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16号数据链(Link16)及其应用1.数据链的定义与作用2.Link16发展历程3.Link16的通道系统(JTIDS/MID)的工作原理4.J系列消息5.Link16网络设计6．Link16小结11.数据链的定义与作用(1)当代空战的结果不决定于飞机的机动性武器射程决定因素飞行员思想上是否能保持有实时敌我态势图(2)C4ISR的作用形成和分发战场实时敌我态势信息产生和传达指挥与控制命令(3)C4ISR的组成通信、指挥、控制、计算机、情报、监视、侦察的作用话音通信——数据通信——数据链数据链——可以互操作的数据通信系统(4)对数据链的要求抗干扰保密吞吐率高用户数多信息种类多有与传感器和指挥控制系统相匹配的信息粒度多功能互操作全视距和超视距(5)数据链组成通道系统格式化消息传输和交换协议22.Link16发展历程(1)1965年～1973年联合战术信息分发系统(JTIDS)酝酿阶段要求(1)以最小的时延、在数量众多的成员之间，作大容量信息分发(2)要抗敌方干扰，要使敌方不能得到系统信息(3)要能支持所有成员的信息要求，不发生相互干扰。(4)要能对已方单位作明确的肯定识别(5)要能使所有成员在公共坐标系中定出自己的位置，并连续地将位置报告给其它单位(6)要能在整个战场区域提供上述能力美国海军集成战术空中控制系统(ITACS)集成战术导航系统(ITNS)美国空军Seekbus(2)1974年～1983年成立JTIDS联合办公室研制成功并开始装备JTIDS1类端机共生产334部装备18(北约)＋34(美国)＝52架E-3A预警机欧洲和美国的地面指挥所3采用JTIDS临时消息规范(IJMS)图1北约对华约区域的监视4图2E-3A与地空导弹防空(3)1980年～1993年JTIDS2类端机的研制与作用战斗机集成Link16标准形成2类端机的试验F-1512000架次19000飞行小时白天杀伤效率提高2.62倍，晚上提高2.60倍5图3战斗机显示画面图4战斗机空空作战62类端机的装备美国海军的E-2预警机，F-14，航母，宙斯顿级巡洋舰与驱逐舰2H与2M类端机2类端机的问题：可靠性，体积，价格(4)1990年～1999年美国——北约的共同利益多功能信息分发系统(MIDS)的研制至2015年装备计划：美国5000架战斗机北约3000架战斗机(5)Link16在现代战争中的地位Link16是在数十年战争经验总结的基础上为适应高技术战争要求而发展起来的。美国的Link16政策(1994年)：“指定美国同意的Link16作为各军种和防务部门的指挥、控制和情报的主要数据链，并在实际可行时作武器应用的主要数据链。”(6)美国——北约国家JTIDS/MIDS装备平台7国别装备平台美国空军海军陆军海军陆战队F-15F-16JSTARS(E-8A)AWACS(E-3A)模块化控制设备(MCE)机载战场指挥控制中心(ABCCC)F-14DF/A-18E-2C宙斯顿导弹巡洋舰宙斯顿导弹驱逐舰核动力航空母舰多功能两棲袭击舰两棲指挥舰爱国者导弹战场高空防空系统(THAAD)中远程防空系统(MEADS)联合战术地面站(JTAGS)防空战术作战中心(ADTOC)近程防空系统(SHORAD)战术空中作战模块(TAOM)战术空中作战中心(TAOC)欧洲EF2000战斗机北约AWACS北约防空地面环境系统(NADGE)英国防空地面环境系统(ADGE)TornadoF3猎迷AWACS法国AWACSRAFALE战斗机德国爱国者导弹荷兰爱国者导弹83.Link16的通道系统(JTIDS/MID)的工作原理(1)同步时分多址(TDMA)接入方式网络时间基准NTR——系统时图5JTIDS/MIDS时分结构(2)JTIDS/MIDS信息池图6JTIDS/MIDS信息池511B31C1B6112341111121245626001时元＝64时帧（12秒）1天＝112