(ISR)平臺(tái)的戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用潛力，美軍高度借鑒通用數(shù)據(jù)鏈(CDL)在空基平臺(tái)的成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)“作戰(zhàn)響應(yīng)空間”(ORS) 計(jì)劃大力發(fā)展天基通用數(shù)據(jù)鏈(space CDL)技術(shù)，將其作為美軍構(gòu)建多源戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)體系的重要手段[1]，并成功驗(yàn)證了成像偵察衛(wèi)星的戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用能力。ORS 計(jì)劃下的“戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星”(TacSat) 技術(shù)驗(yàn)證項(xiàng)目首次實(shí)現(xiàn)了CDL 技術(shù)的天基應(yīng)用，并成功驗(yàn)證了在戰(zhàn)場(chǎng)條件下直接向低軌道成像偵察衛(wèi)星下達(dá)任務(wù)指令，以及實(shí)時(shí)接收戰(zhàn)術(shù)圖像數(shù)據(jù)的能力，逐步完成天基ISR 平臺(tái)與現(xiàn)有ISR 戰(zhàn)術(shù)體系的集成。

1　美軍數(shù)據(jù)鏈的發(fā)展概況

美軍數(shù)據(jù)鏈經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，經(jīng)歷了初始階段、獨(dú)立發(fā)展階段和協(xié)同與整合階段，已經(jīng)形成了完整的體系。美軍數(shù)據(jù)鏈技術(shù)已從單向視距點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、低速率、無(wú)保密、無(wú)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(wǎng)、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(guó)外數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用裝備以美國(guó)最具代表性，特點(diǎn)是其應(yīng)用裝備覆蓋各軍兵種，具備視距/超視距功能，綜合數(shù)據(jù)鏈能夠搭載多平臺(tái)，有多種通信方式和多種功能。態(tài)勢(shì)感知數(shù)據(jù)鏈基本可按照軍兵種成體系發(fā)展，已經(jīng)逐步形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，從而達(dá)到三軍協(xié)同的目的；情報(bào)偵察數(shù)據(jù)鏈以一個(gè)通用CDL標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，并根據(jù)作戰(zhàn)需求衍生出多種不同應(yīng)用的體系；武器協(xié)同數(shù)據(jù)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(jù)鏈發(fā)展歷程

2　美軍通用數(shù)據(jù)鏈(CDL)

20世紀(jì)90 年代，美軍研制了CDL，并指定CDL為圖像和信號(hào)情報(bào)采集系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)通信鏈路，這反映了數(shù)據(jù)鏈將向大容量、通用化方向發(fā)展的趨勢(shì)，并將其作為衛(wèi)星、偵察機(jī)及無(wú)人機(jī)與地面控制站之間傳輸圖像及信號(hào)情報(bào)的標(biāo)準(zhǔn)鏈路，以實(shí)現(xiàn)各軍兵種和政府機(jī)構(gòu)使用的ISR 數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)間的無(wú)縫通信。它主要是為了滿足特殊應(yīng)用，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容是不經(jīng)過(guò)處理的原始傳感器數(shù)據(jù)。

2.1CDL概念、類型與功能

按定義，CDL是一種全雙工、抗干擾、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的寬帶數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)鏈，工作在X或Ku波段(通常地/海面終端會(huì)配備雙波段工作能力， 而機(jī)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(guó)國(guó)防部于1991年將CDL確定為國(guó)防部標(biāo)準(zhǔn)，并強(qiáng)制在各軍兵種間推行。根據(jù)國(guó)防部的要求：除了質(zhì)量不超過(guò)30磅(13.61kg)的小型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)(SUAS)以外，美軍各軍兵種和國(guó)防機(jī)構(gòu)的空基ISR平臺(tái)與地面處理設(shè)施之間進(jìn)行的圖像和信號(hào)情報(bào)的寬帶傳輸必須兼容CDL標(biāo)準(zhǔn)[1-2]。

圖2　美軍主要數(shù)據(jù)鏈應(yīng)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(nèi)，或經(jīng)由中繼進(jìn)行“超視距”(BLOS)的不同數(shù)據(jù)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(jù)鏈路

