数据链中消息标准的标准化研究

2017-06-05王兆伟李晓波张海斌

中国电子科学研究院学报 2017年2期

关键词：互操作性数据链文档

周翔，王兆伟，李晓波，张海斌

(中国电子科学研究院，北京 100041)

基础理论

数据链中消息标准的标准化研究

周翔，王兆伟，李晓波，张海斌

(中国电子科学研究院，北京 100041)

消息标准的标准化过程是数据链互操作性的重要保障。首先介绍了美军数据链消息标准的现状，然后在分析美军消息标准组成内容的基础上，重点研究了消息标准需求规范转换为软件执行文档的过程，并研究了消息标准的文档管理规程。最后对我军消息标准的研究建设，提出了若干建议。

数据链；消息标准；标准化；互操作性

0 引言

数据链，也称作战术数据链，是按照标准化的消息格式和通信协议，以面向比特的方式实时传输数字信息的战术无线通信系统。数据链将地理上分散的感知、情报、指控和作战平台连接成一个有机整体，实现各作战单元间的信息交互、分发和共享，形成战场统一态势，缩短决策时间，提高指挥能力，是信息化、网络化和体系化作战的核心技术。

消息标准是指数据链系统或设备终端所应遵循的标准化协议和规范，以实现系统或设备级的信息交互。消息标准包括消息元素标准、数据元素标准、协议标准等内容，是数据链特有的标准。消息标准与数据链的作战需求和平台应用密切相关，是数据链开发、使用、维护和改进的重要内容[1]。

数据链的研发是一个增量部署、不断演进的过程，消息标准的种类越来越多、消息标准的内容越来越复杂，对消息标准的新旧兼容和平滑演进形成了严峻挑战。随着数据链的广泛应用，由于平台功能和能力的限制，消息标准的实现内容和实现程度，在不同平台间具有很大的差异性，对软件的配置管理带来了许多困难。消息标准制定后，如何确保平台实现和消息标准间的一致性，也是工程实践中的难点。此外，消息标准还存在复杂的互操作问题，具体表现在物理接口、消息格式和消息处理过程中的兼容性和一致性。

美军采用系统工程的方法，综合考虑信息系统的全生命周期，建立了消息标准开发、执行、维护和管理的标准化规程，是美军数据链系统互操作性、一致性和整体性的重要保障。研究美军消息标准的标准化工作经验，既能为实际问题的解决提供重要借鉴，也能为我国数据链消息标准的研发提供指导参照，具有重要的学术和工程意义[2]。

1 美军数据链消息标准简介

数据链标准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，是联系研制、生产、使用的纽带和桥梁。美军数据链标准可划分为消息标准和相应的配套标准，配套标准又可细分为接口标准、通信标准、操作规程标准等[3]。

美军主要数据链消息标准的情况如表1所示，其中的MIL-STD为美军标准化文档，STANAG为北约标准化文档。分析美军数据链消息标准的发展情况，可得到以下规律[4-5]：

(1)消息标准的兼容性、互操作性问题较为突出。由于各链生命周期较长，终端类型繁多，终端性能和配置差异明显，软件实现和消息标准之间并不完全统一，单一链路本身存在着互操作问题。

(2)消息标准通用化。由于各链独立发展，技术体制不同，消息序列各异，不同链间的信息交互需要经过复杂的消息转换，影响了传输速度和效率，降低了数据链系统的作战效能。经过持续的发展和演进，美军数据链的消息标准逐渐统一至J/F和K序列上，兼容性和互操作性大大提升，能更好地支持全球范围内的联合作战。

(3)消息标准复杂化。Link-4A和Link-11的用途较为单一，相应消息标准所涵盖的功能域范围较小，消息种类较少。而Link-16的J系列、VMF的K系列、Link-22的F/J系列和JREAP的卫星应用特殊消息组成的J系列消息标准族，涵盖海、陆、空、天各种作战需求，消息种类多，功能全，传输速率高，信息精度高，能够较好的支持联合化、多样化作战。

表1 美军主要数据链的消息标准

2 美军战术数据链标准化实施计划

基于现存数据链消息标准存在的兼容性、互操作性和集成性需求，美国国防部制定了战术数据链标准化实施计划，通过数据链消息协议、格式、内容、执行和文档管理的标准化，以规范消息标准的开发、评审和认证过程[6]。

