美軍天基通用數(shù)據(jù)鏈分析

鄧連印，黃　威

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

高技術(shù)條件下的現(xiàn)代戰(zhàn)爭，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(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)驗證情況和未來實戰(zhàn)應用模式，以期對開展相關(guān)領(lǐng)域論證研究具有一定的參考意義。

武器裝備；體系對抗；天基通用數(shù)據(jù)鏈

0　引言

近幾次高技術(shù)戰(zhàn)爭中，數(shù)據(jù)鏈技術(shù)在戰(zhàn)場中的成功運用起到了至關(guān)重要的作用。通過數(shù)據(jù)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(shù)應用潛力，美軍高度借鑒通用數(shù)據(jù)鏈(CDL)在空基平臺的成功應用經(jīng)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(jù)鏈(space CDL)技術(shù)，將其作為美軍構(gòu)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(shù)應用能力。ORS 計劃下的“戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星”(TacSat) 技術(shù)驗證項目首次實現(xiàn)了CDL 技術(shù)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(shù)圖像數(shù)據(jù)的能力，逐步完成天基ISR 平臺與現(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)過半個多世紀的發(fā)展，經(jīng)歷了初始階段、獨立發(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(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]。

國外數(shù)據(jù)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(jù)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(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)一標準，從而達到三軍協(xié)同的目的；情報偵察數(shù)據(jù)鏈以一個通用CDL標準為基礎(chǔ)，并根據(jù)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(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(jù)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(gòu)使用的ISR 數(shù)據(jù)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(jù)內(nèi)容是不經(jīng)過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、點對點的寬帶數(shù)字數(shù)據(jù)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(jù)國防部的要求：除了質(zhì)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(gòu)的空基ISR平臺與地面處理設(shè)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(jù)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(nèi)，或經(jīng)由中繼進行“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)飛行平臺高度數(shù)據(jù)偵察信息的實時回傳；2)飛行參數(shù)和飛行平臺上的設(shè)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(jù)交互和協(xié)同組網(wǎng)；7)戰(zhàn)場偵察信息的分發(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)、信號處理及顯示系統(tǒng)。實際應用中，CDL系統(tǒng)設(shè)備可分為機載系統(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機載系統(tǒng)設(shè)備

機載設(shè)備對接收到的地/海面前向信號進行變頻、放大、解擴、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，還接收機載任務設(shè)備送來的偵察數(shù)據(jù)及圖像，并對其進行編碼輸出和數(shù)據(jù)復接，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、測速測角單元、數(shù)據(jù)分發(fā)單元及系統(tǒng)監(jiān)控單元等；加密機負責對鏈路中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行加解密。地面設(shè)備還包括UPS及光端機等設(shè)備[1-2]。

最初的CDL 系統(tǒng)僅支持點對點的空地鏈路傳輸。經(jīng)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(jù)中繼，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的超視距(BLOS)傳輸。在此期間，美軍先后推出了“標準CDL”(STD-CDL) 、“先進CDL”(A-CDL)、“網(wǎng)絡(luò)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(shù)通用數(shù)據(jù)鏈”(TCDL)、“多平臺通用數(shù)據(jù)鏈”(MP-CDL) 等不同平臺、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(qū)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(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，對應第四類數(shù)據(jù)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(shè)施完成衛(wèi)星任務下達和數(shù)據(jù)實時接收。但在運行環(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。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(zhì)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(jié)構(gòu)進行調(diào)整，以滿足戰(zhàn)場戰(zhàn)術(shù)應用需求。

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(jié)構(gòu)。ORS計劃是美軍為確保軍事航天技術(shù)優(yōu)勢、推動空間系統(tǒng)重大轉(zhuǎn)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(shù)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?qū)崙?zhàn)應用階段過渡[4]。

3.2技術(shù)驗證階段

2003年，美國防部轉(zhuǎn)型辦公室(OFT)提出了“戰(zhàn)術(shù)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(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作為重點驗證的有效載荷技術(shù)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(shù)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(chǎn)品的CDL系統(tǒng)。

3.2.1TacSat-2

TacSat-2是ORS計劃下的第一顆技術(shù)驗證衛(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(nèi)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(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。通過簡單的軟件修改過程，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(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，整個過程在10min內(nèi)完成。TacSat-3具有星上圖像處理能力和存儲設(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(wǎng)協(xié)議路由網(wǎng)絡(luò)”(SIPR-NET)，向TacSat-3衛(wèi)星下達任務指令和接受圖像產(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(chǔ)上，這顆ORS計劃下的首顆業(yè)務衛(wèi)星配備了重新設(shè)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(shù)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(wǎng)絡(luò)體系， 從戰(zhàn)場指令下達到完成數(shù)據(jù)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(shù)地面站(TGS)

制定衛(wèi)星成像任務和接收圖像數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)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(jù)，生成圖像情報產(chǎn)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(shù)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(jié)束語

美軍近年來的幾次局部戰(zhàn)爭經(jīng)驗表明，戰(zhàn)場戰(zhàn)術(shù)應用已經(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(zhuǎn)型，應大力推進發(fā)展供成像偵察衛(wèi)星戰(zhàn)術(shù)應用使用的星地數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)?！?/p>

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

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

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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，主要研究方向為衛(wèi)星應用技術(shù)。

TN97

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