武器協同數據鏈發展趨勢及關鍵技術

余福榮，張 艷，蔣 雪，邱金娜

（航天恒星科技有限公司，北京 100194）

0 引言

隨著現代戰爭從平臺中心戰向網絡中心戰轉變，未來戰爭由單一軍兵種、單一武器裝備之間對抗逐步轉向武器裝備體系與體系之間對抗，作戰空間由單一領域向陸、海、空、天、電多域拓展，需要信息化戰場中各域武器裝備能互聯互通、信息共享。而武器協同數據鏈是連接各類武器裝備的信息紐帶，完成各類戰術信息實時傳輸和分發的標準化通信裝備，實現武器裝備協同探測、協同定位、協同突防、協同攻擊，最大發揮武器裝備作戰效能，在體系化作戰中發揮著不可或缺的作用。

隨著信息技術發展，產生許多新型作戰模式，對武器協同數據鏈提出新的更高能力需求，武器協同數據鏈向彈性可重構、低時延高動態組網、抗強干擾、抗截獲、智能化方向發展，需要開展數據鏈彈性可重構及異構通信、大規模低時延高動態組網、基于認知的智能抗干擾、低截獲信號傳輸、數據鏈多源信息融合等關鍵技術研究。

1 武器協同數據鏈現狀

武器協同數據鏈從最早的點對點彈載武器數據鏈發展而來［1］，具有較高帶寬、強實時、高動態、高可靠等特點［2］。美軍最早開展武器協同數據鏈研究，主要有協同作戰能力系統（Cooperative Engagement Capability，CEC）、機間數據鏈（Intra-Fight Data Link，IFDL）、戰術目標瞄準網絡技術（Tactical Targeting Network Technology，TTNT）、五度網絡技術（Quint Networking Technology，QNT）。

1.1 協同作戰能力系統

協同作戰能力系統（CEC）是美國海軍開發的一種武器平臺之間協同作戰的系統［3］，用于海上、空中和岸基作戰單元中傳感器和武器系統的直接交鏈，以增強對目標的協同探測和識別能力，支持火控級的復合跟蹤，實現對威脅目標的協同打擊。

協同作戰能力系統于20 世紀70 年代提出，初衷是為解決近海地區因復雜地形造成的目標識別困難問題，以及常規電子系統難以探測對抗現代化低可觀測目標，如掠海飛行巡航導彈。經過20 多年的研制，在多次試驗、演習和實際作戰行動中充分驗證了其協同作戰能力，目前已經裝備于美國海軍主力艦艇和航母編隊。

1.2 機間數據鏈

美軍機間數據鏈主要是針對隱身戰機作戰而設計，實現戰機編隊間高速、抗干擾、低時延、低截獲的定向組網通信［3］，實時傳輸敵我瞬間態勢、友機狀態機武器控制參數等信息，實現火控級協同，提高武器的精確打擊能力。美軍機間數據鏈有IFDL（Intra-Fight Data Link）和MADL（Multifunction Advanced Data Link）。其中，IFDL 是專門為F-22 戰機研發，供其在飛行中傳輸態勢信息，自動共享目標與系統數據，具有較低的被截獲概率。IFDL 數據鏈最多可支持16 架F-22 戰機，在同一編隊內組網通信，實現編隊內戰術信息共享。為了進一步增強隱身性能，美軍把IFDL 升級為MADL，MADL 主要裝備于F-35 隱形戰斗機。不論是IFDL 還是MADL 都是有限的機間組網，組網能力相對較弱。

1.3 戰術目標瞄準網絡技術

戰術目標瞄準網絡技術（TTNT）是一種高速、動態、基于IP 的Adhoc 數據鏈網絡技術，數據速率達2 Mb/s，支持組網節點1 000 個以上［3］，具有數據傳輸速度快、組網結構靈活、高動態適應能力強等特點。能夠將作戰單元快速接入美軍全球信息柵格，大大縮短了C4KISR 系統的殺傷鏈反應時間，提高了美軍打擊對手時間敏感目標的能力，為美空軍由“平臺中心戰”向“網絡中心戰”轉型提供了部分網絡基礎設施。目前該技術已通過飛行演示驗證。

