低轨卫星数据链体系架构及应用前景

陈康平，黄新明，李峥嵘

低轨卫星数据链体系架构及应用前景

陈康平，黄新明，李峥嵘

（国防科技大学 电子科学学院，长沙 410073）

针对传统数据链面临的数据传输距离有限、数据传输容量受限，以及中高轨道卫星数据链存在着传输损耗大、延迟高等问题，提出基于低轨（LEO）卫星通信系统的低轨卫星数据链：介绍国内外低轨卫星通信系统的发展状况；总结加快发展建设适用于数据链的低轨通信系统和在低轨卫星中放置数据链端机2种低轨卫星数据链建设方案，并提出适合低轨卫星数据链的抗干扰通信技术和低轨卫星数据链组网的时间基准、空间基准方案；最后分析低轨卫星数据链特点。结果表明低轨卫星数据链具有广阔的应用前景。

数据链；低轨（LEO）卫星通信系统；低轨卫星数据链；抗干扰；时间基准；空间基准；应用前景

0 引言

自俄乌冲突爆发以来，马斯克的“星链”在俄乌冲突中发挥了巨大的作用。英国《泰晤士报》报道称，乌克兰部队使用“星链”进行战场监测和调试无人机，使士兵能够有针对性地精确发射反坦克武器。此外，俄罗斯情报部门表示，“星链”参与了帮助乌军击沉俄罗斯黑海舰队旗舰“莫斯科”号导弹巡洋舰的计划[1]。“星链”是一种新型的低轨卫星通信系统，部队可依托“星链”，传输机器可读的格式化消息，将传统数据链无法覆盖的作战单元接入到数据链网络中，把战场感知的信息及时地反馈给武器系统，实现对目标的快速精准打击。“星链”展现了低轨卫星通信系统在数据链中的巨大作用。

“星链”工作于卫星信道。根据数据链信号工作频段，目前数据链常用的传输信道有短波信道、超短波信道、卫星信道等，其工作频段划分如表1所示。

常用的数据链如美国Link-4、Link-11、Link-16数据链都是通过军用电台进行数据传输[2]，其工作于超短波信道、短波信道，通信范围有限。超短波信道以视距传输为主，受到地球曲率影响，其极限距离为340 km，同时存在着在传输过程中容易受到障碍物遮挡，以及多径效应等不足。短波信道可通过天波传输扩展传输距离，但是其传播特性受到电离层昼夜、季节性变化影响，且信道拥挤、信道不稳定并存在通信盲区，在目前数据链的应用中多用于超短波信道电台的备份。卫星信道工作频段宽，信道容量大，良好的卫星星座能够实现全球覆盖通信，不受距离的限制。

依托卫星信道的数据链又称为卫星数据链。目前，国外典型的卫星数据链主要有英国海军的卫星战术数据链（satellite tactical data link，STDL）、美国海军开发的卫星战术数字信息链路（satellite tactical digital link J，S-TADIL J）、联合战术分发系统（joint tactical information distribution system，JTIDS）距离扩展（JTIDS distance extension，JRE）等[3]。

从公开的信息来看，STDL、 S-TADIL J等卫星数据链通过在指挥控制处理器中增加卫星接口来解决数据链视距受限的问题，实现数据链距离扩展[4]。早期使用的卫星为中高轨道卫星轨道，由于卫星高度较高，这些类型的卫星数据链面临着传输速率受限、信道拥挤、时延较长等问题[5]。近年来，随着“星链”等低轨卫星通信系统的发展，低时延、高通量的低轨卫星在军用领域得到了巨大关注。为此，本文将从低轨卫星的角度，探讨基于低轨卫星通信系统的低轨卫星数据链，弥补传统数据链面临的数据传输距离有限、数据传输容量受限，以及中高轨道卫星数据链存在的传输损耗大、延迟长等不足。

1 低轨卫星通信系统

根据卫星所处轨道高度，可以将卫星划分为低地球轨道（low Earth orbit，LEO）卫星、中地球轨道（middle Earth orbit，MEO）卫星、高轨道（geosynchronous Earth orbit，GEO）卫星，其所处高度分别为：低地球轨道卫星500～2000 km，中地球轨道卫星2000～20000 km，高轨道卫星35786 km[6]。由里弗斯传输方程可推得，卫星信道自由空间传输损耗（free-space spreading loss，FSL）可由发射机天线接收功率t和接收机天线接收功率r的比值表示为