.5时元（12.8分钟）511A2OBOC1A1时帧＝1536时隙（7.8125毫秒）每秒=128时隙511C63OA9(3)脉冲信号、跳频与频谱图7脉间跳频960MHz～1215MHz51个频点相邻频点间隔3MHz，相邻脉冲间隔≥30MHz图8JTIDS/MIDS信号频谱14点5点32点969MHz1008MHz1053MHz1065MHz1113MHz1206MHzf1f2f3f46.46.66.46.46.66.66.413μs13μs13μsf1f2f3f46.46.66.46.46.66.66.413μs13μs13μs10(4)单脉冲符号和双脉冲符号图9单脉冲符号和双脉冲符号(5)消息封装图10JTIDS/MIDS消息封装6.66.46.66.46.46.6单脉冲符号双脉冲符号11(6)作用距离300海里(550公里)500海里(920公里)(7)脉冲调制信号32位伪随机码，代表5bit信息(8)网络吞吐率(消息本体)最小SMP128×93×5＝59.52kbps抗干扰能力最强最大P4SP128×372×5＝238.8kbps抗干扰能力最弱(9)抗干扰措施(共7项)跳频，直接序列扩频，发射时间抖动双脉冲符号，纠错编码，交织检错编码(10)跳频速率达76923次/秒，无法实施跟踪干扰。迫使敌对方把干扰机信号功率分散在很宽的频段上，因而降低了干扰效率。)(175110dBlg(11)直接序列扩频每个脉冲宽度6.4μs载有5bit信息。如果用5位二进制码实现，则每位宽度为6.4/5＝1.28μS，对应信号带宽0.78MHz。现在用32位来实现，则每位宽度0.2μs，对应信号带宽5MHz。这样，直序扩频比为5/0.78＝6.4，产生)(8610dB.4lg的抗干扰增益(12)发射时间抖动使敌对方掌握不准信号什么时候发射，因而不能采用将干扰机功率集中于短的时间以攻击信号同步头根据STANAG4175P.A.48，发射抖动时间用不同级别来表示。在7级和8级时，最大传输距离分别减小到860Km和775Km，与这些距离相对应的传播保护时间应为≥2.8667ms和2.5833ms。而按SMP和P2SP封装格式，发射抖动时间+传播保护时间=4.4585ms，因此在抖动级别为7和8时，对应的抖动时间分别为1.5918ms和1.8752ms。由于粗同步头+精同步头的持续时间只有0.52ms，可见抖动延迟范围相对是较大的。12(13)双脉冲符号在一个符号中，两个脉冲所载数据相同，然而载频不同，只干扰掉一个脉冲，并不影响数据的接收。(14)纠错编码各种消息封装中，消息本体符号数分别是SMP93个，D2SP和P2DP2×93个，P4SP4×93个，而每个93符号又由3个31符号构成，每31符号称作一个字。(15)每个字中只有15个符号载有信息，其余16个符号是纠错监督符号，即每个字是(31，15)ReedSolomon编码的字1字2字3图11消息本体纠错编码当接收时它使在31个符号中差错数≤16/2＝8个时，抹去数≤16个时还能恢复正确数据。(16)报头符号数为16个，是由7个信息符号加9个纠错监督符号形成的。它使16个符号中差错数≤4个时，抹去数≤9个时还能恢复正确数据。图12报头纠错编码(17)交织为防止突发干扰使纠错能力饱和把报头和消息本体的符号不按原顺序发射，而是交织着发射，例如716151515313131信息符号数总符号数13图13符号交织(18)单网和多网由于JTIDS/MIDS有强的抗干扰能力，允许15～20个网在同地区同时工作，扩大系统容量，网号在0～127中选取，不同网网号不同，其跳扩频图案也不一样。