弹载数据链技术与运用

赵国宏 武应华 詹平 黄河

1.复杂飞行器系统仿真重点实验室北京100094

导弹武器射程远、速度快、精度高、威力大的优势,使之成为现代战争的“敲门砖”、“保护伞”和“定音锤”,导弹战已经成为现代战争的主要作战样式,呈现出“无导不成战”的特征.随着战争形态向信息化、智能化发展,导弹武器全程入网、全时可控的作战需求,使得弹载数据链成为导弹武器的基本配置,加速了导弹武器装备发展呈现出“无链不成导” 的趋势.本文重点对弹载数据链的概念、体系、技术和运用进行分析研究.

1 弹载数据链的基本概念

1.1 数据链

数据链是一种嵌入传感器平台、指挥控制平台和武器平台,按照规定的协议,实时自动传输处理战场情报、作战指令、控制信息等格式化信息(称为消息)的战术信息系统.

与通信系统相比较,数据链是“特快专递”:“特”是指数据链系统面向特定的作战应用,而通信系统具有通用性;“快”是指数据链以传递实时信息为主;“专”是指数据链有专门的协议,如传输协议、消息协议等;“递”是指数据链不仅要快速传输信息,还要自动处理信息,完成相应的战术功能,实现与控制对象的深度铰链.如图1所示.可见,数据链是传感器平台、指挥控制平台和武器平台铰链的纽带[1].

图1 数据链与相关系统的关系

1.2 弹载数据链

弹载数据链指嵌入导弹武器平台,将武器平台与天基信息系统、地面控制与保障系统等联为一体,自动接收处理侦察探测、威胁告警、导航定位、目标指示、武器测控等实时信息,实现导弹武器探测、识别、制导、打击、评估一体的专用战术信息系统.

本文所述弹载数据链,一是重点指安装于导弹武器平台的数据链,不包含炮弹、炸弹等弹药;二是重点指用于发射后飞行中导弹武器控制的数据链,不包含发射前指挥系统对地面机动、测试、待发状态的导弹武器实施指挥监控的数据链.

2 弹载数据链的功能与特点

2.1 主要功能

弹载数据链的功能可以概括为“五控一察”等6个主要方面:一是指控,即指控站向飞行中的导弹武器发送指令;二是发控,即向飞行中的导弹武器在线装订诸元参数;三是测控,即飞行中导弹武器向地面回传飞行时间、进程、状态、参数等遥测信息;四是安控,当导弹武器失控或任务取消时,向导弹武器发送自毁信息;五是飞控,特指对导弹武器实施“人在回路”闭环制导控制.六是侦察,即将弹上传感器获取的信号或图像等探测信息回传到指控站.

2.2 技术特点

同其他平台数据链相比较,弹载数据链具有以下特点:

1)射程远,衰减大,超视距传输难.导弹武器射程最远成千上万公里,视距传输时,存在信号强衰减,超视距传输时,受地球曲率影响,造成无法通视.为实现远距离通信波束覆盖,需要有天、空、地平台进行中继.

2)速度快,动态高,快速建链难.巡航导弹最低速度0.6 Ma 左右,弹道导弹最高达20 Ma;另外存在10 g ～40 g 的大过载,造成最多达几十千赫兹的多普勒频移,使得信号捕获建链和信号稳定锁定难,需进行多普勒补偿.

3)姿态多,变化快,稳定通信难.巡航导弹飞行中存在拉起俯冲等动作,弹道导弹存在变轨机动、俯仰偏航、滚动旋转等动作,弹上天线波束对准控制和稳定通信难.

4)空间小,环境恶,适配防护难.弹载端机安装空间十分有限,需要在不影响导弹动力特性前提下,解决数据链设备小型化、电磁兼容和接口适配等问题.另外,导弹在高速飞行中由于反复烧蚀,依速度不同,可能面临700°～3 000°的高温环境.

5)带宽窄,速率低,大容量传输难.采用卫星中继时,由于带宽受限,帧频可能低至每秒2 帧以下,多弹组网和传输大容量图像信息时,传输速度和图像质量可能难以满足作战需求.

