美軍天基通用數據鏈分析

鄧連印，黃　威

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

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美軍天基通用數據鏈分析

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實驗室，北京 100094；2．中國空間技術研究院，北京 100094)

高技術條件下的現代戰爭，作戰樣式已經發展到由指揮控制系統、偵察監視系統、聯合火力打擊系統等各種系統構成的作戰體系的對抗，戰場中能否獲取信息優勢將決定戰爭的成敗。在介紹美軍數據鏈發展歷程和通用寬帶數據鏈發展概況的基礎上，著重分析了美軍天基通用數據鏈的前期技術驗證情況和未來實戰應用模式，以期對開展相關領域論證研究具有一定的參考意義。

武器裝備；體系對抗；天基通用數據鏈

0　引言

近幾次高技術戰爭中，數據鏈技術在戰場中的成功運用起到了至關重要的作用。通過數據鏈，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，實現戰場態勢共享，縮短決策時間，提高指揮控制速度及協同作戰能力，發揮體系的整體作戰效能。

為充分挖掘天基情報、監視與偵察(ISR)平臺的戰術應用潛力，美軍高度借鑒通用數據鏈(CDL)在空基平臺的成功應用經驗，通過“作戰響應空間”(ORS) 計劃大力發展天基通用數據鏈(space CDL)技術，將其作為美軍構建多源戰場情報體系的重要手段[1]，并成功驗證了成像偵察衛星的戰術應用能力。ORS 計劃下的“戰術衛星”(TacSat) 技術驗證項目首次實現了CDL 技術的天基應用，并成功驗證了在戰場條件下直接向低軌道成像偵察衛星下達任務指令，以及實時接收戰術圖像數據的能力，逐步完成天基ISR 平臺與現有ISR 戰術體系的集成。

1　美軍數據鏈的發展概況

美軍數據鏈經過半個多世紀的發展，經歷了初始階段、獨立發展階段和協同與整合階段，已經形成了完整的體系。美軍數據鏈技術已從單向視距點對點、低速率、無保密、無抗干擾能力、功能單一發展到目前的超視距大規模組網、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]。

國外數據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，綜合數據鏈能夠搭載多平臺，有多種通信方式和多種功能。態勢感知數據鏈基本可按照軍兵種成體系發展，已經逐步形成統一標準，從而達到三軍協同的目的；情報偵察數據鏈以一個通用CDL標準為基礎，并根據作戰需求衍生出多種不同應用的體系；武器協同數據鏈還屬于專用的范疇，各軍兵種各自發展，如圖2所示[2-3]。

圖1　美軍數據鏈發展歷程

2　美軍通用數據鏈(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的標準通信鏈路，這反映了數據鏈將向大容量、通用化方向發展的趨勢，并將其作為衛星、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，以實現各軍兵種和政府機構使用的ISR 數據收集系統間的無縫通信。它主要是為了滿足特殊應用，傳輸的數據內容是不經過處理的原始傳感器數據。

2.1CDL概念、類型與功能

按定義，CDL是一種全雙工、抗干擾、點對點的寬帶數字數據鏈，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。根據國防部的要求：除了質量不超過30磅(13.61kg)的小型無人機系統(SUAS)以外，美軍各軍兵種和國防機構的空基ISR平臺與地面處理設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　美軍主要數據鏈應用裝備圖譜

CDL 共定義了5 種類型的鏈路，分別適用于視距內，或經由中繼進行“超視距”(BLOS)的不同數據傳輸。這5 種類型如表1所示[1-2]。

表1　CDL定義的5種類型數據鏈路

CDL主要功能包括[1-3]：1)飛行平臺高度數據偵察信息的實時回傳；2)飛行參數和飛行平臺上的設備工作狀態的實時回傳；3)具有保密、抗干擾參數的前向指令傳輸；4)飛行參數、定位參數等重要參數的注入；5)對飛行平臺的跟蹤定位；6)空中平臺的數據交互和協同組網；7)戰場偵察信息的分發；8)空中數據中繼。

2.2CDL系統組成

CDL系統的基本構成包括發射系統、接收系統、天線及饋源系統、信號處理及顯示系統。實際應用中，CDL系統設備可分為機載系統設備和地面系統設備。圖3顯示了通用數據鏈系統的組成。

