卫星通信在数据链系统中的应用研究及启示

SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGYVol. 42, No. 4Apr. , 2020

卫星通信在数据链系统中的应用研究及启示

肖奇飞1，司佳希2，宋文宾2

(1. 中国人民解放军92682部队，广东 湛江 524001；2. 中国舰船研究院，北京 100192)

摘 要: 在电子信息技术高速发展的今天，数据链正逐步向高速率、大容量等方向延伸拓展，引入覆盖面

广、通信质量优的卫星通信手段解决数据链受距离限制的问题已成为一种趋势。本文对传统战术数据链系统结构和卫星通信在国外数据链系统中的应用进行研究，分析引入卫星通信手段后国外战术数据链在体系结构等方面做出的适应性改进及其对我国后续发展卫星数据链的启示。

关键词：卫星通信；战术数据链；体系设计中图分类号：TP393 文献标识码：A

文章编号： 1672 – 7649(2020)04 – 0164 – 04 doi：10.3404/j.issn.1672 – 7649.2020.04.032

Application research and enlightenment of foreign tactical data link

based on satellite communication

XIAO Qi-fei1, SI Jia-xi2, SONG Wen-bin2

(1. No. 92682 Unit of PLA, Zhanjiang 524001, China;2. China Ship Research Academy, Beijing 100192, China)

Abstract: Aimed at the development trend of high speed and large capacity of the data link system, introducing satel-lite communication which has wide coverage and excellent communication quality into data link system has become an ex-cellent solution of solving the problem of being limited by communication distance. To propose enlightenment to China’s de-velopment of Satellite Data Link, system structure of traditional data link and application of satellite communication in for-eign data link systems are discussed, and the improvements need to be made of the architecture of tactical data link based onsatellite communication are analyzed.

Key words: satellite communication；tactical data link；system design

0 引　言

针对现代科技战争高速、精确、全方位的特点，自20世纪50年代开始，美军就持续不断地着力研究一种通信与指挥控制密切协同的技术手段——数据链。数据链不但能够在传输层面提供通信信道，还能够在应用层面提供规定格式的数据和控制报文，具备直接连通特定的传感器系统、指控系统和武器系统的能力，形成一个自动实现信息和指令交互的端到端整体。根据不同的作战应用需求场景，数据链可划分为通用战术数据链、情报侦察信息分发链、军兵种专用链、武器控制链等，各型各类数据链具有各自显著的技术特征并在各自的应用领域具有不可取代的独特功能特性。其中，战术数据链在战场态势感知与共享、

多节点高效协同作战等方面发挥着不可替代的重要作用。

然而，在海军作战应用场景逐渐由“近海防御”向“远海防卫”转变的应用背景下，传统战术数据链UHF或HF频段无线通信链路的通信距离和通信质量相比现代卫星通信差距日益显著。卫星通信覆盖面广、通信质量优的特性已逐渐成为解决数据链受距离限制问题的最佳手段。

本文首先对传统战术数据链的基本构成、设备主要功能进行研究；然后深入研究卫星通信在国外数据链系统中的各类应用，探讨国外卫星数据链系统发展趋势对我国的借鉴意义；最后提出我国基于现有卫星通信系统提升战术数据链性能的改进启示，为后续研究与发展卫星数据链提供具有参考价值的思路。

收稿日期: 2019 – 10 – 12

作者简介: 肖奇飞(1984 − )，男，工程师，研究方向为卫星、视频、无线通信。

第 42 卷肖奇飞，等：卫星通信在数据链系统中的应用研究及启示

1.2 接口控制处理器

· 165 ·

1 传统战术数据链系统结构

数据链由传输通道、通信协议和标准的格式化消息3部分基本要素构成，其本质上是一种战术信息系统。数据链依托传输通道，在规定的时间周期内、按照规定的通信组网协议和标准的消息格式，向指定的链接对象传输必要的战术数据信息，从而完成传感器、指控系统与武器系统之间实时信息的高效交互，其设备基本组成如图1所示。包括负责上层应用的战接口控制处理器（Interface Control Processor, ICP）的主要职责是对不同战术数据链进行接口和协议转换，实现各类战术信息在传输通道与作战平台间的实时转换和高效传递。根据上层应用实时生成、分发战场态势以及传达指控命令的需求，ICP的主要工作原理是将指控系统与武器平台间交互的信息按照其内容、顺序、位数以及代表的计量单元重新编排，从而术数据系统、负责传输适配的接口控制处理器及负责底层数据传输的数据链终端设备和无线收/发设备等。

图 1 战术数据链系统构成示意图Fig. 1 Structure of tactical data link system

1.1 战术数据系统

战术数据系统（Tactical Data System, TDS）通常是1台与数据链所在作战单元的主任务计算机相连的计算机，主要负责完成格式化消息处理，具备接收操作员发出的各种数据并编排成标准信息格式的功能。作为上层应用系统，TDS本身也划分为应用处理（战术信息综合处理层）、接口处理（通信接口处理层）和底层框架（共用框架层）3个层次，如图2所示。