3 弹载数据链的地位作用

导弹武器加装弹载数据链以后,实现了导弹武器“飞多远,控多远”,创新了作战模式,提升了作战效能,提高了作战运用的灵活性.

3.1 改变导弹传统作战模式的创新装备

现代战争是体系与体系的对抗,作战环境瞬息万变是重要的特征.传统的导弹武器基于射前情报、事先规划和预先装订的数据作战,发射后不可管不可控,战场适应性差.数据链构建起传感器、指控站与导弹武器实时信息交换网络,为武器实时控制提供了现实手段,实现了“因敌而变、因己而变、因环境而变”,极大丰富了导弹武器作战样式.例如,战斧IV 巡航导弹装备卫星双向数据链后,既可以在飞行中更换打击目标,还可以预装多个目标实施“点菜”式打击;既可以在战场上空盘旋听令实施“巡飞打击”,还可以通过传感器平台或侦察兵实施“引导打击”、“召唤打击”;既可以对移动目标实施追踪式打击,还可以采取“人在回路(Man In The Loop,MITL)”的方式实现“指哪打哪”,实现了打击目标在线变更,真正实现了火力机动.

3.2 提高导弹武器作战效能的关键装备

弹载数据链的应用,极大地提高了导弹武器的快速反应、精确打击、有效突防、实时侦察、打击目标的适应性以及打击时间敏感目标等能力.

一是提高快速反应能力.美军战斧I 采用地形匹配制导,任务规划时间长达3 d(1991年海湾战争中),战斧II 采用景象匹配制导,任务规划时间101 min(1999年科索沃战争中),战斧III 引入卫星制导,任务规划时间缩短到19 min (2001年阿富汗战争中),战斧IV 采用基于数据链的制导模式,减少了规划约束条件,缩短了规划时间,任务规划时间只有6 min(2003年伊拉克战争的)[2].另外,由于巡航导弹飞行较慢,1 500 km 航程需要2 h ～3 h,如要实现美军10 min 内摧毁目标战术思想,必须运用数据链技术,将导弹提前发射,在导弹飞行过程中实时接受控制.

二是提高精确打击能力.以巡航导弹为例,采取景象匹配末制导方式,要求在目标周围一定范围内必须具有若干满足匹配约束条件的景象匹配区,这使得导弹的打击能力受制于打击目标区域地形地貌的限制,攻击方向也受制于景象匹配区的分布特征,精度提高存在“天花板”.同时,导弹的命中精度还受制于景象匹配定位精度,对匹配图的要求很高,很多时候难以保障.通过弹载数据链,采用“人在回路”方式进行末制导是解决这一问题的有效途径.

三是提高打击目标的适应性.精确制导武器多采取基于自动目标识别(Automatic Target Recognition,ATR)的寻的制导模式,对目标实施精确打击.但是,ATR 技术在复杂战场环境下,打击目标种类和时机可能受限.例如,背景复杂的目标(如建筑物群)、实施了一定的隐蔽伪装的目标(加装伪装网)、实施电子干扰的目标(对特定导引头实施针对性压制或欺骗干扰)、受到自然环境干扰的目标(周边植被树木环绕)、受即时战场影响的目标(如前一轮攻击过后形成烟幕遮蔽,或者外形轮廓残缺)、不可见目标(地下、半地下目标)、不规则的复杂目标等等.引入基于数据链的“人在回路”制导方式后,可以充分利用人类超强的模式识别能力,实现复杂目标“看着打”.另外,人在回路可适应爬升、下滑、水平、跃起俯冲等攻击方式;“人在回路” 可在一定程度上降低目标定位精度;“人在回路” 比自动目标识别环境适应能力更强.

四是提高战场感知能力.通过弹载数据链,导弹武器不必增加新的侦察载荷,就可利用导弹自身的传感器(如导引头)进行全程、连续、实时的战场监视,为快速决策提供依据;可以实施快速打击效果侦察,既可防止过杀,还可为后续任务规划和毁伤效果评估提供精确依据;巡航导弹射程远,飞行时间长,可在巡航过程中,对敏感区域实施绕飞侦察,实现了察打一体.