CDL主要功能包括[1-3]：1)飛行平臺(tái)高度數(shù)據(jù)偵察信息的實(shí)時(shí)回傳；2)飛行參數(shù)和飛行平臺(tái)上的設(shè)備工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)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(duì)飛行平臺(tái)的跟蹤定位；6)空中平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互和協(xié)同組網(wǎng)；7)戰(zhàn)場(chǎng)偵察信息的分發(fā)；8)空中數(shù)據(jù)中繼。

2.2CDL系統(tǒng)組成

CDL系統(tǒng)的基本構(gòu)成包括發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、天線及饋源系統(tǒng)、信號(hào)處理及顯示系統(tǒng)。實(shí)際應(yīng)用中，CDL系統(tǒng)設(shè)備可分為機(jī)載系統(tǒng)設(shè)備和地面系統(tǒng)設(shè)備。圖3顯示了通用數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的組成。

圖3　通用數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)組成

1)CDL機(jī)載系統(tǒng)設(shè)備

機(jī)載設(shè)備對(duì)接收到的地/海面前向信號(hào)進(jìn)行變頻、放大、解擴(kuò)、解調(diào)、譯碼，解密，經(jīng)分接器分離出各類數(shù)據(jù)并輸出；同時(shí)，還接收機(jī)載任務(wù)設(shè)備送來(lái)的偵察數(shù)據(jù)及圖像，并對(duì)其進(jìn)行編碼輸出和數(shù)據(jù)復(fù)接，形成返向數(shù)據(jù)流，經(jīng)加密、調(diào)制、上頻率、功放及天線發(fā)往地面[1-2]。

2)CDL地面系統(tǒng)設(shè)備

CDL地面設(shè)備由天線組合、跟蹤伺服設(shè)備、高頻箱、變頻組合、天線跟蹤設(shè)備及綜合數(shù)據(jù)終端設(shè)備等組成。天線組合包括全向天線、定向天線等；跟蹤伺服設(shè)備包括天線座、伺服機(jī)構(gòu)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(shè)備；變頻組合包括上/下變頻器；綜合數(shù)據(jù)終端設(shè)備包括綜合基帶數(shù)據(jù)解調(diào)單元、圖像解碼單元、測(cè)速測(cè)角單元、數(shù)據(jù)分發(fā)單元及系統(tǒng)監(jiān)控單元等；加密機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)鏈路中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行加解密。地面設(shè)備還包括UPS及光端機(jī)等設(shè)備[1-2]。

最初的CDL 系統(tǒng)僅支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的空地鏈路傳輸。經(jīng)過(guò)20 多年的發(fā)展，CDL 系統(tǒng)不僅能夠支持點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的廣播模式，還可通過(guò)空基平臺(tái)和國(guó)防衛(wèi)星通信系統(tǒng)(DSCS) 等通信衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)中繼，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的超視距(BLOS)傳輸。在此期間，美軍先后推出了“標(biāo)準(zhǔn)CDL”(STD-CDL) 、“先進(jìn)CDL”(A-CDL)、“網(wǎng)絡(luò)CDL”(N-CDL) 等共計(jì)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(shù)通用數(shù)據(jù)鏈”(TCDL)、“多平臺(tái)通用數(shù)據(jù)鏈”(MP-CDL) 等不同平臺(tái)、各種類型的CDL 終端。在此基礎(chǔ)上，美軍已構(gòu)建出基于CDL 的戰(zhàn)術(shù)ISR 網(wǎng)絡(luò)體系。通過(guò)這一體系，美軍現(xiàn)役U-2、RC-7 、RC-135 等有人偵察機(jī)，以及“全球鷹”、“先驅(qū)者”(Outrider)、“捕食者”等無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，均可直接支持戰(zhàn)場(chǎng)用戶的戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)[2-3]。