圖1 具備TTNT 波形的數據鏈端機

1.4 五度網絡技術

五度網絡技術（Quint Networking Technology，QNT）是為作戰飛機、無人飛機、導彈武器、戰術無人機和單個地面作戰單元之間互通開發的一種小型網絡化武器協同數據鏈。可用于支撐快速瞄準和打擊時敏、活動目標，并能支撐武器制導交接、無人機控制、戰場態勢感知、毀傷評估［4-5］。其波形符合JTRSSCA 波形，并支持IPv6 以便融入GIG。QNT 技術應用示意圖如圖2 所示。

圖2 QNT 技術應用示意圖

2 新型協同作戰及其對武器協同數據鏈的能力需求

隨著信息技術發展，武器裝備信息化、網絡化水平不斷提升，作戰模式由傳統的單平臺武器作戰轉變為裝備體系對抗，產生了許多新型協同作戰概念與作戰樣式，對武器協同數據鏈提出了更高的能力需求。新型協同作戰概念主要有：多兵種跨域協同作戰、網電空間協同對抗、布式協同作戰。典型協同作戰對武器協同數據鏈能力需求分析詳見表1。

表1 典型協同作戰對武器協同數據鏈能力需求分析

2.1 多兵種跨域協同作戰

多兵種跨域協同作戰是指根據作戰任務需要，綜合運用陸、海、空、天各兵種的武器裝備，進行協同探測、協同定位、協同打擊，彌補單一兵種、單一裝備作戰能力不足，實現作戰效能最大化。2014 年3 月，美國國防部提出將“全球一體化作戰”構想［6-8］，通過“全球信息柵格”與戰術數據鏈系統，綜合陸、海、空、天各種作戰資源，實時生成全域戰場態勢，實現全球范圍的跨域協同作戰。

典型的多兵種跨域協同作戰樣式有陸空協同反導作戰［9］與海空協同對艦作戰。以陸空協同反導作戰為例，其利用陸軍地基雷電系統對敵空中目標進行探測跟蹤，通過天基武器協同數據鏈將目標位置信息發送空軍戰斗機，戰斗機發送空空導彈，并通過機彈間武器協同數據鏈打擊空中目標。

多兵種跨域協同作戰具有多域作戰、裝備數量巨多、傳輸信息大、通信距離遠等特點。由于參與作戰單元多，需要武器協同數據鏈具備大規模低時延組網、自主網絡規劃能力；并且需要多兵種跨域協同，因各兵種不同裝備通信系統采用的通信體制大都不同，為實現裝備間互聯互通，需要武器協同數據鏈具備多鏈兼容、異構通信、自適應鏈路規劃、波形重構等能力。

2.2 網電空間協同對抗

網電空間協同對抗是指綜合運用網絡與電子對抗裝備，采用協同電子干擾、網絡攻擊等手段，侵入敵方網電空間，竊取、修改或破壞敵方信息，從而降低或破壞敵方的網電系統作戰效能［10］。美軍研發的“舒特”系統［11-12］是典型網電對抗系統，主要由電子偵察機、電子干擾機、戰斗機、導彈武器構成，通過數據鏈實時傳輸與分享信息，實現戰場偵查、電子干擾、網絡攻擊、精確打擊一體化協同作戰。

典型的網電空間協同對抗樣式有“偵抗打”協同攻擊、地空協同電磁干擾等。以“偵抗打”協同攻擊為例，首先電子偵察機對敵方目標輻射源進行信號偵察和高精度定位，然后通過數據鏈將目標信息傳遞給電子干擾機，電子干擾機向敵方雷達或通信系統發送強電磁干擾信號，進行電磁攻擊；同時，通過數據鏈將偵察與定位信息傳遞給戰斗機，戰斗機發射導彈對目標實施反輻射攻擊。

