武器协同数据链发展趋势及关键技术

余福荣，张 艳，蒋 雪，邱金娜

（航天恒星科技有限公司，北京 100194）

0 引言

随着现代战争从平台中心战向网络中心战转变，未来战争由单一军兵种、单一武器装备之间对抗逐步转向武器装备体系与体系之间对抗，作战空间由单一领域向陆、海、空、天、电多域拓展，需要信息化战场中各域武器装备能互联互通、信息共享。而武器协同数据链是连接各类武器装备的信息纽带，完成各类战术信息实时传输和分发的标准化通信装备，实现武器装备协同探测、协同定位、协同突防、协同攻击，最大发挥武器装备作战效能，在体系化作战中发挥着不可或缺的作用。

随着信息技术发展，产生许多新型作战模式，对武器协同数据链提出新的更高能力需求，武器协同数据链向弹性可重构、低时延高动态组网、抗强干扰、抗截获、智能化方向发展，需要开展数据链弹性可重构及异构通信、大规模低时延高动态组网、基于认知的智能抗干扰、低截获信号传输、数据链多源信息融合等关键技术研究。

1 武器协同数据链现状

武器协同数据链从最早的点对点弹载武器数据链发展而来［1］，具有较高带宽、强实时、高动态、高可靠等特点［2］。美军最早开展武器协同数据链研究，主要有协同作战能力系统（Cooperative Engagement Capability，CEC）、机间数据链（Intra-Fight Data Link，IFDL）、战术目标瞄准网络技术（Tactical Targeting Network Technology，TTNT）、五度网络技术（Quint Networking Technology，QNT）。

1.1 协同作战能力系统

协同作战能力系统（CEC）是美国海军开发的一种武器平台之间协同作战的系统［3］，用于海上、空中和岸基作战单元中传感器和武器系统的直接交链，以增强对目标的协同探测和识别能力，支持火控级的复合跟踪，实现对威胁目标的协同打击。

协同作战能力系统于20 世纪70 年代提出，初衷是为解决近海地区因复杂地形造成的目标识别困难问题，以及常规电子系统难以探测对抗现代化低可观测目标，如掠海飞行巡航导弹。经过20 多年的研制，在多次试验、演习和实际作战行动中充分验证了其协同作战能力，目前已经装备于美国海军主力舰艇和航母编队。

1.2 机间数据链

美军机间数据链主要是针对隐身战机作战而设计，实现战机编队间高速、抗干扰、低时延、低截获的定向组网通信［3］，实时传输敌我瞬间态势、友机状态机武器控制参数等信息，实现火控级协同，提高武器的精确打击能力。美军机间数据链有IFDL（Intra-Fight Data Link）和MADL（Multifunction Advanced Data Link）。其中，IFDL 是专门为F-22 战机研发，供其在飞行中传输态势信息，自动共享目标与系统数据，具有较低的被截获概率。IFDL 数据链最多可支持16 架F-22 战机，在同一编队内组网通信，实现编队内战术信息共享。为了进一步增强隐身性能，美军把IFDL 升级为MADL，MADL 主要装备于F-35 隐形战斗机。不论是IFDL 还是MADL 都是有限的机间组网，组网能力相对较弱。

1.3 战术目标瞄准网络技术

战术目标瞄准网络技术（TTNT）是一种高速、动态、基于IP 的Adhoc 数据链网络技术，数据速率达2 Mb/s，支持组网节点1 000 个以上［3］，具有数据传输速度快、组网结构灵活、高动态适应能力强等特点。能够将作战单元快速接入美军全球信息栅格，大大缩短了C4KISR 系统的杀伤链反应时间，提高了美军打击对手时间敏感目标的能力，为美空军由“平台中心战”向“网络中心战”转型提供了部分网络基础设施。目前该技术已通过飞行演示验证。

图1 具备TTNT 波形的数据链端机

1.4 五度网络技术

五度网络技术（Quint Networking Technology，QNT）是为作战飞机、无人飞机、导弹武器、战术无人机和单个地面作战单元之间互通开发的一种小型网络化武器协同数据链。可用于支撑快速瞄准和打击时敏、活动目标，并能支撑武器制导交接、无人机控制、战场态势感知、毁伤评估［4-5］。其波形符合JTRSSCA 波形，并支持IPv6 以便融入GIG。QNT 技术应用示意图如图2 所示。

