高超声速飞行器数据链关键技术分析及展望

摘要：      数据链技术随着武器装备、 作战理念及通信技术的发展而不断更新换代， 在“无链不成导” “无导不成战”的空中作战趋势下占有重要地位。 高超声速飞行器独有的高速、 跨域等特点使得其成为空战体系中的制高点。 数据链技术为高超声速飞行器作战效能最大化提供技术保障， 反过来高超声速飞行器的发展也拓宽了数据链技术的边界， 在不同的作战任务中对数据链指标参数的要求（传输速率、 吞吐量、 丢包率、 延时等）不尽相同。 近年来， 5G、 物联网、 云计算、 人工智能等新兴技术的飞速发展加速了战场态势感知形式从物理域、 信息域向认知域的变革。 本文简要回顾了美军数据链技术的发展特点， 详细分析了高超声速飞行器由大包线飞行特性引发的数据链技术设计挑战， 探讨了高超声速飞行器数据链的顶层需求及关键技术。

关键词：     高超声速飞行器； 空战体系； 数据链； 5G通信； 人工智能

中图分类号：       TJ760； TN929.5    文章编号：     1673-5048（2023）04-0026-07

文献标识码：    A    DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2023.0071

0引言

回顾百年空战史， 作战理论一直推陈出新， 虽然武器装备和关键技术不断更新换代， 但制胜机理却贯穿始终， 即构建空战双方攻击闭环的时间差［1］。 高超声速飞行器因其自身的高超声速性能（飞行速度大于声速的5倍）可实现杀伤链的快速闭合， 具有速度快、 距离远、 突防能力强、 攻击目标范围广等优点［2］， 早已成为美俄等军事强国的重点研究领域。 面对“无链不成导”“无导不成战”的空战态势， 在先进的战斗机及高超声速飞行器等装备的基础上， 拥有先进的数据链技术及强大的态势感知能力， 就拥有了决定空战胜负的重要力量［3-4］。

数据链技术作为高超声速飞行器的关键技术之一［5］， 对于飞行器本身而言， 可通过数据链来宏观调控飞行过程中各阶段（高速飞行、 巡航侦察等）的能量分配、 功率消耗及飞行航迹； 对于飞行器所在的网络空间， 可通过数据链来统筹规划各种链路资源， 根据不同作战任务来进行战场决策， 实现战场资源最优化、 作战效能最大化。

虽然高超声速飞行器研究历时已久， 但大多聚焦于高超声速飞行器的飞行控制［6］、 能量管理［7］、 制导方法［8］等方面， 很少专门研究高超声速飞行器的数据链技术。 本文在数据链技术的基础上， 对高超声速飞行器数据链技术进行了分析。

1高超声速飞行器数据链的发展以及特性分析

为确保高超声速飞行器充分发挥自身强大的作战效能， 需要其数据链技术具备以下特点： 高传输速率、 超低时延、 强抗毁抗扰能力、 加密安全传输、 支持快速组网及切换、 链路全方位深度覆盖等。 纵观美军数据链技术的发展， 战术数据链通过视距通信实现联合指挥控制、 信息态势共享等功能， 侧重联合指挥控制信息的基本传输， 但数据传输速率较低、 实时性不高； 宽带数据链针对侦察机等装备可实现较高的数据传输速率， 支持C， S， X， Ku等多波段传输， 主要应用于各种侦察平台（如侦察机、 无人机、 卫星等）， 其中适用于微型/小型平台之间的数据链， 其传输距离均在50 km内； 专用数据链应用于特殊军事战术领域， 针对性较强， 相比于战术数据链， 功能相对单一且信息交换形式的灵活性较弱， 如制导武器专用数据链、 防空导弹系统专用数据链、 协同作战能力及态势感知数据链等［9］。 以美军AIM-120空空导弹为例， 其所使用的双向X波段的机弹数据链支持与载机在中制导阶段的信息传输， 具备超视距通信能力及一定的保密抗干扰能力。 但是， 随着新一代武器装备的飞行速度越来越快、 攻击距离越来越远， 其对强协同、 大机动、 高隐身等特性的需求也在不断提升， 通信技术的飞速发展为推进数据链技术的更新迭代提供了有力支撑［10］。 在数据链技术演进过程中， 历经从无抗干扰措施到多维域联合抗干扰、 从集中式通信链路到去中心化分布式组网通信、 从多标准格式到J/K系列消息标准、 从视距传输到超视距传输、 从点对点传输模式到联合组网传输等多个典型的发展阶段［11-13］。 现阶段， 美国多家公司已先后进行了武器装备联网的试验验证， 如洛克希德·马丁公司推出的联合空面防区外导弹JASSM、 雷神公司推出的联合防区外武器JSOW、 波音公司推出的联合制导攻击弹药JDAM和小直径炸弹SDB等［14］。