最早的低轨卫星通信系统是20世纪90年代实现的“铱星”系统，其共有6个轨道面，每个轨道均匀分布有11颗卫星，由此组成的低轨卫星星座可以覆盖全球，为全球任何地点提供通信服务[8]。近年来，集成电路技术的迅速发展显著降低了卫星的研制成本以及卫星的能耗、质量、尺寸；同时，回收火箭技术以及一箭多星技术的迅速发展使得卫星发射的成本急速降低。各国均开始大力部署低轨卫星通信系统。目前各国主要的低轨卫星星座项目汇总如表2所示。

美国已经在多方面对数据链与低轨卫星通信系统结合进行了尝试：2019年11月初，美空军宣布在C-12J情报飞机平台上验证了与“星链”首批卫星的互联，通信速度达到610 Mbit/s[10]；目前还在继续评估“星链”卫星与其他武器平台的连接能力。

表2 部分国家低轨星座项目汇总[9]

我国目前正大力推进低轨卫星星座的建设，未来的低轨卫星星座将实现低轨物联网、低轨导航增强、低轨通导融合等功能[11]。利用低轨卫星通信系统在数据链网络之间传输数据，将极大地扩展数据链的通信距离，同时具备通导融合的低轨卫星信号，可以实现未来卫星数据链时间、位置基准的天基化，提高低轨卫星数据链网络的抗毁性。

2 低轨卫星数据链体系架构

2.1 低轨卫星数据链2种建设方案

S-TADILJ、STDL等卫星数据链均是基于中高轨卫星实现距离扩展，存在着较大的传输损耗和时延。尤其在强调快速精确打击的现代战争中，高时延严重影响武器的命中率。发展基于低轨卫星通信系统的低轨卫星数据链是未来的趋势。对基于低轨卫星通信的卫星数据链建设，本文总结出以下2种建设方案。

方案一：加快发展建设适用于数据链的低轨通信系统。低轨卫星数据链本质是通过低轨卫星通信系统实现传感器平台、指挥控制平台和武器平台等的互联互通。为此，低轨卫星通信系统应能读取目前数据链网络中的机器可读的格式化消息，在接入方式、消息封装格式的设计上应满足数据链网络的要求，确保低轨卫星通信系统能够良好地接入数据链网络。此外，这种方案对于低轨卫星通信系统的星上数据处理能力也提出了更高的要求。低轨卫星类似于数据链网络中的一个信息中继站，通过对接收到的数据链消息进行快速处理，将其转发到数据链网络的其他节点。由于低轨卫星仅仅作为一个中继站，对数据链单元发送的数据链信号进行转发，其中继转发的仅仅是数据链信号中所包含的“信息”，而不是数据链的原始“信号[12]；因此，如果卫星转发的时延过长，数据链信号本身所包含的态势信息将无法及时共享。此外，该方案下低轨卫星的作用仅仅是“透明中继/转发”，没有在波形层面处理，对中继2端的数据链节点而言，无法进行精准的同步，对同步要求高的数据链跳频模式的影响尤为巨大。

方案二：在低轨卫星中放置数据链端机。2019年5月，美国卫讯公司（Viasat）获得了美国空军的合同，计划为低轨卫星装备Link16数据链[13]。目前该计划的进展还未公布，但提供了一种卫星数据链建设的新思路。低轨卫星作为数据链节点接入数据链网络中，能够有效降低星上数据信息处理的延迟，共享数据链网络的战场态势。这种方案下随着低轨卫星通过搭载数据链端机，作为数据链节点接入数据链网络中，在扩展传统数据链的通信范围的同时，可以进一步降低卫星数据链的延时，实时共享战场态势信息，同时保持传统数据链跳频等抗干扰模式的使用。

图1 单颗低轨卫星覆盖示意

以我国及周边热点区域为例，低轨卫星覆盖范围为100°E—140°E，北纬10°N—50°N，低轨卫星高度为1000 km，要保证该区域24 h覆盖，则所需的卫星数量总结如表3所示。

表3 单星覆盖范围和所需卫星数量

可见，在设计搭载数据链端机的低轨卫星星座时，低轨卫星天线张角越大，单星可见范围越大，覆盖热点区域所需的卫星数目越少。如须削减成本，可从星上天线张角的角度进行突破，选择合适的低轨卫星星座。