3　美軍天基通用數(shù)據(jù)鏈3.1　基本概念及發(fā)展概況

天基通用數(shù)據(jù)鏈(space CDL)是通用數(shù)據(jù)鏈由空基向天基的延伸，本質(zhì)上仍屬于通用數(shù)據(jù)鏈，對(duì)應(yīng)第四類數(shù)據(jù)鏈(Class IV)。通過(guò)配備天基CDL載荷，成像偵察衛(wèi)星等天基ISR平臺(tái)能夠兼容美軍CDL標(biāo)準(zhǔn)，可以利用現(xiàn)有戰(zhàn)場(chǎng)CDL地面設(shè)施完成衛(wèi)星任務(wù)下達(dá)和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接收。但在運(yùn)行環(huán)境和指控系統(tǒng)的內(nèi)在差異要求下，天基CDL必須在空基CDL的基礎(chǔ)上有所改進(jìn)。首先，天基CDL載荷必須能夠適應(yīng)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(yīng)具有更小的體積、更輕的質(zhì)量和更低的功率，同時(shí)可提供空間系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)接口；此外，空間環(huán)境對(duì)信號(hào)的傳輸和加密等方式也提出了新的要求；最后，需要對(duì)地面指控、處理和分發(fā)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，以滿足戰(zhàn)場(chǎng)戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用需求。

CDL作為美軍充分定義并取得高度成功的數(shù)據(jù)鏈系列，長(zhǎng)期應(yīng)用于空基ISR平臺(tái)，其功能貼近天基ISR平臺(tái)的需要，美軍于2004年再次推薦使用天基CDL作為“作戰(zhàn)響應(yīng)空間”(ORS)計(jì)劃的標(biāo)準(zhǔn)通信結(jié)構(gòu)。ORS計(jì)劃是美軍為確保軍事航天技術(shù)優(yōu)勢(shì)、推動(dòng)空間系統(tǒng)重大轉(zhuǎn)型而提出的，該計(jì)劃在發(fā)展天基CDL的過(guò)程中，采用了“兩步走”的方式：首先通過(guò)“戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星”(TacSat)項(xiàng)目驗(yàn)證了天基CDL的可行性和應(yīng)用潛力，隨后再通過(guò)“作戰(zhàn)響應(yīng)空間-1”衛(wèi)星(ORS-1)引導(dǎo)天基CDL向?qū)崙?zhàn)應(yīng)用階段過(guò)渡[4]。

3.2技術(shù)驗(yàn)證階段

2003年，美國(guó)防部轉(zhuǎn)型辦公室(OFT)提出了“戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星”項(xiàng)目(TacSat)，旨在通過(guò)一系列成本低廉的小型衛(wèi)星，驗(yàn)證可實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)快速響應(yīng)的衛(wèi)星平臺(tái)和有效載荷技術(shù)。分別于2006年12月和2009年5月發(fā)射的“戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星-2”(TacSat-2)和“戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星-3”(TacSat-3)均將天基CDL作為重點(diǎn)驗(yàn)證的有效載荷技術(shù)之一?；赥acSat項(xiàng)目對(duì)系統(tǒng)成本和研制周期的嚴(yán)格限制，以及技術(shù)驗(yàn)證項(xiàng)目相對(duì)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(chǎn)品的CDL系統(tǒng)。

3.2.1TacSat-2

TacSat-2是ORS計(jì)劃下的第一顆技術(shù)驗(yàn)證衛(wèi)星。天基CDL分系統(tǒng)主要由微波調(diào)制解調(diào)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(nèi)部底盤結(jié)構(gòu)和美國(guó)軍標(biāo)(MIL-STD)連接件，而僅對(duì)其進(jìn)行了最低限度的修改。ESA發(fā)射天線每個(gè)陣元均具有專用的放大器和移相器，可提供任務(wù)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(nèi)完成了從接收戰(zhàn)場(chǎng)用戶成像要求、對(duì)目標(biāo)進(jìn)行成像，到通過(guò)CDL下行鏈路將圖像下傳給戰(zhàn)場(chǎng)用戶的完整任務(wù)流程。TacSat-2的驗(yàn)證結(jié)果表明,CDL/MIST是適用于戰(zhàn)術(shù)成像衛(wèi)星的可用星地鏈路。通過(guò)簡(jiǎn)單的軟件修改過(guò)程，具有天基CDL載荷的戰(zhàn)術(shù)偵察衛(wèi)星將能夠支持美軍在全球范圍內(nèi)的任意MIST終端。另外，TacSat-2衛(wèi)星還驗(yàn)證了MIST終端在偵察衛(wèi)星與空基偵察平臺(tái)間的快速切換能力。

