低軌衛星數據鏈體系架構及應用前景

陳康平，黃新明，李崢嶸

低軌衛星數據鏈體系架構及應用前景

陳康平，黃新明，李崢嶸

（國防科技大學 電子科學學院，長沙 410073）

針對傳統數據鏈面臨的數據傳輸距離有限、數據傳輸容量受限，以及中高軌道衛星數據鏈存在著傳輸損耗大、延遲高等問題，提出基于低軌（LEO）衛星通信系統的低軌衛星數據鏈：介紹國內外低軌衛星通信系統的發展狀況；總結加快發展建設適用于數據鏈的低軌通信系統和在低軌衛星中放置數據鏈端機2種低軌衛星數據鏈建設方案，并提出適合低軌衛星數據鏈的抗干擾通信技術和低軌衛星數據鏈組網的時間基準、空間基準方案；最后分析低軌衛星數據鏈特點。結果表明低軌衛星數據鏈具有廣闊的應用前景。

數據鏈；低軌（LEO）衛星通信系統；低軌衛星數據鏈；抗干擾；時間基準；空間基準；應用前景

0 引言

自俄烏沖突爆發以來，馬斯克的“星鏈”在俄烏沖突中發揮了巨大的作用。英國《泰晤士報》報道稱，烏克蘭部隊使用“星鏈”進行戰場監測和調試無人機，使士兵能夠有針對性地精確發射反坦克武器。此外，俄羅斯情報部門表示，“星鏈”參與了幫助烏軍擊沉俄羅斯黑海艦隊旗艦“莫斯科”號導彈巡洋艦的計劃[1]。“星鏈”是一種新型的低軌衛星通信系統，部隊可依托“星鏈”，傳輸機器可讀的格式化消息，將傳統數據鏈無法覆蓋的作戰單元接入到數據鏈網絡中，把戰場感知的信息及時地反饋給武器系統，實現對目標的快速精準打擊。“星鏈”展現了低軌衛星通信系統在數據鏈中的巨大作用。

“星鏈”工作于衛星信道。根據數據鏈信號工作頻段，目前數據鏈常用的傳輸信道有短波信道、超短波信道、衛星信道等，其工作頻段劃分如表1所示。

常用的數據鏈如美國Link-4、Link-11、Link-16數據鏈都是通過軍用電臺進行數據傳輸[2]，其工作于超短波信道、短波信道，通信范圍有限。超短波信道以視距傳輸為主，受到地球曲率影響，其極限距離為340 km，同時存在著在傳輸過程中容易受到障礙物遮擋，以及多徑效應等不足。短波信道可通過天波傳輸擴展傳輸距離，但是其傳播特性受到電離層晝夜、季節性變化影響，且信道擁擠、信道不穩定并存在通信盲區，在目前數據鏈的應用中多用于超短波信道電臺的備份。衛星信道工作頻段寬，信道容量大，良好的衛星星座能夠實現全球覆蓋通信，不受距離的限制。

依托衛星信道的數據鏈又稱為衛星數據鏈。目前，國外典型的衛星數據鏈主要有英國海軍的衛星戰術數據鏈（satellite tactical data link，STDL）、美國海軍開發的衛星戰術數字信息鏈路（satellite tactical digital link J，S-TADIL J）、聯合戰術分發系統（joint tactical information distribution system，JTIDS）距離擴展（JTIDS distance extension，JRE）等[3]。

從公開的信息來看，STDL、 S-TADIL J等衛星數據鏈通過在指揮控制處理器中增加衛星接口來解決數據鏈視距受限的問題，實現數據鏈距離擴展[4]。早期使用的衛星為中高軌道衛星軌道，由于衛星高度較高，這些類型的衛星數據鏈面臨著傳輸速率受限、信道擁擠、時延較長等問題[5]。近年來，隨著“星鏈”等低軌衛星通信系統的發展，低時延、高通量的低軌衛星在軍用領域得到了巨大關注。為此，本文將從低軌衛星的角度，探討基于低軌衛星通信系統的低軌衛星數據鏈，彌補傳統數據鏈面臨的數據傳輸距離有限、數據傳輸容量受限，以及中高軌道衛星數據鏈存在的傳輸損耗大、延遲長等不足。