五是提高有效突防能力.通过弹载数据链,可以根据最新威胁情报,变更飞行航迹,规避敌方防空区域;可在飞行过程中及时回传实时侦获的敌方反导雷达参数,快速计算装订最新突防装置参数,提高了突防对抗的针对性和有效性.

六是提高时敏目标打击能力.导弹武器作为速度最快的武器,在打击远距离时敏目标时,仍然需要一定的时间,特别是巡航导弹,飞行时间更长,对于一些时间敏感目标,由于战机稍纵即逝,必须做到“发现即摧毁”;另外,采用景象匹配的末制导方式只能对固定目标进行坐标攻击,对移动目标缺乏打击能力.提高打击时间敏感目标,特别是移动目标能力,必须让导弹飞行和目标侦察过程同时进行,导弹在目标区域隐蔽飞行,指控站快速更新飞行航迹数据或目标数据,并快速发送到弹上.这样,一旦发现目标,导弹马上可以实施精确打击.这一过程需要大量传输信息,弹载数据链是一个必不可少的手段.

3.3 最复杂困难条件下作战的保底装备

从机械化、信息化到智能化,无论战争形态如何演变,核武器的战略威慑和决定性作用不会改变.战时,在卫星等战略通信资源被毁,空中、地面应急指挥机构失能等极端条件下,可发挥导弹阵地隐蔽,导弹平台覆盖范围大、飞行速度快的特点,将导弹武器作为最低限度指挥平台,实施国土全境大范围快速自动化指挥控制.这种保底指挥控制方式需要事先制定作战规则和作战方案,并建立感知平台、发射指控站和导弹武器之间的自动化链路,确保在无人干预或少量干预的条件下实施可靠反击,弹载数据链正是支撑这一功能的基础手段.冷战期间,美俄均研发部署这种应急指挥导弹.当前,俄罗斯仍然保留了这一手段[5],这也成为俄罗斯战略威慑的利器之一.

3.4 导弹集群作战的支撑装备

导弹集群作战是未来智能化战争的主要样式.通过多枚导弹组成的弹群协同探测、协同制导、协同突防、协同攻击,可有效提高复杂战场环境下的目标识别、精确制导、有效突防、综合毁伤等能力.为实现这一模式,群弹之间、弹地之间需要频繁进行信息交互,并按照作战规则实施协同作战,弹载数据链正是构建飞行中导弹战斗云的基础和支撑装备[3].

3.5 构建导弹武器信息闭环的核心装备

有人认为,作战体系进入网络中心时代,数据链的地位作用将明显下降,甚至已经过时.实际上,一方面,数据链是网络信息体系的基础和重要组成部分,另一方面,网络化数据链正是数据链的发展方向.

美军网络中心战体系中,将联合信息网络区分为3 个层次,即联合计划网(Joint Planning Network,JPN)、联合数据网(Joint Data Network,JDN)和综合跟踪网(Joint Composite Tracking Network,JCTN)[4],分别服务于指挥决策、行动指挥和武器控制.其中,战术数据链是联合数据网和综合跟踪网的主要装备,而武器数据链则是综合跟踪网核心的主要装备.如图2所示.

图2 网络中心战中的联合信息网络

联合计划网属于战略战役层面,应用于联合作战中以作战筹划为核心的相关信息(如战略情报、方案计划、战备状态等)交换,主要基于高速宽带大容量的IP 网络,允许信息传输存在适当的延时.利用联合计划网可以生成共用作战图(Comman Operational Picture,COP).

联合数据网属于战术层面,应用于参战部队战术情报共享和作战行动指挥控制,要求信息及时更新.利用联合数据网可以形成共用战术图(Comman Tactical Picture,CTP),使各参战部队共享情报信息资源.主要基于战术数据链,如联合战术信息分发系统(Joint Tactical Information Distribution System,JTIDS)和战术数字信息链(Tactical Digital Information Links,TADIL),包括TADIL A/B(Link-11)、TADIL C(Link-4A)、TADIL J(Link-16)等.

