适用于嵌入式训练的数据链技术体制初探

黄 河，黄桂明，李 贺，王 航

（航空工业洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

嵌入式训练技术是在飞机中增加或集成嵌入式仿真系统，将虚拟仿真技术与飞机航电系统相融合。嵌入式训练系统（ETS）通过虚拟目标、虚拟传感器和虚拟武器等，向飞行员提供作战训练的虚拟环境，而不依赖真实的目标、传感器和武器。系统能够支持单机作战训练和多机对抗训练，还能支持空中平台与地面模拟器的联合训练。在多架飞机采用嵌入式训练技术进行编队/对抗训练时就组成了嵌入式训练网络，而数据链则是构建这个网络的关键环节之一。

1 嵌入式训练的数据传输需求

1.1 空空数传需求

当空中有多架真实飞机进行编队或对抗训练时，数据链空空数传数据主要有：

1）时空定位信息（TSPI）：用于训练解算、空中避撞、形成虚拟态势等；

2）传感器通告：用于触发目标响应，如雷达通告触发目标机的虚拟雷达告警；

3）武器杀伤通告：通告武器类型、武器运行关键事件（如导引头开机）和杀伤结果等；

4）目标/态势共享数据:模拟战术数据链的态势数据分发功能，在本编队实现目标信息共享。

1.2 空地数传需求

参训平台将相关数据实时发送给地面站，可实现地面站对参训平台和整个训练过程的实时监视，空地数传数据主要有：

1）训练数据（TSPI、虚拟目标态势、虚拟传感器、虚拟武器、杀伤结果等）；

2）实时座舱数据 （通过下传数据实时还原飞行员平显、下显画面）；

3）飞行安全参数（飞控、发动机、机电、燃油、液压及故障告警）。

作为空战训练，实时座舱数据和飞行安全参数不是必须传输的数据。这些数据可用于进行训练过程监控，当数据链带宽资源允许时进行考虑。

1.3 地空数传需求

地空数据传输类型主要有：

1）指挥引导数据：飞行和任务引导；

2）训练控制数据：嵌入式训练的开始和结束；

3）虚拟态势数据：虚拟作战场景地空实时加载。

1.4 中继数传需求

为保证数据链的连通性和数传数据的可达性，扩展嵌入式训练网络的地理覆盖范围，数据链应具备一定的中继传输能力：

1）地面中继：通过地面站进行数据中继；

2）空中中继：通过参训飞机进行数据中继。

2 国外的训练数据链

训练数据链技术始终跟随整个数据链通信技术的发展。早期的数据链从简单数传电台发展而来，为点对点数传，采用较为简单的通信体制。随着通信技术的发展，开始出现各种类型的组网数据链，可以同时容纳多个用户进行数据通信，并采用一系列技术措施提高链路的稳定性、连通性、抗干扰性、保密性和数据传输能力。

美军历经数十年发展，在不同发展阶段针对各类需求共研制了近40余种数据链装备，形成了种类丰富的数据链体系。其中，Link-16数据链是战区级通用链的集大成者，承担了战术信息分发、指挥控制及多数据链互操作的功能，特别是其面向战术功能的J系列消息标准历经了二十多年的发展已非常完善，被世界范围内大多数国家模仿借鉴。

在训练数据链领域也是如此，美国的P5 CTS训练系统和以色列的EHUD训练系统所采用的训练数据链技术体制具有许多Link-16数据链的特点。但由于Link-16数据链整体的技术体系过于复杂，训练链进行了整体简化和局部改进，例如采用相对简单的抗干扰措施、更小的网络规模、更简单和更自主的网络管理措施以及不依赖网络规划等。

