適用于嵌入式訓練的數(shù)據(jù)鏈技術體制初探

黃 河，黃桂明，李 賀，王 航

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

嵌入式訓練技術是在飛機中增加或集成嵌入式仿真系統(tǒng)，將虛擬仿真技術與飛機航電系統(tǒng)相融合。嵌入式訓練系統(tǒng)（ETS）通過虛擬目標、虛擬傳感器和虛擬武器等，向飛行員提供作戰(zhàn)訓練的虛擬環(huán)境，而不依賴真實的目標、傳感器和武器。系統(tǒng)能夠支持單機作戰(zhàn)訓練和多機對抗訓練，還能支持空中平臺與地面模擬器的聯(lián)合訓練。在多架飛機采用嵌入式訓練技術進行編隊/對抗訓練時就組成了嵌入式訓練網(wǎng)絡，而數(shù)據(jù)鏈則是構建這個網(wǎng)絡的關鍵環(huán)節(jié)之一。

1 嵌入式訓練的數(shù)據(jù)傳輸需求

1.1 空空數(shù)傳需求

當空中有多架真實飛機進行編隊或?qū)褂柧殨r，數(shù)據(jù)鏈空空數(shù)傳數(shù)據(jù)主要有：

1）時空定位信息（TSPI）：用于訓練解算、空中避撞、形成虛擬態(tài)勢等；

2）傳感器通告：用于觸發(fā)目標響應，如雷達通告觸發(fā)目標機的虛擬雷達告警；

3）武器殺傷通告：通告武器類型、武器運行關鍵事件（如導引頭開機）和殺傷結果等；

4）目標/態(tài)勢共享數(shù)據(jù):模擬戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈的態(tài)勢數(shù)據(jù)分發(fā)功能，在本編隊實現(xiàn)目標信息共享。

1.2 空地數(shù)傳需求

參訓平臺將相關數(shù)據(jù)實時發(fā)送給地面站，可實現(xiàn)地面站對參訓平臺和整個訓練過程的實時監(jiān)視，空地數(shù)傳數(shù)據(jù)主要有：

1）訓練數(shù)據(jù)（TSPI、虛擬目標態(tài)勢、虛擬傳感器、虛擬武器、殺傷結果等）；

2）實時座艙數(shù)據(jù) （通過下傳數(shù)據(jù)實時還原飛行員平顯、下顯畫面）；

3）飛行安全參數(shù)（飛控、發(fā)動機、機電、燃油、液壓及故障告警）。

作為空戰(zhàn)訓練，實時座艙數(shù)據(jù)和飛行安全參數(shù)不是必須傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可用于進行訓練過程監(jiān)控，當數(shù)據(jù)鏈帶寬資源允許時進行考慮。

1.3 地空數(shù)傳需求

地空數(shù)據(jù)傳輸類型主要有：

1）指揮引導數(shù)據(jù)：飛行和任務引導；

2）訓練控制數(shù)據(jù)：嵌入式訓練的開始和結束；

3）虛擬態(tài)勢數(shù)據(jù)：虛擬作戰(zhàn)場景地空實時加載。

1.4 中繼數(shù)傳需求

為保證數(shù)據(jù)鏈的連通性和數(shù)傳數(shù)據(jù)的可達性，擴展嵌入式訓練網(wǎng)絡的地理覆蓋范圍，數(shù)據(jù)鏈應具備一定的中繼傳輸能力：

1）地面中繼：通過地面站進行數(shù)據(jù)中繼；

2）空中中繼：通過參訓飛機進行數(shù)據(jù)中繼。

2 國外的訓練數(shù)據(jù)鏈

訓練數(shù)據(jù)鏈技術始終跟隨整個數(shù)據(jù)鏈通信技術的發(fā)展。早期的數(shù)據(jù)鏈從簡單數(shù)傳電臺發(fā)展而來，為點對點數(shù)傳，采用較為簡單的通信體制。隨著通信技術的發(fā)展，開始出現(xiàn)各種類型的組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈，可以同時容納多個用戶進行數(shù)據(jù)通信，并采用一系列技術措施提高鏈路的穩(wěn)定性、連通性、抗干擾性、保密性和數(shù)據(jù)傳輸能力。