根据该实施计划，美军数据链消息标准主要包含以下内容：

(1)国家差异文档NDD(National Difference Document)。国家差异文档NDD或国家需求规范NRS(National Requirements Specification)定义了国家在消息传输协议、消息格式、编码和数据(数据字段标识符、数据使用标识符和数据项)方面的特定需求。NDD主要阐述美军标准(如MIL-STD-6016)与其它高级别标准(如STANAG5516)的区别。NDD并不总是必须的；对于许多美军标准，并没有对应的、高级别的、跨国的标准。

(2)服务差异文档SDD(Service Difference Document)。服务差异文档SDD，定义了美军标准和NDD的需求，与特定服务间的差异，以满足军兵种或国防机构在数据链原理和操作方面的需要。SDD需要评审和批准，批准后的SDD将成为美军标准的部分基准，并将应用在平台服务的开发认证和分析测试过程中。

(3)平台需求规范PRS(Platform Requirements Specification)。PRS由两部分组成：平台需求差异文档PRDD(Platform Requirements Difference Document)和平台需求的比特级数据(数据字段标识符、数据使用标识符和数据项)执行情况。PRDD记载了和高级别需求文档(美军标准)之间的差异性，并提供了差异的理由。平台需求的数据比特级执行情况定义了数据的传输和接收需求。

(4)实际程序执行规范APIS(Actual Program Implementation Specification)。APIS由两部分组成：平台执行差异文档PIDD(Platform Implementation Difference Document)和部署平台的比特级数据执行情况。PIDD应与PRS区分开来。部署平台的比特级数据执行情况等同于平台数据的实际传输和接收处理。APIS被用作互操作性评价，以识别能力和功能需求间的差距，并被用做平台间数据交换的互操作性估计。

消息标准各文档间的关系如图1所示。美军战术数据链标准化执行计划对消息标准的内容、格式、结构和执行进行了形式化定义，对国际、国家、平台的需求和差异进行了抽象分析。通过配置管理，可以实现不同平台对消息标准功能和精细度的差异性需求，同时，在遵守消息标准的基础上，保障战术数据链系统的兼容性和互操作性。

图1 消息标准中各文档间的关系

3 互操作系统管理和需求转换过程iSMART

在定义消息标准的文档组成后，美军战术数据链标准化实施计划规定了消息标准的开发过程，并在军事手册MIL-HDBK-524互操作系统管理和需求转换iSMART(Interoperable Systems Management and Requirements Transformation)过程中进行了详细说明[7]。

iSMART过程是基于数据库和工具集的标准化过程，它获取系统的信息处理全过程，分析系统间的信息流，并管理系统全生命周期内的信息交互需求。iSMART过程是一种系统工程方法，将消息标准的顶层能力需求规范转换为技术层级的软件执行文档，通过聚焦于资金、时间、人员、设备等各类资源的高效利用，以较低的成本实现战术数据链系统的消息标准，并确保系统的互操作性，最终实现作战能力的最大化。

如图2所示，iSMART过程的简要步骤如下：

(1)在政府的领导下，确定数据交互的必要性，以满足平台的操作需求。例如，如果某个操作的需求是时敏目标打击，则图像传输是必要的。

(2)选定信息交互的媒介DEM(Data Exchange Medium)，如Link-16、VMF、Link-11、Link-22、JREAP等，并确保该DEM的性能能够满足信息交互的需求。

(3)定义能力缺口的潜在解决方案，能力缺口是指没有DEM能够支持的特殊信息交互。

(4)开发相应的消息标准文档，主要为战术数据链标准化计划中定义的NDD、SDD、PRS、PRDD、APIS、PIDD等。

(5)建立集成过程工作组IPT(Integrated Process Team)，为每个已定义的DEM集合开发消息交互需求。

IPT的主要步骤包括：

(1)为平台开发高层级消息标准的实现需求，主要包括消息、消息字和消息的执行。

(2)根据高层级消息实现需求，为平台开发精确的协议和比特级实现需求。

(3)向高层权威提交最终版本的平台服务需求，并获得批准。

(4)填写信息交互需求IER(Information Exchange Requirements)和互操作矩阵(Interoperability Matrix)。