3.2.2TacSat-3

TacSat-3天基CDL系統(tǒng)增加了網(wǎng)絡(luò)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(wù)中，從戰(zhàn)術(shù)用戶提出成像要求，到衛(wèi)星成像、處理并將高光譜數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?zhàn)術(shù)用戶終端，整個(gè)過(guò)程在10min內(nèi)完成。TacSat-3具有星上圖像處理能力和存儲(chǔ)設(shè)備，可在完成戰(zhàn)術(shù)圖像產(chǎn)品分發(fā)之后，將原始數(shù)據(jù)下傳至下一個(gè)地面站。對(duì)于實(shí)時(shí)性要求不高的常規(guī)任務(wù)，用戶也可通過(guò)“保密互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議路由網(wǎng)絡(luò)”(SIPR-NET)，向TacSat-3衛(wèi)星下達(dá)任務(wù)指令和接受圖像產(chǎn)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(shí)戰(zhàn)應(yīng)用階段

2008年10月，“作戰(zhàn)響應(yīng)空間-1”衛(wèi)星(ORS-1)項(xiàng)目獲得批準(zhǔn)，正式啟動(dòng)。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(yàn)證項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，這顆ORS計(jì)劃下的首顆業(yè)務(wù)衛(wèi)星配備了重新設(shè)計(jì)的天基CDL系統(tǒng)。ORS-1衛(wèi)星的發(fā)射，標(biāo)志著美軍天基CDL已成功完成前期技術(shù)驗(yàn)證階段，并初步進(jìn)入實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用階段[6-7]。

作為實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用系統(tǒng)，ORS-1衛(wèi)星通過(guò)“虛擬任務(wù)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(wǎng)絡(luò)體系， 從戰(zhàn)場(chǎng)指令下達(dá)到完成數(shù)據(jù)下傳的時(shí)間最快可達(dá)6.5min，如圖8所示。戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)部隊(duì)可通過(guò)戰(zhàn)區(qū)的戰(zhàn)術(shù)地面站(TGS)

制定衛(wèi)星成像任務(wù)和接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)集成到DCGS系統(tǒng)之中進(jìn)行進(jìn)一步處理和分發(fā)；而對(duì)于常規(guī)任務(wù)，空間操作中心(SOC)可通過(guò)美國(guó)本土的CDL地面站制定成像任務(wù)和接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)，生成圖像情報(bào)產(chǎn)品，并通過(guò)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(shù)任務(wù)時(shí)的CDL操作時(shí)間安排[8]

圖9　ORS-1衛(wèi)星作戰(zhàn)概念[8]

4　結(jié)束語(yǔ)

美軍近年來(lái)的幾次局部戰(zhàn)爭(zhēng)經(jīng)驗(yàn)表明，戰(zhàn)場(chǎng)戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用已經(jīng)成為空間偵察系統(tǒng)的必然發(fā)展方向。在此基礎(chǔ)上提出的天基CDL系統(tǒng)已經(jīng)展現(xiàn)出巨大的戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用潛力。為積極應(yīng)對(duì)美軍天基CDL系統(tǒng)所代表的空間偵察系統(tǒng)轉(zhuǎn)型，應(yīng)大力推進(jìn)發(fā)展供成像偵察衛(wèi)星戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用使用的星地?cái)?shù)據(jù)鏈系統(tǒng)?！?/p>

[1]駱光明．?dāng)?shù)據(jù)鏈[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008．

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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?yàn)樾l(wèi)星應(yīng)用技術(shù)。

TN97

A