3 嵌入式训练数据链技术体系初探

3.1 工作频段的选择

国外训练链通常采用UHF频段或L频段。U/V频段信道拥挤，频谱资源紧张，通常仅支持千比特位的窄带数据传输，易与其它U/V频段设备产生干扰；且由于天线尺寸较大，采用多天线、多信道技术受限，飞机高速机动时，链路连通性较难保障。L波段训练数据链频率资源相对较充裕，易于实现兆比特位的宽带数据传输；且由于天线尺寸较小，L波段机载设备普遍采用多信道、多天线技术，可有效避免天线覆盖盲区，使链路达到较高的连通性。

选择U/V频段和L频段训练链各有优劣，从长远来看，应采用L频段的训练链。美国的P5 CTS即采用L频段，且为避免在某些场合下会与Link-16链相互干扰，P5 CTS还预留了S频段用于训练。

3.2 组网体制

按是否具备组网能力分，数据链分为点对点数据链和组网数据链。点对点数据链一般仅适用于两个用户节点之间的数据交互，当用户节点更多时，则需要进行数据链路网络控制与管理技术，其核心之一是网络的MAC协议。MAC协议分为固定分配MAC协议、预约MAC协议和随机竞争MAC协议。数据链技术经过数十年的发展，形成了多种MAC协议。

Link-16的MAC协议具有固定分配和预约两种特点，其中TDMA属于固定分配MAC协议，DTDMA又属于竞争性的预约MAC协议，两类协议在不同用途下适用，以TDMA为主，因此Link-16数据链网络对网络拓扑、流量变化适应性较差，通常也需要一个集中控制站来进行网络管理。

最新的TTNT网络采用基于IP技术的ad hoc网络，网络能够实现分布式控制和管理，不需要网络主控站，任意两个节点能够自主组网，每个节点均能提供路由服务，系统通过CSMA/CA(载波侦听/冲突避免)技术减少信道冲突、提高信道利用率，通过DTDMA技术使网络能够适应快速变化的拓扑关系和网络流量。

从系统使用的便利性角度而言，训练数据链应具备较宽的数据带宽和灵活组网的特点，因此ad hoc网络是最好的。但是，ad hoc网络技术复杂。另外，训练数据链网络在一段时间内仍将保持较为简单的网络结构，网络成员和通信内容均可预知，网络拓扑的变化也可事先预知，且与战术数据链不同的是，在训练数据链中空闲一部分通信资源是可被接受的。

当前发展的训练数据链应采用技术更加成熟的TDMA组网体制。为了提高网络的质量，可加入一些CSMA/CA、DTDMA技术和其它QoS（服务质量）保障机制，提高网络运行的可靠性和自主管理能力。

3.3 信息帧结构和消息格式

Link-16的J系列消息格式历经多年的发展已非常成熟，成为世界各国制定数据链技术体系时普遍参考借鉴的对象。J系列消息的战术消息格式如图1所示。

图1 J系列消息战术消息格式

J系列战术消息种类以Ja.b的形式编码，a表示大类，b表示小类，以监视类信息为例，如表2所示。

表2 J系列战术消息—监视类消息

嵌入式训练系统在数据链上传输的训练数据也分为多种类型，需要采用不同的数据更新方式和更新率、不同的数据收发规则，一些数据可能有加密需求，飞机和地面站接收数据的类型有所不同。在多机编队/对抗训练时，接收方对友机和假想敌数据的处理规则也会有所不同。所以，应参考J系列战术消息格式，制定面向训练功能的训练链消息格式。以表3为例对训练数据链的训练消息类型进行初步分类。

3.4 多信道、多天线技术

无线通信系统设计的一个重要目标是在非稳定信道中尽量保持数据传输的稳定性。考核数据链数据传输的稳定性除误码率指标外，还有连通性指标。在常规使用环境下使用的非竞争性组网的数据链网络中，保障数据链连通性的重要内容之一为实现天线方向性图的良好覆盖，由于机身遮挡以及飞机机动等因素，单个天线往往难以实现良好的方向图覆盖，为此，常需要用到多天线技术，配套收发机需相应采用多信道技术。

