TDMA卫星通信的发展及其作战指挥应用研究∗

（中国船舶重工集团公司第七0九研究所 武汉 430205）

1 引言

作战指挥是指根据战场环境收集的各类探测信息，综合集成形成一致的态势信息，由指挥员对态势信息进行分析、指挥决策，协调战场环境下所属兵力及武器资源，指挥战场各节点进行协同作战［1］。随着军事领域装备性能的不断提升，现代战场环境的作战半径不断延伸，作战指挥对广域战场的态势共享、远程指挥决策及系统协同作战提出了更高的要求，需构建“空海一体战”的网络体系来支撑作战需求［2］。TDMA卫星通信具备通信距离远、信号稳定传输、组网灵活等特点，应用在作战指挥领域，能为各节点提供宽带高速的信息传输保障，提高作战指挥能力，能适应于未来的广域战场环境作战要求。

2 TDMA卫星通信体制现状分析

2.1 TDMA卫星通信概述

卫星通信主要是利用地球卫星中继通信站的中继功能，实现卫星天线波束覆盖范围内的地球通信站之间的远距离无线通信［3］。卫星通信链路包含上行链路、下行链路及卫星中继站三个部分，其中上行链路指地面发送站至通信卫星，下行链路指通信卫星至地面接收站，卫星中继站负责上行链路信息向下行链路发送的转换处理［4］，卫星通信示意图如图1所示。

与其他通信方式相比，卫星通信的优势主要包括：

1）远距离通信，在天线波束覆盖范围内可实现通信；

2）多址连接，实现组播/广播方式通信；

3）通信信道传输数据信息可靠性高；

4）组网灵活，根据组网需要构建不同的网络体系；

5）支持大容量信息的稳定传输。

图1 卫星通信示意图

卫星通信根据多址连接方式、基带信号类型、调制方式等差异，形成了多种不同的卫星通信体制，包括TDMA、FDMA等。TDMA（时分多址连接）卫星通信方式提供了一种基于时间分配网络资源的方法，为网内成员分配时隙来协同各节点进行数据的传输［5］。TDMA卫星通信的信道利用率高，信道质量好，适合于组建多址通信网络，保障节点间的远距离通信传输［6］。

2.2 TDMA通信体制卫星战术数据链现状

目前国外TDMA通信体制卫星数据链在数据链距离扩展方面取得了研究成果并应用在军事等领域，包括英国研制的卫星战术数据链（STDL）［7］和美国研制的联合距离扩展（JRE）［8］。

1）卫星战术数据链（STDL）

卫星战术数据链（STDL）采用点对点的SHF卫星通信方式，扩展了数据链的通信距离。STDL采用TDMA通信体制，每一时帧包含32个时隙，通信速率为19.2kb/s，属于近实时的战术数据链。

STDL数据传输包含三种工作方式，分别是组网模式、广播模式及群链路模式。组网模式下，加入网络的各节点均支持使用Link16的消息格式来互通数据；广播模式下，配置单元向所有网内成员发送信息，在远程预警探测信息的分发等作战样式中广泛运用；群链路模式下，通过STDL将不同作战区域的多个网络之间建立连接，支持跨体制的数据链网络。

2）联合距离扩展（JRE）

视距数据链由于受到通信距离的限制，通常采用中继节点来扩展消息的保障范围，有效传输距离大约在350km左右。由于通过中继与非视距单元进行通信，占用的网络时隙资源较多，美军结合海空军联合作战的需求提出了联合距离扩展的方案。JRE相当于通信的“网关”，支持UHF/SHF频段卫星通信方式以及基于TDMA的组播协议，通过将作战区域的信息通过不同传输媒介进行发送，从而构建适合作战指挥的广域网络体系。

在卫星通信数据链的应用方面，美国、英国已在军事领域形成体系化作战能力，走在世界前列。

3 TDMA卫星通信组网流程

TDMA卫星通信支持多点对多点进行数据传输的机制，与点对点的数据链主要区别在于不依赖于某一个关键节点，提高了信息传输的可靠性，但同时对组网的流程提出了更高的要求。TDMA卫星通信的组网流程主要包括网络资源的需求分析、网络规划设计及网络资源分配三个方面。

图2 TDMA卫星通信的组网流程

3.1 网络资源需求分析

TDMA网络在逻辑上由多个网络参与群（NPG）组成，时隙的分配划分以网络参与群作为初始单元。网络参与群中各网络成员的网络吞吐量和对数据的延时要求，影响时隙分配的情况。可以使用网络通信矩阵来表示网络吞吐量、数据延时要求、收发规则与时隙分配的关系［9］。