图2 QNT 技术应用示意图

2 新型协同作战及其对武器协同数据链的能力需求

随着信息技术发展，武器装备信息化、网络化水平不断提升，作战模式由传统的单平台武器作战转变为装备体系对抗，产生了许多新型协同作战概念与作战样式，对武器协同数据链提出了更高的能力需求。新型协同作战概念主要有：多兵种跨域协同作战、网电空间协同对抗、布式协同作战。典型协同作战对武器协同数据链能力需求分析详见表1。

表1 典型协同作战对武器协同数据链能力需求分析

2.1 多兵种跨域协同作战

多兵种跨域协同作战是指根据作战任务需要，综合运用陆、海、空、天各兵种的武器装备，进行协同探测、协同定位、协同打击，弥补单一兵种、单一装备作战能力不足，实现作战效能最大化。2014 年3 月，美国国防部提出将“全球一体化作战”构想［6-8］，通过“全球信息栅格”与战术数据链系统，综合陆、海、空、天各种作战资源，实时生成全域战场态势，实现全球范围的跨域协同作战。

典型的多兵种跨域协同作战样式有陆空协同反导作战［9］与海空协同对舰作战。以陆空协同反导作战为例，其利用陆军地基雷电系统对敌空中目标进行探测跟踪，通过天基武器协同数据链将目标位置信息发送空军战斗机，战斗机发送空空导弹，并通过机弹间武器协同数据链打击空中目标。

多兵种跨域协同作战具有多域作战、装备数量巨多、传输信息大、通信距离远等特点。由于参与作战单元多，需要武器协同数据链具备大规模低时延组网、自主网络规划能力；并且需要多兵种跨域协同，因各兵种不同装备通信系统采用的通信体制大都不同，为实现装备间互联互通，需要武器协同数据链具备多链兼容、异构通信、自适应链路规划、波形重构等能力。

2.2 网电空间协同对抗

网电空间协同对抗是指综合运用网络与电子对抗装备，采用协同电子干扰、网络攻击等手段，侵入敌方网电空间，窃取、修改或破坏敌方信息，从而降低或破坏敌方的网电系统作战效能［10］。美军研发的“舒特”系统［11-12］是典型网电对抗系统，主要由电子侦察机、电子干扰机、战斗机、导弹武器构成，通过数据链实时传输与分享信息，实现战场侦查、电子干扰、网络攻击、精确打击一体化协同作战。

典型的网电空间协同对抗样式有“侦抗打”协同攻击、地空协同电磁干扰等。以“侦抗打”协同攻击为例，首先电子侦察机对敌方目标辐射源进行信号侦察和高精度定位，然后通过数据链将目标信息传递给电子干扰机，电子干扰机向敌方雷达或通信系统发送强电磁干扰信号，进行电磁攻击；同时，通过数据链将侦察与定位信息传递给战斗机，战斗机发射导弹对目标实施反辐射攻击。

网电空间协同对抗具有装备机动性高、电磁干扰强、隐蔽性高、通信环境差等特点。要实现强电子对环境下大量装备互联互通、实时战术信息传输与共享，需要武器协同数据链具备低时延高动态组网、波形重构、强抗干扰（干扰感知与识别）、高抗截获、抗毁伤等能力。

2.3 分布式协同作战

分布式协同作战是指多个作战单元通过数据链组网通信，进行分工合作，实现协同探测、协同定位、协同突防、协同攻击，共同完成作战任务。为了提升体系作战能力，美国国防部高级研究计划局（DARPA） 已开展了“体系集成技术与试验”（SOSITE）项目，探索分布式空战，把空战能力分散部署于大量互操作的有人和无人作战平台，形成作战体系。

典型分布式协同作战样式有无人机集群对海打击、有人分布式协同侦查。以海上大型目标打击任务为例，多架加挂导弹的无人机可采用“蜂群”战术，集群突防，通过武器协同数据链获得同一目标的坐标等信息，集中对海上目标进行饱和攻击，形成一个可遮蔽一定空域的火力群，从而完成对海上大型目标的垂直打击任务［13］。

分布式协同作战具有装备数量多、实时性强、动态性高、传输信息量大等特点，要实现大量高动态武器装备组网通信、强实时的信息交互与信息融合，需要武器协同数据链具备低时延高动态组网，高速率、抗干扰、抗截获、抗毁伤通信，以及多源信息处理与融合等能力。

