基于TDRSS应用的远程应急信息传输系统构想

基于TDRSS应用的远程应急信息传输系统构想
刘崇伟;费立刚
【摘要】介绍了美军天基通用数据链体系的特点,结合跟踪与数据中继卫星系统(TDRSS)现状和全球远程数据链信息传输需求,分析了TDRSS远程信息传输支持能力,提出了发展基于TDRSS的天基远程应急信息传输系统构想并预测了系统应用前景,以期对未来天基信息系统的发展和应用提供参考.%The architecture of US military space Common Data Link( CDL) is introduced. According to cur-rent research on Tracking and Data Relay Satellite System ( TDRSS ) and demand of global information transmission,the remote transmission capability of TDRSS is analyzed. A guideline for the future develop-ment of space remote emergency information transmission system based on TDRSS is proposed and its ap-plications are predicted in hope of providing reference for the development and application of futrue space information system.
【期刊名称】《电讯技术》
【年(卷),期】2017(057)003
【总页数】6页(P270-275)
【关键词】天基通用数据链;远程信息传输;跟踪与数据中继卫星系统;应急支持【作者】刘崇伟;费立刚
【作者单位】北京空间信息中继传输技术研究中心,北京100094;北京空间信息中继传输技术研究中心,北京100094
【正文语种】中文
【中图分类】TN927.23
新世纪以来，随着我国经济实力不断增强，海外利益不断拓展，建设与我国际地位相称、与国家安全发展利益相适应的国防保障力量，是中国实现现代化建设及和平发展的战略任务。

在现代高科技作战体系中，传感器系统、指挥控制系统和武器系统的铰链关系日益紧密。

随着平台作战范围的扩大，为满足广域范围内的指战员共享战场态势的应用需求，实现对作战平台快速精确的联合作战指挥控制，需要在侦察、指控等各类作战平台间远程交互大量的侦察信息和指令信息。

天基通用数据链具有通信覆盖率高、带宽容量大等许多优点，可利用其远程宽带传输能力，作为信息化战场上战斗单元态势感知、协同作战中重要的信息传递纽带。

美军进入21世纪后积极开展军用卫星系统的升级换代，从系统体系的角度规划和构建天基数据链的发展体系。

为解决传统数据传输方式难以满足战场作战人员快速获取天基情报监视和侦察(Intelligence Surveillance and Reconnaissance，ISR)实时数据的问题，美军利用卫星信道，实现了基于通用数据链(Common Data Link，CDL)格式的天基数据链。

它利用一系列可互操作的数据链路，通过多种方式扩充和配置天基CDL载荷、成像侦察卫星等天基情报监视和侦察平台，运用战场现有通用数据链地面设施，实现直接向低轨道成像侦察卫星下达任务指令，并完成战术图像数据实时接收。

它兼容美军CDL标准，是通用数据链由空基向天基的延伸，并具有全双工、抗干扰等特点。

本文借鉴美军天基通用数据链系统发展经验，提出了利用TDRSS天基资源，构建我国天基远程应急信息传输系统的设想，给出了系统技术验证方案，并对系统应用的前景进行了预测分析，对未来发展我国自主的空间信息化装备体系有一定参考借鉴意义。

2001年美军首次提出天基CDL的概念。

CDL作为美军充分定义并取得高度成功的数据链系列，长期应用于空基ISR平台，其功能贴近天基ISR平台的需要。

将CDL向天基拓展不仅可以节省重新研制天基ISR数据链系统的成本和时间，还可以直接利用美军现役的CDL地面系统，有效配合空基ISR平台，形成多源的战术ISR能力。

因此，美军于2004年再次推荐使用天基CDL作为作战响应空间(Operationally Responsive Space，ORS)计划的标准通信结构。

ORS计划是美军在2001年为确保军事航天技术优势、推动空间系统重大转型而提出的全新概念，其主要目标是：确保空间力量聚集与及时满足联合部队指挥官需求，通过增加、巩固和利用空间装备，增强空间控制和空间支持能力。

