武器协同数据链系统的发展分析

TTNT数据链系统发展分析2008年5月13日，首架安装TTNT数据链的F-22A“猛禽”战斗机参加了在内华达州内利斯空军基地举行的2008年美军联合远征部队第三阶段试验演习（JFEX—08—3）,表现出了极强的战场态势感知能力和网络中心战能力。演习表明：F-22不仅具备超强的信息采集能力，而且还能通过机载先进战术瞄准网络数据链系统(TTNT)将海量的战场情报信息和态势图像对其他作战平台进行高速传输和实时共享。可以说，TTNT是美军下一代战术数据链系统中一颗冉冉升起的新星，是其网络中心战的中枢系统。本文将从数据链的基本介绍开始，着重剖析TTNT系统，以达到初步掌握其本质的目的。美军的战术数据链自20世纪50年代开始发展，至今已经形成了一个庞大的作战体系，从Link4，Link11到Link16以及即将装备的Link22和TTNT，每一步发展都会迅速改变现有的作战格局。近十年来，战术数据链系统更是经历了战争的考验，海湾战争、阿富汗战争、科索沃战争、伊拉克战争，每次战争中的成功应用使数据链系统赢得了“战争中作战能力的倍增器”的美誉。那什么是战术数据链呢？引用美国国防部对其下的定义：“战术数据链是用于传输机器可读的战术数字信息的标准通信链路”。战术数据链通过单一网络体系结构和多种通信媒体，将两个或多个指挥和控制或武器系统连接在一起，从而进行战术信息的交换。战术数据链系统的一般组成结构如下图所示：下面我们将对美军目前的通用数据链Link16进行一个简单介绍。TADILJ（北约称之为Link16）研制于20世纪70年代，较其前任而言，是一种保密、大容量、抗干扰的数据链路，采用J序列报文格式。Link16工作在960~1215MHz频段，传输速率为115.2kbps-238kbps，采用TDMA方式组网，具有跳扩频相结合的抗干扰方式，跳频速率为76900次／秒。以下是Link16机载数据链的组成图示：由于受到机内空间和载荷量的限制，原有的一些组件被整合成三大任务模块。任务计算机主要是处理信息数据以及对数据加密；，联合收发系统则集成了数据终端机和RF设备中的射频设备的功能，负责对数据的调制解调以及生成波形；接收／发射天线主要收发无线电信号。Link16数据链虽然先进，但毕竟是上世纪70年代的产物，那时的雷达和各类光电设备的分辨率还不高，Link16尚能胜任其数据传输的任务。但随着各种探测技术的发展，现代战斗机（如F-35）上的机载小型有源相控阵雷达（AESA）在合成孔径模式下测绘的数字地图分辨率已经达到了250毫米量级，其光电传感器的探测距离和红外成像分辨率也在成倍提高。Link16已经无法满足如此巨大的信息传输需求了。于是美军在2001年便启动了新数据链的研发工作，TTNT应运而生。TTNT全称是TacticalTargetingNetworkTechnology,直译为战术目标指向网络技术。TTNT是RockwellCollins公司为了解决从传感器到射手的数据链接问题而提出的一种传输量大、反应时间短的解决方案。它以互联网络协议(IP)为基础，这种高速、动态的专设网络可使美军能够迅速瞄准移动及时间敏感目标。2毫秒内TTNT数据链在185.2千米(100海里)距离的数据传送速率能够达到2兆比特/秒，这一技术可使网络中心传感器能够在多种平台间建立信息联系，并对时间敏感目标进行精确定位。JEFX试验证明TTNT几乎能够使用包括语音、文本对话、视频流以及静止图像在内的各种类型IP应用，并且可以支持200位以上的用户在高速互联网络传输下安全、抗干扰地传送数据。综上及其他资料，我们总结出TTNT的四大特点：（1）基于IP的网络格局。这点完全有别于原有的Link16系统的TDMA机制；（2）高速，宽带，低时延。根据JEFX演习资料，TTNT支持的网络容量高达10Mb/s，信息延迟为1.7毫秒；（3）快速自组网。TTNT的网络结构简单，可以自动组网,新用户进入更新协议并注册的时间约为3秒。