高超声速飞行器作为新一代武器装备的代表， 在距离地面20～100 km范围内机动飞行， 主要包括高超声速导弹、 空天飞机、 高超声速侦察机等， 其典型的动力学特点、 飞行航迹及作战任务等特性对数据链技术的设计带来了诸多挑战。

1.1跨域飞行， 信道复杂

高超声速飞行器飞行于临近空间， 垂直高度跨度大， 既包含天气变化较平稳的平流层（55 km以下）， 也包含空气稀薄的中间层（55～85 km）， 还包含小部分增温层（85～100 km）， 并纵跨非电离层（60 km以下）和电离层（60～100 km）两种具有完全不同特点的空间。 数据链作为链接战场不同平台及装备之间的纽带， 按需及时处理、 传输战术信息。 信息在自由空间内主要以电磁波、 光波等形式进行传输， 以电磁波为例， 其传输的信道环境复杂程度将直接影响信息传输的质量（准确性、 实时性、 传输速率等）， 进一步影响高超声速飞行器自身的态势感知、 姿态控制、 作战策略规划等。 由此可见， 有必要对临近空间的电磁特性进行研究， 以便采用相应的技术手段提升高超声速飞行器数据链在复杂电磁空间中的鲁棒性。

1.2高速运抵， 实时性高

高超声速飞行器飞行速度快， 对传输指令的实时性要求很高。 处于高超声速运动的飞行器， 其表面会出现明显的高超声速效应（高超声速流的薄激波层、 高熵层、 黏性干扰、 高温效应、 低密度流等）， 具有复杂的气动热特性。 从数据链的角度来看， 在35～80 km的大气层中， 以大于马赫数为10的速度运动时， 产生的热量将使飞行器周围的空气形成等离子鞘套［15］， 屏蔽部分电磁波， 无法进行有效通信， 即黑障效应。 在进行高超声速飞行器航迹规划及通信链路时隙分配时， 需充分考虑这类现象， 采取相应技术手段或战术战略以有力规避其带来的影响。 例如， 可以采用间歇通信的方式进行传输， 避免在恶劣信道环境下持续通信造成的资源浪费， 也可以设计合理的战术规避策略， 缩短飞行器处于恶劣信道环境的时间， 进而优化高超声速飞行器的资源能量分配及机动能力规划。

1.3任务多变， 机动响应

高超声速飞行器在飞行过程中， 通过舵的偏转来调整自身的飞行姿态， 完成巡航、 突防、 空间往返等不同战场任务。 不同的任务对高超声速飞行器的机动性、 快速响应能力要求不尽相同。 另外， 高超声速飞行器的作战任务规划会随着战场环境的变化而实时变化。 高超声速飞行器发射前， 通过数据链网络综合战场态势进行决策， 完成其发射前的自检工作， 并制定初步的航迹规划进行装订； 在巡航过程中， 后方指挥控制中心根据战场任务确定是否需要通过数据链与高超声速飞行器通信， 如原航迹规划任务突变、 安全受到威胁或无法实现原定计划等， 通过传输新的航迹信息或态势变化信息以辅助高超声速飞行器自身规划新的航迹， 进行实时任务规划。 构建灵活、 稳健的通信网络可使高超声速飞行器的强机动能力在战场中发挥出最大效能。

1.4智能发展， 体系保障

高超声速飞行器由于难以预测的气动热特性及多变复杂的周围环境， 使其具有明显的动力学不确定性。 因此， 如何使高超声速飞行器对自身有限能量进行合理、 高效、 智能地规划， 是保证顺利完成战场任务的重要前提。 对于可重复使用的高超声速飞机， 如引入智能技术， 可在有限的资源能量供给下， 智能规划确定何时需要较小能量保持姿态飞行， 何时需要较大能量进行机动， 以实现效能最大化； 对于高超声速导弹， 由于需要在特定时间内到达特定区域进行打击任务， 此时需要在整体能量有限的约束条件下高效规划各个阶段的任务分配及资源能量消耗， 保证成功完成打击任务过程中智能分选并回传所探测到的高价值态势信息， 使作战体系的信息态势共享达到最大化［16］。

