数据链系统与技术（第2版） 课件 第5、6章 无人机数据链、数据链的消息格式

无人机数据链国防电子信息技术丛书数据链系统与技术(第2版)第五章01无人机测控系统及其关键技术无人驾驶飞机简称“无人机”，它的出现揭开了以智能化、信息化攻击型武器为主导的“非接触性战争”的新篇章，目前已被广泛应用于空中侦察、监视、电子干扰等多个领域。无人机与载人飞机相比，它具有体积小、成本低、使用方便、战场适应能力与生存能力强的优点，同时，它准确高效的侦察、干扰、欺骗、搜索、校射以及非常规作战的能力，足以引发一场军事技术革新。甚至一些专家预言：“未来的空战，将是具有隐身特性的无人驾驶飞行器与防空武器之间的作战。”无人机测控系统及其关键技术伴随科学技术的飞速发展，无人机领域将会持续引入更多更新的高科技技术，在未来的信息化战争中，无人机将占有举足轻重的地位，它将在全方位一体化作战体系中发挥更巨大的潜力。因此，近年来，世界各军事强国掀起了研究无人机的热潮。无人机测控系统及其关键技术无人机系统一般由无人机平台、任务载荷和测控系统三部分组成。其中，测控系统是无人机系统的关键组成部分之一，它承担着无人机与地面控制站之间各种信息的交互，用于实现对无人机进行遥控、遥测、跟踪与测距，以及传感器数据传输功能。无人机测控系统无人机测控系统及其关键技术遥控是指通过向无人机发送遥控指令实现对无人机飞行状态和设备状态的控制。基于遥控指令的传输方向，遥控有时又称为“上行遥控”，遥控指令包括控制无人机飞行的飞行控制指令和控制任务设备、机载设备工作的控制指令。无人机的遥控指令按内容可分为两类：一类是飞行控制命令，如控制无人机的起飞、爬升、俯冲、平飞、回收等；另一类是任务控制命令，如控制光学传感器的开机、关机、调焦等。在地面站，操作人员把代表各种指令的电信号送到指令产生器中，再通过传输设备发送至无人机上实现对无人机的遥控。无人机测控系统及其关键技术遥测是指对无人机飞行状态和设备状态参数的测量并回传至地面，其目的是实现对无人机远距离间接式测量。基于遥测信息的传输方向，遥测有时又称为“下行遥测”。通过遥测可采集的数据有三类。一是无人机飞行状态参数；二是任务设备的状态参数；三是与机载测控设备有关的数据。对遥测数据的处理可分为实时处理和事后处理。实时处理并显示供现场监视用，事后处理的目的是为了提高遥测精度或用于进一步分析。无人机测控系统及其关键技术信道综合技术：早期的无人机数据链大都采用分离体制，遥控、遥测、传感器数据传输和跟踪与测距分别采用各自独立的信道，独立信道的采用增加了设备的复杂性。压缩编码技术：传感器信息数字化压缩传输技术也是无人机数据链的一项关键技术。通信安全技术：无线信道的开放性不可避免地带来了脆弱性问题，使其容易受到攻击、窃取和利用。无人机测控系统及其关键技术超视距中继传输技术：当无人机超出了地面测控站的视距范围时，数据链必须采用中继方式。无人机组网技术：无人机数据链通常采用标准的点对点方式实现侦察情报数据传输。电磁兼容技术：无人机数据链有上/下行链路，又要考虑多机多系统兼容工作和必要时的中继转发，再加上安装空间的限制。无人机测控系统及其关键技术02典型无人机数据链美国国防部于1991年指定通用数据链（CDL）作为宽带数据链的标准。然而，由于CDL宽带数据链终端的重量、体积等因素限制了其在无人机上的应用，于是，美国国防部提出了为战术无人机开发战术通用数据链（TCDL）的研究计划，该计划于1997年正式启动。TCDL数据链典型无人机数据链TCDL数据链是专门针对类似无人机等小型平台的宽带数据链。TCDL为了在适应无人机平台的同时，还能够保持与CDL系列的通用宽带数据链互操作，采用了简化的CDL规范（即TCDL是CDL的简化版）。