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1、 第 7 章 Link-11 数据链系统 7.1 系统综述 1发展历史 Link-11 是美国海军 20 世纪 60 年代研制成功的一种低速战术数据链，用来建立地空和空空信息传输链路，实现舰船之间、舰船与飞机之间、舰队与岸上指挥机构之间的信息交换，解决了舰艇对空作战和协调编队防空和对海作战问题。该系统于 1964 年开始在美国海军服役。2系统功能 Link-11 数据链系统又称为战斗群侦察与战役管制链路，支持战斗群各分队之间海军战术数据系统的数据传输，通常用来连通参加作战的战术部队，如海上舰艇、飞机和岸上节点。它主要用于美国海军的地面或海面单元与机载 C2（command and contro
2、l）单元之间、空军单元之间，以及海军与海军陆战队单元之间的信息交换，并用于反潜作战。海军使用 Link-11 数据链系统的战术功能如下：（1）舰队区域控制与监视设施：在其管辖区内，计划安排并协调舰队的全部运行、试验和特别使用区域；同时在其管辖区域内，可以起空中交通管理者的作用。通常要每月发布一次分配频率、入网单元号码和其他数据链参数的运行任务信息。（2）反潜战作战中心：在飞机飞行前、飞行中和飞行后向飞机中队提供实时操纵控制、任务计划、协调和评估支援，并通过 Link-11 在海上巡逻机和该中心之间传送数字信息。反潜作战中心彼此之间也能交换信息。（3）区域作战控制中心和防区作战控制中心：支援北美
3、防空指挥部的战略防空任务，在平时这些控制中心掌握着美国的空中控制权。通过联合监视系统，依靠 Link-11 提供雷达跟踪数据，可保持一幅完整的美国空间实时空间图像。（4）海军陆战队空中指挥与控制系统：由具备 Link-11 能力的设施组成。它们是战术空中指挥中心和战术空中作战中心，同时也支持其他多种数据链路。该系统承担空中防卫、空中控制，并为海上飞机提供空中支援。总的来说，Link-11 数据链与 Link-4A 数据链的应用目的不同，需要在海上和运动速度较慢的平台之间交换态势图信息。因此，Link-11 数据链系统的主要战术功能是态势共享和数字化指挥引导。3装备情况 Link-11 在美军海
4、军和空军中得到了广泛应用。装备 Link-11 的飞机平台有 E-2C 预警机、航母舰载 S-3A 反潜机、基地航空兵 P-3C 反潜巡逻机以及空中预警和控制飞机 E-2C、E-3 预警机等。飞机平台装备了 Link-11 设备以后，大大增强了其战术信息的交换能力。海军的“鲟鱼”级和“洛杉矶级”核动力潜艇也装备了 Link-11 设备。另外，陆军的控制中心也装备了 Link-11 设备。7.2 系统结构 1概述 典型的 Link-11 地面系统构成框图如图 7.1 所示。除了增加了一个保密机之外，Link-11地面系统的其他功能模块与 Link-4A 相同，该系统由保密机、数据通信设备、无线电
5、设备及天线等部分组成，与战术数据系统（TDS）交联。图 7.1 Link-11 地面系统组成框图 与 Link-4A 数据链系统相近，TDS 由多部计算机设备组成，其中包括战术应用软件、信息处理软件和战术信息数据库。TDS 接收多路传感源数据，融合处理后显示区域态势，并定期更新数据库。人机交互软件处理和响应操作员的输入与询问信息，并控制外围输入与输出。待发送信息经格式化处理后，形成格式化的战术信息报文。2保密机 Link-11 的加密装置 KG-40 对战术数据的每个 24 比特字进行加密，以提供保密通信能力。只要密钥被正确预置，保密通信就是全自动的，不需要操作员进一步干预。加密装置确保了网络