其中，延时要求是指网络成员的消息，从源端有效输出后，最终经过天线以无线方式发射到网络中为止的时延时间。

3.2 网络规划设计

TDMA卫星通信网络在进行成员组网前，需确定TDMA组网所需站点、网络成员、链路工作模式、网络成员的优先级及收发规则等信息［9］。同时，按照任务对网络的要求，确定网络参与群的划分，将网络各成员纳入到相应的网络参与群。在网络成员距离较远无法实现直接通信的情况下，在网络规划中要指派中继节点来保障网络的通信范围。在明确了网络的责任指派，将网络参数信息加载到终端设备后，需要进行系统的定时及入网的同步［10］，为TDMA网络成员分配带宽进行数据的通信。

表1 网络通信矩阵

1）系统定时

系统定时指TDMA网络建立系统的基准时间，网络各成员依据基准时间来确定信息的精确发射时间。通常将TDMA网络中的其中一个地面站设置为时间基准主站，并向网络中发送基准分帧信息，其他地面站接收到基准分帧信息后，在延时范围Td内进行数据分帧信息的发送，保障卫星转发器的接收周期同步。同时，由于TDMA网络地面站和卫星转发器之间的距离存在动态变化的关系，影响信号传递的时间，所以需要时间基准主站不断调整基准分帧信息的发送时间，确保卫星转发器处于周期同步的状态。

2）入网的同步

TDMA系统入网的同步包含分帧的起始捕获和分帧的同步两个方面。

（1）分帧的起始捕获是指TDMA地面站终端设备开始发送数据信息时，使数据发送的时刻在规划的时隙范围内，避免干扰到其他信号分帧。分帧的起始捕获一般流程如下。

①TDMA卫星通信地面站在发送数据分帧前，根据卫星转发器的位置-时间关系，完成本站报头信息的初始化；

②根据地面站与TDMA基准站的帧内关系来调整报头的发送时间，通常将发送时间设置在规划时隙范围的中间部分。

（2）分帧的同步在分帧的起始捕获完成之后，是指对发送的数据分帧进行定时控制，保证分帧稳定在规划的时隙范围内，避免出现分帧的交叉重叠情况。分帧的同步维持了分帧间正确的时间关系，保证了数据信息的稳定发送，目前有很多成熟的技术方案，其中最常用的是分帧闭环同步方案。这种方案通过比较卫星转发器基准分帧与卫星转发器发回本站分帧的特别码，计算出误差值，地面站依据误差信息逐步调整发射时间，从而减少误差，使得TDMA卫星地面站发送分帧与基准分帧保持同步。

3.3 时隙资源再分配

TDMA网络成员之间可以实现信号的高效传输，当网络成员发生变更时，需要考虑网络资源的再分配，也就是时隙帧的分配。假设这时的TDMA网络成员有N个，总时隙是T，根据这N个成员的输入负载I和吞吐率C，确定出权重k。考虑时隙的冗余η，具体每个TDMA终端的时隙分配结果可采取如下方式所示：

其中i表示终端号1，2，…，N；ki表示终端i的权重；Ii表示终端i的负载；Ci表示终端i的吞吐率；ti表示终端i的分配时隙。

时隙资源的再分配主要包括静态分配及动态分配两种方式［11］。

1）在静态分配模式下，通过对时隙利用率及网络吞吐量进行分析，若出现成员时隙利用率过低或网络吞吐量超过负载等情况，则会通知网络规划人员，为网络成员重新分配时隙；

2）在动态分配模式下，网络成员依据当前的网络吞吐量来自动测算所需的时隙，并向网络主站主动请求时隙的分配。动态分配模式的实现相对较复杂，但能有效提高时隙的利用率，提升网络性能。

4 TDMA卫星通信网在作战指挥中的应用构想

以英国卫星战术数据链STDL作为示例，通过以海上远程对空指挥、协同打击作为构想的应用场景，分析英国利用卫星通信在海上多舰艇间进行远程作战指挥的应用。对空指挥进行协同打击的任务场景如图3所示，作战要素包含了陆、海、空、天四个方面，前出的作战水面舰艇与前出的作战飞机通过数据链模式建立链路连接，同时，前出的作战水面舰艇加入卫星网络，担负数据链数据的转发职责。

图3 海上远程对空指挥、协同打击构想应用场景

由于协同打击任务的实施距离指挥舰较远，且可能处在中低空高度，考虑地球曲率影响的情况下，前出作战飞机无法通过数据链与海上指挥舰建立直接联系，需由前出的作战水面舰艇担任中继实施指挥引导。当前出作战飞机的机载雷达探测到敌情信息后，机载指挥系统将探测信息通过数据链发送到前出的作战水面舰艇，舰载端通过卫星信道设备将数据链的各类接收数据转发至指挥舰。指挥舰对接收的态势进行统一分析、识别，并做出指挥决策命令，通过卫星信道设备将指挥决策命令发送到前出作战水面舰载端，水面舰载端对数据进行分析后组织需转发的数据，将指挥决策信息发送至实施作战任务的作战飞机。海上远程对空指挥、协同打击过程分为以下几个阶段。