综合跟踪网属于平台层面,应用于武器控制,它将传感器、指控站、武器平台和弹药链接成网络,实时共享数据,进行火力控制,形成协同作战能力.综合跟踪网对传输控制的实时性要求最高,支持生成战区单一综合态势图像(Single Integrated Awareness Picture,SIAP).综合跟踪网主要基于武器数据链,如协同交战能力(Cooperative Engagement Capability,CEC)、战术目标定位网络技术(Tactical Targeting Network Technology,TTNT)等.

可见,数据链是网络信息体系中必不可少的重要组成部分,是指挥平台、传感器平台、武器平台融合的纽带,更是武器平台入网的基本手段.弹载数据链使得导弹成为网络信息体系中的有机节点,真正实现了从“传感器”到“射手”的有机交联,构建起“侦察定位指控打击评估”的实时信息闭环.

4 弹载数据链技术参考模型

技术参考模型(Technical Reference Model,TRM)定义了信息系统中的公共服务及其接口关系的集合,目的是实现信息系统之间的互通互联互操作,并增强系统的可移植性和可伸缩性,同时,技术参考模型也为信息系统标准规范的制定提供了基本架构和约束[6].

典型信息系统的技术参考模型包括[7]:一是国际标准化组织(International Standardization Organization,ISO)的开放系统互联参考模型(Open System Interconnect,OSI),包括应用层、表述层、会话层、传输层、网络层、链路层、物理层等7 层,并规定各层之间的接口关系;二是因特网通信系统中的TCP/IP协议栈,包括应用层、传输层、网络层、链路层、物理层等5 层,并规定各层之间的接口关系.但是,上述分层架构主要应用于以系统集成为主的、面向用户互联组网的信息系统中,为满足数据链系统“特快专递”的要求,特别是弹载数据链的特点,需要对技术参考模型进行优化.

本文提出一种“三层结构三类接口”的弹载数据链最简技术参考模型,描述其最简的功能层次和接口关系,如图3所示.

4.1 三层结构

将OSI 七层协议压缩为三层.一是物理层不变,对应弹载数据链传输信道,封装了各种无线信道模型.二是根据数据链的原理,跨越了中间的网络层和传输层,直接从链路层构建端到端的直达链路,形成建链层,对应弹载数据链端机,封装了调制解调模型、地址管理模型、接口控制模型等.其中省略了TCP/UDP、IP 等各种报头的层层封装,只需封装MAC 地址,尽可能一跳到达,从而将消息直接递交到平台.三是将应用层、表述层、会话层合并为应用层,实现从转换处理向嵌入控制拓展,对应弹载数据链的战术数据系统(Tactical Data System,TDS),封装了地址映射模型、消息转换模型、数据处理模型、消息处理模型等;战术平台则封装了与弹载数据链关联的传感器模型、指挥控制平台模型和武器平台模型.这是一种最简参考模型,为实现层次扁平化、接口嵌入化、处理自动化奠定了基础.

弹载数据链在多数据链互联应用场景下,则需要进行链间转换,即利用网关方式而不是网络层互联方式来完成.为保证实时性,中继节点一般仅进行简单的消息过滤和按规则进行消息直接转发.

图3 弹载数据链技术参考模型

弹载数据链是典型的单子网结构,从卫星一跳到达各个导弹的MAC 地址,即频点地址码或平台标识号.在多子网的情况下,则需要进行链间消息转换并自动送达武器平台.

4.2 3 类接口

围绕消息传输、处理和控制,基于上述三层结构,将接口区分为从物理层到建链层的信号接口、从建链层到应用层的消息接口、从应用层到平台层的控制接口3 类;

1)控制接口.控制接口是数据链与应用系统之间的界面.通过此接口明确数据链的边界条件及信息类型.接口形式取决于具体的应用系统,例如LAN接口、1553B 接口等.

2)消息接口.消息接口是应用层与建链层之间的界面.逻辑接口要求遵从消息格式交换标准,物理接口有串行及并行等形式,如RS-232 接口、RS-422接口、LAN 接口、1553B 接口等.