6、中数据传输的安全。KG-40 加密装置有 4 种工作方式：密码 A1、密码 A2、密码 B 和明码电报。3数据通信设备 数据通信设备是 Link-11 的核心部分和基本单元，它控制整个 Link-11 链路的通信。它具有检错与纠错、网络模式控制、链路协议管理、双向数据传输中的数据交换、控制码产生和识别等能力，以及与保密装置和无线电设备的接口控制能力；同时，还具有调制解调器的功能，用来完成音频调制。（1）检错与纠错（误码探测和修正）：数据通信设备对来自战术数据系统的 24 比特战术数据进行信道编码，添加 6 比特汉明码，形成 30 比特编码；对来自飞机的接收数据进行校验，能够确定并纠正单个误码。
7、（2）链路协议管理：一方面，对来自战术数据系统的数据进行组帧、格式化，以产生标准化数据，如生成 HF 或 UHF 格式消息。这些格式化消息包括指示传输开始、传输结束和要发送下一个单元的编码。另一方面，对接收消息拆帧，向战术数据系统提供实时的战术信息。另外，对传输信息进行流量控制。（3）音频调制：Link-11 利用/4-DQPSK 调制解调，采用“多音并行体制”，将形成的30 比特编码数据对 15 个内部单音进行调制，再加上一个多普勒校正单音，把数据信息转换为多音信号，然后送入无线电设备。其原理参见第 3 章相关内容。（4）网络模式控制（工作方式控制）：Link-1l 可实现 6 种工作方式，
8、即网络同步、网络测试、点名呼叫、短广播、广播、无线电静默。网络同步用于建立通信开始；网络测试用于通道检验；点名呼叫是 Link-1l 的常用工作方式；对于某些战术态势，可能需要短广播和广播；无线电静默则只接收不发射，起到隐蔽作用。4无线电设备和天线 Link-11 有高频（HF）和特高频（UHF）两种无线电设备，提供 HF 或 UHF 两种传输信道，并在数据通信设备控制下实现发送与接收的转换。HF 设备可以调谐到 230 MHz 频率范围内的任一 100 Hz 的整数倍频率，对多音信号进行 SSB 调制，用于入网单元之间距离在 25300 海里之间的组网。UHF 设备可以运行于 225400
9、MHz 内的任一 25 kHz 的整数倍频率，用于入网单元之间舰对舰 25 海里、舰对空 150 海里的覆盖。对于 HF 天线，因为短波难以在全频段匹配，所以使用无线电耦合器把无线电的输出阻抗匹配到天线的阻抗。UHF 耦合器容易实现，通常应在临近的 UHF 多路耦合器之间保持 5 MHz 的频率隔离度。7.3 消息标准 1消息标准 Link-11 采用 M 系列消息标准，由美国军标 MIL-STD-6011 和北约标准 STANAG 5511定义。M 系列消息是 Link-11 和 Link-11B 共用的。2消息结构 M 系列消息分为 8 组，每组 9 比特，消息结构如表 7.1 所示。8
10、组依次是 1 个起始组、6 个数据组和 1 个校验组。数据组的第 1 个比特为标志位，后跟 8 个信息位，因而每个消息包含 48 比特战术信息，信息位依次为 07（数据组 1）、815（数据组 2）4047（数据组 6）。表 7.1 M 系列消息结构 组 起始组 数据组 1 数据组 2 数据组 3 数据组 4 数据组 5 数据组 6 校验组 位 所有 比特位（0）标 志 位（1）信 息 位 标 志 位（1）信 息 位 标 志 位（1）信 息 位 标 志 位（1）信 息 位 标 志 位（1）信 息 位 标 志 位（1）信 息 位 标 志 位（1）校 验 位 传输位数 08 9 1017 18 1
11、926 27 2835 36 3744 45 4653 54 5562 63 6471 信息位数（消息格式）07 815 1623 2431 3239 4047 7.4 信号波形 1信号帧 Link-11 信号为多音合成信号，其 16 个单音如表 7.2 所示，且所有信号都以帧为单位进行传输。每 30 比特为一帧，每帧有 6 比特用于误码检测和校正，剩余 24 比特用于传输战术信息。Link-11 信号可分为报头帧、相位参考帧以及数据帧等类型，并使用/4-DQPSK 方式调制，具体调制过程参见第 3 章。表 7.6 Link-11 信号的 16 个单音 编号 频率/Hz 用途 比特位 编号 频