網電空間協同對抗具有裝備機動性高、電磁干擾強、隱蔽性高、通信環境差等特點。要實現強電子對環境下大量裝備互聯互通、實時戰術信息傳輸與共享，需要武器協同數據鏈具備低時延高動態組網、波形重構、強抗干擾（干擾感知與識別）、高抗截獲、抗毀傷等能力。

2.3 分布式協同作戰

分布式協同作戰是指多個作戰單元通過數據鏈組網通信，進行分工合作，實現協同探測、協同定位、協同突防、協同攻擊，共同完成作戰任務。為了提升體系作戰能力，美國國防部高級研究計劃局（DARPA） 已開展了“體系集成技術與試驗”（SOSITE）項目，探索分布式空戰，把空戰能力分散部署于大量互操作的有人和無人作戰平臺，形成作戰體系。

典型分布式協同作戰樣式有無人機集群對海打擊、有人分布式協同偵查。以海上大型目標打擊任務為例，多架加掛導彈的無人機可采用“蜂群”戰術，集群突防，通過武器協同數據鏈獲得同一目標的坐標等信息，集中對海上目標進行飽和攻擊，形成一個可遮蔽一定空域的火力群，從而完成對海上大型目標的垂直打擊任務［13］。

分布式協同作戰具有裝備數量多、實時性強、動態性高、傳輸信息量大等特點，要實現大量高動態武器裝備組網通信、強實時的信息交互與信息融合，需要武器協同數據鏈具備低時延高動態組網，高速率、抗干擾、抗截獲、抗毀傷通信，以及多源信息處理與融合等能力。

3 武器協同數據鏈發展趨勢

為適應新型協同作戰模式、越來越復雜的戰場環境以及高效能實戰化武器裝備的發展需求，武器協同數據鏈向全球覆蓋、彈性可重構、低時延高動態組網、抗強干擾、抗截獲、智能化方向發展，以便支持未來復雜電磁對抗環境下大規模、網絡化、體系化作戰。

3.1 全球覆蓋

現有的武器協同數據鏈只支持區域作戰，難以實現全球覆蓋。通過建設支持遠程通信的天基武器協同數據鏈系統，構建全球覆蓋的天空地一體化通信網絡，實現全球的戰術信息共享。美國已開始構建全球信息柵格（GIG）［14］，通過整合數據鏈等各種通信信息資源，建立一個供美國陸、海、空三軍通用的全球通信網絡。

3.2 彈性可重構

現有武器協同數據鏈大多基于單一武器平臺研制，硬件架構與通信體制固定，可擴展性、可重構性差，裝備不同數據鏈的作戰單元難以互聯互通。通過采用彈性可重構、波形動態加載技術，武器協同數據鏈終端具備不同通信體制、通信協議、消息格式的信息傳輸能力，可實現武器裝備與偵察預警系統、指揮控制系統、電子對抗裝備等各類作戰單元的互聯互通，支持跨域協同作戰、網電一體化作戰。并且在系統故障與鏈路異常時通過鏈路重構，恢復數據鏈通信，增強了武器協同數據鏈系統的可靠性。

3.3 低時延高動態組網

隨著網絡中心戰的發展，參與協同作戰單元越來越多，網絡規模越來越大；同時，作戰單元的運動速度越來越快，機動性越來越高，對作戰網絡節點傳輸時延、動態適應性要求越來越高。并且協同作戰任務由打擊靜止或慢速移動目標擴展到打擊高速高機動時敏目標，需要武器協同數據鏈具備實時動態組網能力。現有武器協同數據鏈支持的網絡規模小、傳輸時延大、高動態適應性弱。為了支持陸、海、空、天、電全域下協同探測、協同定位、協同突防、協同打擊，武器協同數據鏈必須向大規模、低時延、高動態組網發展。