1）通信组网：参与作战任务的战场各节点在统一的网络规划下建立数据链通道，此场景下使用卫星通信及数据链两种模式。担负中继转发任务的节点通过卫星通信网与指挥舰建立链路连接，同时，通过数据链获取前出的远距离作战飞机定位信息，建立兵力的全局态势信息。

2）侦察探测：依据协同打击的任务要求，由指挥舰组织待战飞机前出重点区域，进行侦察探测。前出作战飞机作为探测节点，将探测的敌情信息通过数据链发送到水面中继节点，并通过卫星通信网承载将数据链数据传递到指挥舰进行处理。指挥舰依据前出作战飞机的探测信息，识别出目标的位置及身份信息，形成态势情报信息，通过卫星通信网共享到战场范围内各节点。

3）指挥决策：指挥舰结合当前的战场兵力情况、态势情况、探测情况等，实时决策远程对空的作战任务。指挥舰建立目标打击的任务，前出作战飞机作为武器发射节点接收指挥舰发送的目标打击信息并进行反馈，条件具备情况下进行目标打击。当指挥舰作战人员决策更改作战意图时，可停止发送目标打击的信息，并通告相关任务的撤销。

4）打击评估［12］：作战飞机实施打击与拦截任务后，由指挥舰指挥前出的探测节点对导弹及打击目标继续侦察探测，并向指挥舰上报打击信息。指挥舰作战人员综合战场各节点态势，对目标的打击效果进行评估，决策安排后续的作战任务。

在海上远程对空指挥、协同打击应用场景中，TDMA卫星通信战术数据链主要实现了远程探测、协同侦察、情报共享、目标打击等作战指挥功能，对传感器、武器、数据传输信道等资源进行了有效的组织、管理和协调，建立了“防空打击”的网络体系，提高了作战效能［13］。

5 TDMA卫星通信网应用发展方向

TDMA卫星通信网具备覆盖范围广、传输带宽高的特性，适合用于海上多舰艇间大纵深、跨地域的大容量数据传输。

1）超远程预警探测。在广域作战的条件下，可利用卫星通信距离远、跨区域等特点，实现多作战区域探测信息的收集，形成全区域的作战态势。同时，利用TDMA卫星通信来扩大范围部署探测传感器，及时掌握敌情动态，能为战场环境下各节点开展目标拦截、区域突袭等作战任务提供有效保障。

2）超远程精准打击。利用TDMA卫星通信的可靠性强、实时性高等特点，可以在作战全区域实现传感器和武器的数据通道交链，缩短“传感器到武器”的信息链，利用快速通道实施对敌情目标的超远程精准打击，保证目标打击的作战效能发挥［14］。

3）协同作战指挥。TDMA卫星通信作为节点间数据通信的一种方式，可与传统通信组网手段相结合，在海上多节点间建立多链路、多通道，形成多节点协同作战的网络体系，实现态势信息的实时共享。利用卫星通信信道具备大容量、点对点传输等特点，指挥中心可依据作战需求，向不同节点发送对应的战术数据信息，实现战术数据的有效互通。通过对战场态势、指挥决策、打击评估等信息的有效交互，能实现海上各节点的协同作战，通过信息权来掌握作战的进程。

4）大文件数据传输。利用TDMA卫星通信频带宽、能传输大容量数据信息等特点，可以构建远距离的卫星通信信道，支持海上各节点从数据中心获取到气象水文、卫星图像、国际舆情等资源数据，并共享到战场环境各节点。大文件数据的传输扩展了信息的来源，提升了作战的资源保障能力。

5）实时视频传输。利用TDMA卫星通信支持广播、时效性强等特点，可以构建多个作战前线与指挥中心的现场实时视频传输通道，供指挥中心及时掌握现场状况。同时，利用广播传输的特点，多个作战区域的指挥员可以开展作战筹划等视频会议，缩短作战距离，提升整体作战能力。

6 结语

在广域作战环境中，卫星战术数据链是保障战术信息传输的“神经中枢”。通过TDMA卫星通信技术在数据链的应用，能取得更大范围的信息共享，提升陆、海、空、天等各作战要素间的信息传输能力，提升信息化作战整体战斗力。因此，积极探索TDMA卫星通信及其在作战指挥中的应用，构建高效的信息传输通道，深度融合视距数据链与卫星资源，能推进广域战场信息作战体系的建立和形成，对未来的全球化作战有重要意义。