(5)按照平台需求规范PRS开发平台主机软件需求，根据PRS和批准的平台服务需求，实现数据链协议。

(6)在PRDD中分类记录平台与标准的偏差情况；偏差是指任何与标准需求不一致的情况。

(7)获得服务的互操作性认证。

(8)平台主机软件实现和测试后，创建APIS，APIS文档记录了已部署或实际实现的平台数据。

(9)平台主机软件实现和测试后，在PIDD中记录已部署或实际实现的平台数据与标准需求的偏差情况。

(10)获得联合互操作性认证。

(11)在全生命周期过程中获得持续性的反馈。

iSMART提供了将消息标准文档转换为软件实现文档的方法，并给出了服务裁剪、缺陷描述、偏差描述、互操作性评估的方法；它在系统全寿命周期的早期阶段，定义和解决了互操作性问题，最小化互操作性实现的成本，协助项目开发者在平台上正确实现数据链，给最终用户提供平台相关信息，确保了作战和战术层级的互操作性，可以使数据链系统发挥最大优势。

图2 iSMART过程示意图

4 美军数据链消息标准的管理

美军战术数据链标准化实施计划中规定：消息标准是一个军事标准，其管理政策和规程由美国国防标准化计划DSP(Defense Standardization Program)决定[8]。DSP是国防采办系统中的重要组成部分，它是参照法规管理的一整套标准化程序，使用系统工程在内的多种工具，均衡特定任务需求、技术增长、成本效率之间的关系，通过标准化机会评估、标准化决策过程和标准化决策执行过程，帮助使用者做出有根据地标准化决策，解决需求产生过程和系统的全生命周期内的互操作性、一致性和整体性等关键的标准化目标。

DSP的主要目标包括两方面：(1)确保盟军、军兵种间系统和设备的互操作性，确保新技术和新部件的敏捷、快速插入，确保战斗标准的适当性，实现改进军队操作敏捷性的目标。(2)减少竞争，提升通用过程和开放系统的使用，达成一致需求，保障系统工程需求的最优化，实现减少全寿命周期内总成本的目标。

DSP提供了标准化文档的管理准则和法规，主要内容包括：标准化考虑与决策，DSP的组织与职责分配，标准化文档类型与用途，文档开发过程与管理，数据项描述等。美军战术数据链的消息标准是一个标准化文档，开发一个新的消息标准或更改一个现存的消息标准，其标准化流程由DSP规定，如图3所示，其步骤为：需求确定、标准化工程建立、草案开发、协调、决议、审批、文档录入和信息化、管理维护。消息标准审批后应录入“采办合理化与标准化信息系统”ASSIST(Acquisition Streamlining and Standardization Information System)数据库中，以实现标准化文档的信息化、智能化协同管理。

图3 DSP中文档开发和管理的典型过程

5 对我军数据链消息标准建设的建议

为增强我军数据链系统的互操作水平和作战能力，建议从标准体系、标准化政策规程、文档管理、工具开发、理论研究等方面出发，借鉴美军战术数据链标准化的相关经验，运用系统工程方法，构建完整的、标准化的消息标准开发、管理和执行过程。

(1)统一规划、建立完备的消息标准体系。在数据链系统的建设中，坚持一体化方向，兼顾作战部队的通用需求和特殊需求，规范数据元素字典，建立统一的消息标准体系，避免消息标准间出现的雷同、冗余和互相矛盾的情况，避免出现语义、格式不一致的情况；同时，消息标准体系应具有一定的开放性和方便性，便于新消息标准、新内容的使用和扩充，便于新技术的快速插入。

(2)重视消息标准的标准化过程研究。消息标准本身是一个需求制定、文档管理、开发部署、测试认证的标准化过程，也是一个增量部署、不断演进的复杂过程。标准化是互操作性的重要保障，是信息化和多兵种联合作战的技术基础。对消息标准的标准化过程进行研究，规范消息标准研发的形式、内容、步骤和流程，可以为数据链新系统研制、旧系统改造和系统综合集成提供标准化指导，可以有效提高资源利用效率，降低潜在的技术风险。

(3)重视消息标准的文档管理工作。消息标准是一个标准化的文档，可能在全生命周期的各个阶段不断更改、演进。对消息标准文档的开发、协调、标识、管理和维护过程进行标准化，结合电子化管理和分发工具，可以促进消息标准文档管理的智能化和信息化，提高工作效率，进而从文档层面确保数据链系统的一致性和互操作性。