3.4 智能化

隨著人工智能技術發展，武器協同數據鏈將在環境感知、智能抗干擾、智能決策與自主鏈路規劃等方面實現智能化，將極大提升武器協同數據鏈的抗干擾、鏈路規劃、信息分發等能力。現有的武器協同數據鏈智能化能力不足，難以滿足新的無人機蜂群作戰、多彈協同作戰等需求。

3.5 抗強干擾

隨著網電一體化作戰的發展，戰場電子對抗越來越強，要求武器協同數據鏈必須具備抗復雜電磁環境干擾能力。現有數據鏈系統抗干擾能力不足，難以適應未來強電子對抗戰場應用。2019 年7 月，美軍最先進的高空長航時戰略無人機“全球鷹”被伊朗擊落，據報道是由于受電子干擾飛入伊朗領空被擊落。

3.6 抗截獲

隨著未來戰爭電子對抗的增強，數據鏈信息傳輸的安全性面臨著嚴峻的挑戰，在信息傳輸時可能被敵方偵查、截獲，導致武器裝備被定位與攔截。現有數據鏈安全性考慮不夠，存在被截獲風險。需要綜合采用猝發隱蔽通信、混合擴跳頻、自適應功率控制、相控陣天線波束控制、自適應高速跳頻，以及基于加權類分數階傅里葉變換的信號處理技術等技術，提升數據鏈傳輸安全性。美軍的F-22、F-35隱身戰斗機以及BLOCK-4 隱身轟炸機具有較好的抗截獲能力。

4 武器協同數據鏈關鍵技術

依據武器協同數據鏈功能與作戰需求，武器協同數據鏈關鍵技術主要分為：數據鏈互聯互通技術、數據鏈組網技術、數據鏈抗干擾技術、數據鏈抗截獲技術、數據鏈信息融合與分發技術。武器協同數據鏈關鍵技術與參考模型功能層關系見圖3。

圖3 武器協同數據鏈關鍵技術與參考模型功能層關系

4.1 數據鏈互聯互通技術

未來信息化戰場下多兵種聯合協同作戰，參與作戰的武器裝備越來越多，網絡規模越來越大，數據鏈系統作為鏈接各作戰單元的“神經網絡”，必須增強數據鏈系統健壯性、可靠性與互聯互通能力，需深入開展數據鏈彈性可重構及異構通信技術研究。

1）數據鏈彈性可重構技術。現有數據鏈大多基于單一武器平臺研制，硬件架構與通信體制固定，系統的兼容性、可擴展性與魯棒性差，不同體制的數據鏈系統難以通信，鏈路異常時重構困難。數據鏈彈性可重構技術采用軟件無線電技術與基于軟件通信架構（SCA）的武器協同數據鏈端機，設計不同通信體制、不同消息格式的波形模塊，根據任務需求自適應動態加載相應的波形模塊，實現數據鏈波形與功能重構，支持不同武器裝備通信應用。并且可在面臨系統故障、環境干擾或敵方攻擊時通過鏈路重構，可恢復系統功能，增強了系統健壯性、環境適應性、抗干擾能力。數據鏈彈性可重構采用的技術包括：軟件無線電技術、多通信體制波形模塊設計技術、數據鏈波形重建技術、波形自適應加載技術。

2）天基異構數據鏈通信技術。未來信息化戰爭中，將是陸、海、空、天、電五維空間的聯合作戰，而目前武器裝備體系中存在多類數據鏈并存、鏈間互聯互通困難、缺乏統一消息格式標準規范。天基異構數據鏈通信是通過構建天基骨干網，天基骨干網節點上裝有武器協同數據鏈消息轉發器，不同的戰術數據鏈都能隨遇接入天基骨干網，當武器協同數據鏈系統需要與其他類數據鏈系統通信時，通過武器協同數據鏈消息轉發器進行高速消息格式轉換處理，再進行信息分發與共享，實現異構數據鏈間的互聯互通。天基異構數據鏈通信采用的技術包括：衛星組網通信技術、異構數據鏈隨遇接入技術、高速異類消息轉換處理技術、實時信息分發與共享技術。