美軍歷經(jīng)數(shù)十年發(fā)展，在不同發(fā)展階段針對各類需求共研制了近40余種數(shù)據(jù)鏈裝備，形成了種類豐富的數(shù)據(jù)鏈體系。其中，Link-16數(shù)據(jù)鏈是戰(zhàn)區(qū)級通用鏈的集大成者，承擔了戰(zhàn)術信息分發(fā)、指揮控制及多數(shù)據(jù)鏈互操作的功能，特別是其面向戰(zhàn)術功能的J系列消息標準歷經(jīng)了二十多年的發(fā)展已非常完善，被世界范圍內(nèi)大多數(shù)國家模仿借鑒。

在訓練數(shù)據(jù)鏈領域也是如此，美國的P5 CTS訓練系統(tǒng)和以色列的EHUD訓練系統(tǒng)所采用的訓練數(shù)據(jù)鏈技術體制具有許多Link-16數(shù)據(jù)鏈的特點。但由于Link-16數(shù)據(jù)鏈整體的技術體系過于復雜，訓練鏈進行了整體簡化和局部改進，例如采用相對簡單的抗干擾措施、更小的網(wǎng)絡規(guī)模、更簡單和更自主的網(wǎng)絡管理措施以及不依賴網(wǎng)絡規(guī)劃等。

3 嵌入式訓練數(shù)據(jù)鏈技術體系初探

3.1 工作頻段的選擇

國外訓練鏈通常采用UHF頻段或L頻段。U/V頻段信道擁擠，頻譜資源緊張，通常僅支持千比特位的窄帶數(shù)據(jù)傳輸，易與其它U/V頻段設備產(chǎn)生干擾；且由于天線尺寸較大，采用多天線、多信道技術受限，飛機高速機動時，鏈路連通性較難保障。L波段訓練數(shù)據(jù)鏈頻率資源相對較充裕，易于實現(xiàn)兆比特位的寬帶數(shù)據(jù)傳輸；且由于天線尺寸較小，L波段機載設備普遍采用多信道、多天線技術，可有效避免天線覆蓋盲區(qū)，使鏈路達到較高的連通性。

選擇U/V頻段和L頻段訓練鏈各有優(yōu)劣，從長遠來看，應采用L頻段的訓練鏈。美國的P5 CTS即采用L頻段，且為避免在某些場合下會與Link-16鏈相互干擾，P5 CTS還預留了S頻段用于訓練。

3.2 組網(wǎng)體制

按是否具備組網(wǎng)能力分，數(shù)據(jù)鏈分為點對點數(shù)據(jù)鏈和組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈。點對點數(shù)據(jù)鏈一般僅適用于兩個用戶節(jié)點之間的數(shù)據(jù)交互，當用戶節(jié)點更多時，則需要進行數(shù)據(jù)鏈路網(wǎng)絡控制與管理技術，其核心之一是網(wǎng)絡的MAC協(xié)議。MAC協(xié)議分為固定分配MAC協(xié)議、預約MAC協(xié)議和隨機競爭MAC協(xié)議。數(shù)據(jù)鏈技術經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，形成了多種MAC協(xié)議。

Link-16的MAC協(xié)議具有固定分配和預約兩種特點，其中TDMA屬于固定分配MAC協(xié)議，DTDMA又屬于競爭性的預約MAC協(xié)議，兩類協(xié)議在不同用途下適用，以TDMA為主，因此Link-16數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡對網(wǎng)絡拓撲、流量變化適應性較差，通常也需要一個集中控制站來進行網(wǎng)絡管理。

最新的TTNT網(wǎng)絡采用基于IP技術的ad hoc網(wǎng)絡，網(wǎng)絡能夠?qū)崿F(xiàn)分布式控制和管理，不需要網(wǎng)絡主控站，任意兩個節(jié)點能夠自主組網(wǎng)，每個節(jié)點均能提供路由服務，系統(tǒng)通過CSMA/CA(載波偵聽/沖突避免)技術減少信道沖突、提高信道利用率，通過DTDMA技術使網(wǎng)絡能夠適應快速變化的拓撲關系和網(wǎng)絡流量。