3 武器协同数据链发展趋势

为适应新型协同作战模式、越来越复杂的战场环境以及高效能实战化武器装备的发展需求，武器协同数据链向全球覆盖、弹性可重构、低时延高动态组网、抗强干扰、抗截获、智能化方向发展，以便支持未来复杂电磁对抗环境下大规模、网络化、体系化作战。

3.1 全球覆盖

现有的武器协同数据链只支持区域作战，难以实现全球覆盖。通过建设支持远程通信的天基武器协同数据链系统，构建全球覆盖的天空地一体化通信网络，实现全球的战术信息共享。美国已开始构建全球信息栅格（GIG）［14］，通过整合数据链等各种通信信息资源，建立一个供美国陆、海、空三军通用的全球通信网络。

3.2 弹性可重构

现有武器协同数据链大多基于单一武器平台研制，硬件架构与通信体制固定，可扩展性、可重构性差，装备不同数据链的作战单元难以互联互通。通过采用弹性可重构、波形动态加载技术，武器协同数据链终端具备不同通信体制、通信协议、消息格式的信息传输能力，可实现武器装备与侦察预警系统、指挥控制系统、电子对抗装备等各类作战单元的互联互通，支持跨域协同作战、网电一体化作战。并且在系统故障与链路异常时通过链路重构，恢复数据链通信，增强了武器协同数据链系统的可靠性。

3.3 低时延高动态组网

随着网络中心战的发展，参与协同作战单元越来越多，网络规模越来越大；同时，作战单元的运动速度越来越快，机动性越来越高，对作战网络节点传输时延、动态适应性要求越来越高。并且协同作战任务由打击静止或慢速移动目标扩展到打击高速高机动时敏目标，需要武器协同数据链具备实时动态组网能力。现有武器协同数据链支持的网络规模小、传输时延大、高动态适应性弱。为了支持陆、海、空、天、电全域下协同探测、协同定位、协同突防、协同打击，武器协同数据链必须向大规模、低时延、高动态组网发展。

3.4 智能化

随着人工智能技术发展，武器协同数据链将在环境感知、智能抗干扰、智能决策与自主链路规划等方面实现智能化，将极大提升武器协同数据链的抗干扰、链路规划、信息分发等能力。现有的武器协同数据链智能化能力不足，难以满足新的无人机蜂群作战、多弹协同作战等需求。

3.5 抗强干扰

随着网电一体化作战的发展，战场电子对抗越来越强，要求武器协同数据链必须具备抗复杂电磁环境干扰能力。现有数据链系统抗干扰能力不足，难以适应未来强电子对抗战场应用。2019 年7 月，美军最先进的高空长航时战略无人机“全球鹰”被伊朗击落，据报道是由于受电子干扰飞入伊朗领空被击落。

3.6 抗截获

随着未来战争电子对抗的增强，数据链信息传输的安全性面临着严峻的挑战，在信息传输时可能被敌方侦查、截获，导致武器装备被定位与拦截。现有数据链安全性考虑不够，存在被截获风险。需要综合采用猝发隐蔽通信、混合扩跳频、自适应功率控制、相控阵天线波束控制、自适应高速跳频，以及基于加权类分数阶傅里叶变换的信号处理技术等技术，提升数据链传输安全性。美军的F-22、F-35隐身战斗机以及BLOCK-4 隐身轰炸机具有较好的抗截获能力。

4 武器协同数据链关键技术

依据武器协同数据链功能与作战需求，武器协同数据链关键技术主要分为：数据链互联互通技术、数据链组网技术、数据链抗干扰技术、数据链抗截获技术、数据链信息融合与分发技术。武器协同数据链关键技术与参考模型功能层关系见图3。

图3 武器协同数据链关键技术与参考模型功能层关系

4.1 数据链互联互通技术

未来信息化战场下多兵种联合协同作战，参与作战的武器装备越来越多，网络规模越来越大，数据链系统作为链接各作战单元的“神经网络”，必须增强数据链系统健壮性、可靠性与互联互通能力，需深入开展数据链弹性可重构及异构通信技术研究。