4.2 數據鏈組網技術

現有數據鏈組網容量較低、傳輸能力有限、組網不靈活、高動態適應性不夠、網絡規劃能力不足，難以滿足未來信息化戰場下大規模跨域協同作戰、高動態分布式協同作戰要求，需要深入開展大規模低時延高動態組網、數據鏈網絡最優規劃及云協同網管技術研究。

1）大規模低時延高動態組網技術。在現代戰場環境下，戰場態勢瞬息萬變，為了及時收集和分發相關戰術信息，要求在作戰單元之間建立高速率、高動態、高可靠、低時延的數據鏈網絡。數據鏈網絡建立時間由10 s量級減少到秒級，端到端傳輸時延由秒級提升至毫秒級。大規模低時延高動態組網技術通過采用一發多收通信（TxRxN），增加數據傳輸能力，實時大規模、高帶寬組網；采用基于統計優先級的多址接入（SPMA），減少接入等待時延，實現快速入網；采用目標序列距離矢量路由協議（DSDV），最優路由路徑，減少傳輸時延。大規模低時延高動態組網技術通過采用包括：一發多收通信技術、基于統計優先級的多址接入技術與目標序列距離矢量路由技術。

2）數據鏈網絡最優規劃技術。數據鏈網絡最優規劃［15］是指在作戰任務、作戰環境、裝備配置、傳輸距離、傳輸時延以及鏈路特性等約束條件下，采用作戰任務規劃、數據鏈鏈路規劃算法，設計數據鏈網絡的連接與互通關系，使所有作戰單元都可以直接或通過中繼站、網關與其他數據鏈裝備相互通信；并通過信息鏈路選擇、傳輸帶寬以及鏈間轉發等傳輸控制，充分合理利用信道資源，實現數據鏈系統傳輸時延最小、可靠性最高。數據鏈網絡最優規劃采用的技術包括：多任務協同與規劃技術、數據鏈多鏈路規劃技術、數據鏈傳輸控制技術、信道資源最優配置技術。

4.3 數據鏈抗干擾技術

現行數據鏈抗干擾手段主要有直接序列擴頻技術、跳頻技術、混合擴跳頻技術、自適應天線技術等［16-17］，擴跳頻信號特征固定（如跳頻脈沖間隔和脈沖持續時間等）且缺少變化，通信抗干擾能力較弱，故易被敵偵收或干擾。為了提高數據鏈抗干擾能力，需要采用干擾感知與識別技術、基于認知的智能抗干擾技術等新技術。

1）多域聯合抗干擾技術。多域聯合抗干擾是指綜合運用了時域、頻域、碼域和空域等信號處理手段，構造了低檢測、低偵收、低截獲和抗干擾無線傳輸信號，實現了多維特征聯合捷變。文獻［17］提出了一種基于多維特征聯合捷變的數據鏈抗干擾方法，該方法采用了于變時寬構架的預編碼窄帶直擴/跳頻技術，綜合運用了碼、直擴、跳頻及變時手段，實現了時域、頻域和碼域特征的聯合捷變；同時結合基于差分空時分組編碼的跳頻技術，引入多天線MIMO 技術，提高通信系統容量和頻譜利用率，結合空時編碼技術，同時獲得空間、時間分集和編碼增益，大幅提升抗干擾能力。

2）基于認知的智能抗干擾技術。基于認知的智能抗干擾通過采用干擾檢測、干擾模式識別以及機器學習方法，對電磁環境進行感知，并采用智能抗干擾決策算法，自適應選取最佳抗干擾技術與方式，大幅提高系統的抗干擾能力和頻譜利用率，實現復雜電磁干擾環境下高可靠的信息傳輸。文獻［18］提出基于發送-感知- 接收（T-S-R）工作模式的同時收發認知抗干擾（SCAJ）技術，通過在感知/接收周期內動態分配感知、接收時隙而實現實時抗干擾；文獻［19］提出一種基于馬可夫決策流程（MDP）法的認知抗干擾方法；文獻［20］提出基于分布式概率協議的干擾對消方法，它將分布式、概率協議引入頻譜配對的網絡中，使得每個節點可以動態地發現匹配的目標并在一個隨機可用的頻率上實現同步。基于認知的智能抗干擾相關的技術有：基于能量檢測的干擾感知技術、機器學習與智能決策技術、基于馬可夫決策流程法的認知抗干擾技術、基于分布式概率協議的干擾對消技術等。

