靶場綜合數(shù)據(jù)鏈設計與關鍵技術研究

王 曉

（中國人民解放軍91913部隊，遼寧 大連116023)

0 引言

數(shù)據(jù)鏈是傳感器與傳感器、傳感器與信息平臺、信息平臺與信息平臺之間的中介，是實現(xiàn)信息鏈式運動的橋梁，是獲得信息優(yōu)勢、提高各參試平臺快速反應能力和協(xié)同作戰(zhàn)能力，實現(xiàn)試驗指揮自動化的關鍵設備。沒有數(shù)據(jù)鏈，就無法構建數(shù)字化靶場，也就無法實現(xiàn)從機械化試驗向信息化試驗的轉型?？梢哉f，信息化試驗數(shù)據(jù)鏈是靶場測控能力整體躍升的基石。靶場綜合數(shù)據(jù)鏈應與作戰(zhàn)數(shù)據(jù)鏈一致或可以模擬，以便構成模擬戰(zhàn)場進行對抗演練和研究。

靶場綜合數(shù)據(jù)鏈是以通信網(wǎng)絡為紐帶，以信息處理為核心，將遍布陸海空天的靶場傳感器系統(tǒng)、指揮自動化系統(tǒng)，輔助試驗系統(tǒng)和信息中心系統(tǒng)等靶場試驗要素連為一個有機整體的信息網(wǎng)絡系統(tǒng)。由于數(shù)據(jù)鏈能使整個靶場試驗實現(xiàn)全維感知、實時信息傳輸和智能信息處理，為武器裝備試驗提供一體化的信息支持，因此它是未來信息化、智能化和一體化靶場試驗測控能力的基礎。最終將靶場數(shù)據(jù)鏈建設成為集靶場試驗平臺、測控傳感器和數(shù)據(jù)中心等單元的全雙工、點到點數(shù)字信息鏈路，使用有線、無線及衛(wèi)星信道進行傳輸為一體的網(wǎng)絡化綜合試驗場。[1]

1 靶場綜合數(shù)據(jù)鏈的初步構想

數(shù)據(jù)鏈已成為現(xiàn)代高科技戰(zhàn)爭必需的一種裝備，信息化戰(zhàn)爭離不開數(shù)據(jù)鏈。同樣，信息化靶場也離不開數(shù)據(jù)鏈。促進數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的推廣應用，形成適應信息化戰(zhàn)爭、信息化靶場的綜合作戰(zhàn)能力和保障能力，已經(jīng)成為現(xiàn)代軍事裝備試驗領域重要的發(fā)展趨勢。

1.1 靶場數(shù)據(jù)鏈的分類

從數(shù)據(jù)終端來看，主要有傳感器終端、平臺終端和信息終端三種類型。

第一類用于測控部隊，主要解決測控裝備與測控裝備、測控裝備與被試品、測控裝備與信息平臺之間的聯(lián)系問題；

第二類用于參試飛機、潛艇或艦艇等武器裝備，主要解決作戰(zhàn)平臺之間的聯(lián)動；

第三類用于信息平臺，主要作為C4ISR、地面控制站等信息處理中心，解決信息平臺之間的鏈接問題。

1.2 靶場數(shù)據(jù)鏈的功能

1.2.1 實時獲取試驗信息在靶場數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的支持下，可以實時或近實時地在更大范圍內獲取靶場試驗情況，可以加強各參試部隊之間的彼此協(xié)同，又便于在陸海空天電一體化的多維空間中實施聯(lián)合，使靶場試驗空間朝著縱深化、立體化的方向發(fā)展。特別是實現(xiàn)試驗信息共享的橫向技術一體化，使得通信網(wǎng)絡中的每一個成員在滿足對通信資源要求的同時，還能實現(xiàn)信息橫向互通。