1 低軌衛星通信系統

根據衛星所處軌道高度，可以將衛星劃分為低地球軌道（low Earth orbit，LEO）衛星、中地球軌道（middle Earth orbit，MEO）衛星、高軌道（geosynchronous Earth orbit，GEO）衛星，其所處高度分別為：低地球軌道衛星500～2000 km，中地球軌道衛星2000～20000 km，高軌道衛星35786 km[6]。由里弗斯傳輸方程可推得，衛星信道自由空間傳輸損耗（free-space spreading loss，FSL）可由發射機天線接收功率t和接收機天線接收功率r的比值表示為

最早的低軌衛星通信系統是20世紀90年代實現的“銥星”系統，其共有6個軌道面，每個軌道均勻分布有11顆衛星，由此組成的低軌衛星星座可以覆蓋全球，為全球任何地點提供通信服務[8]。近年來，集成電路技術的迅速發展顯著降低了衛星的研制成本以及衛星的能耗、質量、尺寸；同時，回收火箭技術以及一箭多星技術的迅速發展使得衛星發射的成本急速降低。各國均開始大力部署低軌衛星通信系統。目前各國主要的低軌衛星星座項目匯總如表2所示。

美國已經在多方面對數據鏈與低軌衛星通信系統結合進行了嘗試：2019年11月初，美空軍宣布在C-12J情報飛機平臺上驗證了與“星鏈”首批衛星的互聯，通信速度達到610 Mbit/s[10]；目前還在繼續評估“星鏈”衛星與其他武器平臺的連接能力。

表2 部分國家低軌星座項目匯總[9]

我國目前正大力推進低軌衛星星座的建設，未來的低軌衛星星座將實現低軌物聯網、低軌導航增強、低軌通導融合等功能[11]。利用低軌衛星通信系統在數據鏈網絡之間傳輸數據，將極大地擴展數據鏈的通信距離，同時具備通導融合的低軌衛星信號，可以實現未來衛星數據鏈時間、位置基準的天基化，提高低軌衛星數據鏈網絡的抗毀性。

2 低軌衛星數據鏈體系架構

2.1 低軌衛星數據鏈2種建設方案

S-TADILJ、STDL等衛星數據鏈均是基于中高軌衛星實現距離擴展，存在著較大的傳輸損耗和時延。尤其在強調快速精確打擊的現代戰爭中，高時延嚴重影響武器的命中率。發展基于低軌衛星通信系統的低軌衛星數據鏈是未來的趨勢。對基于低軌衛星通信的衛星數據鏈建設，本文總結出以下2種建設方案。

方案一：加快發展建設適用于數據鏈的低軌通信系統。低軌衛星數據鏈本質是通過低軌衛星通信系統實現傳感器平臺、指揮控制平臺和武器平臺等的互聯互通。為此，低軌衛星通信系統應能讀取目前數據鏈網絡中的機器可讀的格式化消息，在接入方式、消息封裝格式的設計上應滿足數據鏈網絡的要求，確保低軌衛星通信系統能夠良好地接入數據鏈網絡。此外，這種方案對于低軌衛星通信系統的星上數據處理能力也提出了更高的要求。低軌衛星類似于數據鏈網絡中的一個信息中繼站，通過對接收到的數據鏈消息進行快速處理，將其轉發到數據鏈網絡的其他節點。由于低軌衛星僅僅作為一個中繼站，對數據鏈單元發送的數據鏈信號進行轉發，其中繼轉發的僅僅是數據鏈信號中所包含的“信息”，而不是數據鏈的原始“信號[12]；因此，如果衛星轉發的時延過長，數據鏈信號本身所包含的態勢信息將無法及時共享。此外，該方案下低軌衛星的作用僅僅是“透明中繼/轉發”，沒有在波形層面處理，對中繼2端的數據鏈節點而言，無法進行精準的同步，對同步要求高的數據鏈跳頻模式的影響尤為巨大。