典型无人机数据链TCDL是一种与CDL数据链兼容的低成本、轻型数据链，用于在有人和无人驾驶的飞机之间及它们与地（海）面之间提供安全、可互操作的宽带数据传输，广泛支持各种情报、监视和识别应用，可支持200km以内的雷达、图像、视频和其他传感器信息的空地传输。典型无人机数据链由于TCDL衍生自CDL，因而两者可以无缝地互操作，从而避免了在该领域出现“烟囱”系统，这也促使TCDL系统不仅在无人机上广泛应用，而且也被应用于直升机和固定翼飞机，并发展出了单兵便携式等各型终端。典型无人机数据链HIDL数据链HIDL数据链（高完整性数据链）是英国海军根据北约的通用宽带数据链标准为其无人机研制的一种宽带数据链，用于辅助操作员控制无人机起飞与着陆以及将舰载无人机传感器获得的侦察数据发送给海军舰船以及其他海（地）面配备HIDL终端的单元。该数据链是一种全双工抗干扰数据链，由机载终端和舰载终端组成，是为海上无人机设计的一种低成本的模块化数据链，它以广播方式工作，可同时控制两架以上的无人机。典型无人机数据链HIDL数据链的功能虽然与CDL数据链相类似，但二者之间也存在很多不同点。HIDL数据链是一条高度完整的数据链，不仅仅是一条宽带数据链，而且其上/下行链路都具备抗干扰能力。HIDL数据链的一对多工作模式也不同于TCDL的点对点模式，而且HIDL数据链所采用的频段也比TCDL数据链更低，因此通信距离也更远，以适应海上通信的需要。典型无人机数据链QNT数据链在网络中心战场上，美军需要利用分布式的传感器平台来实时、快速和精确地发现、锁定、跟踪和攻击静止和活动目标。尤其是打击时敏目标，必须要利用多平台的高效协同才能实施有效的打击。典型无人机数据链但要实现这种协同必须要有高效的通信系统为其提供支持，美军设想的作战方案之一是利用数据链将战术无人机、单个地面作战单元和武器控制系统综合到网络中心作战环境中，以网络中心的作战方式实现上述打击目标。为此，美国国防高级研究计划局（DARPA）提出了研究小型网络数据链技术的研究计划，即QNT（QuintNetworkingTechnology）数据链。典型无人机数据链QNT数据链是一种模块化的微型网络数据链，用于实现战术作战飞机、联合无人战斗空中系统（J-UCAS）、武器弹药、战术无人机（UAV）和地面单兵之间的通信和无缝链接。QNT数据链中的Quint（五倍）即是指这五种网络节点。QNT数据链用以支持打击时敏和移动目标所需的精确打击和高效率的机器到机器的瞄准定位，并支持目标战斗识别、分发战术无人机和单个地面传感器数据以及战斗毁伤评估。典型无人机数据链QNT数据链与TTNT数据链有非常大的关系，都是由RockwellCollins公司为主研制的，QNT数据链是在TTNT数据链的基础上发展而来的，有着很多的共性技术。QNT数据链和TTNT数据链从诞生之初就是一个波形体系，QNT的波形体系和TTNT波形相互兼容，并以TTNT数据链的波形作为主要的组网波形，只是在体积上变得更小，发射功率更小。典型无人机数据链03无人机数据链发展趋势随着信息技术的不断发展以及无人机应用范围的不断扩大，要求无人机能够在更加广阔的区域内协同完成任务、实时传输更大数据量的情报信息，并有能力进行信息处理以及向更广范围的快速分发。美军认为，随着军方不断寻求无人机数据链具有“网络中心战”的特征，具备点对点交互操作的能力，网络化和通用化将是无人机数据链发展的热点；同时，安全化、小型化、高速化仍是无人机数据链发展的基本要求。无人机数据链发展趋势安全化美国空军情报主管拉里·詹姆斯少将曾认为，在高冲突环境下保持对无人机的控制和数据链接是很困难的问题。的确，随着战场电子技术的不断发展，无人机数据链面临的电子对抗形势日趋严峻，其抗干扰和抗截获能力显得尤为重要，不仅要保护无人机收集到的数据和情报，还要防止敌人通过数据链定位打击地面控制站，甚至发出干扰信号篡夺无人机的控制权。