1.2.2 實現(xiàn)靶場環(huán)境全透明化

當各試驗平臺與信息系統(tǒng)建立起數(shù)據(jù)鏈以后，靶場上的部隊都能將各種傳感器所獲取的戰(zhàn)場情景信息，通過縱橫交錯的通信傳輸網(wǎng)絡，傳送到各試驗單元顯示設備上，使各試驗單元能及時看到整個靶場的畫面和試驗態(tài)勢，指揮員通過電子地圖針對試驗態(tài)勢，指示試驗的行動方向，將命令直接顯示到各試驗平臺的顯示屏上，使每個指揮員、試驗平臺及時了解靶場試驗進程，真正實現(xiàn)靶場試驗的全透明化。1.2.3 實現(xiàn)信息共享

靶場數(shù)據(jù)鏈的作用是把發(fā)射平臺、雷達傳感器、光學傳感器、數(shù)據(jù)中心、指揮中心、安控中心、靶標設備、靶場警戒情報中心、輔助裝備的所有信息實現(xiàn)共享。還可以交叉作業(yè)，實現(xiàn)相互控制。也就是說，當進行靶場試驗時，發(fā)射平臺、雷達傳感器、光學傳感器、數(shù)據(jù)中心、指揮中心、安控中心、靶標設備、靶場警戒情報中心、輔助裝備形成一個天空、水面、陸地、水下的全維信息方陣。

1.3 靶場數(shù)據(jù)鏈發(fā)展趨勢

1.3.1 建立戰(zhàn)術鏈接關系

靶場數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)實質上是利用計算機、通信和網(wǎng)絡技術，把靶場不同站位的目標傳感器、指揮控制系統(tǒng)和武器試驗平臺以及靶場輔助裝備等有機聯(lián)系起來形成網(wǎng)絡，可使靶場各參試單元以極短的延時共享各種傳感器獲取的所有數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)鏈的應用可以在參試多軍兵種的不同試驗平臺間，構建海、地、空、天、潛立體交叉的信息傳輸網(wǎng)絡，為試驗過程中多軍兵種的協(xié)同，提供有效的信息保障。

1.3.2 構建信息共同體

隨著數(shù)據(jù)鏈的大規(guī)模應用，將在靶場上構成多個信息共同體，通過他們之間的有效鏈接，將出現(xiàn)一個盤根錯節(jié)的信息神經(jīng)網(wǎng)。而信息神經(jīng)網(wǎng)的末梢，就是靶場上眾多的傳感器平臺、發(fā)射平臺和數(shù)據(jù)中心。靶場數(shù)據(jù)鏈路應具有高質量的空對地傳輸能力和互操作性，可以用于多波束通信、飛行器遙測數(shù)據(jù)的傳輸以及在試驗校飛演練中傳輸實時的視頻流。[2]

1.3.3 C4ISR協(xié)同發(fā)展

靶場數(shù)據(jù)鏈和C4ISR協(xié)同發(fā)展，將進一步改變部隊傳統(tǒng)的信息傳輸模式，高速、安全、可靠的作戰(zhàn)情報信息流及指揮控制信息流，使多軍、兵種的各級指戰(zhàn)員共享戰(zhàn)場態(tài)勢信息，能夠快速精確地協(xié)同作戰(zhàn)。協(xié)同作戰(zhàn)能力的實現(xiàn)，對遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|量、時延特性和更新周期等都提出了更高的要求，需要寬帶、高速的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡將各傳感器、指揮中心和武器平臺鏈接起來，實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)共享和遠程目標協(xié)同動作。靶場數(shù)據(jù)鏈的信息傳輸率和性能的不斷提高，不僅能夠為提供靶場態(tài)勢傳輸戰(zhàn)術數(shù)據(jù)，而且可以滿足目標指示的精度要求，溝通從傳感器到武器發(fā)射平臺之間的信息流，應用于引導武器發(fā)射，實現(xiàn)多平臺的火力協(xié)同，完成從平臺中心站到網(wǎng)路中心站的變革。