方案二：在低軌衛星中放置數據鏈端機。2019年5月，美國衛訊公司（Viasat）獲得了美國空軍的合同，計劃為低軌衛星裝備Link16數據鏈[13]。目前該計劃的進展還未公布，但提供了一種衛星數據鏈建設的新思路。低軌衛星作為數據鏈節點接入數據鏈網絡中，能夠有效降低星上數據信息處理的延遲，共享數據鏈網絡的戰場態勢。這種方案下隨著低軌衛星通過搭載數據鏈端機，作為數據鏈節點接入數據鏈網絡中，在擴展傳統數據鏈的通信范圍的同時，可以進一步降低衛星數據鏈的延時，實時共享戰場態勢信息，同時保持傳統數據鏈跳頻等抗干擾模式的使用。

圖1 單顆低軌衛星覆蓋示意

以我國及周邊熱點區域為例，低軌衛星覆蓋范圍為100°E—140°E，北緯10°N—50°N，低軌衛星高度為1000 km，要保證該區域24 h覆蓋，則所需的衛星數量總結如表3所示。

表3 單星覆蓋范圍和所需衛星數量

可見，在設計搭載數據鏈端機的低軌衛星星座時，低軌衛星天線張角越大，單星可見范圍越大，覆蓋熱點區域所需的衛星數目越少。如須削減成本，可從星上天線張角的角度進行突破，選擇合適的低軌衛星星座。

2.2 低軌衛星數據鏈的抗干擾通信技術設計

軍事通信強調對抗條件下的可靠通信，對于低軌衛星數據鏈同樣如此。目前數據鏈中采用的抗干擾技術主要有直接序列擴頻、跳頻擴頻、直接序列擴頻+跳頻擴頻的組合[14]。這些方式對低軌衛星數據鏈仍然具有參考意義，但同時要兼顧低軌衛星的信道特點。在低軌衛星信道條件下，星地之間信號傳輸面臨的信道環境較為復雜。其中快速時變的多普勒是不可忽視的一個的因素。多普勒頻移公式為

以（1～2 GHz）波段為例，在低軌衛星最大速度7.9 km/s下，其多普勒頻移可達26～52 kHz；同時低軌信道面臨著陰影、雨衰、閃爍、大氣吸收等衰落的影響。在如此復雜的信道條件下，傳統的通信手段難以滿足要求。此外，在低軌衛星中放置數據鏈端機的情況下，應盡可能節省低軌衛星數據鏈的功耗。

目前，長距離（long range，LoRa）調制技術具有低功耗、遠距離傳輸的特點，在2018年2月成功接收到了來自低軌衛星的信號[15]。根據文獻[16]，在中心頻率490 Mhz、頻偏31.25 kHz條件下，數據能夠正常調制解調的最大移動速度為19.133 km/s，遠大于低軌衛星的最大運行速度。最新的長距離-跳頻擴頻（long range-frequency hopping spread spectrum，LR-FHSS）技術具有超大容量接入和超強抗干擾的特點，可以顯著提升數據鏈網絡的容量和抗干擾能力，實現數據鏈網絡節點之間低功耗、可靠的通信[17]。

LoRa調制技術是線性調頻調制技術（chirp spread spectrum，CSS）的一種，其本質為移頻線性調頻技術，與直擴和調頻一樣，同屬于擴頻技術。未來的低軌衛星數據鏈信號抗干擾設計可以考慮利用線性調頻調制技術，以克服低軌衛星信道快速時變的多普勒頻移。

線性調頻調制具有較強的抗干擾特性和對多普勒頻移不敏感的特點，通過線性調頻+直擴、線性調頻+跳頻技術的組合，可以適應低軌衛星信道快速時變的多普勒頻移，同時保證低軌衛星數據鏈具有較強的抗干擾特性。