圖3　通用數據鏈系統組成

1)CDL機載系統設備

機載設備對接收到的地/海面前向信號進行變頻、放大、解擴、解調、譯碼，解密，經分接器分離出各類數據并輸出；同時，還接收機載任務設備送來的偵察數據及圖像，并對其進行編碼輸出和數據復接，形成返向數據流，經加密、調制、上頻率、功放及天線發往地面[1-2]。

2)CDL地面系統設備

CDL地面設備由天線組合、跟蹤伺服設備、高頻箱、變頻組合、天線跟蹤設備及綜合數據終端設備等組成。天線組合包括全向天線、定向天線等；跟蹤伺服設備包括天線座、伺服機構及電路；高頻箱包括雙工器、低噪聲放大器、功放及定向耦合器等設備；變頻組合包括上/下變頻器；綜合數據終端設備包括綜合基帶數據解調單元、圖像解碼單元、測速測角單元、數據分發單元及系統監控單元等；加密機負責對鏈路中傳輸的數據進行加解密。地面設備還包括UPS及光端機等設備[1-2]。

最初的CDL 系統僅支持點對點的空地鏈路傳輸。經過20 多年的發展，CDL 系統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星通信系統(DSCS) 等通信衛星系統進行數據中繼，實現數據的超視距(BLOS)傳輸。在此期間，美軍先后推出了“標準CDL”(STD-CDL) 、“先進CDL”(A-CDL)、“網絡CDL”(N-CDL) 等共計15 種CDL 波形，并相繼發展出“模塊化可互操作表面終端”(MIST) 、“空基信息傳輸系統”(ABIT)、“戰術通用數據鏈”(TCDL)、“多平臺通用數據鏈”(MP-CDL) 等不同平臺、各種類型的CDL 終端。在此基礎上，美軍已構建出基于CDL 的戰術ISR 網絡體系。通過這一體系，美軍現役U-2、RC-7 、RC-135 等有人偵察機，以及“全球鷹”、“先驅者”(Outrider)、“捕食者”等無人機系統，均可直接支持戰場用戶的戰術作戰[2-3]。

3　美軍天基通用數據鏈3.1　基本概念及發展概況

天基通用數據鏈(space CDL)是通用數據鏈由空基向天基的延伸，本質上仍屬于通用數據鏈，對應第四類數據鏈(Class IV)。通過配備天基CDL載荷，成像偵察衛星等天基ISR平臺能夠兼容美軍CDL標準，可以利用現有戰場CDL地面設施完成衛星任務下達和數據實時接收。但在運行環境和指控系統的內在差異要求下，天基CDL必須在空基CDL的基礎上有所改進。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境條件；其次，天基CDL載荷應具有更小的體積、更輕的質量和更低的功率，同時可提供空間系統的標準接口；此外，空間環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、處理和分發體系結構進行調整，以滿足戰場戰術應用需求。

CDL作為美軍充分定義并取得高度成功的數據鏈系列，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“作戰響應空間”(ORS)計劃的標準通信結構。ORS計劃是美軍為確保軍事航天技術優勢、推動空間系統重大轉型而提出的，該計劃在發展天基CDL的過程中，采用了“兩步走”的方式：首先通過“戰術衛星”(TacSat)項目驗證了天基CDL的可行性和應用潛力，隨后再通過“作戰響應空間-1”衛星(ORS-1)引導天基CDL向實戰應用階段過渡[4]。

3.2技術驗證階段

2003年，美國防部轉型辦公室(OFT)提出了“戰術衛星”項目(TacSat)，旨在通過一系列成本低廉的小型衛星，驗證可實現戰場快速響應的衛星平臺和有效載荷技術。分別于2006年12月和2009年5月發射的“戰術衛星-2”(TacSat-2)和“戰術衛星-3”(TacSat-3)均將天基CDL作為重點驗證的有效載荷技術之一。基于TacSat項目對系統成本和研制周期的嚴格限制，以及技術驗證項目相對較低的可靠性要求，TacSat-2和TacSat-3衛星均采用了基于“商用貨架式”(COTS)空基產品的CDL系統。