2.2 低轨卫星数据链的抗干扰通信技术设计

军事通信强调对抗条件下的可靠通信，对于低轨卫星数据链同样如此。目前数据链中采用的抗干扰技术主要有直接序列扩频、跳频扩频、直接序列扩频+跳频扩频的组合[14]。这些方式对低轨卫星数据链仍然具有参考意义，但同时要兼顾低轨卫星的信道特点。在低轨卫星信道条件下，星地之间信号传输面临的信道环境较为复杂。其中快速时变的多普勒是不可忽视的一个的因素。多普勒频移公式为

以（1～2 GHz）波段为例，在低轨卫星最大速度7.9 km/s下，其多普勒频移可达26～52 kHz；同时低轨信道面临着阴影、雨衰、闪烁、大气吸收等衰落的影响。在如此复杂的信道条件下，传统的通信手段难以满足要求。此外，在低轨卫星中放置数据链端机的情况下，应尽可能节省低轨卫星数据链的功耗。

目前，长距离（long range，LoRa）调制技术具有低功耗、远距离传输的特点，在2018年2月成功接收到了来自低轨卫星的信号[15]。根据文献[16]，在中心频率490 Mhz、频偏31.25 kHz条件下，数据能够正常调制解调的最大移动速度为19.133 km/s，远大于低轨卫星的最大运行速度。最新的长距离-跳频扩频（long range-frequency hopping spread spectrum，LR-FHSS）技术具有超大容量接入和超强抗干扰的特点，可以显著提升数据链网络的容量和抗干扰能力，实现数据链网络节点之间低功耗、可靠的通信[17]。

LoRa调制技术是线性调频调制技术（chirp spread spectrum，CSS）的一种，其本质为移频线性调频技术，与直扩和调频一样，同属于扩频技术。未来的低轨卫星数据链信号抗干扰设计可以考虑利用线性调频调制技术，以克服低轨卫星信道快速时变的多普勒频移。

线性调频调制具有较强的抗干扰特性和对多普勒频移不敏感的特点，通过线性调频+直扩、线性调频+跳频技术的组合，可以适应低轨卫星信道快速时变的多普勒频移，同时保证低轨卫星数据链具有较强的抗干扰特性。

2.3 低轨卫星数据链组网时间、空间基准方案

网络时间基准（network time reference，NTR）、位置基准（position reference，PR）是建立数据链网络必不可少的组成部分。对于给定的数据链网络，NTR可由网络单元内任一指定单元（一个且仅仅一个）担任，其他网络单元则周期性调整内部时钟，使其与NTR保持时间同步。同样，位置基准PR一般由地面单位担任，以达到无限保持初始位置和位置品质的目的。

目前我国北斗三号已经完成组网，后续我国将推进以中高轨骨干卫星加上海量低轨卫星的混合星座为核心的国家卫星互联网和下一代卫星导航系统。利用混合星座实现通信信号与导航信号的融合是未来的发展趋势。在国家卫星互联网体系下，低轨星数据链在利用低轨卫星进行数据传输的同时，接收来自北斗导航系统的精确定位授时信号，即接收的信号是包含了通信加导航的通导融合信号，可以确保数据链网络内各单元时间基准和位置基准的高品质。此外随着现代战争的演变，指定单元担任数据链网络的时间和位置基准已经难以满足数据链强抗毁性的要求，利用具有良好导航系统的空中移动平台担任NTR和PR，甚至直接以卫星作为时间空间基准，可以实现数据链组网时间、空间基准天基化以及数据链网络随时组网和去中心化的目的，从而提高数据链网络的抗毁性。

3 低轨卫星数据链的应用前景及发展现状

3.1 低轨卫星数据链可满足远距离、大容量数据传输需求

随着现代战争的发展，对远距离、大容量数据传输的需求越来越高。以空空导弹为例，为适应未来空战的作战需求，空空导弹的攻击距离越来越大，中远程空空导弹的攻击距离将达到200 km以上，远程空空导弹的攻击距离将达400 km以上。导弹数据链系统的传输距离要满足中制导信息的传输要求，其传输距离应不小于导弹最大发射距离时的中制导距离[18]；因此数据链必须具备远距离数据传输的需求。在战场损伤评估中，远程导弹弹载数据链可通过光学和红外摄像设备捕获战场图像，为后续战斗做进一步分析；由此产生的图像信息数据量大，且回传的距离远，也要求数据链具有远距离、大容量传输数据信息的能力。

