低轨卫星Link16数据链关键技术研究①

孙 召，陶孝锋

(中国空间技术研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

卫星数据链具有覆盖范围广、布置迅速、通信容量大、传输信道稳定等特点，卫星所特有的广播特性，在情报和战场态势的广播分发方面具有其它数据链无法比拟的优势。卫星数据链可以把地理上分散的部队、各种探测器和武器系统联系在一起，实时掌握战场态势，缩短决策时间，提高指挥速度和协同作战能力，以便对敌方实施快速、精确、连续的打击，是有效实施跨海和大范围联合作战的重要保障[1-3]。

2019年5月，美国Viasat公司获得美国空军合同，计划为低轨卫星装备Link16数据链[4]。旨在测试在低地球轨道(LEO)卫星上放置Link16战术数据链，以扩展跨域的连接。可见，通过低轨卫星扩展Link16数据链作用范围已经成为美军未来广域联合作战的一种发展方向。而低轨卫星相对地面平台具有通信距离远、移动速度快等特点，如何将Link16技术体制适应性移植到星地通信中成为亟待解决的问题。

传统的卫星数据链，Link 16数据链通过卫星来实现视距扩展，这种情况下通常只是将卫星作为一个“信息中继器”来用，属于“Link 16卫星中继”。其一，卫星所中继的仅仅是Link 16信号中所包含的“信息”，而不是Link 16的原始“信号”。 Link 16信号本身所携带的诸多态势信息(时间、位置等)就会丢失，或者因为卫星传输链路的高延迟而导致信息可用性大幅降低。其二，卫星的作用仅仅是“透明中继/转发”，而不做任何波形层面的处理。在这种情况下，由于卫星所连接的终端双方很难再实现精准的同步，因此Link 16的最主要特征“基于高速跳频的抗干扰能力”(尤其是抗跟踪干扰能力)几乎不再存在，而仅仅有可能具备直序列扩频抗干扰能力，进而导致其作为美军乃至北约最主要抗干扰数据链的意义大大降低。所以，传统上Link 16系统用以扩展其视距范围的Link 16“卫星中继”手段实际上是以牺牲Link 16的诸多传统优势为代价的，而且是其最重要的态势感知、抗干扰优势。而且，采用这种方式并未解决实时联合作战能力，中继卫星仅仅实现了多个Link 16烟囱之间的连接，而没有打破Link 16的烟囱。若想兼顾Link 16的视距扩展需求与传统优势，并实现实时联合作战能力，将Link 16终端直接搭载于低地球轨道卫星上无疑是很务实、有效的选项之一[5-10]。

针对低轨卫星Link16数据链中由于星地传输长时延导致的RTT同步问题和Link16消息封装格式不适用问题，以及多普勒频偏对定时同步和系统性能的影响等问题提出了一种星地传播时延补偿方法，该方法以卫星的轨道高度对应的时延为基准进行传输时延的补偿和卫星链节点收发时隙设计，根据时延补偿方法和时隙设计推导出卫星节点RTT精同步时间校准的策略与计算公式。根据Link16同步段中32个伪随机同步序列，提出基于分段相关累加的定时同步方法和多普勒频偏估计补偿方法，保证了卫星端接收机定时同步性能和系统性能。

1 低轨卫星Link16数据链应用

低轨卫星Link16数据链中，卫星节点完全实现Link16技术体制，卫星和地面Link16数据链终端节点之间组成新的Link16数据链网络。卫星加入Link16数据链具有以下优势：

1)扩距。传统Link16数据链的通信范围局限于视距，卫星节点的加入可以扩展Link16数据链的通信范围。

2)增能。LEO卫星的引入，增加了信源传感器节点，由于卫星具有“站的高，看的远”的优点，可以增加侦察范围，将侦察的目标航迹处理成Link16数据链的消息，广播分发给地空Link16数据链终端。