图 2 战术数据系统层次结构

Fig. 2 Hierarchical structure of tactical data system

应用处理主要完成战场综合态势形成，包括航迹管理与融合、目标威胁判断、飞行航路解算、战斗协同、指挥交接等战术数据综合处理功能。接口处理主要完成与战术数据链其他设备间的交互以及接口控制协议解析等传输适配功能。底层框架包括任务监控、通信管理、数据记录、消息管理和定时器等底层通用基础功能，供所有上层应用调用。

形成一系列面向比特的消息代码，供交互双方TDS及主任务计算机对消息进行自动的识别、处理和存储，并且在此过程中通过转换算法的优化，最低限度地减小格式转换的时延及精度损失。

1.3 传输通道

传输通道通常由数据终端设备（Data Terminal Set,DTS）和无线信道构成，其中DTS主要由调制解调器、网络控制器、密码保密等设备构成是数据链系统的最基本单元，同时由于整个系统的通信规程和消息协议都在DTS中实现，因此它也是系统的核心单元，控制整个数据传输链路的工作进程并负责与外部系统进行信息交换。作为系统核心设备，DTS需具有较高的传输速率、抗干扰能力、保密性、鲁棒性和反截获能力，同时需具有用于维持网络运行的规范化通信协议规程，从而便于数据链各DTS之间构成网络，更加有序、高效地交换信息。

2 卫星通信在国外数据链系统中的应用

Link-16作为一种三军通用、大量部署和使用的国外主用数据链，同样存在着视距距离限制功能发挥的问题。为此，美军和北约均投入大量精力，力图通过使用卫星信道和地面有线网络来有效地实现Link-16的超视距部署。目前国外正在研究或装备使用的典型卫星数据链系统包括STDL系统（英国海军的卫星战术

数据链）、S-TADIL J系统（美国海军的卫星战术数据链J）和JRE系统（美国空军的联合距离扩展）。

2.1 STDL

英国海军研制的STDL系统是一个近实时的战术数据链系统，采用单一SHF频段的时分多址（TDMA）卫星通信多址方式，能够显著提升数据链超视距通信距离，主要有网络、广播、群链路3种工作模式（见图3），可满足系统成员间点对点通信、单点对多点广播及分群组共享信息等不同应用需求。

在装备体系方面，STDL岸上设备包括军用卫星通信系统（UKMSCS）、卫星计划部门（SPA）、岸上

· 166 ·

舰 船 科 学 技 术

第 42 卷

功能管理器（CSF）、临时系统计划计算机（ISPC）、网络控制终端（NCT）。舰上设备包括网络终端（通用调制解调器）、网络终端计算机（NCT），网络终端和网络终端计算机之间采用ISO 802.3协议互通，装备连接关系如图4所示。STDL有效利用了卫星通信链路和岸基、平台侧的有线链路，实现了整个数据链系

图 5 S-TADIL J网络结构示意图Fig. 5 Network structure of S-TADIL J

统的距离扩展。

计，但为延伸其传输距离特为指挥控制处理器（C2P）

图 3 STDL的3种工作方式Fig. 3 Three operating modes of STDL

图 4 STDL系统设备配置示意图Fig. 4 Device configuration of STDL system

2.2 S-TADIL J

美国海军设计的S-TADIL J系统采用UHF频段的DAMA卫星通信传输体制，该体制具备端站分配时隙按业务量大小改变的功能，能够显著降低TDMA方式所需的功率。S-TADIL J以同步和半双工方式工作，在DAMA方式下数据传输速率为2.4/4.8 ksps，在非

DAMA方式下速率为2.4/4.8/9.6 ksps。同时，S-TADIL J系统具备区域组网能力，能够以一个卫星战术数据链网关控制器（STGC）为主控站、数个卫星战术数据链网关单元（STGU）为基本成员建立网络，网内节点间通过改进后的令牌通过（Token Passing）协议互通信息，如图5所示。

由S-TADIL J系统的组网方式可以看出，其本质上仍是基于联合战术情报分配系统（JTIDS）进行设

增加了卫星链接界面，从而提供卫星中继超视距通信能力、提高数据链信道的利用率和使用灵活性。

2.3 JRE

为解决JTIDS进行中继或超视距通信时大量占用有限数据时隙的问题，美空军采用卫星网关链接JT-IDS网络的方式实现联合距离拓展，从而设计开发出JRE系统，其本质上是一种Link-16系统与其他传输信道间的消息适配网关，支持卫星信道（EHF）、地面IP网、保密电话网和短波信道等多种信道传输数据链格式化消息。

JRE利用目前广泛使用的计算机协议和标准，实现美军不同信息网络的互联，其设备构成如图6所示。在实际部署时有2种方式：一种是在现有系统（如军兵种战术作战中心）中直接嵌入JRE处理；另一种是在一个单独系统中提供JRE处理能力。2种方式各有优劣，第1种方式硬件改动量小但需要对现有系统进行软件适应性改造，第2种方式则需要单独研制新型硬件进行规模化部署。