(4)开发消息标准的管理工具。随着数据链系统作战功能的不断增加，消息标准的类型越来越多，特定消息标准中数据元素的种类和精度也越来越复杂。应将数据描述、数据转换和数据管理的新技术、新方法，与消息标准结合起来，增加消息标准设计、管理、开发、验证和测试过程中的信息化、网络化和智能化水平，以降低技术风险和资源消耗。

(5)加强消息标准的需求分析。消息标准是与作战模式和信息交互需求密切相关的，不同军兵种对消息类型、应用场景、传输特性等的要求各不相同；同一军种的不同平台，由于能力的差异性，对消息类型、具体内容、传输方式、资源占用等方面也存在着显著差距。因此，应在数据链系统的设计阶段，建立初始化能力文件，规划系统级和平台级的信息交互需求和互操作性矩阵，经过论证、评审和审批后，作为后期设计、开发和改进的基本依据。

(6)加强互操作性的理论研究。互操作性是电子信息系统、平台、单元间信息交互和服务共享的能力，是消息标准和标准化的关键目标。我国的数据链发展历程和技术程度，使得我们对互操作性的研究和重视程度还不够，应对互操作性模型、要素、测试方法、度量指标等进行重点研究，建立完善的互操作性理论体系；更进一步，应推动数据链互操作标准形成，建立互操作测试机构和准入机制，形成互操作性设计、测试和认证的完整过程，以更好地保障数据链系统的实施、部署和应用[9-10]。

6 结语

数据链的互连互通互操作问题是联合作战、体系对抗的基础技术保障，消息标准的标准化是解决战术、系统和平台“三互”问题的重要手段。本文从分析美军战术数据链消息标准的形式化描述、文档管理、互操作管理、需求转换等过程出发，对数据链消息标准的标准化规程进行了研究，在此基础上，对我军消息标准的标准化发展提出了若干建议，力图为数据链管理人员、设计人员和工程技术人员提供更加全面、细致的解决方案。由于国内相关方面的研究较少，仍有许多需要深入探讨的地方，下一步，我们将从iSMART过程着手，在工程实践中对数据链消息标准的标准化问题，进行检验和验证。

[1] 吕娜. 数据链理论与系统[M]. 北京：电子工业出版社, 2011.

[2] 严晓芳, 龚振炜, 白蒙. 基于国防部体系架构(DODAF)的美军信息支持计划(ISP)[J].中国电子科学研究院学报, 2016, 11(2)：137-143.

[3] 骆光明. 数据链-信息系统连接武器系统的捷径[M]. 北京：国防工业出版社, 2007.

[4] 任德锋, 陶孝锋, 荆元利, 朱厉洪. 外军战术数据链消息标准发展研究[J]. 空间电子技术, 2015, 6：35-40.

[5] 牛英滔, 尹浩, 陈强. 美军战术数据链格式化消息标准的发展[J].电讯技术, 2006, 5：6-11.

[6] CJCSI 6610.01E. Tactical Data Link Standardization and Interoperability [R]. 2014, April 10.

[7] MIL-HDBK-524. Interoperable Systems Management and Requirements Transformation(iSMART) Process [R]. 2012, June 26.

[8] DoD 4120.24. Defense Standardization Program(DSP) Procedures [R]. 2014, September 24.

[9] 石教华. 战术数据链互操作性实现方法和条件[J]. 火力与指挥控制, 2015, 40(8)：136-139.

[10]张登明. 战术数据链的互操作性测试方法综述[J]. 电讯技术, 2009, 49(5)：96-100.

Research on Standardization of Message Standard in Data Link

ZHOU Xiang , WANG Zhao-wei, LI Xiao-bo, ZHANG Hai-bin

(China Academy of Electronics and Information Technology, Beijing 100041, China)

The standardization process of message standard plays an important part in interoperability for data link systems. First of all, the actuality of message standard in American Tactical Data Link is expounded. Then, the associated documentations of message standard are analyzed. On this basis, the transformation from requirement specification of message standard to implementation documentation of software is especially researched. At the same time, the process of documentation management is studied. Finally, suggestions for the development of Chinese data link are presented.

Data Link; Message Standard; Standardization; Interoperability

10.3969/j.issn.1673-5692.2016.02.009

2017-01-03

2017-03-30

TN919

1673-5692(2017)02-149-06