2高超声速飞行器数据链技术架构

数据链技术是实现高超声速飞行器杀伤链高效、 快速闭合的有力支撑。 空战战场杀伤链的发展， 无论是美国空天军协会提出的F2T2EA（发现、 锁定、 跟踪、 瞄准、 交战、 评估）， 还是美国空军博依德上校提出的OODA环理论（观察、 判断、 决策、 行动）， 亦或是C4ISKR系统（战场指挥、 控制、 通信、 计算机、 杀伤、 情报、 监视、 侦察系统）， 其内核均源于“顺序作战”， 而未来信息化战场作战将由“顺序作战”向“同步作战”、 “杀伤链”向“杀伤网”、 “静态固化链”向“动态灵活网”趋势跨越式发展［17］。

作为杀伤链闭合的技术支撑， 数据链技术的核心是数字通信技术， 包括信息传输技术、 组网技术、 信息处理技术等， 多种通信技术的高效融合可有力支撑数据链技术的构建， 进而有效保障杀伤链高效闭合［18］。 高超声速飞行器数据链技术架构如图1所示。 其中， 应用层中实现的作战任务， 是从战术层面给出典型的任务场景， 包括巡航侦察、 诱偏突防、 协同打击等； 物理层针对信息传输技术， 通过波形选择、 编译码技术及鲁棒性算法实现强对抗环境下抗截获通信； 建链层针对网络构建及组网技术的突破， 从抗毁抗扰、 网络动态接入、 网络资源优化等方面保障跨域高动态高可靠自组网的建立； 处理层针对态势信息融合进行信息处理， 通过多维域信息融合处理， 有效进行路由选择、 协同控制， 进而构建战场态势智能感知智能融合汇聚决策及联合优化等关键能力［19］。 本节主要针对高超声速飞行器数据链中关于物理层、 建链层及处理层的技术能力构建进行深入分析。

目前， 通信技术以5G（5th Generation Mobile Communication）、 物联网、 云计算、 区块链等新兴技术为典型代表， 正向着“万物互联、 全域覆盖”的方向飞速发展［20］。 除了武器装备的超高速、 超远距、 强协同等高需求的驱动外， 通信技术作为数据链技术的核心， 其相应技术的革新也将驱动数据链技术的更新迭代。 高超声速飞行器数据链技术面临着全维跨域协同决策、 信息跨链智能融合的军事发展需求， 迫切需要构建“跨域网、 动态链、 智能端”为主体架构的高超声速飞行器智能数据链， 从而形成强对抗环境下跨链抗截获通信技术、 跨域高动态高可靠自组网技术、 战场态势智能感知融合汇聚决策技术等数据链关键技术谱系， 对战场通信资源进行智能汇聚及联合优化， 确保“武联网”的有力构建及强杀伤链的有效闭合。

2.1强对抗环境下跨链抗截获通信技术

随着电子对抗技术的螺旋上升式发展， 反高超声速飞行器的通信技术及装备同样呈现出愈来愈强的发展态势。 为保证高超声速飞行器的作战能力， 在对其可能遇到的电子对抗技术进行深入研判的基础上， 综合分析各种可用的数据链保障技术， 以达到最优的态势感知效果， 使高超声速飞行器及时准确进行机动决策， 充分发挥空战效能。

强对抗环境下跨链抗截获通信技术面临的挑战及相应技术手段总结如图2所示。

2.1.1强抗毁抗扰技术

高超声速飞行器数据链系统在复杂的战场电磁环境中， 易受敌电子干扰压制及无线网络攻击， 因此构建高超声速飞行器数据链系统的强抗毁抗扰能力十分重要。 目前， 针对电子对抗、 网络入侵等攻击手段， 需要高超声速飞行器数据链技术在信号波形的选择、 编码方式的设计、 功率能量的控制、 网络拓扑的构建等方面着重考虑， 综合时域、 频域、 空域、 功率域、 信号域、 信息域、 认知域及网络域等多方面进行技术突破［21］。 现有的面向指挥控制的数据链技术多采用扩频、 高速跳频、 跳时、 高维编码、 强纠错编码、 交织、 分级发射等技术实现抗干扰， 同时， 毫米波相控阵定向天线技术、 自适应功率控制技术、 低截获概率波形技术等通信技术也被广泛应用。 而对于高超声速飞行器的数据链抗毁抗扰技术， 鉴于高超声速飞行器自身的高速特点， 部分技术是无法直接应用的， 如扩频、 跳频的信息域方法， 需要较高的兆级下行速率； 对于定向波束的功率域方法， 难以适应高速移动的情况。 由此可见， 仅依靠通信技术的突破很难全方位保障高超声速飞行器的可靠、 稳定通信， 需要从顶层架构的角度进行设计， 一方面可以借助于所在网络整体的抗毁抗扰能力的提升， 来保证高超声速飞行器在网络域中的强抗毁抗扰能力； 另一方面， 通过不同情况下使用不同数据链的方法， 整合各数据链优势， 以高效实现高超声速飞行器自身的强鲁棒性。