適用于嵌入式訓練的數據鏈技術體制初探

黃 河，黃桂明，李 賀，王 航

（航空工業洪都，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，將虛擬仿真技術與飛機航電系統相融合。嵌入式訓練系統（ETS）通過虛擬目標、虛擬傳感器和虛擬武器等，向飛行員提供作戰訓練的虛擬環境，而不依賴真實的目標、傳感器和武器。系統能夠支持單機作戰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絡，而數據鏈則是構建這個網絡的關鍵環節之一。

1 嵌入式訓練的數據傳輸需求

1.1 空空數傳需求

當空中有多架真實飛機進行編隊或對抗訓練時，數據鏈空空數傳數據主要有：

1）時空定位信息（TSPI）：用于訓練解算、空中避撞、形成虛擬態勢等；

2）傳感器通告：用于觸發目標響應，如雷達通告觸發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/態勢共享數據:模擬戰術數據鏈的態勢數據分發功能，在本編隊實現目標信息共享。

1.2 空地數傳需求

參訓平臺將相關數據實時發送給地面站，可實現地面站對參訓平臺和整個訓練過程的實時監視，空地數傳數據主要有：

1）訓練數據（TSPI、虛擬目標態勢、虛擬傳感器、虛擬武器、殺傷結果等）；

2）實時座艙數據 （通過下傳數據實時還原飛行員平顯、下顯畫面）；

3）飛行安全參數（飛控、發動機、機電、燃油、液壓及故障告警）。

作為空戰訓練，實時座艙數據和飛行安全參數不是必須傳輸的數據。這些數據可用于進行訓練過程監控，當數據鏈帶寬資源允許時進行考慮。

1.3 地空數傳需求

地空數據傳輸類型主要有：

1）指揮引導數據：飛行和任務引導；

2）訓練控制數據：嵌入式訓練的開始和結束；

3）虛擬態勢數據：虛擬作戰場景地空實時加載。

1.4 中繼數傳需求

為保證數據鏈的連通性和數傳數據的可達性，擴展嵌入式訓練網絡的地理覆蓋范圍，數據鏈應具備一定的中繼傳輸能力：

1）地面中繼：通過地面站進行數據中繼；

2）空中中繼：通過參訓飛機進行數據中繼。

2 國外的訓練數據鏈

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

美軍歷經數十年發展，在不同發展階段針對各類需求共研制了近40余種數據鏈裝備，形成了種類豐富的數據鏈體系。其中，Link-16數據鏈是戰區級通用鏈的集大成者，承擔了戰術信息分發、指揮控制及多數據鏈互操作的功能，特別是其面向戰術功能的J系列消息標準歷經了二十多年的發展已非常完善，被世界范圍內大多數國家模仿借鑒。

在訓練數據鏈領域也是如此，美國的P5 CTS訓練系統和以色列的EHUD訓練系統所采用的訓練數據鏈技術體制具有許多Link-16數據鏈的特點。但由于Link-16數據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、更小的網絡規模、更簡單和更自主的網絡管理措施以及不依賴網絡規劃等。

3 嵌入式訓練數據鏈技術體系初探

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據傳輸，易與其它U/V頻段設備產生干擾；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波段訓練數據鏈頻率資源相對較充裕，易于實現兆比特位的寬帶數據傳輸；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，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 組網體制

按是否具備組網能力分，數據鏈分為點對點數據鏈和組網數據鏈。點對點數據鏈一般僅適用于兩個用戶節點之間的數據交互，當用戶節點更多時，則需要進行數據鏈路網絡控制與管理技術，其核心之一是網絡的MAC協議。MAC協議分為固定分配MAC協議、預約MAC協議和隨機競爭MAC協議。數據鏈技術經過數十年的發展，形成了多種MAC協議。

Link-16的MAC協議具有固定分配和預約兩種特點，其中TDMA屬于固定分配MAC協議，DTDMA又屬于競爭性的預約MAC協議，兩類協議在不同用途下適用，以TDMA為主，因此Link-16數據鏈網絡對網絡拓撲、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絡管理。