2.3 低軌衛星數據鏈組網時間、空間基準方案

網絡時間基準（network time reference，NTR）、位置基準（position reference，PR）是建立數據鏈網絡必不可少的組成部分。對于給定的數據鏈網絡，NTR可由網絡單元內任一指定單元（一個且僅僅一個）擔任，其他網絡單元則周期性調整內部時鐘，使其與NTR保持時間同步。同樣，位置基準PR一般由地面單位擔任，以達到無限保持初始位置和位置品質的目的。

目前我國北斗三號已經完成組網，后續我國將推進以中高軌骨干衛星加上海量低軌衛星的混合星座為核心的國家衛星互聯網和下一代衛星導航系統。利用混合星座實現通信信號與導航信號的融合是未來的發展趨勢。在國家衛星互聯網體系下，低軌星數據鏈在利用低軌衛星進行數據傳輸的同時，接收來自北斗導航系統的精確定位授時信號，即接收的信號是包含了通信加導航的通導融合信號，可以確保數據鏈網絡內各單元時間基準和位置基準的高品質。此外隨著現代戰爭的演變，指定單元擔任數據鏈網絡的時間和位置基準已經難以滿足數據鏈強抗毀性的要求，利用具有良好導航系統的空中移動平臺擔任NTR和PR，甚至直接以衛星作為時間空間基準，可以實現數據鏈組網時間、空間基準天基化以及數據鏈網絡隨時組網和去中心化的目的，從而提高數據鏈網絡的抗毀性。

3 低軌衛星數據鏈的應用前景及發展現狀

3.1 低軌衛星數據鏈可滿足遠距離、大容量數據傳輸需求

隨著現代戰爭的發展，對遠距離、大容量數據傳輸的需求越來越高。以空空導彈為例，為適應未來空戰的作戰需求，空空導彈的攻擊距離越來越大，中遠程空空導彈的攻擊距離將達到200 km以上，遠程空空導彈的攻擊距離將達400 km以上。導彈數據鏈系統的傳輸距離要滿足中制導信息的傳輸要求，其傳輸距離應不小于導彈最大發射距離時的中制導距離[18]；因此數據鏈必須具備遠距離數據傳輸的需求。在戰場損傷評估中，遠程導彈彈載數據鏈可通過光學和紅外攝像設備捕獲戰場圖像，為后續戰斗做進一步分析；由此產生的圖像信息數據量大，且回傳的距離遠，也要求數據鏈具有遠距離、大容量傳輸數據信息的能力。

目前傳統數據鏈數據傳輸設備主要有短波數傳電臺、超短波數傳電臺等，超短波電臺只能實現視距通信，且受地形的影響較大。短波電臺雖然可實現超視距傳輸，但其傳輸性能受電離層影響較大，穩定性、通信質量均較差，難以滿足數據鏈系統的需求。中高軌道衛星可實現遠距離數據傳輸，但其數據傳輸容量較低。低軌衛星距離地面較近，可以選擇更高的頻段、更大的帶寬；因此低軌衛星通信系統在實現遠距離數據傳輸的同時，能實現大容量的數據傳輸。以“星鏈”為例，單個用戶鏈路的傳輸速率最高可達1 Gbit/s，每顆衛星可提供17～23 Gbit/s的下行容量，足以滿足數據鏈數據傳輸的需求[19]。我國最新的“虹云”低軌衛星星座，經過測試，其視頻傳輸速率也可達到1.5 MHz[20]，相較于傳統的超短波頻段或者短波頻段的數傳電臺以及中高軌道衛星，具有較大優勢。