從系統(tǒng)使用的便利性角度而言，訓練數(shù)據(jù)鏈應具備較寬的數(shù)據(jù)帶寬和靈活組網(wǎng)的特點，因此ad hoc網(wǎng)絡是最好的。但是，ad hoc網(wǎng)絡技術復雜。另外，訓練數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡在一段時間內(nèi)仍將保持較為簡單的網(wǎng)絡結構，網(wǎng)絡成員和通信內(nèi)容均可預知，網(wǎng)絡拓撲的變化也可事先預知，且與戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈不同的是，在訓練數(shù)據(jù)鏈中空閑一部分通信資源是可被接受的。

當前發(fā)展的訓練數(shù)據(jù)鏈應采用技術更加成熟的TDMA組網(wǎng)體制。為了提高網(wǎng)絡的質(zhì)量，可加入一些CSMA/CA、DTDMA技術和其它QoS（服務質(zhì)量）保障機制，提高網(wǎng)絡運行的可靠性和自主管理能力。

3.3 信息幀結構和消息格式

Link-16的J系列消息格式歷經(jīng)多年的發(fā)展已非常成熟，成為世界各國制定數(shù)據(jù)鏈技術體系時普遍參考借鑒的對象。J系列消息的戰(zhàn)術消息格式如圖1所示。

圖1 J系列消息戰(zhàn)術消息格式

J系列戰(zhàn)術消息種類以Ja.b的形式編碼，a表示大類，b表示小類，以監(jiān)視類信息為例，如表2所示。

表2 J系列戰(zhàn)術消息—監(jiān)視類消息

嵌入式訓練系統(tǒng)在數(shù)據(jù)鏈上傳輸?shù)挠柧殧?shù)據(jù)也分為多種類型，需要采用不同的數(shù)據(jù)更新方式和更新率、不同的數(shù)據(jù)收發(fā)規(guī)則，一些數(shù)據(jù)可能有加密需求，飛機和地面站接收數(shù)據(jù)的類型有所不同。在多機編隊/對抗訓練時，接收方對友機和假想敵數(shù)據(jù)的處理規(guī)則也會有所不同。所以，應參考J系列戰(zhàn)術消息格式，制定面向訓練功能的訓練鏈消息格式。以表3為例對訓練數(shù)據(jù)鏈的訓練消息類型進行初步分類。

3.4 多信道、多天線技術

無線通信系統(tǒng)設計的一個重要目標是在非穩(wěn)定信道中盡量保持數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性?？己藬?shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性除誤碼率指標外，還有連通性指標。在常規(guī)使用環(huán)境下使用的非競爭性組網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡中，保障數(shù)據(jù)鏈連通性的重要內(nèi)容之一為實現(xiàn)天線方向性圖的良好覆蓋，由于機身遮擋以及飛機機動等因素，單個天線往往難以實現(xiàn)良好的方向圖覆蓋，為此，常需要用到多天線技術，配套收發(fā)機需相應采用多信道技術。

表3 訓練鏈消息清單

結合嵌入式訓練系統(tǒng)對數(shù)據(jù)鏈通信的需求及現(xiàn)有的幾種多信道多天線技術，在嵌入式訓練系統(tǒng)的配套數(shù)據(jù)鏈中，如有較充足的頻率資源，應考慮采用雙天線、雙信道分集接收和雙信道、雙天線同時分頻發(fā)射的體制，如圖2所示。

圖2 雙通道、雙天線分頻發(fā)射，分集接收

3.5 數(shù)據(jù)收發(fā)規(guī)則

不同的消息對鏈路傳輸?shù)目煽啃?、時效性有不同需求。對于周期性更新數(shù)據(jù)，允許偶爾丟失一幀或數(shù)幀。但不是所有的數(shù)據(jù)都需要周期性發(fā)送，且鏈路帶寬資源也不允許所有的數(shù)據(jù)周期性發(fā)送。對于較為重要且不是周期性更新的數(shù)據(jù)，就需要采用一定的收發(fā)規(guī)則來保障接收方有效接收。一些數(shù)據(jù)類型在消息發(fā)送隊列中還有優(yōu)先級的不同。數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中常用的收發(fā)規(guī)則如表4所示。對于嵌入式訓練配套的數(shù)據(jù)鏈，應根據(jù)每類數(shù)據(jù)的傳輸特點，選擇適當?shù)臄?shù)據(jù)收發(fā)規(guī)則。