无人机数据链发展趋势无人机系统对数据链的依赖性使其成为敌对分子最可能攻击的目标。尤其是在无人机实施集群作战时，战场环境复杂恶劣，数据链通信面临着敌方远程精确火力打击、电子干扰压制和战场电磁兼容互扰等多重威胁。因此，保证无人机数据链的安全性是无人机数据链发展的基本前提。无人机数据链发展趋势美军在无人机数据链规划层面非常重视安全性问题，早在2003年美国国防部就提出投资约1.5亿美元用于无人机数据链的抗干扰和保密技术研究。除此之外，美国国防部还在大力推广工作在Ku频段的无人机数据链，虽然此频段数据链受物理特性限制存在一些局限性，但由于可以提供更高的安全性，仍受美军的青睐。当然，无人机数据链的安全与性能的权衡也很重要。为此，美军还在利用新型、高效的调制解调技术、纠错编码技术、高速跳频和宽带扩频及相关技术，研制具有电磁兼容性好、截获概率低、抗干扰能力强的高性能无人机数据链。无人机数据链发展趋势无人机体积的小型化始终是无人机的发展趋势，但这也为无人机数据链的设计增加了难度，数据链设计人员不仅需要减小数据链设备的物理尺寸，而且还要增加信息传输容量，同时保证信息传输的可靠性。传统的无人机数据链由编解码、加密、调制解调、上下变频等模块组成，每个模块都由相应的硬件构成。因此，质量和体积都会较大，而且软件升级和扩展的适用性也差。小型化无人机数据链发展趋势高速化随着高空长航时无人机的快速发展，无人机平台的持续侦察时间不断增加，所搭载的侦察传感器性能不断提升，且数量也相应增加，所获取的图像视频等信息数据量也越来越大，同时现代战场环境对侦察情报信息实时回传要求也不断提高。因此，无人机数据链系统的信息传输能力呈现高速化趋势。无人机数据链发展趋势网络化无人机数据链具有宽带高速的特点，如果能充分发挥其高速数据传输的作用，可使无人机在巡航期间成为网络路由器或中继站节点，将无人机由目前的点到点通信逐渐发展为多无人机网络，并最终融入全球信息栅格（GIG）中，使其成为网络中心战的节点。无人机数据链发展趋势无人机数据链的通用化或标准化是未来发展的大势所趋。尽可能早地考虑数据链标准化问题，及早制定相关标准并逐步完善，是各国发展无人机数据链采取的策略。由于不同类型的无人机装备的数据链差别很大，实施标准化会受到各种因素的限制，需要逐步推进。通用化无人机数据链发展趋势数据链的消息格式国防电子信息技术丛书数据链系统与技术(第2版)第六章01数据链的消息标准数据链的消息格式都是由相应的消息标准所规定的。经过多年的演变和完善，美军的战术数据链的消息格式已逐步统一到J、FJ、VMF系列上。为了提高数据链系统的互操作性，在美国国防部的《联合技术体系结构（JTA）》中，明确规定了MIL-STD-6016（相当于北约的STANAG5516）《战术数字信息链J消息标准》STANAG5522《战术数据交换-22号链》和《可变消息格式》（VMF）是美国国防部信息系统强制执行的标准。数据链的消息标准数据链标准具有一般标准所共有的特征和作用，即作为数据链的技术基础，是数据链装备研制、采购和应用的重要依据，是检验数据链产品质量的准绳，是联系研制、生产、使用的纽带和桥梁。数据链的重要特点是满足实时和近实时的战术信息的交换要求，而且要实现无缝通信，从传感器到指控系统或武器系统都需要进行自动的数据传送和处理，标准在这一过程中起着十分重要的保障作用。数据链的消息标准数据链标准经历了从单个标准制定到建立标准体系的发展过程。以美国海军为例，从20世纪60年代开始为解决舰艇之间的数据交换问题，研制了Link-14数据链，同时制定战术数据广播标准；为解决舰艇与舰载飞机之间的数据交换，制定了MIL-STD-6004《战术数字信息链（TADIL）V/R消息标准》研制了Link4数据链；为解决舰载飞机和舰艇与海军陆战队之间的数据交换问题，制定了MIL-STD-6011《战术数字信息链（TADIL）AB消息标准》，研制了Link-11数据链。