2 靶場數(shù)據(jù)鏈總體技術

2.1 靶場數(shù)據(jù)鏈的基本組成

靶場數(shù)據(jù)鏈是利用無線信道，在信息化靶場的各級指揮所、測控部隊、武器平臺之間，按照統(tǒng)一規(guī)定的信息格式構成的計算機數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡，是一種信息處理、交換和分發(fā)系統(tǒng)，主要包含信息標準、通信協(xié)議和傳輸信道三大基本要素。此外，還包括與信息源、指揮系統(tǒng)（包括信息處理、顯示控制和指令生成）信息、各試驗平臺的連接。

信息標準的功能是用統(tǒng)一的標準和方法對數(shù)據(jù)編碼，確保生成的報文可以被識別。通信協(xié)議的功能是確定鏈路的時隙分配方法，使得每個網(wǎng)絡參與成員的報文在特定一組時隙里進行廣播。傳輸信道的功能是使信息在這里進行調制和變頻后，通過適當?shù)奶炀€被放大、濾波和傳輸，同時實現(xiàn)傳輸加密。靶場數(shù)據(jù)鏈的基本組成如圖1所示。

靶場通常應依據(jù)試驗需求選擇其適用的數(shù)據(jù)鏈協(xié)議，再決定采用可相容于所選擇數(shù)據(jù)鏈協(xié)議的端機。相容于相同數(shù)據(jù)鏈協(xié)議的不同端機之間雖然可互相通聯(lián)，共同完成數(shù)據(jù)傳輸，但在規(guī)格與功能上卻根據(jù)需求或費用而有所差異，因此可根據(jù)需求與預算來確定使用方案。

圖1 靶場數(shù)據(jù)鏈基本組成

2.2 靶場數(shù)據(jù)鏈總體結構設計

本文提出的靶場綜合數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的主要部件如圖2所示。試驗數(shù)據(jù)系統(tǒng)為其它數(shù)據(jù)鏈路參與者提供數(shù)字信息并接收和處理其它數(shù)據(jù)鏈路參與者發(fā)送的數(shù)字信息。人機接口由顯示器和鍵盤組成，使指揮員可以通過輸入字母數(shù)字的組合發(fā)送指揮控制命令，并從顯示器讀取信息。指揮控制處理器位于靶場數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的中心，為計算機和鏈路數(shù)據(jù)終端提供接口，能夠完成接收、分配和轉譯報文，并能轉發(fā)鏈路間的數(shù)據(jù)。參考美軍數(shù)據(jù)鏈Link-16終端所使用聯(lián)合戰(zhàn)術情報分配系統(tǒng)(JTIDS)，可以提供保密、抗干擾、大容量與低攔截率數(shù)字數(shù)據(jù)通信，能提供準確定位與識別、相對導航、中繼等功能。

圖2 靶場數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的主要部件

靶場數(shù)據(jù)鏈中完成信息分配的通信設備—戰(zhàn)術情報分配系統(tǒng)是保證數(shù)據(jù)鏈性能的關鍵設備，該系統(tǒng)終端由數(shù)字數(shù)據(jù)處理器組、接收機/發(fā)射機和大功率放大器組成，其詳細結構如圖3所示。數(shù)字數(shù)據(jù)處理器提供對收/發(fā)報機和大功率放大器組的控制，并完成發(fā)射和接收情報分配系統(tǒng)時分多址信號所必需的數(shù)據(jù)處理。網(wǎng)絡接口控制程序是數(shù)據(jù)處理器使用的軟件程序，負責與情報分配系統(tǒng)射頻網(wǎng)絡的通信，時分多址報文發(fā)射與接收的處理。收/發(fā)報機提供情報分配系統(tǒng)時分多址收發(fā)功能所要求的射頻信號和中頻信號處理。大功率放大器把從收/發(fā)報機接收的低電平連續(xù)調制放大。陷波濾波器是一種抑制一定頻率信號而允許其它信號通過的器件；射頻限制器防止接收機由于附近有發(fā)射機而產(chǎn)生過載。