最新的TTNT網絡采用基于IP技術的ad hoc網絡，網絡能夠實現分布式控制和管理，不需要網絡主控站，任意兩個節點能夠自主組網，每個節點均能提供路由服務，系統通過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技術使網絡能夠適應快速變化的拓撲關系和網絡流量。

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

當前發展的訓練數據鏈應采用技術更加成熟的TDMA組網體制。為了提高網絡的質量，可加入一些CSMA/CA、DTDMA技術和其它QoS（服務質量）保障機制，提高網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系列消息格式歷經多年的發展已非常成熟，成為世界各國制定數據鏈技術體系時普遍參考借鑒的對象。J系列消息的戰術消息格式如圖1所示。

圖1 J系列消息戰術消息格式

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

表2 J系列戰術消息—監視類消息

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

3.4 多信道、多天線技術

無線通信系統設計的一個重要目標是在非穩定信道中盡量保持數據傳輸的穩定性。考核數據鏈數據傳輸的穩定性除誤碼率指標外，還有連通性指標。在常規使用環境下使用的非競爭性組網的數據鏈網絡中，保障數據鏈連通性的重要內容之一為實現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良好的方向圖覆蓋，為此，常需要用到多天線技術，配套收發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對數據鏈通信的需求及現有的幾種多信道多天線技術，在嵌入式訓練系統的配套數據鏈中，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、雙天線同時分頻發射的體制，如圖2所示。

圖2 雙通道、雙天線分頻發射，分集接收

3.5 數據收發規則

不同的消息對鏈路傳輸的可靠性、時效性有不同需求。對于周期性更新數據，允許偶爾丟失一幀或數幀。但不是所有的數據都需要周期性發送，且鏈路帶寬資源也不允許所有的數據周期性發送。對于較為重要且不是周期性更新的數據，就需要采用一定的收發規則來保障接收方有效接收。一些數據類型在消息發送隊列中還有優先級的不同。數據鏈系統中常用的收發規則如表4所示。對于嵌入式訓練配套的數據鏈，應根據每類數據的傳輸特點，選擇適當的數據收發規則。

表4 數據鏈收發規則

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，其用于戰術飛機的2類終端射頻發射功率為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U/V頻段機載話音電臺的發射功率僅需10～20瓦，重量僅為幾千克。

訓練數據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。常規機載火控雷達的作用距離不超過150km，傳感器距離僅為數十千米，常規中距空空彈的發射距離不超過100km。確需考慮更大范圍的數據通信時，可以通過地面站中繼的方式進行實現。

以色列EHUD訓練系統數據鏈空空作用距離為120km，美軍的P5 CTS系統的數據鏈作用距離為空空148km、空地230km，中繼后達到370km。

3.7 網絡容量

數據鏈網絡容量包含網絡成員數和通信速率兩個方面，二者是一個有機的整體。

網絡成員數需求與數據鏈系統的應用規模有直接關系。作為戰區級通用戰術消息鏈，Link-16的網絡規模在單網時可容納100～200個網絡成員，多網工作時可容納共127個子網，網絡中包含海、陸、空各類戰術節點。空戰訓練的規模需求遠達不到上述規模，即使是美軍著名的紅旗軍演，訓練鏈單網情況下最多只有數十個戰術節點參訓。嵌入式訓練技術當前的應用規模還不及ACMI系統，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，一次訓練的規模不太可能超過10架飛機。

網絡成員數據傳輸速率需求與需要傳輸的數據內容、數據更新率和數據量有關。通常單個平臺的TSPI數據以10Hz以上更新率傳輸僅需要約3kbps，但加入實時座艙監視和飛行安全監視后數據量會大量增加，另外考慮信息編碼需占用額外的數據位，則每個節點的通信速率將達到50kbps以上，考慮10個網絡成員并計入網絡管理占用的資源，則網絡總的通信速率需達到500Kbps以上。

4 結語

嵌入式訓練的數據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據鏈技術的發展成果。在數據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術數據鏈；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；根據訓練場景合理規劃網絡容量和必要的通信距離；為保障數據傳輸的可靠性，應充分借鑒通信技術中的多信道、多天線技術以及有針對性的數據收發規則。

嵌入式訓練數據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驗，同時分析ACMI訓練和嵌入式訓練對數據鏈的不同需求，發展適用于嵌入式訓練的數據鏈技術體系。