3)兼容。将数据链节点搭载在卫星上，通过对卫星数据链节点的适应性改造，可以接入地空Link16数据链，兼容地面数据链终端。

卫星Link16数据链应用场景分为两类，分别如图1(a)和(b)所示：

(a)单星接力应用方案

卫星节点直接承载数据链的基本要素扩展地面和空中节点的作用范围。可以实现地面跨区域两个Link16链之间的转发互通，整个过程使用同类消息交互，不需要协议转换。

(b)跨星接力应用方案

针对同一作战区域，通过LEO星座接力保障作战区域的连续覆盖。星间有2种通信模式：

1)接入节点卫星需要将接收到的Link16数据链消息格式转换成卫星通信消息格式，然后通过星间链路进行传输，目标卫星接收到星间链路传输的消息后，将其转换为数据链消息格式，转发给目标终端节点。

2)如果卫星-卫星也组成Link16网络，则星地和星座之间都按照Link16协议互联互通，可以实现地面不同区域2个Link16链之间的互通，整个过程使用同类消息交互，不需要协议转换。

(a)单尾覆盖 (b)跨星覆盖

2 低轨卫星Link16数据链存在的问题

低轨卫星Link16数据链中，LEO卫星相对地面平台具有通信距离远、移动速度快等特点，将Link16战术数据链直接搭载到卫星上存在2方面问题：

1)Link16数据链消息封装格式中保护时间是否能够满足星地长时延的要求；

2)如何克服星地之间多普勒频偏对Link16系统性能的影响。

2.1 星地长时延对数据链消息封装格式的影响

2.2.1 星地长时延对RTT同步消息的影响

RTT消息完成一次往返传输的时桢结构，包括RTT询问(RTT-I)和RTT应答(RTT-R)，如图2所示。

图2 Link-16往返计时消息的时帧结构图

根据RTT消息时帧结构，在3.339 ms保护时隙内需要完成星地之间的RTT-I询问消息传输，则要求星地之间通信距离必须小于3.339ms*3e8=100 1.7 km。同时RTT精同步时隙中保护时间为2.601 5 ms，则要求星地节点间传播距离须小于2.601 5e-3*3e8=780 km。

假设低轨卫星高度为500 km，卫星覆盖区波束宽度57°，则星地之间通信距离为500 km～102 5 km。星地之间通信距离≥780 km的区域，其通信时延超过了精同步保护时隙2.601 5 ms，将导致RTT同步无法正常进行。

2.1.2 星地长时延对战术消息的影响

Link16定义了4种消息打包方式，分别为标准双脉冲数据封装(STDP)、2个单脉冲数据封装(P2SP)、2个双脉冲数据封装(P2DP)和4个单脉冲数据封装(P4SP)，如图3所示。

图3 Link 16时隙四种数据封装

保护时间段使所发送的信号在下一个时隙开始之前能传播到视距范围内的所有成员，以防止互相干扰。STDP和P2SP数据包格式中保护时间和抖动时间总计4.458 5 ms，可以支持节点间最远通信距离1 337 km，P2DP和P4SP数据包格式保护时间2.040 5 ms，可以支持节点间最远通信距离612 km。

前节所述卫星系统中，星地之间通信距离为500 km～1 025 km，因此现Link16中P2DP和P4SP数据包格式不满足星地之间的长时延要求，将导致星地业务数据只能选择低速率传输。

2.2 星地之间多普勒频移对系统性能的影响

美空军现已装备Link-16的平台有：空中作战中心、E-3机载预警机与控制系统(AWACS)，E-8联合监视目标攻击雷达系统(JSTARS)飞机，EC-130E(ABCCCIII)空中指挥飞机，机动空中作战中心、F-15A/B/C/D/E、F-16战斗机、模块式控制设备(MCE)、控制报告中心/控制报告设备(CRC/CRE)、RC-135[2]。以F-16战斗机为例，最大飞行速度M2，最大多普勒频移：

fd=2*2*1 225.08 km/h*1.215e9/3e8

=5.513 KHz

(1)

轨道高度h=500 km的LEO星地系统为例，星地之间多普勒频移：

(2)

星地通信之间的最大多普勒频偏大于飞机使用的Link16数据链节点间存在的频偏。在星地多普勒频移存在的情况下，原Link16系统的时频同步是否适用，需要做进一步的分析和适应性修改。