靶場數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)工作時，要發(fā)射的試驗數(shù)據(jù)通過軍標接口從試驗數(shù)據(jù)系統(tǒng)計算機傳送給指揮控制處理器。數(shù)據(jù)通過軍標總線從指揮控制處理器傳送給情報分配系統(tǒng)終端。通過運行在接口設備中的接口控制程序軟件接收數(shù)據(jù)。用戶接口控制程序通過全局存儲器將數(shù)據(jù)傳送給網(wǎng)絡接口控制程序軟件。網(wǎng)絡接口控制程序與明文處理器和密碼電文處理器一起操作，進行必要的處理后轉換成一系列的連續(xù)相移調制脈沖。用這些脈沖串調制75MHz中頻載波并傳送給收/發(fā)報機，然后采用預定載波進行調制，已調制好的信號被大功率放大器放大，經(jīng)過天線接口設備和陷波濾波裝置傳送給天線。天線將信號輻射到大氣中。

圖3 情報分配系統(tǒng)終端設備結構圖

在接收的時候天線將接收到的信號傳送給收/發(fā)報機，收/發(fā)報機從跳頻載波中解調出連續(xù)相移調制脈沖串，該脈沖串用中頻傳送給數(shù)字數(shù)據(jù)處理器并進行適當處理，處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)過全局存儲器傳送給用戶接口程序，用戶接口程序通過軍標總線發(fā)送給指揮控制處理器，指揮控制處理器再通過軍標接口發(fā)送給試驗數(shù)據(jù)系統(tǒng)計算機。

3 靶場數(shù)據(jù)鏈關鍵技術

決定靶場試驗成功的主要因素不僅是武器性能，更需要試驗過程中獲得更好的飛行態(tài)勢感知能力。靶場數(shù)據(jù)鏈關鍵技術包括天線技術、入網(wǎng)技術、信道接入技術、時隙分配技術、業(yè)務綜合技術、信道編碼技術、直接序列擴頻技術、數(shù)字上變頻技術等。本文主要研究時隙分配技術、業(yè)務綜合技術和網(wǎng)絡同步技術。

3.1 時隙分配技術

靶場數(shù)據(jù)鏈的時隙分配要求按照成員需求實時而均等地自動把時隙分配給成員，而不能把它們聚束成脈沖串，隨后等待很長的時間。當平臺不能在分配給它的時隙中把所有的信息發(fā)射出去時，信息就存儲在緩沖器中，準備在下一個可用的時隙中使用。靶場數(shù)據(jù)鏈可采取固定時隙分配和動態(tài)分配相結合的分配方式，動態(tài)分配包括預約分配和爭用分配。[3-4]

3.1.1 固定時隙分配

固定時隙分配根據(jù)網(wǎng)絡中的參與群以及每個參與群中的接口單元（JU）數(shù)量來確定。每個網(wǎng)絡參與群的時隙分配主要是從該功能網(wǎng)所承擔的任務考慮的，例如，試驗網(wǎng)絡內成員是執(zhí)行任務的測控系統(tǒng)，這些成員數(shù)量多，但發(fā)射信息較少，每個成員要占用的時隙數(shù)就較少；有些成員是執(zhí)行監(jiān)視、指揮和通信任務的，這類成員數(shù)量少，但發(fā)射信息頻繁，要占用的時隙數(shù)較多。一個網(wǎng)絡參與群所需要的時隙的數(shù)量為每個成員完成該網(wǎng)絡功能需要的時隙數(shù)量與該網(wǎng)絡參與群內接口單元（JU）數(shù)量的乘積。