表4 數(shù)據(jù)鏈收發(fā)規(guī)則

3.6 通信距離

通信距離的確定要考慮多種因素，既要考慮系統(tǒng)頂層需求，又要考慮達到設計目標所需付出的代價，最后選擇折衷方案。

以Link-16為例，其用于戰(zhàn)術飛機的2類終端射頻發(fā)射功率為200～1000瓦，在無線電通視條件下最遠作用距離為300海里（555.6km），信息傳輸速率最高為115.2kbps，機載設備重量大于30千克。而常規(guī)U/V頻段機載話音電臺的發(fā)射功率僅需10～20瓦，重量僅為幾千克。

訓練數(shù)據(jù)鏈大部分情況下被用于中距離和近距離的訓練中，其通信距離能與機載傳感器和武器的作用距離匹配即可。常規(guī)機載火控雷達的作用距離不超過150km，傳感器距離僅為數(shù)十千米，常規(guī)中距空空彈的發(fā)射距離不超過100km。確需考慮更大范圍的數(shù)據(jù)通信時，可以通過地面站中繼的方式進行實現(xiàn)。

以色列EHUD訓練系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈空空作用距離為120km，美軍的P5 CTS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)鏈作用距離為空空148km、空地230km，中繼后達到370km。

3.7 網(wǎng)絡容量

數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡容量包含網(wǎng)絡成員數(shù)和通信速率兩個方面，二者是一個有機的整體。

網(wǎng)絡成員數(shù)需求與數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的應用規(guī)模有直接關系。作為戰(zhàn)區(qū)級通用戰(zhàn)術消息鏈，Link-16的網(wǎng)絡規(guī)模在單網(wǎng)時可容納100～200個網(wǎng)絡成員，多網(wǎng)工作時可容納共127個子網(wǎng)，網(wǎng)絡中包含海、陸、空各類戰(zhàn)術節(jié)點?？諔?zhàn)訓練的規(guī)模需求遠達不到上述規(guī)模，即使是美軍著名的紅旗軍演，訓練鏈單網(wǎng)情況下最多只有數(shù)十個戰(zhàn)術節(jié)點參訓。嵌入式訓練技術當前的應用規(guī)模還不及ACMI系統(tǒng)，國際上主要裝備了M-346、T-50等高級教練機上并用于訓練飛行學員，一次訓練的規(guī)模不太可能超過10架飛機。

網(wǎng)絡成員數(shù)據(jù)傳輸速率需求與需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容、數(shù)據(jù)更新率和數(shù)據(jù)量有關。通常單個平臺的TSPI數(shù)據(jù)以10Hz以上更新率傳輸僅需要約3kbps，但加入實時座艙監(jiān)視和飛行安全監(jiān)視后數(shù)據(jù)量會大量增加，另外考慮信息編碼需占用額外的數(shù)據(jù)位，則每個節(jié)點的通信速率將達到50kbps以上，考慮10個網(wǎng)絡成員并計入網(wǎng)絡管理占用的資源，則網(wǎng)絡總的通信速率需達到500Kbps以上。

4 結語

嵌入式訓練的數(shù)據(jù)鏈設計要緊密結合訓練需求、符合訓練特點，還應充分借鑒吸收各類數(shù)據(jù)鏈技術的發(fā)展成果。在數(shù)據(jù)傳輸速率和鏈路的自主性方面，訓練鏈的要求高于普通的戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈；消息格式可以參考J系列消息格式并針對訓練需求量身定制；根據(jù)訓練場景合理規(guī)劃網(wǎng)絡容量和必要的通信距離；為保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕瑧浞纸梃b通信技術中的多信道、多天線技術以及有針對性的數(shù)據(jù)收發(fā)規(guī)則。

嵌入式訓練數(shù)據(jù)鏈的技術體系在很多方面可參照國際上ACMI訓練鏈的技術體系，美軍的P5 CTS是其中較為先進的一種，應加強對其的研究，參考借鑒其成熟的設計理念和應用經(jīng)驗，同時分析ACMI訓練和嵌入式訓練對數(shù)據(jù)鏈的不同需求，發(fā)展適用于嵌入式訓練的數(shù)據(jù)鏈技術體系。