3 低轨卫星Link16数据链可采用的关键技术

卫星Link16数据链规划中，卫星作为后来节点主动加入地面数据链网络，在保证地面数据链终端节点不做更改的情况下，对卫星数据链节点做技术适应性修改，实现低轨卫星Link16数据链的应用。

3.1 星地传输时延补偿技术

卫星节点采用基于传播时延补偿的收发同步策略，卫星节点提前Δt发送，滞后Δt接收，有：

Δt=H/c

(3)

式中，H表示卫星的轨道高度，c=3×108m/s为光速。消息发送与接收策略如图4所示。

图4 消息的发送与接收策略

本系统设计中假设卫星轨道高度为500 km，星地通信距离范围为500 km ～1 025 km之间。卫星节点提前500 km/3*108=1.6 ms发送消息，保证达到地面节点时消息处于时隙典型时刻，卫星节点接收时滞后1.6 ms接收。

为了避免卫星节点提前发送的信号与滞后接收的信号发送冲突，卫星的收发时隙设计为双时隙结构。如图5所示。规划时设计卫星的收发时隙都为双时隙结构，卫星节点接收时隙为一个业务时隙后加一个空时隙，卫星节点发送时隙为一个空时隙加一个业务时隙。

图5 卫星节点收发时隙设置

经过传播时延补偿后，星地之间相对通信距离Lnew=Lmax-H，Lmax为原星地最远通信距离，则此时星地之间最远通信距离为Lmax-H，若：

Lmax-H≤612 km

(4)

612 km为P2DP和P4SP封装格式中保护时间所能支持的最远通信距离。则星地之间的通信距离s范围：H≤s≤Lmax，若不满足，则传播时延补偿方法只能支持星地通信距离范围s：H≤s≤H+612。

对于卫星轨道高度为500 km，星地通信距离范围为500 km ～1 025 km，根据式(4)：1 025 km-500 km =525 km<612 km，则该传输时延补偿方法适用于本系统中卫星覆盖范围内所有数据链终端节点间的通信。

3.2 RTT精同步计算

Link16数据链网络时间同步分为粗同步和精同步，卫星节点接收到入网消息，获取系统时间和入网工作参数，便完成了卫星节点的粗同步过程。

粗同步完成后，开始进行精同步过程，精同步采用RTT(双向往返校时)的方式。卫星节点发送RTT询问消息，并测定相应的RTT应答消息到达时间TOAr，然后解析包含在RTT应答消息中的询问消息到达时间TOAi，计算出RTT询问和应答的空间传输时延Tp，根据星地传输时延补偿方案，卫星节点提前Δt发送，滞后Δt接收，即：

TOAi=Δt+Tp+δ

(5)

TOAr=Tp-Δt+4.275 ms-δ

(6)

δ是卫星消息传播时间误差，计算如下：

δ=(TOAi-TOAr+2Δt+4.275 ms)/2

(7)

将卫星粗同步获得的系统时间减去δ，就消除了消息传播时间误差，实现了卫星与地面NTR的传播时间误差，实现了卫星节点与NTR节点的精通步。

3.3 接收机时频同步设计

Link16采用TDMA工作方式，将时间轴划分为长度为7.812 5 ms的时隙，STDP、P2SP、P2DP、P4SP这几种数据包格式中用于同步的脉冲都是一致的，消息同步段分为同步捕获(粗同步)和同步跟踪(精同步)两个部分。为了保证同步识别的正确，同步信号都采用抗干扰性能较好的双脉冲形式。用于消息同步的二进制序列按5 bit分组构成20个同步字符，每个字符用两个不同频率的脉冲发射，因此，同步段一共包括40个脉冲。其中，32个脉冲用于同步捕获，剩余8个脉冲用于同步跟踪。每个脉冲都由自相关性强的32位伪随机序列直序扩频MSK调制而成。一旦信号到来，便依次对每个信号脉冲进行相关处理，每个脉冲相关处理产生出一个宽0.2 us的相关峰，再将各脉冲的相关峰作积累，从而产生出信号到达时刻标记。

1)多普勒频移对定时同步性能的影响

粗同步头一共包括16个双脉冲字符，由于只用作接收机同步，因此其伪随机序列选择范围较宽，32位的伪随机序列一共232种，粗同步头脉冲选择其中有良好互相关性的伪随机序列。