3.1.2 預約時隙分配

當信道不繁忙時，一般可以成功預約時隙，當信道比較忙的時候，可以根據(jù)接收到的各個用戶的位置信息等，計算出用戶間的距離，選用被遠方成員預約到的時隙，形成一個時隙多個發(fā)送的時隙復用，在時隙復用中只能接收到距離近的發(fā)射信息。時隙的預約分配由各個參與者計算，由于它們收到的預約信息相同，采用的計算方案相同，故計算的時隙預約分配結果相同。時隙的分配不需要網(wǎng)絡控制站的參與，各個用戶自發(fā)管理信道時隙，網(wǎng)絡控制權分配給各個網(wǎng)絡參與者。時隙預約信息包擴周期超時值和時隙編號。周期超時值指明了當前所用的時隙還要被繼續(xù)預約使用的幀數(shù)。每經(jīng)過一幀時間，周期超時值減1，當周期超時值為零后釋放當前時隙。如果在一幀中需要多次發(fā)送報文，成員可以在一幀中預約多個時隙。預約時隙分配方案如圖4所示。

圖4 預約時隙分配方案

圖5 爭用時隙分配方案

3.1.3 爭用時隙分配

靶場數(shù)據(jù)鏈除傳輸數(shù)據(jù)外，還可以同時傳輸話音。話音通信所使用的時隙不像數(shù)據(jù)傳輸那樣固定，分配給某個網(wǎng)絡成員，而是公用的。參與單元有數(shù)據(jù)要在指定為爭用模式的時隙發(fā)送時，直接占用該時隙，無沖突時，數(shù)據(jù)發(fā)送成功，有沖突時，采用專門的算法計算出一個隨機數(shù)，隨機延時若干個時隙后重新發(fā)送，直到發(fā)送成功，或消息由于延遲時間太久失效被丟棄。爭用時隙分配方案如圖5所示。

3.2 業(yè)務綜合技術

試驗信息的發(fā)送可由消息結構選擇模塊和資源調度(即時隙分配)模塊來控制，業(yè)務綜合既包括時隙的分配，又包括時隙結構的選擇。信息的實時性通過時隙分配來保證，時隙分配包括帶寬以及訪問模式（搶占或非搶占訪問）。而容錯性、可靠性、丟失率通過選用合適的時隙結構來保證。

3.2.1 消息結構選擇模塊

參考JTIDS系統(tǒng)所使用的數(shù)據(jù)協(xié)議規(guī)范，常用的數(shù)據(jù)包格式可分為4種，即標準雙脈沖消息結構（standard double2pulse）、packed-2單脈沖消息結構（Packed-2singlepulse）、packed-2雙脈沖消息結構（Packed-2doublePulse）、packed-4單脈沖消息結構（pakced-4singlepulse），另外還有入網(wǎng)、有源校時詢問和應答消息格式。入網(wǎng)消息和有源校時詢問和應答消息格式主要用來完成入網(wǎng)和實現(xiàn)網(wǎng)絡同步，而標準雙脈沖消息結構、packed-2單脈沖消息結構、packed-2雙脈沖消息結構、packed-4單脈沖消息結構可用來傳輸試驗數(shù)據(jù)消息。[5-6]

由于標準雙脈沖具有跳時，且每個數(shù)據(jù)脈沖都是在兩個頻點上傳輸?shù)?，抗干擾和抗丟失能力大大增強，加上其本身采用RS糾錯編碼措施，差錯率極低，能夠滿足靶場試驗數(shù)據(jù)的無差錯傳輸。對于語音圖像以及視頻業(yè)務，根據(jù)其對傳輸質量要求的不同，可以采用packe-2單脈沖、packet-2雙脈沖、packet-4單脈沖等三種消息結構，如圖6所示。