3.2.1TacSat-2

TacSat-2是ORS計劃下的第一顆技術驗證衛星。天基CDL分系統主要由微波調制解調器部件(MMA)、電子操縱陣列(ESA)發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)、內部底盤結構和美國軍標(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分系統組成框圖

圖5　TacSat-2衛星CDL天線布局

TacSat-2衛星成功在90min內完成了從接收戰場用戶成像要求、對目標進行成像，到通過CDL下行鏈路將圖像下傳給戰場用戶的完整任務流程。TacSat-2的驗證結果表明,CDL/MIST是適用于戰術成像衛星的可用星地鏈路。通過簡單的軟件修改過程，具有天基CDL載荷的戰術偵察衛星將能夠支持美軍在全球范圍內的任意MIST終端。另外，TacSat-2衛星還驗證了MIST終端在偵察衛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系統增加了網絡能力, 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，從戰術用戶提出成像要求，到衛星成像、處理并將高光譜數據傳輸到戰術用戶終端，整個過程在10min內完成。TacSat-3具有星上圖像處理能力和存儲設備，可在完成戰術圖像產品分發之后，將原始數據下傳至下一個地面站。對于實時性要求不高的常規任務，用戶也可通過“保密互聯網協議路由網絡”(SIPR-NET)，向TacSat-3衛星下達任務指令和接受圖像產品[4-7]，如圖7所示。

圖6　TacSat-3衛星天基CDL系統組成框圖[4-6]

圖7　TacSat-3衛星作戰概念(CONOPS)[5-7]

3.3實戰應用階段

2008年10月，“作戰響應空間-1”衛星(ORS-1)項目獲得批準，正式啟動。2011年6月29日，ORS-1衛星搭乘“米諾陶-1”火箭成功發射。在TacSat驗證項目的基礎上，這顆ORS計劃下的首顆業務衛星配備了重新設計的天基CDL系統。ORS-1衛星的發射，標志著美軍天基CDL已成功完成前期技術驗證階段，并初步進入實戰應用階段[6-7]。

作為實戰應用系統，ORS-1衛星通過“虛擬任務控制中心”(VMOC)和“分布式通用地面系統”(DCGS)完全融入了美軍的ISR網絡體系， 從戰場指令下達到完成數據下傳的時間最快可達6.5min，如圖8所示。戰場作戰部隊可通過戰區的戰術地面站(TGS)

制定衛星成像任務和接收圖像數據，并將數據集成到DCGS系統之中進行進一步處理和分發；而對于常規任務，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據，生成圖像情報產品，并通過SIPRNET向作戰用戶分發[5-8]，如圖9所示。

圖8　ORS-1衛星執行戰術任務時的CDL操作時間安排[8]

圖9　ORS-1衛星作戰概念[8]

4　結束語

美軍近年來的幾次局部戰爭經驗表明，戰場戰術應用已經成為空間偵察系統的必然發展方向。在此基礎上提出的天基CDL系統已經展現出巨大的戰術應用潛力。為積極應對美軍天基CDL系統所代表的空間偵察系統轉型，應大力推進發展供成像偵察衛星戰術應用使用的星地數據鏈系統。■

[1]駱光明．數據鏈[M].北京：國防工業出版社，2008．

[2]黃鵬，李宏智．數據鏈集成應用體系結構[J]．指揮信息系統與技術，2011,2(5):15-18．

[3]戴輝．武器協同數據鏈發展需求[J]．指揮信息系統與技術，2011,2(5):11-14．

[4]Galindez R, Davis T. Tactical satellite 3 CDL communications, a communications link for mission utility[C]∥Military Communications Conference, 2007.

[5]Kirkham A, Perez E, Kriner K. TacSat-3 joint military utility assessment[J]. Army Space Journal, 2014 Fall :32-37.

[6]Davis TM, Straight SD. Development of the tactical satellite 3 for responsive space missions[C]∥Los Angeles, CA:4thResponsive Space Conference, 2012.

[7]Espindola R, Walden G. Developing a responsive ground system enterprise[J]. Crosslink, 2014,Summer:30-36.

[8]Cox C, Cidzik W, HurleyM, et al. OASIS: adaptation of an airborne sensor for responsive space[C]∥Los Angeles,CA: 6thResponsive Space Conference, 2013.

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，主要研究方向為衛星應用技術。

TN97

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