4.4 數據鏈抗截獲技術

數據鏈通信過程中易被敵方偵測，可能造成通信信號被敵方干擾、截獲，甚至導致武器裝備被定位、攔截。隨著電子對抗技術的發展，對武器裝備通信安全性提出了更高的要求，需要數據鏈具備強抗截獲能力。

數據鏈抗截獲技術是通過在時域、頻域、能量域、空域、變換域對數據鏈傳輸信號進行控制、處理，或其他抗截獲技術手段，使傳輸信號難以被截獲，實現高安全信號傳輸。現行的抗截獲方法主要有：在時域上采用猝發跳時通信，在頻域上采用擴頻、跳頻、混合擴跳頻技術，在空域上采用波束控制、多入多出（MIMO）天線技術，在能量域上采用自適應功率控制技術，在變換域上采用加權類分數階傅里葉變換（WFRFT）。

目前，單一的抗截獲技術已難以滿足作戰應用的需求，需要綜合采用多域抗截獲技術。文獻［21］提出了一種采用加權類分數階傅里葉變換（WFRFT）與MIMO 技術相結合的衛星抗截獲通信方法，通過多層WFRFT 調制，提高抗截獲能力。低截獲信號傳輸技術采用的技術主要有：猝發隱蔽通信技術、混合擴跳頻技術、波束控制技術、自適用功率控制技術、基于加權類分數階傅里葉變換的信號處理技術等。

4.5 數據鏈信息融合技術

隨著作戰模式向體系對抗轉變以及信息技術的發展，參與作戰的信息化武器裝備越來越多，傳遞的戰術信息種類也越來越多，需傳輸的原始數據量成倍增長，如果不進行信息融合處理，在相同的傳輸帶寬條件下會增加系統傳輸時延，影響作戰響應。并且對分布式協同作戰，各作戰單元傳感器只能獲得部分戰術信息，必須進行信息融合處理，才能有效利用信息。

數據鏈信息融合技術是指通過采用信息加工處理、信息對比分析、信息深度挖掘、多源信息合成、目標信息識別等技術手段，對從多途徑（傳感器、知識庫、專家庫）、多傳感器得到的戰術信息進行融合處理［22］，剔除無關的或重復冗余的信息，獲得精確的、高信息含量的有用信息，增強了目標識別、抗干擾、打擊精度以及戰術決策能力；同時，降低了信息傳輸開銷，減少系統傳輸時延。隨著新信息技術發展，產生了基于云計算的數據鏈信息融合技術，該技術采用分布式云計算與大數據分析手段，對來自“云端”各作戰單元的多源信息進行融合處理，生成高價值的戰術信息。2013 年，美空軍提出“作戰云”的概念，并提出基于云計算的戰場信息跨域融合［23］。數據鏈信息融合相關的技術主要有：實時多源信息處理技術、大數據分析與信息挖掘、基于云計算的多源信息融合技術等。

5 結論

為適應未來體系化、多域化、一體化、分布式協同作戰需求，武器協同數據鏈向全球覆蓋、彈性可重構、低時延高動態組網網絡、強抗干擾、高抗截獲、智能化方向發展。需要深入開展數據鏈彈性可重構及異構通信、大規模低時延高動態組網、基于認知的智能抗干擾、低截獲信號傳輸、數據鏈多源信息融合等關鍵技術研究，更好地支持全球跨域協同作戰、網電一體化協調作戰、分布式協同作戰等新型協同作戰。