圖6 靶場消息結構選擇模塊

3.2.2 資源調度模塊

在試驗數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中，若僅僅簡單按照業(yè)務類型來劃分優(yōu)先級，例如規(guī)定語音業(yè)務的優(yōu)先級高于數(shù)據(jù)業(yè)務的優(yōu)先級，那么緊急數(shù)據(jù)如指揮與安控命令將因為不能得到及時傳輸而延誤下達，因此需要根據(jù)其特點采用合適的資源調度模式。資源調度以幀或時隙為單位，主要包括時間調度和份額調度。時間調度決定分組的發(fā)送時間，即不同成員分組的發(fā)送次序；份額調度決定不同分組或成員應得的資源份額，即時隙多少。

根據(jù)業(yè)務特性選擇合適的打包方式，生成從高到低的調度優(yōu)先級隊列，然后綜合考慮各個成員的帶寬要求，對所有消息進行綜合排隊并分配適當?shù)馁Y源，形成綜合業(yè)務流?？蓪崿F(xiàn)方案如圖7所示。

圖7 業(yè)務綜合實現(xiàn)方案

3.3 靶場數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡同步技術

靶場數(shù)據(jù)鏈基本同步控制方法可采用準同步方式、主從同步方式、互同步方式、混合同步方式四種。

3.3.1 準同步方式

網(wǎng)內各個節(jié)點上設立具有統(tǒng)一標稱頻率和頻率容差的高精度獨立時鐘，產(chǎn)生的滑動能夠滿足指標要求。該方式簡單靈活，但對始終性能要求高，成本高，且存在周期性的滑動。

3.3.2 主從同步方式

網(wǎng)內設置基準時鐘和若干從時鐘，以主基準時鐘控制從時鐘的信號頻率，同步信號可以從傳送業(yè)務的數(shù)字信號或專用鏈路中的定時信號中提取。該方法在正常情況下不存在周期性滑動，且對從時鐘性能要求低，建網(wǎng)費用低；存在的缺點是傳輸鏈路的不可靠會影響時鐘傳送。

3.3.3 互同步方式

不設立主基準時鐘，各時鐘相互作用，每個時鐘接受其它節(jié)點時鐘送來的定時信號，將自身頻率鎖定在所有接收到的定時信號頻率的加權平均值上，選取適當參數(shù)使得全網(wǎng)的時鐘趨于穩(wěn)定的系統(tǒng)頻率，從而實現(xiàn)網(wǎng)內時鐘同步。該方式的優(yōu)點是可靠性高且對時鐘性能要求不高，缺點是穩(wěn)態(tài)頻率取決于網(wǎng)絡參數(shù)，網(wǎng)絡參數(shù)變化容易引起系統(tǒng)性能變化，甚至進入不穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3.4 混合同步方式

將試驗網(wǎng)絡劃分為若干個同步區(qū)，在區(qū)內設置主基準時鐘，各同步節(jié)點配置從時鐘，同步區(qū)內為主從同步網(wǎng)，同步區(qū)間為準同步方式。該方式可以減少時鐘級數(shù)，縮短定時信號傳送距離，克服了主從同步在定時相互傳送距離很長時受傳輸鏈路和外界干擾使得網(wǎng)絡性能下降的缺點。

4 結束語

信息技術的高速發(fā)展給軍事通信帶來了深刻的影響和重大的變革，數(shù)據(jù)鏈的出現(xiàn)勢必大大增強了試驗單元的態(tài)勢感知能力。靶場數(shù)據(jù)鏈的可行性研究是在兼容現(xiàn)有裝備的基礎上，積極開發(fā)新的頻率資源，提高數(shù)據(jù)傳輸速率，改進網(wǎng)絡結構，增大系統(tǒng)信息容量，提高抗干擾和抗截獲能力，不斷提升數(shù)據(jù)分發(fā)能力，從戰(zhàn)術數(shù)據(jù)終端向聯(lián)合信息分發(fā)系統(tǒng)演變；在與各種指揮控制系統(tǒng)及試驗平臺連接的同時，實現(xiàn)與全軍戰(zhàn)略網(wǎng)的大數(shù)據(jù)流、強實時性、高可靠性的互通。

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