图14单网和多网的结构0151646477778108发射顺序交织符号发射顺序242962831046279210307023报头16个符号字131个符号字231个符号字331个符号14(19)加密项目(共6项)基带数据加密报头中修改了的SDU顺序号基码加密跳频加密交织起点选定发射抖动MSEC影响信息数据TRANSEC影响信号(20)保密机称之为保密数据单元(SDU)，型号：KGV-8/TSEC，可存储8个加密变量保密周期：24小时或7天加密模式：公共变量模式分离变量模式消息加密在SDU中完成传输加密在SDU控制下在端机中完成(21)JTIDS/MIDS信号产生过程消息加密（MSEC）传输加密（TRANSEC）15图15JTIDS/MIDS信号产生过程(22)保密和抗干扰数字话音PDSP和P2DP时所占容量：16kbps(CVSD调制)，一路话音，14.5%单网容量(每帧224时隙)2.4kbps(LPC标准)，一路话音，2.18%单网容量(每帧33.6时隙)用途：战斗机之间，空中控制员与战斗机之间，用PTT工作方式(23)网络时间基准(NTR)任意指定，可在运行中更换，任何时候系统只有一个NTR。NTR选择因素，处于高的高度上，而且位置靠网络中央，不希望频繁更换NTRNTR要每12秒发射一次入网消息(在消息加密和传输加密控制下，因此每次发射的信号均不相同)(24)入网与粗同步16粗同步的误差：信号传播时间ε图16粗同步的误差系统可指定一些非NTR端机(IEJU)或激活的中继端机，在实现精同步之后，也可以每24秒一次发射入网消息。这种情况下其它端机的粗同步误差还要加上它们的精同步误差，也可能还要加上抖动。(25)精同步和同步保持有源同步法，即往返定时(RTT)法，主要用户采用，次要用在特定情况下采用无源同步法，次要用户经常采用，与定位功能同时完成。(26)时间同步等级同步等级1514131211109876543210均方根差(ns)≤50≤71≤100≤141≤200≤282≤400≤565≤800≤1130≤1600≤2260≤4520≤9040≤18080≤18080等级越高同步精度也越高，NTR为15级(27)PPLI消息所有JTIDS/MIDS端机必须以规定的重复周期广播PPLI消息12S12S12SεNTR发射的入网消息非NTR端机接收到的入网消息17粗同步头精同步头报头时间品质海拔高度高度品质纬度经度航向速度U坐标V坐标β角……地理位置品质相对位置品质相对方位品质(28)RTT精同步法已完成粗同步的端机已可以接收消息，但除作RTT之外，不允许作其它发射，它从接收的其它端机的PPLI消息中，了解其时间同步等级，从所有接收信号中，选出同步等级最高的4个排成队，用作同步对象(施予者)图17RTT精同步方法(29)导航的定义为端机提供在共同坐标系中的实时位置，也可能还需要为端机提供时间、速度，航向和姿态角。时间同步和信号到达时间(TOA)测量是JTIDS/MIDS实现相对导航的基础之一18图18多边定位法(30)卡尔曼滤波器(16维)图19导航卡尔曼滤波器工作过程卡尔曼滤波器根据TOA-Rˆ(观测量)估计出数学模型参数及其方差，导航处理器修正同步误差和相对定位误差，并产生相对定位和时间同步的等级(31)定位品质的等级相对坐标系定位品质等级1514131211109876543210均方根差(m)NC≤22≤30≤43≤61≤86≤122≤172≤244≤345≤488≤690≤1379≤2759≤5517≤5517可见在等级10以上时，定位误差小于100m，而在低等级上可达数千米，然而实际用的是精度较高的情况。端机1的PPLI端机３的PPLI端机２的PPLITOA１TOA３TOA２端机1的PPLI端机３的PPLI端机２的PPLITOA１TOA３TOA２惯性导航系统导处理航器导航输出卡尔曼滤波器定位源TOARˆ19(32)导航的特性抗干扰保密抗毁影响JTIDS/MIDS方案(33)导航的作用完成和保持无源精同步提供已方成员实时分布提供移动平台监视传感器的基准(传感器坐标→当地坐标系→相对坐标系)为数据处理提供数据登录的基础(34)地理导航相对坐标系原点的位移和坐标轴旋转地理导航位置基准位置基准的等级1514131211109876543210位置误差方差(m)≤15≤22≤30≤43≤61≤86≤122