3)信号接口.信号接口是建链层与物理层之间的界面.此类接口一般传送基带调制模拟信号.如果调制/解调器功能在物理层实现,则信号接口可透明传送二进制数据流.接口的物理形式包括模拟接口或同步数字接口等.

5 弹载数据链发展历程

本文提出一种弹载数据链划代方法.弹载数据链的研制始于20世纪五六十年代,经过60 多年的发展,经历了从视距向超视距、从单弹引导向多弹协同、从专用向通用的发展历程.

第1 代:视距弹载数据链.始于20世纪80年代,典型代表是AN/AXQ-14 数据链,由休斯公司研制,主要用于F-15、F-16、F-111 等作战飞机引导控制机载精确制导武器或航空炸弹如GBU-15[8].这是一种双向L 波段数据链,武器控制人员可以通过其向武器发送指令,接收武器传感器获取的侦察情报.该数据链作用距离为视距.

第2 代:超视距弹载数据链.始于21世纪初,典型代表是战斧巡航导弹卫星数据链,由雷神公司研制,装备在战斧IV(也称战术战斧)巡航导弹.是一种双向UHF 数据链,实现了对飞行中导弹武器的“人在回路”控制,利用中继卫星进行传输,该数据链作用距离达上千公里以上[9].

第3 代:弹间协同数据链.虽然在报道中该数据链出现在20世纪80年代初,但前苏联研制的反舰导弹协同数据链无疑是这类数据链的典型代表[10],而且目前仍在俄罗斯海军水面、水下舰艇装备的反舰导弹中广泛使用,其最早装备在“花岗岩”(P-700)反舰导弹上,通过弹间数据链可在空中构成一个飞行中反舰导弹攻击网络群,开创了导弹协同攻击作战的新模式[11].

第4 代:通用多用途智能化弹载数据链.2003年开始,美国空军委托罗克韦尔·斯克林公司开始实施“女妖(Banshee)” 计划,即开展“武器数据链体系结构(Weapon Datalink Architecture,WDLA)” 计划[12],采用符合美军“联合战术无线电系统(Joint Tactical Radio System,JTRS)” 规范的“软件通信结构(Software Communication Architecture,SCA)”,开发用于精确制导武器的网络化飞行中通信系统,其可变的体系架构能够满足美军现有和未来各种导弹武器协同组网以及智能化作战要求,支持打击时间敏感目标和移动目标时所需的机器到机器的目标识别、瞄准定位、任务分配和毁伤评估.洛克希德·马丁公司最新研制的(Long Range Anti-Ship Missile,LRASM)智能远程反舰导弹安装了美国卫讯公司(ViaSat)研制的L 波段弹载数据链[13],正是基于这种技术框架,实现了LRASM 导弹弹群之间战术数据交换和信息共享,提高了编队目标探测能力和覆盖范围,为精确打击时间敏感目标起到了关键性的作用.

6 弹载数据链关键技术

弹载数据链的关键技术可以按照可靠性、可信性、交链性的视角分为3 类,如图4所示.

6.1 可靠性类技术

重点解决在高动态、高过载、多姿态的导弹平台上如何实现可靠信息传输与处理,在大地域范围内如何利用多种类中继平台建立畅通的无线通信链路,以及超视距情况下的大容量数据可靠传输问题.主要关键技术包括高动态条件下调制解调、纠错编码、多普勒频偏校正等信息传输技术;弹载传感器信息处理、数据链目标时空信息配准等信息处理技术;弹载相控阵天线技术、电扫描微带弹载天线等.

6.2 可信性类技术

重点解决在复杂电磁环境下,如何能够保证导弹进入目标区域仍能实现与指挥控制中心或其他协同平台的可信通信,这就要求通信链路必需具备很强的抗干扰与抗截获能力.针对弹载数据链通信特点和技术体制,主要研究扩频、跳频、时域和频域及空域自适应调零滤波等抗干扰技术、安全保密抗截获技术等.