表3 训练链消息清单

结合嵌入式训练系统对数据链通信的需求及现有的几种多信道多天线技术，在嵌入式训练系统的配套数据链中，如有较充足的频率资源，应考虑采用双天线、双信道分集接收和双信道、双天线同时分频发射的体制，如图2所示。

图2 双通道、双天线分频发射，分集接收

3.5 数据收发规则

不同的消息对链路传输的可靠性、时效性有不同需求。对于周期性更新数据，允许偶尔丢失一帧或数帧。但不是所有的数据都需要周期性发送，且链路带宽资源也不允许所有的数据周期性发送。对于较为重要且不是周期性更新的数据，就需要采用一定的收发规则来保障接收方有效接收。一些数据类型在消息发送队列中还有优先级的不同。数据链系统中常用的收发规则如表4所示。对于嵌入式训练配套的数据链，应根据每类数据的传输特点，选择适当的数据收发规则。

表4 数据链收发规则

3.6 通信距离

通信距离的确定要考虑多种因素，既要考虑系统顶层需求，又要考虑达到设计目标所需付出的代价，最后选择折衷方案。

以Link-16为例，其用于战术飞机的2类终端射频发射功率为200～1000瓦，在无线电通视条件下最远作用距离为300海里（555.6km），信息传输速率最高为115.2kbps，机载设备重量大于30千克。而常规U/V频段机载话音电台的发射功率仅需10～20瓦，重量仅为几千克。

训练数据链大部分情况下被用于中距离和近距离的训练中，其通信距离能与机载传感器和武器的作用距离匹配即可。常规机载火控雷达的作用距离不超过150km，传感器距离仅为数十千米，常规中距空空弹的发射距离不超过100km。确需考虑更大范围的数据通信时，可以通过地面站中继的方式进行实现。

以色列EHUD训练系统数据链空空作用距离为120km，美军的P5 CTS系统的数据链作用距离为空空148km、空地230km，中继后达到370km。

3.7 网络容量

数据链网络容量包含网络成员数和通信速率两个方面，二者是一个有机的整体。

网络成员数需求与数据链系统的应用规模有直接关系。作为战区级通用战术消息链，Link-16的网络规模在单网时可容纳100～200个网络成员，多网工作时可容纳共127个子网，网络中包含海、陆、空各类战术节点。空战训练的规模需求远达不到上述规模，即使是美军著名的红旗军演，训练链单网情况下最多只有数十个战术节点参训。嵌入式训练技术当前的应用规模还不及ACMI系统，国际上主要装备了M-346、T-50等高级教练机上并用于训练飞行学员，一次训练的规模不太可能超过10架飞机。

网络成员数据传输速率需求与需要传输的数据内容、数据更新率和数据量有关。通常单个平台的TSPI数据以10Hz以上更新率传输仅需要约3kbps，但加入实时座舱监视和飞行安全监视后数据量会大量增加，另外考虑信息编码需占用额外的数据位，则每个节点的通信速率将达到50kbps以上，考虑10个网络成员并计入网络管理占用的资源，则网络总的通信速率需达到500Kbps以上。

4 结语

嵌入式训练的数据链设计要紧密结合训练需求、符合训练特点，还应充分借鉴吸收各类数据链技术的发展成果。在数据传输速率和链路的自主性方面，训练链的要求高于普通的战术数据链；消息格式可以参考J系列消息格式并针对训练需求量身定制；根据训练场景合理规划网络容量和必要的通信距离；为保障数据传输的可靠性，应充分借鉴通信技术中的多信道、多天线技术以及有针对性的数据收发规则。

嵌入式训练数据链的技术体系在很多方面可参照国际上ACMI训练链的技术体系，美军的P5 CTS是其中较为先进的一种，应加强对其的研究，参考借鉴其成熟的设计理念和应用经验，同时分析ACMI训练和嵌入式训练对数据链的不同需求，发展适用于嵌入式训练的数据链技术体系。