图 6 JRE设备构成图

Fig. 6 Equipment composition of JRE system

3 对我国卫星数据链发展的启示

为了适应未来战争的需求，外军数据链将持续向高速率、大容量方向发展，为了提高数据链的整体作战效能，加入卫星手段已成为不可或缺的一步。为此外军数据链在系统体系结构方面做出了相应改进，借鉴其发展思路，我军在将卫星通信手段引入数据链系统时也需要对装备功能进行适应性升级。

第 42 卷

3.1 系统体系结构分析

肖奇飞，等：卫星通信在数据链系统中的应用研究及启示

· 167 ·

基于卫星通信的战术数据链系统体系结构包括应用层、传输层、链路层3个部分，同时兼具安全保密、运维管理2个支撑体系，如图7所示。

图 7 基于卫星通信的战术数据链系统体系结构图Fig. 7 System architechture of tactical data link based on

satellite communication

其中，应用层主要由各作战平台的应用系统构成，通过通信接口处理、和底层共用框架链接卫星通信系统并使用其提供的传输服务，实现战术数据综合处理，支撑各类战术应用；传输层主要由卫星通信系统提供的各类数据传输服务组成，包括接口控制、传输协议转换、流量控制等基本功能；链路层由卫星通信系统的底层信道传输功能组成，包括网络控制、调制解调等。

同时，运维管理体系完成卫星通信系统的通信网络、通信站点以及通信资源的管理控制与运行维护，安全保密体系支撑系统安全防护与保密、链路层安全接入等功能。

3.2 装备功能升级思路

对应于上述系统体系结构，要实现应用层、传输层和链路层相应的功能，需要对TDS，ICP和DTS设备进行升级，新增或改进接入卫星通信手段必备的部分功能。其中，TDS需要增加卫星通信相关的接口处理、战术数据综合处理（如态势融合、命令收发等）功能；ICP需要为卫星通信手段增加数据链消息适配和相关的业务控制功能；卫星信道终端需要相应实现数据链消息的接入控制功能。

传统战术数据链装备进行上述升级改造，本质上是对两大关键要素——传输通道和通信协议进行卫星通信适应性升级，使得升级后的系统能够通过卫星信道传输原有的标准格式化消息，该方式可尽量避免格式化数据变化导致的大量应用层软件改动，能够以最小的代价使卫星通信手段在数据链系统中快速形成作战能力。然而，原有标准格式化消息在数据处理过程中受带宽限制均存在降低精度压缩数据量的情况，后续为避免卫星带宽资源的浪费，进一步研究适应于卫星信道的标准格式化消息，并在新型卫星数据链的发展过程中统筹推广，

图 8 战术数据链装备改进示意图Fig. 8 Equipment improvement of tactical data link

是提升数据链整体效能不可或缺的关键步骤。

4 结　语

在数据链系统中引入卫星通信手段，继而在未来研究高速率、大容量的卫星数据链，对于提升数据链整体作战效能具有重要意义。本文提出的卫星数据链升级改进思路能够解决军兵种局域数据链应用卫星手段的问题。然而后续将局域网数据链联成统一的三军联合数据链，以及后续将卫星数据链构建为国家甚至全球范围的数据链体系，还需在通用的通信协议和通用的标准格式化消息等层面做更为深入的研究，并对各军兵种数据链系统进行统筹设计与规划。

参考文献：

[ 1 ]骆光明, 杨斌, 等. 数据链——信息系统连接武器系统的捷径[M]. 北京:国防工业出版社. 2014.

[ 2 ]苏玉强, 刘颖. 机载战术数据系统框架设计[J]. 电光与控制,2012, 19(1): 86–89.

[ 3 ]刘洁, 张勇丁, 等. 战术数据指挥系统格式化消息标准研究[J].船舶电子工程, 2011, 31(8): 123–127.

[ 4 ]李宏智. 战术数据链的发展与作战应用[J]. 船舶电子工程,2010, 30(4): 1–5.

[ 5 ]

SANDRA J F. Global broadcast service reach back via satellitetactical digital link J (S-TADIL J)[C]. Monterey, California:Naval Postgraduate School, 1999: 31–36.

[ 6 ]

DAVIS B W, GRANAM C, STAMM D, et al. Tactical digitalinformation link (TADIL) J range extension (JRE)[C]//MILCOM 97 Proceeding.[S.l.]: IEEE, 1997.

[ 7 ]和欣. 关于卫星数据链体系发展的思考[J]. 指挥信息系统与技术, 2017, 8(6): 16–32.

[ 8 ]邱洪云, 关慧, 等. 卫星战术数据链的应用及发展[J]. 空间电子技术, 2012, 3: 1–3.

[ 9 ]尤静. 卫星数据链技术发展研究[J]. 计算机与网络, 2012,21: 58–60.

[10]

李子木, 陈艳丽, 肖永伟. 卫星数据链——卫星通信应用的新领域[J]. 无线电通信技术, 2005, 31(6): 39–41.