1）数据链弹性可重构技术。现有数据链大多基于单一武器平台研制，硬件架构与通信体制固定，系统的兼容性、可扩展性与鲁棒性差，不同体制的数据链系统难以通信，链路异常时重构困难。数据链弹性可重构技术采用软件无线电技术与基于软件通信架构（SCA）的武器协同数据链端机，设计不同通信体制、不同消息格式的波形模块，根据任务需求自适应动态加载相应的波形模块，实现数据链波形与功能重构，支持不同武器装备通信应用。并且可在面临系统故障、环境干扰或敌方攻击时通过链路重构，可恢复系统功能，增强了系统健壮性、环境适应性、抗干扰能力。数据链弹性可重构采用的技术包括：软件无线电技术、多通信体制波形模块设计技术、数据链波形重建技术、波形自适应加载技术。

2）天基异构数据链通信技术。未来信息化战争中，将是陆、海、空、天、电五维空间的联合作战，而目前武器装备体系中存在多类数据链并存、链间互联互通困难、缺乏统一消息格式标准规范。天基异构数据链通信是通过构建天基骨干网，天基骨干网节点上装有武器协同数据链消息转发器，不同的战术数据链都能随遇接入天基骨干网，当武器协同数据链系统需要与其他类数据链系统通信时，通过武器协同数据链消息转发器进行高速消息格式转换处理，再进行信息分发与共享，实现异构数据链间的互联互通。天基异构数据链通信采用的技术包括：卫星组网通信技术、异构数据链随遇接入技术、高速异类消息转换处理技术、实时信息分发与共享技术。

4.2 数据链组网技术

现有数据链组网容量较低、传输能力有限、组网不灵活、高动态适应性不够、网络规划能力不足，难以满足未来信息化战场下大规模跨域协同作战、高动态分布式协同作战要求，需要深入开展大规模低时延高动态组网、数据链网络最优规划及云协同网管技术研究。

1）大规模低时延高动态组网技术。在现代战场环境下，战场态势瞬息万变，为了及时收集和分发相关战术信息，要求在作战单元之间建立高速率、高动态、高可靠、低时延的数据链网络。数据链网络建立时间由10 s量级减少到秒级，端到端传输时延由秒级提升至毫秒级。大规模低时延高动态组网技术通过采用一发多收通信（TxRxN），增加数据传输能力，实时大规模、高带宽组网；采用基于统计优先级的多址接入（SPMA），减少接入等待时延，实现快速入网；采用目标序列距离矢量路由协议（DSDV），最优路由路径，减少传输时延。大规模低时延高动态组网技术通过采用包括：一发多收通信技术、基于统计优先级的多址接入技术与目标序列距离矢量路由技术。

2）数据链网络最优规划技术。数据链网络最优规划［15］是指在作战任务、作战环境、装备配置、传输距离、传输时延以及链路特性等约束条件下，采用作战任务规划、数据链链路规划算法，设计数据链网络的连接与互通关系，使所有作战单元都可以直接或通过中继站、网关与其他数据链装备相互通信；并通过信息链路选择、传输带宽以及链间转发等传输控制，充分合理利用信道资源，实现数据链系统传输时延最小、可靠性最高。数据链网络最优规划采用的技术包括：多任务协同与规划技术、数据链多链路规划技术、数据链传输控制技术、信道资源最优配置技术。

4.3 数据链抗干扰技术

现行数据链抗干扰手段主要有直接序列扩频技术、跳频技术、混合扩跳频技术、自适应天线技术等［16-17］，扩跳频信号特征固定（如跳频脉冲间隔和脉冲持续时间等）且缺少变化，通信抗干扰能力较弱，故易被敌侦收或干扰。为了提高数据链抗干扰能力，需要采用干扰感知与识别技术、基于认知的智能抗干扰技术等新技术。

1）多域联合抗干扰技术。多域联合抗干扰是指综合运用了时域、频域、码域和空域等信号处理手段，构造了低检测、低侦收、低截获和抗干扰无线传输信号，实现了多维特征联合捷变。文献［17］提出了一种基于多维特征联合捷变的数据链抗干扰方法，该方法采用了于变时宽构架的预编码窄带直扩/跳频技术，综合运用了码、直扩、跳频及变时手段，实现了时域、频域和码域特征的联合捷变；同时结合基于差分空时分组编码的跳频技术，引入多天线MIMO 技术，提高通信系统容量和频谱利用率，结合空时编码技术，同时获得空间、时间分集和编码增益，大幅提升抗干扰能力。