而Link16组网则需要手工加入，一般需要1－2天时间;(4)支持用户数量多。TTNT网络可以支持200个成员，每个成员都有自己的独立IP，相比Link16的20个成员高出了一个数量级。TTNT如此先进，其工作原理是怎样的呢？下面我们将从天线及频率选择、高速传输、快速组网这几个关键技术方面对其进行剖析。一．TTNT的频率选择。如下图所示，TTNT的成型产品是集成于Link16的联合收发系统（JTIDS）之中的，并未在其基础上添加其他射频单元。另外，TTNT的单节点传输半径至少要达到100海里（185.2千米），由此我们可以推断出TTNT的数据传输频段约为900MHZ至1500MHZ之间。二．TTNT系统的天线选择如下图所示，一般机载数据链天线多采用全向天线，以保证战机翻滚机动时信号不因机身遮挡，反射造成衰减。但是采用全向天线收发数据最大的缺陷就是容易被敌方探测到其电子信号特征，从而暴露目标。科索沃战争中，一架F-117A隐形战斗机在塞尔维亚上空被南联盟的SAM-3防空导弹击落，就是因为数据通信的电子信号泄的密。而TTNT号称是一种低可截获的通信系统，必然不会采用全向天线通信。目前美国研制了一种可以高速切换方向的多波束天线（MBA），再配合特殊的天线对准及跟踪算法，能够在快速机动中保持天线波束对准。TTNT极有可能就是采用这种天线模块。三．TTNT的高速率TTNT的定向天线的窄波束不仅能够提高系统的低截获性和抗干扰性，更有利于实现高数据传输率。另外TTNT是集成到原有的通信组件之中的，数据加密也是采用的原有的加密系统。要达到高通量高速率，就得在调制上做文章，采用较高阶的调制方式和较高的编码速率。四．基于IP的快速组网TTNT的网络是已IP协议为基础的，其网络结构简单，可以快速实现组网。我们主要研究了其入网，出网管理，给出了简单流程。1）TTNT入网流程1.进入网络范围，接收欢迎信号2.解码接收信号，提取最近节点的位置信息3.向最近节点发送身份验证信息4.验证通过，返回注册IP验证不通过，继续要求提供验证信息5.建立连接，从最近节点获取其他节点信息6.不间断地向附近节点发送自己的位置信息（每秒20次）2）退出TTNT网络任务结束的战机要退出网络有两种方式：1.飞离网络范围，无法收发该网络的信息。原网络无法更新其位置信息，将其IP收回，断开连接。2.手工发出断开网络连接请求，停止发送其位置信息，最近节点接收到其断开连接信息，将其IP从连接表中删除，断开连接。结合以上的分析，我们可以得出如下结论：TTNT是一种比较成功的数据链系统，在此基础上还会发展出TTNT2,TTNT3等更加成熟更加先进的技术。但世上没有攻不破的马奇诺防线，通过分析TTNT的原理，我们可以发现几个突破点：1.虽然其节点间采用定向波束进行通信，号称低截获率，但其广播的网络欢迎信息仍是其无线电信号的泄密点。虽然其广播信号经过伪装及加密处理，但只要长期监听就一定能发现其特定的内容。2.从内部着手。TTNT这种无中心节点的网络，注册时间很短，其新节点的验证必然不够，只要能通过其他途径得到一台原型机加以分析，用伪装节点进入其网络必然可造成极大的破坏。未来战争是信息化条件下的高科技比拼，在这一领域，美国一直是遥遥领先的，我国目前与其差距还十分巨大。但当今世界，新技术的扩散十分迅速。我方只要能掌握其关键技术，采用不对称的方式对其进行反制必能收到事半功倍的效果。在过去的10年中，先进战斗机日益成为集情报侦察、战场监视于一体的作战平台。其间，机载传感器的发展尤为迅速，如有源电扫描雷达现在已经能够提供分辨率超过1米的图像；经过大幅度改进的电子战系统能够使用先进的数字射频技术，对无线电发射机进行识别、定位，而在此之前，这种能力只有专用的大型电子监视飞机才具备；先进目标定位吊舱在其作用距离、分辨率，以及目标定位的地理精度等方面也比早期型号提高了数倍。但相比较之下，战斗机将这些信息传输给其他用户的能力增长并不十分显著。