数据链的消息标准为了实现各个作战单元之间、作战群体之间的战术数据实时交换，实现多军种联合作战，美国国防部颁布了MIL-STD-6016《战术数字信息链J消息标准》，研制了Link-16数据链。数据链的消息标准表6.1给出了美军和北约主要战术数据链标准的概况。数据链的消息标准数据链的消息标准02Link-16数据链的消息格式在Link-16数据链中，系统间信息的交换、网络的建立和维护都是通过J系列消息实现的。J系列消息分为固定格式和可变格式，实际应用中，可变格式的J系列消息已经定义新的消息：VMF。所以通常所说的J系列消息指的是固定格式。Link-16数据链的消息格式北约的STANAG5516标准规定了北约战术数据系统中使用的Link-16数据链规范，其目的主要是确定J系列消息的规则和协议，同时也确定了与Link-11数据链的M系列消息转换所需的规则和协议。“J”是美国国防部为Link-16数据链给出的系列消息的代号。字类型Link-16数据链的消息格式“J”是美国国防部为Link-16数据链给出的系列消息的代号。消息标准中的信息交换要求详细规定了J系列固定字格式消息的结构，包括报头字、消息字的结构、编号约定、消息长度指示、编码约定、消息描述文件、收发规则和消息优先顺序等内容。J消息由初始字、扩展字、继续字等消息组成。Link-16数据链的消息格式初始字的字格式如图6.1所示。Link-16数据链的消息格式扩展字的格式如图6.2所示。Link-16数据链的消息格式继续字的格式如图6.3所示。Link-16数据链的消息格式继续字继续字在扩展字之后发送，在没有扩展字发送时紧接在初始字之后发送。每个继续字含有1个5bit的继续字标识字段（第2位~第6位），用来唯一地识别继续字。继续字标识字段的值为0~31，可见，对于任何一个J系列消息，其继续字最多为32个。Link-16数据链的消息格式03Link-22数据链的消息格式F系列消息的字结构如表6.3所示。Link-22数据链的消息格式FJ系列消息的字结构如表6.7所示。Link-22数据链的消息格式扩展字在逻辑上与初始字是一个整体。之所以要发送扩展字，是由于初始字要发送的数据量超出一个初始字的有效范围。扩展字在初始字之后发送，它们按顺序系列号传输。Link-22数据链的消息格式连续字是初始字和扩展字的附加扩展信息。连续字跟在最后一个扩展字发送，如果没有扩展字，它跟在初始字后发送。每个连续字包含5bit连续字标识符，最多能定义32个连续字。连续字不需按顺序系列号传输，除非它按特定的传输规则发送。Link-22数据链的消息格式04消息描述消息摘要（MessageSummary）由消息用途（Purpose）和数据元素摘要（DataElementSummary）两部分组成。数据元素摘要以消息字为基本单元，分别列出各个数据元素和比特数。消息摘要消息描述JO.OI初始字、JO.OE扩展字和JO.0C1继续字的数据元素分别如表6.12、表6.13和表6.14所示。消息描述消息描述消息描述发送/接收规则发送规则（1）当在通信模式1中使用J0.0“初始入网”消息发送PPLI和/或控制时隙时，JO.O消息由JO.0I“初始入网”初始字和JO.OE扩展字组成。当在通信模式2中使用J0.0“初始入网”消息时隙时，JO.O消息只由J0.OI初始字组成。当在通信模式4中使用J0.0“初始入网”消息时，JO.O消息由JO.OI初始字和J0.0C1继续字组成。消息描述发送/接收规则接收规则（1）当在某个初始入网时隙里收到J0.0消息时，把最新的经过更新的“时隙分配索引号”和时隙分配用于终端自己的发送/接收操作，并且必要时在它的JO.O消息中发送。（2）当NTR在除初始入网时隙以外的其他某个时隙里收到J0.0消息时，