目前传统数据链数据传输设备主要有短波数传电台、超短波数传电台等，超短波电台只能实现视距通信，且受地形的影响较大。短波电台虽然可实现超视距传输，但其传输性能受电离层影响较大，稳定性、通信质量均较差，难以满足数据链系统的需求。中高轨道卫星可实现远距离数据传输，但其数据传输容量较低。低轨卫星距离地面较近，可以选择更高的频段、更大的带宽；因此低轨卫星通信系统在实现远距离数据传输的同时，能实现大容量的数据传输。以“星链”为例，单个用户链路的传输速率最高可达1 Gbit/s，每颗卫星可提供17～23 Gbit/s的下行容量，足以满足数据链数据传输的需求[19]。我国最新的“虹云”低轨卫星星座，经过测试，其视频传输速率也可达到1.5 MHz[20]，相较于传统的超短波频段或者短波频段的数传电台以及中高轨道卫星，具有较大优势。

3.2 低轨卫星数据链可支持设备小型化以及更加灵活的组网

数据链数据传输设备及天线尺寸和设备工作频段密切相关，以短波电台为例，工作频段处于1.5～30 MHz，其天线波长较长，其天线波长最佳尺寸在10～200 m，极大占用了设备平台的使用空间。对于飞机导弹等平台，就牺牲了其灵巧性和隐身性。而对于中高轨道卫星而言，要保证地面设备能够接收到中高轨道卫星的微弱信号，其终端设备设计也不可避免地具有较大的尺寸。低轨卫星通信系统较传统的电台，工作于微波波段300 MHz～300 GHz，其天线尺寸可以设计得更短。同时相较于中高轨卫星，低轨卫星星地之间的路径更短，信号损失更小，对于接收终端，可以进行更加理想的小型化设计，能简单便捷地加装在多种武器系统中，并且可以单兵携带。

目前对低轨卫星通信系统的研究大多集中在作为地面通信网络的补充，以实现对海量用户接入的灵活迅速组网。这一性能运用到低轨卫星数据链中将扩展数据链的组网方式。待接入节点仅须手持小型化数据链设备以及手持卫星通信收发机，就可以接入低轨卫星数据链网络，实现单兵接入组网。在未来战争中，单兵仅须将目标信息通过数据链接入至各类武器平台，即可实现快速、精准打击。此外，还可以实现各军种数据链之间的融合，实现广域实时态势共享，促进各军种的协同，提升联合作战水平。

3.3 低轨卫星数据链系统与其他无线系统间干扰小

目前，各类数据链装载的平台均安装了多种类多频段的电子设备。以机载平台为例，目前各类型飞机往往装备了超短波电台、短波电台、高度表、微波着陆设备等，在电磁屏蔽做得不到位的情况下，往往容易造成设备间干扰。在超短波数传电台使用过程中，还容易受到其他机外干扰。此外，短波电台进行数据传输时，由于天线长、功率大，其使用期间往往会对机载无线电造成干扰，并且大功率数据传输还容易对机内其他各种电气设备造成影响。而利用低轨卫星通信系统进行数据传输，由于频率间隔大，能够较好地解决各设备间的干扰问题；此外低轨卫星接收机使用较低功率即可满足数据传输的需求，较好地避免了大功率对其他设备的影响。

3.4 依托低轨卫星数据链可实现多军种数据链的融合

经过多年的发展，美国各军种均研制了适合自身使用的数据链系统，这些数据链开发并没有统一的报文标准，同时受制于数据链的作用范围、数据传输容量、各军种的作战理念，因而并未过多考虑与其他军种之间的数据链组网。

现代战争越来越强调各军种之间的协同作战，势必要融合各军种之间的不同类型的数据链，发挥各个军种的优势。如图2所示，依托低轨卫星远距离、大容量通信的优势，低轨卫星数据链连接地面、空中、海上的数据链网络，构建空天地海一体化数据链网络，实现在一个较大范围内的陆海空天多军种协同。各军种通过统一的报文标准，接入低轨卫星数据链网络，使得舰艇、战机、战车、导弹之间能够共享数据链战场信息态势。此外利用低轨卫星数据链远程数据传输，指挥所能够实时对各军种之间进行协调，增强信息化作战水平。