6.3 交链性类技术

图4 弹载数据链关键技术

重点解决如何根据导弹空间约束与外形特点,解决数据链端机轻型小型、低功耗,如何在小空间约束下完成高密度功能集成、如何解决并利用共形天线,如何实现导弹平台与指挥控制系统的紧密交链.主要关键技术包括小型化弹载数据链端机技术、多频段弹载共形天线技术、统一消息格式设计技术、专用通信协议设计与实现技术、弹间协同组网技术等.

7 弹载数据链作战运用

导弹飞行状态监控、打击目标变更、打击效果侦察、巡飞打击、“人在回路”控制、打击时间敏感目标等作战模式已在前文进行了描述,本节重点描述群弹协同作战模式.

7.1 协同光学探测模式

这种模式是指多个导弹利用各自的光学传感器,基于弹载数据链进行目标协同探测.主要特点一是可以利用多弹分布的位置优势扩大目标搜索区域,提高目标发现概率;二是多弹协同可以形成运动目标的等效凝视功能;三是更好适应地理、气象、对抗等复杂战场环境.协同策略和流程如图5所示.

图5 协同光学探测策略

7.2 协同电子探测策略

这种模式是指多个导弹利用各自的电子传感器,基于弹载数据链进行目标协同探测跟踪.主要特点一是可提高信号截获概率;二是可等效多次测量同一信号,提高测频精度;三是可形成等效多点定位,提高目标定位精度.协同策略和流程如图6所示.

7.3 协同诱骗突防策略

传统导弹武器主要是按预先设定的突防程序释放诱饵.通过弹载数据链,可以根据即时战场环境,在线确定释放诱饵时机和方式,提高导弹突防的针对性和有效性.协同策略和流程如图7所示.

7.4 协同规避突防协同策略

这种模式是指在获知敌方反导系统的部署和性能时,可以通过弹载数据链通知各导弹实施规避行动,主要方式一是通过协同避开敌反导雷达探测范围;二是保持静默增大敌反导系统探测难度.协同策略和流程如图8所示.

7.5 多发导弹不同体制制导协同策略

这种模式是指弹群中各导弹采用不同体制的探测设备(如可见光、红外、雷达等),基于弹载数据链进行协同制导.主要特点可以共享不同体制导引头的探测信息,提高导弹武器制导系统可靠性.协同策略和流程如图9所示.

7.6 多发导弹相同体制制导协同策略

这种模式是指弹群中各导弹采用相同体制的探测设备,基于弹载数据链进行协同制导.主要方式是通过数据链,共享相同体制导引头的探测信息,导弹编队可实施间歇照射,以提高战场环境适应能力.协同策略和流程如图10所示.

图6 协同电子探测策略

图7 协同诱骗突防策略

图8 协同归避突防协同策略

图9 多发导弹不同体制制导协同策略

图10 多发导弹相同体制制导协同策略

图11 单目标打击协同策略

7.7 单目标打击协同策略

这种模式是指多枚导弹协同完成单一目标的打击任务.主要方式是不同分工的导弹武器,基于数据链,共享目标探测信息,分别完成定位、识别、干扰、打击等作战任务.协同策略和流程如图11所示.

7.8 多目标打击协同策略

这种模式是指多个导弹协同完成多个目标的打击任务.主要方式是完成第一目标打击后,基于数据链,完成后续目标的定位、识别、干扰、打击等作战任务.协同策略和流程如图12所示.

8 结论

随着导弹技术的创新发展,导弹武器从打击地面目标向打击陆海空天电网全域目标拓展,飞行空间由空天向跨多介质拓展,弹道航迹由末段机动向全程机动拓展,飞行速度由亚音速向高超声速拓展,对弹载数据链提出了新的更高的要求.与此同时,随着云计算、物联网、大数据、人工智能等技术的不断成熟落地[14]以及区块链[15]等新技术的涌现,为弹载数据链的发展注入了新的活力,网络化、智能化、通用化成为其技术发展趋势.需求牵引与技术推动的“双引擎”在不断提升弹载数据链对导弹武器作战的体系贡献率的同时,还将不断催生出新的作战样式,使其成为新军事革命必不可少的“助推器”.

图12 多目标打击协同策略