由美国发展目前使用较为普遍的LINK1数据链，仅能够传送短信息和数字数据，还无法传送图像情报；而以色列拉斐尔公司研制的Litening吊舱尽管能够把获取的图像信息传输给地面的近程空中支援控制站，但它所配备的是专用设备，并非一种通用的网络设备；以色列为其F-1I战斗机配备了双向卫星链路，但其通信能力仍然十分有限。受目前这种局面影响最大的当数目前美国最先进的战斗机—F-22A“猛禽”和F-“闪电2”战斗机。要将这些战斗机整合进作战网络，就要面临这样的问题，即所有的传输链路都是可被截获的。如捷克的“维拉-E”无源监视系统就可以通过判断无线电信号到达不同基站时间的延迟，准确计算出信号源的三维空间坐标，而这又能进而引导其他传感器对该目标所处区域实施不间断的监控。几年前计划作为block0全球打击配置的一部分)作为F-22通信系统的计划，转而发展和演示一系列新型数据链和波形，即被称为战术目标网络技术(TTNT)的先进数据链。它将于近期安装在F-22A战斗机上，参与名为“联合远征部队试验-200”(JEFX0)的演习。TTNT是一种基于罗克韦尔·柯林斯公司相关系统研发的互联网协议，将被应用于战斗机的无线电系统，据称，其可以在100海里的距离内提供高达2兆位/秒的数据传输率，并使用静态模型管理军事装备ARMS&EQUIPMENTS▲数据链技术发展的滞后使F-22A战斗机被排斥在现有网络中心环境之外ONMILIT输出，能够根据数据的优先级分配其传输带宽，降低被截获的概率。F-22战斗机也经历着类似的变化。F-33最初的发展设想是与“2010指挥控制系统”兼容，而现在，F-22将朝着融入互联网协议(IP)环境的方向发展。F-22战斗机除配备MADL数据链外，还将配备LINK16数据链。对于F-22来说，LINK16数据链有2个缺陷。首先，该数据链不是低可截获率数据链，F-22战斗机只有在进入敌方领空之前或离开敌方领空之后，才能使用这种数据链，或者是F-22配备外挂武器执行非“战争首日”行动，不要求隐身能力的一般作战任务时；第二，LINK1数据链无法传输F-22所获取的各类情报信息。F-22战斗机还计划配备宽带超视距卫星通信数据链，但这种数据链的研制并不顺利，发展进程不断拖延。按照最初设想，卫星通信数据链是利用美国国防部UHF后继卫星来实现，但由于卫星支持的用户有限，未来F-22一旦大量装备，这一技术设想的可行性便成为问题，为此，F-22的卫星通信数据链将使用“下一代机动用户目标系统”(MUOS)卫星。在这一过程中，卫星通信系统将从BLOCK标准，即JSF战斗机的全面交战能力标准，发展到BLOCK标准。届时F-22战斗机将完成系统研制和演示验证阶段的工作，并于201年交付部队。在200年末，美军将“网络就绪”(net-ready)能力确定为可截获能力的关键性能参数(KPP)，为了满足“网络就绪”能力的要求，F-22战斗机将最终装备TTNT数据链。这并非F-22基线性能的一部分，但有可能成为F-22演示验证阶段之后若干批次的基本配置。即便这样，仍然存在一个问题，那就是在美国战斗机群中，除F-18E和F-22A，没有其他飞机再配备这种数据链。导致的结果是，美国空军的这两种高度隐身的战斗机必须由一种全新的机载系统来支持，这就是“目标网关”(ObjectiveGateway)。这是一种在战区外高空飞行的平台，其作用是，接收来自TTNT、LINK1数据链的信号，以及其它格式的信息，如战场无线电、无人机控制链路等，再把这些格式的信息翻译为其它格式的信息并广播出去。“目标网关”是上世纪0年代末国防高级研究计划局“机载通信节点”计划(ACN)罗普·格鲁曼公司战场机载通信节点(BACN)计划的后续计划。BACN融合了诺·格公司“先进信息结构”概念的诸多要素，其原型系统曾安装在通用动力WB-7F飞机的武器舱中参加了“联合远征部队试验-200”的演习。BACN系统位于高空，除不停地接收和发送数据外，还可存储信息，