图2 空天地海一体化数据链网络

3.5 我国低轨卫星数据链发展现状

鉴于低轨卫星数据链的广泛应用前景，我国已经开始对低轨卫星数据链的建设进行前瞻性的探讨研究。文献[12-13]指出，低轨卫星数据链还存在着低轨卫星数据链星地时延比传统数据链长，以及多普勒频偏会对数据链系统产生影响等问题。其构建了低轨卫星数据链时延模型，以建立平均响应时间和所分配时隙的关系，针对性地提出传输时延补偿的方法，减少时延的影响；同时针对星地多普勒频偏大的问题，提出了接收机时频同步方案，在多普勒频偏大于30 kHz时，接收机仍然可以捕获目标。这些方法可以为我国未来的低轨卫星数据链建设提供技术支撑。

低轨卫星星座的建设是低轨卫星数据链的重要一环。目前，在低轨卫星星座建设上，我国起步较晚，但发展势头强劲。2022年，我国一共执行了64次航天发射任务，其中25次载荷轨道为低轨轨道，包括银河航天6颗低轨通信试验卫星、吉利时空道宇01组卫星、微厘空间低轨导航增强系统的S3/S4/ S5/S64颗试验卫星[21]，涵盖了低轨卫星通信、物联网、低轨导航增强、遥感等诸多方面，并取得了实质性的进展。特别是在低轨导航增强领域，前期珞珈一号的伪距测距精度达到2～3 m，微厘空间低轨导航增强系统的测距精度也将达到厘米级[22]。低轨导航增强技术的突破为低轨卫星数据链时间空间基准天基化，提高低轨卫星数据链的抗毁性提供了技术支撑。此外，随着小卫星制造成本的进一步降低以及火箭发射技术的提升，在军事领域，部分学者提出构建以大规模低轨卫星为基础的太空监测网络，全天候实时监视临近地区作战目标，以提升重点地区研判和提前预警的能力[23]。在低轨卫星星座快速建设的基础上，基于低轨卫星星座的低轨卫星数据链将进入实质建设阶段，目标是提升我军战场信息共享能力。

4 结束语

本文介绍了建设低轨卫星数据链的2种方案：一是加快发展建设适用于数据链的低轨通信系统，该方案中低轨卫星担任中继站，转发数据链节点消息；二是在低轨卫星中放置数据链端机，该方案可通过尽可能增大低轨卫星张角来减少覆盖热点地区所需的低轨卫星数目。针对低轨卫星信道特性特点提出了线性调频+直扩、线性调频+跳频技术来解决信道多普勒频移大的问题；并从当前热门的通导融合角度，提出数据链时间基准和位置基准去中心化，提高数据链网络的抗毁性；最后对低轨卫星数据链的应用前景和我国低轨卫星数据链的建设状况进行了介绍，为后续我国数据链建设提供参考。

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Architecture and application prospect of LEO satellite data link

CHEN Kangping, HUANG Xinming, LI Zhengrong

（College of Electronic Science and Technology, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China）

Aiming at the problems of the limited data transmission distance and limited data transmission capacity of the traditional data link, and the high transmission loss and high delay of the medium and high orbit satellite data link, the paper proposed a low-orbit satellite data link based on low-orbit satellite communication system: the development of low Earth orbit (LEO) satellite communication system at home and abroad was introduced; and the two construction schemes of LEO satellite data link, including speeding up the development and construction of the LEO satellite communication system suitable for data link and placing the data link terminal machine in LEO satellite, were summarized; then the anti-interference communication technology suitable for LEO satellite data link and the time and space benchmark scheme for LEO satellite data link networking were put forward; finally, the characteristics of LEO satellite data link were analyzed. Results showed that LEO satellite data link would have a broad application prospect.

data link; low Earth orbit (LEO) satellite communication system; LEO satellite data link; anti-interference; time benchmark; spatial benchmark; application prospect

陈康平, 黄新明, 李峥嵘. 低轨卫星数据链体系架构及应用前景[J]. 导航定位学报, 2023, 11(4): 113-119.（CHEN Kangping, HUANG Xinming, LI Zhengrong. Architecture and application prospect of LEO satellite data link[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2023, 11(4): 113-119.）DOI:10.16547/j.cnki.10-1096.20230416.

P228

A

2095-4999(2023)04-0113-07

2022-12-06

陈康平（1996—），男，浙江东阳人，硕士研究生，研究方向为导航与时空技术。

黄新明（1988—），男，湖北孝感人，博士，讲师，研究方向为导航与时空技术。