2）基于认知的智能抗干扰技术。基于认知的智能抗干扰通过采用干扰检测、干扰模式识别以及机器学习方法，对电磁环境进行感知，并采用智能抗干扰决策算法，自适应选取最佳抗干扰技术与方式，大幅提高系统的抗干扰能力和频谱利用率，实现复杂电磁干扰环境下高可靠的信息传输。文献［18］提出基于发送-感知- 接收（T-S-R）工作模式的同时收发认知抗干扰（SCAJ）技术，通过在感知/接收周期内动态分配感知、接收时隙而实现实时抗干扰；文献［19］提出一种基于马可夫决策流程（MDP）法的认知抗干扰方法；文献［20］提出基于分布式概率协议的干扰对消方法，它将分布式、概率协议引入频谱配对的网络中，使得每个节点可以动态地发现匹配的目标并在一个随机可用的频率上实现同步。基于认知的智能抗干扰相关的技术有：基于能量检测的干扰感知技术、机器学习与智能决策技术、基于马可夫决策流程法的认知抗干扰技术、基于分布式概率协议的干扰对消技术等。

4.4 数据链抗截获技术

数据链通信过程中易被敌方侦测，可能造成通信信号被敌方干扰、截获，甚至导致武器装备被定位、拦截。随着电子对抗技术的发展，对武器装备通信安全性提出了更高的要求，需要数据链具备强抗截获能力。

数据链抗截获技术是通过在时域、频域、能量域、空域、变换域对数据链传输信号进行控制、处理，或其他抗截获技术手段，使传输信号难以被截获，实现高安全信号传输。现行的抗截获方法主要有：在时域上采用猝发跳时通信，在频域上采用扩频、跳频、混合扩跳频技术，在空域上采用波束控制、多入多出（MIMO）天线技术，在能量域上采用自适应功率控制技术，在变换域上采用加权类分数阶傅里叶变换（WFRFT）。

目前，单一的抗截获技术已难以满足作战应用的需求，需要综合采用多域抗截获技术。文献［21］提出了一种采用加权类分数阶傅里叶变换（WFRFT）与MIMO 技术相结合的卫星抗截获通信方法，通过多层WFRFT 调制，提高抗截获能力。低截获信号传输技术采用的技术主要有：猝发隐蔽通信技术、混合扩跳频技术、波束控制技术、自适用功率控制技术、基于加权类分数阶傅里叶变换的信号处理技术等。

4.5 数据链信息融合技术

随着作战模式向体系对抗转变以及信息技术的发展，参与作战的信息化武器装备越来越多，传递的战术信息种类也越来越多，需传输的原始数据量成倍增长，如果不进行信息融合处理，在相同的传输带宽条件下会增加系统传输时延，影响作战响应。并且对分布式协同作战，各作战单元传感器只能获得部分战术信息，必须进行信息融合处理，才能有效利用信息。

数据链信息融合技术是指通过采用信息加工处理、信息对比分析、信息深度挖掘、多源信息合成、目标信息识别等技术手段，对从多途径（传感器、知识库、专家库）、多传感器得到的战术信息进行融合处理［22］，剔除无关的或重复冗余的信息，获得精确的、高信息含量的有用信息，增强了目标识别、抗干扰、打击精度以及战术决策能力；同时，降低了信息传输开销，减少系统传输时延。随着新信息技术发展，产生了基于云计算的数据链信息融合技术，该技术采用分布式云计算与大数据分析手段，对来自“云端”各作战单元的多源信息进行融合处理，生成高价值的战术信息。2013 年，美空军提出“作战云”的概念，并提出基于云计算的战场信息跨域融合［23］。数据链信息融合相关的技术主要有：实时多源信息处理技术、大数据分析与信息挖掘、基于云计算的多源信息融合技术等。

5 结论

为适应未来体系化、多域化、一体化、分布式协同作战需求，武器协同数据链向全球覆盖、弹性可重构、低时延高动态组网网络、强抗干扰、高抗截获、智能化方向发展。需要深入开展数据链弹性可重构及异构通信、大规模低时延高动态组网、基于认知的智能抗干扰、低截获信号传输、数据链多源信息融合等关键技术研究，更好地支持全球跨域协同作战、网电一体化协调作战、分布式协同作战等新型协同作战。