12、率/Hz 用途 比特位 1 605 多普勒频移 9 1705 数据 14,15 2 935 数据 0,1 10 1815 16,17 3 1045 2,3 11 1925 18,19 4 1155 4,5 12 2035 20,21 5 1265 6,7 13 2145 22,23 6 1375 8,9 14 2255 24,25 7 1485 10,11 15 2365 26,27 8 1595 12,13 16 2915 28,29 报头帧：双音信号，两个单音频率分别是 605 Hz（多普勒单音）和 2 915 Hz（同步单音）。相位参考帧：16 个单音的合成音频信号。数据帧：也是 16
13、个音频信号，但与相位参考帧的 16 个合成音频不同，它是战术数据与多音频调制后的合成音频信号，信号中已含有具体消息的内容。605 Hz 单音不调制，用于多普勒校正，其余 15 个单音用于数据传输。Link-11 每数据帧包含30 bit 数据信息，因此有两种数据传输速率：2 250 bps（75 帧30 bit/帧）和1 364 bps（45.45 帧30 bit/帧）。在所有帧中，多普勒单音的幅度均是其他各单音幅度的 2 倍，报头帧中多普勒单音的幅度是数据帧中多普勒单音幅度的 2 倍。这样的目的有两个：一是如果报头帧单音功率较大，则信号就容易在背景噪声中被识别；二是使得在报头帧信号中的两个单
14、音功率与数字信号组成的 16 个单音的总功率大致相同，便于实现。2信号结构 Link-11 数据链以帧为单位传输信号，其信号由报头帧、相位参考帧、控制码和报文数据等部分组成。其中，报头帧、相位参考帧和控制码的格式和长度固定，报文数据的长度随消息而变。1）报头帧 报头帧的构成前面已讨论过，它是 605 Hz 和 2 915 Hz 组成的双音信号，起着入网单元同步接收和校正多普勒频移的作用。每次传输消息由 5 个报头帧开始。2）相位参考帧 Link-11 数据链采用 QPSK 调制方式，需要在传输信息中包含相位基准。因此，紧跟在 报头帧后有 1 个相位参考帧，它为后面帧的每个数据单音提供一个参考相
15、位基准。相位参考帧前面已讨论，是 16 个单音的合成音频信号。3）控制码 3 种基本控制码包括起始码、停止码和地址码。每个控制码由 2 帧组成，各帧与前面讨论的数据帧类似，都是不同内容含义的信息代码（起始码、停止码、地址码）与 16 个单音调制后的合成多音信号。因此，控制码的组成帧也是数据帧。起始码：相位参考帧之后的 2 帧，表明消息正文的开始。停止码：消息正文结束后的 2 帧，表明消息正文的结束。地址码：2 帧，表示控制站点名呼叫的前哨站的地址。在网络控制站呼叫的情况下，直接跟在相位参考帧后面；在网络控制站报告时，跟在停止码后面。控制码主要控制 Link-11 数据链网络的运行，它通过起始码
16、标明数据开始，通过停止码标明数据结束，通过地址码指明下一步哪个入网单元报告，以此管理网络运行。4）报文数据 起始码与停止码之间是表示战术数据信息的报文数据。根据战术数据信息的内容，报文数据用可变的多个数据帧表示。其内容和格式源于 M 系列消息。7.5 网络结构 Link-11 以数字化舰空指挥和态势共享为目标，因此Link-11 数据链采用轮询协议，以网控站为主站，通过主站对从站（前哨站）的依次轮询和从站信息的依次传输，形成 Link-11 网络，提供航母、预警飞机或地面指挥所与舰艇、飞机或车辆之间的信息交互，实现网络成员之间的全网统一态势，并在充分感知态势的基础上，实现对舰艇、飞机等精确的数