假设发送的粗同步头是一个32位的PN序列，接收端用PN码做相关累加，通过相关峰值来判断同步序列的起始位置。多普勒频移导致的频偏会引起PN码相关峰值的下降，假设M为码长，1/Tc为码片速率，则在有频偏fd的条件下，码同步时相关峰值表达式为：

(8)

图6是相关峰值随载波频偏的变化曲线，图中参数M=32，Tc=0.2 us，多普勒频偏-50 KHz～50 KHz，对相关峰值的影响。

图6 相关峰值随载波频偏的变化曲线

图7是仿真按照双脉冲信号格式发送脉冲周期26 us，每6.4 us的发送周期和6.6 us的停止周期，双脉冲表示2个相同的码元。PN码片宽度为0.2 us，PN码长度为32，信噪比设置为10 dB，接收端用PN码做相关累加，相关峰值结果随载波频偏的变化曲线。由仿真曲线可以看出，在多普勒频偏30 KHz>20 KHz(系统最大频偏)，两段PN码相关峰值都可以成功捕获到。

图7 双脉冲信号时间同步捕获

2)基于分段相关累加的定时同步方法

Link16系统接收端设置了4个通道，每个通道只处理粗同步头的4个双脉冲字符。而且根据数据封装格式，粗同步部分共发送了16个双脉冲的PN码，接收端4个通道时间同步模块间隔65个采样点(13 us)共32个同步序列，分别相关后，将1、5、9、13、17、21、25、29段的相关结果逐位累加，2、6、10、14、18、22、26、30段的相关结果逐位累加，3、7、11、15、19、23、27、31段的相关结果逐位累加，4、8、12、16、20、24、28、32段的相关结果逐位累加，之后将4个通道计算结果逐位累加，通过峰值的位置判断出时隙开始的位置，如图8所示。粗同步完成之后，根据4个精同步脉冲PN序列再次估计时间偏移值，做更精确的时间同步估计。

图8 相关结果逐段累加时间同步方案

3)多普勒频移估计

假设基带信号为x(t)，为了研究方便，在此考虑AWGN信道，假设噪声η(t) 为均值是0，方差为N0/2的高斯白噪声，则接收到的信号为：

y(t)=x(t)exp(j(2πfct+φ)+η(t))

(9)

讨论频率偏差对接收信号的影响，接收端对接收到的信号进行下变频，得到：

(10)

采样后得到数据流r(n)：

r(n)=r(t)|t=nTs=x(nTs)exp(-j(2πΔfcnTs+Δφ)+η′

(11)

同步脉冲中前16个脉冲用作粗同步，周期性等间隔发送32个相同的PN序列，对于第一段PN序列，当有频偏时，接收信号变为：

r1(n)=X(nTs)exp(-j(2πΔfcnTs+Δφ)+η′n=1∶32

(12)

对于第二段PN序列，当有频偏时，接收信号变为：

r2(n)=x(n+65Ts)exp(-j(2πΔfc(n+65)Ts+Δφ)+η″N=1∶32

(13)

其中x(nTs)=x(n+65Ts)n=1∶32

忽略噪声，则：

r2(n)/r1(n)=exp(-j(2πΔf*65Ts))

(14)

通过第1个脉冲序列的两段PN序列，可以计算出频偏Δf的估计值。同理，通过后续15个脉冲序列的2段PN序列，同样可以计算出频偏 的估计值，为了更精确的估计出系统的频偏值，可以计算出16个频偏的估计值后取均值。

4 结束语

战术数据链终端机接入低轨卫星可以扩展战术信息的保障范围，是未来广域作战的发展方向。解决星地之间长时延和低轨卫星高速运动产生的多普勒频移对Link16数据链技术体制带来的问题是实现低轨卫星数据链的关键。针对长时延，提出了星地传输时延补偿方法，设计了卫星节点的时隙结构，并推导出RTT精同步计算公式。针对多普勒频移，提出了接收机的时频同步方案，为未来低轨卫星Link16数据链的实现提供了可行性技术支撑。