3.2 低軌衛星數據鏈可支持設備小型化以及更加靈活的組網

數據鏈數據傳輸設備及天線尺寸和設備工作頻段密切相關，以短波電臺為例，工作頻段處于1.5～30 MHz，其天線波長較長，其天線波長最佳尺寸在10～200 m，極大占用了設備平臺的使用空間。對于飛機導彈等平臺，就犧牲了其靈巧性和隱身性。而對于中高軌道衛星而言，要保證地面設備能夠接收到中高軌道衛星的微弱信號，其終端設備設計也不可避免地具有較大的尺寸。低軌衛星通信系統較傳統的電臺，工作于微波波段300 MHz～300 GHz，其天線尺寸可以設計得更短。同時相較于中高軌衛星，低軌衛星星地之間的路徑更短，信號損失更小，對于接收終端，可以進行更加理想的小型化設計，能簡單便捷地加裝在多種武器系統中，并且可以單兵攜帶。

目前對低軌衛星通信系統的研究大多集中在作為地面通信網絡的補充，以實現對海量用戶接入的靈活迅速組網。這一性能運用到低軌衛星數據鏈中將擴展數據鏈的組網方式。待接入節點僅須手持小型化數據鏈設備以及手持衛星通信收發機，就可以接入低軌衛星數據鏈網絡，實現單兵接入組網。在未來戰爭中，單兵僅須將目標信息通過數據鏈接入至各類武器平臺，即可實現快速、精準打擊。此外，還可以實現各軍種數據鏈之間的融合，實現廣域實時態勢共享，促進各軍種的協同，提升聯合作戰水平。

3.3 低軌衛星數據鏈系統與其他無線系統間干擾小

目前，各類數據鏈裝載的平臺均安裝了多種類多頻段的電子設備。以機載平臺為例，目前各類型飛機往往裝備了超短波電臺、短波電臺、高度表、微波著陸設備等，在電磁屏蔽做得不到位的情況下，往往容易造成設備間干擾。在超短波數傳電臺使用過程中，還容易受到其他機外干擾。此外，短波電臺進行數據傳輸時，由于天線長、功率大，其使用期間往往會對機載無線電造成干擾，并且大功率數據傳輸還容易對機內其他各種電氣設備造成影響。而利用低軌衛星通信系統進行數據傳輸，由于頻率間隔大，能夠較好地解決各設備間的干擾問題；此外低軌衛星接收機使用較低功率即可滿足數據傳輸的需求，較好地避免了大功率對其他設備的影響。

3.4 依托低軌衛星數據鏈可實現多軍種數據鏈的融合

經過多年的發展，美國各軍種均研制了適合自身使用的數據鏈系統，這些數據鏈開發并沒有統一的報文標準，同時受制于數據鏈的作用范圍、數據傳輸容量、各軍種的作戰理念，因而并未過多考慮與其他軍種之間的數據鏈組網。

現代戰爭越來越強調各軍種之間的協同作戰，勢必要融合各軍種之間的不同類型的數據鏈，發揮各個軍種的優勢。如圖2所示，依托低軌衛星遠距離、大容量通信的優勢，低軌衛星數據鏈連接地面、空中、海上的數據鏈網絡，構建空天地海一體化數據鏈網絡，實現在一個較大范圍內的陸海空天多軍種協同。各軍種通過統一的報文標準，接入低軌衛星數據鏈網絡，使得艦艇、戰機、戰車、導彈之間能夠共享數據鏈戰場信息態勢。此外利用低軌衛星數據鏈遠程數據傳輸，指揮所能夠實時對各軍種之間進行協調，增強信息化作戰水平。

圖2 空天地海一體化數據鏈網絡

3.5 我國低軌衛星數據鏈發展現狀

鑒于低軌衛星數據鏈的廣泛應用前景，我國已經開始對低軌衛星數據鏈的建設進行前瞻性的探討研究。文獻[12-13]指出，低軌衛星數據鏈還存在著低軌衛星數據鏈星地時延比傳統數據鏈長，以及多普勒頻偏會對數據鏈系統產生影響等問題。其構建了低軌衛星數據鏈時延模型，以建立平均響應時間和所分配時隙的關系，針對性地提出傳輸時延補償的方法，減少時延的影響；同時針對星地多普勒頻偏大的問題，提出了接收機時頻同步方案，在多普勒頻偏大于30 kHz時，接收機仍然可以捕獲目標。這些方法可以為我國未來的低軌衛星數據鏈建設提供技術支撐。