17、字化指挥。为了感知全网态势，从站之间需要信息交互。Link-4A 网络拓扑结构为集中式网状拓扑，如图 7.10 所示。美国军用标准 MIL-STD-188-203-1A 定义了 Link-11 的通信标准等技术细节。7.6 网络工作模式 Link-11 网络有 6 种工作模式：轮询呼叫、网络同步、网络测试、短广播、长广播和无线电静默。1轮询呼叫 轮询呼叫是 Link-11 的常规工作方式。在此模式下，指定一个网络控制站（简称网控站），其他入网单元为前哨站。网控站对整个网络进行管理，为所有前哨站建立一个轮询呼叫顺序，一个前哨站在分配时间内使用网络频率发送。网控站发送询问信息启动网络传输，自动排序
18、询问每个前哨站。询问信息包括战术计算 图 7.2 Link-11 网络拓扑结构 机输出的数据以及下一个要发送的前哨站的地址码。所有前哨站均接收这些信息，把传送的战术数据送到它们各自的战术计算机，把接收的地址码与自己的地址码相比较。当一个前哨站识别出该地址码是自己的地址时，就把自己的传输设备转换到发送状态，并在回答信息中发送自己的战术数据。网中的每一个前哨站都接收这一个前哨站的回答信息，并把其战术数据送入自己的战术计算机。如果该前哨站要发送的数据超过分配给它的允许时间，它就停下来等待下一次轮询呼叫。如果该站没有信息要发送，就用相应的回答信息响应。前哨站回答信息传输结束后，网控站就转换到发送状态，
19、再发送下一个询问信息。这一过程不断重复，直到所有前哨站都被询问到为止。所有前哨站均被询问后，网控站就发送自身信息，这就完成了一个网络循环。网络循环自动重复，直到结束。除了被点名时应答并发送数据之外，前哨站一直处于接收状态，接收其他前哨站或网控站的报告信息。因此，轮询呼叫方式可把网络所覆盖的整个作战区域的战术数据在网络成员之间进行交换。轮询呼叫时有三种消息格式，即网控站呼叫消息格式、前哨站回答消息格式及网控站报告消息格式，如图 7.3 所示。图 7.3 Link-11 轮询呼叫时的消息格式 每次发送消息时，先发 5 帧报头和 1 帧相位基准，用于帧同步以及测定和校正多普勒频移。如果信息中包含有数
20、据，则应在数据前加起始码，在数据后加终止码。2网络同步 网络同步模式主要用于建立网络统一的时间基准，仅网控站工作。网控站发送同步消息 5 帧的报头，其格式如图 7.4 所示。信号中只有多谱勒单音和同步信号，即 605 Hz 和 2 915 Hz 两个单音信号。每个入网单元连续监视接收的信号，随时对微小的差别进行修正，最终与接收信号同步，从而将入网单元的时间基准与网控站的时间基准统一。3网络测试 网络测试模式用于网络同步后的网络测试，仅网控站工作。网络测试消息格式如图 7.5所示，其中测试字序列为 21 个字组成的已知代码。网控站发送测试消息转换成的 16 单音调制信号，每个入网单元接收解调后与
21、已知测试消息进行数据对比，根据误码率或其他准则确定结果，达到测试 Link-11 无线网络特性的目的。报头（5 帧）图 7.4 同步消息格式 报头 相位基准 网络测试字序列 图 7.5 网络测试消息格式 4短广播 手动方式下，某个入网单元向其他网络成员发送单次数据报告（短广播消息），报告完毕后自动转入接收状态。短广播消息格式与前哨站回答消息格式相同。5长广播 长广播模式即某个入网单元连续向其他网络成员发送数据。长广播消息由连续的一系列短广播消息组成（图 7.6），短广播消息之间自动停发两帧。长广播模式由操作员手动开始，一直持续到操作员手动停止为止；停止后，由操作员干预转为新的工作模式。图 7.6 长广播消息格式 6无线电静默 在无线电静默时，入网单元接收来自其他网络成员的数据，无任何信息发送；即使网控站询问，它也不应答。