天基CDL 正是ORS计划为美国中央司令部提供天基ISR服务能力的基础。

ORS计划在发展天基CDL的过程中，采用“两步走”的方式：首先通过战术卫星(Tactical Satellite，TacSat)项目试验验证天基CDL的可行性和应用潜力，随后再通过ORS-1卫星引导天基CDL向实战应用阶段过渡[1]。

2.1 技术验证实验
在技术验证阶段，美军分别通过在2006年12月和2009年5月发射的TacSat-2和TacSat-3等成本低廉的小型卫星，开展了重点技术验证。

TacSat-2天基CDL系统演示示意图如图1所示。

TacSat-2卫星搭载了基于商用产品的空基CDL系统作为有效载荷，地面运用了模块化互操作地面终端(Modular Interoperable Surface Terminal，MIST)。

MIST是美国陆军装备的移动式CDL 地面终端，使用直径为1.83 m的抛物面天线，支持U-2侦察机、“全球鹰”无人机等空基ISR平台的战场操作。

TacSat-2在90 min内成功完成了从接收战场用户成像要求，到对目标进行成像，再通过CDL下行链路将图像下传给战场用户的完整任务流程。

TacSat-2的验证结果表明CDL/MIST是适用于战术成像卫星的可用星地链路，通
过软件修改，使具有天基CDL载荷的战术侦察卫星能够支持美军在全球范围内的
任意MIST终端。

另外，TacSat-2还验证了MIST终端在侦察卫星与空基侦察平
台间的快速切换能力。

TacSat-3系统传输示意图如图2所示，地面终端使用了车载式战术地面站((Tactical Ground Station，TGS)。

车载式战术地面站是美陆军为作战部队适应
高空长航时作战响应而开发的卫星系统装备，使用直径3.05 m的S频段天线和直径1 m的Ku频段天线，支持作战用户进行任务规划、调度、数据下传和分发。

TacSat-3技术验证了“战场用户向TGS提出成像任务需求→TGS生成格式化任务指令数据并上传给TacSat-3→Tac Sat-3自主完成目标成像和数据处理→天基CDL 直接将战术图像产品下传给战场用户”的全过程。

TacSat-3天基CDL系统最高可支持274 Mbit/s高速下行链路，整个任务过程可在10 min内完成。

此外，TacSat-3天基CDL系统还可以通过较低的通信速率，支持手持式的远程操作视频增强接收机(Remotely Operated Video Enhanced Receiver，ROVER)接收侦察信息。

对于实时性要求不高的常规任务，用户也可通过“保密互联网协议路由网络”，利用任务操作中心和空军卫星控制网向TacSat-3下达任务指令和接收图像产品。

2.2 实战应用阶段
在技术验证的基础上，美军于2011年6月成功发射了ORS-1卫星，不再采用修
改空基CDL载荷的方式，而是重新设计了适用于成像侦察卫星的具备“空间等级”的CDL系统，为美国中央司令部提供直接面向作战应用的实战ISR支持能力。

ORS-1卫星的发射，标志着美军天基CDL已成功完成前期技术验证阶段，并初步进人实战应用阶段。

在执行战术任务过程中，ORS-1天基CDL系统从战场指令下达到完成数据下传的时间能缩减到6.5 min。

作为实战应用系统，ORS-1卫星由美国空军通过卫星控制网对其进行运行控制，
并通过虚拟任务控制中心和分布式通用地面系统完全融人了美军的ISR网络体系。

根据ORS计划的未来规划，美军将大力推进ORS地面系统建设，力求使ORS战术侦察卫星通过卫星控制网络和全球信息栅格完全融入美军ISR战术体系，成为
空基ISR系统的有效备份和重要补充，形成空天一体化的ISR作战网络，全面满
足美军各军兵种的战术作战需求[2-3]。