低軌衛星星座的建設是低軌衛星數據鏈的重要一環。目前，在低軌衛星星座建設上，我國起步較晚，但發展勢頭強勁。2022年，我國一共執行了64次航天發射任務，其中25次載荷軌道為低軌軌道，包括銀河航天6顆低軌通信試驗衛星、吉利時空道宇01組衛星、微厘空間低軌導航增強系統的S3/S4/ S5/S64顆試驗衛星[21]，涵蓋了低軌衛星通信、物聯網、低軌導航增強、遙感等諸多方面，并取得了實質性的進展。特別是在低軌導航增強領域，前期珞珈一號的偽距測距精度達到2～3 m，微厘空間低軌導航增強系統的測距精度也將達到厘米級[22]。低軌導航增強技術的突破為低軌衛星數據鏈時間空間基準天基化，提高低軌衛星數據鏈的抗毀性提供了技術支撐。此外，隨著小衛星制造成本的進一步降低以及火箭發射技術的提升，在軍事領域，部分學者提出構建以大規模低軌衛星為基礎的太空監測網絡，全天候實時監視臨近地區作戰目標，以提升重點地區研判和提前預警的能力[23]。在低軌衛星星座快速建設的基礎上，基于低軌衛星星座的低軌衛星數據鏈將進入實質建設階段，目標是提升我軍戰場信息共享能力。

4 結束語

本文介紹了建設低軌衛星數據鏈的2種方案：一是加快發展建設適用于數據鏈的低軌通信系統，該方案中低軌衛星擔任中繼站，轉發數據鏈節點消息；二是在低軌衛星中放置數據鏈端機，該方案可通過盡可能增大低軌衛星張角來減少覆蓋熱點地區所需的低軌衛星數目。針對低軌衛星信道特性特點提出了線性調頻+直擴、線性調頻+跳頻技術來解決信道多普勒頻移大的問題；并從當前熱門的通導融合角度，提出數據鏈時間基準和位置基準去中心化，提高數據鏈網絡的抗毀性；最后對低軌衛星數據鏈的應用前景和我國低軌衛星數據鏈的建設狀況進行了介紹，為后續我國數據鏈建設提供參考。

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Architecture and application prospect of LEO satellite data link

CHEN Kangping, HUANG Xinming, LI Zhengrong

（College of Electronic Science and Technology, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China）

Aiming at the problems of the limited data transmission distance and limited data transmission capacity of the traditional data link, and the high transmission loss and high delay of the medium and high orbit satellite data link, the paper proposed a low-orbit satellite data link based on low-orbit satellite communication system: the development of low Earth orbit (LEO) satellite communication system at home and abroad was introduced; and the two construction schemes of LEO satellite data link, including speeding up the development and construction of the LEO satellite communication system suitable for data link and placing the data link terminal machine in LEO satellite, were summarized; then the anti-interference communication technology suitable for LEO satellite data link and the time and space benchmark scheme for LEO satellite data link networking were put forward; finally, the characteristics of LEO satellite data link were analyzed. Results showed that LEO satellite data link would have a broad application prospect.

data link; low Earth orbit (LEO) satellite communication system; LEO satellite data link; anti-interference; time benchmark; spatial benchmark; application prospect

陳康平, 黃新明, 李崢嶸. 低軌衛星數據鏈體系架構及應用前景[J]. 導航定位學報, 2023, 11(4): 113-119.（CHEN Kangping, HUANG Xinming, LI Zhengrong. Architecture and application prospect of LEO satellite data link[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2023, 11(4): 113-119.）DOI:10.16547/j.cnki.10-1096.20230416.

P228

A

2095-4999(2023)04-0113-07

2022-12-06

陳康平（1996—），男，浙江東陽人，碩士研究生，研究方向為導航與時空技術。

黃新明（1988—），男，湖北孝感人，博士，講師，研究方向為導航與時空技術。