此外，未来的ORS星座还将通过中继卫星支持遥测、指令数据的超视距传输。

2.3 美军天基CDL发展启示
总结美军天基CDL系统的发展过程，可以得出以下启示：
(1)美军天基CDL系统从概念提出到形成初步应用能力，只经历短短十多年时间，说明天基CDL在天基ISR战术应用领域具有迫切的需求和广阔的应用前景；(2)美军天基CDL系统发展初期充分借鉴了空基CDL系统的发展经验，为空基CDL数据链进一步向“空天一体化”拓展转型探索了新的技术发展道路；
(3)美军借助ORS计划发展天基CDL系统，将促进其地面网络体系和空间作战指
控系统转型升级，有助于提升天基CDL系统对战场应用的快速支持能力；
(4)地面用户通过天基CDL系统现场直接接收卫星图像的应用模式，将引起战场信息传输方式的变革，其影响将逐步辐射到整个美军空间侦察体系，甚至扩展到商用卫星遥感领域。

跟踪与数据中继卫星系统(Tracking and Data Relay Satellite System,TDRSS)是
为中低轨道的航天器提供数据中继、连续跟踪与轨道适应测控等服务的系统。

近年来，我国已发展了第一代中继卫星系统，可满足全球大部分地表波束覆盖需求，可支持Ka/S双频段从低速到高速的数据传输，已在我国航天试验等领域得到广泛应用。

在后续发展建设的新一代中继卫星系统中，其全球远程信息高速传输能力将大幅提升，系统具有全球高轨道覆盖、高速返向数据传输、高动态目标跟踪等特点，可为空间站、中低轨遥感卫星、远程运输机/无人机、远洋舰船等提供远程通信保
障和高宽带信息实时回传服务。

本文借鉴前节所述美军发展天基通用数据链系统思路，在中继卫星系统支持遥测、指令等数据超视距传输的基础上，结合数据链系统和中低轨图像遥感卫星发展现状，建议以全球远程应急信息通信支持为背景，构建基于TDRSS应用的天基远程应急信息传输系统。

3.1 系统组成及功能
基于TDRSS应用的全球远程信息传输系统如图3所示，主要包括空天信息获取平台、TDRSS卫星网络、“北斗”卫星时空网络、地面联合指挥中心和地面通信网
等要素。

此外，水面舰船、陆地机动站等也可作为信息获取采集的前出端，通过搭载相关应用终端，实现与TDRSS和“北斗”系统的信息传输[4]。

空天信息获取平台由机载平台、中低轨道资源卫星、高分辨率成像/红外遥感卫星、试验小卫星等组成，通过加装统一接口标准的通信终端载荷，空天信息获取平台经TDRSS与地面联合指挥中心建立卫星通信信道，地面联合指挥中心可对空天信息
获取平台进行调度管理和指挥控制，同时实时接收遥感图像、平台位置状态等数据。

TDRSS卫星网络由TDRSS卫星和地面运控系统(包括测控跟踪、卫星资源分配、
数据分发等业务子系统)组成，TDRSS卫星网络一方面可对全球范围机动目标提供实时跟踪、测控和高速数据回传服务，另一方面还可充分发挥其S频段多址(S-band Multiple Access，SMA)多波束特点，构建覆盖全球的常驻静态波束，利用SMA前/返向波束直接完成窄带信息的传输，可为全球范围机动目标提供飞行在线状态报告(短信息)、链路随遇接入申请以及毫秒级切换的中低速数据传输服务。

“北斗”时空网络将由多颗各种轨道卫星及其地面运控系统组成，可提供10 m量级的定位、0.2 m/s级的测速和10 ns级的授时服务，特别是其同步轨道卫星还可提供无线电测定业务(Radio Determination Satellite Service，RDSS)作为重要补充，可提供国土范围及周边区域目标的快速定位、位置报告和短报文通信服务[5]。

地面联合指挥中心通过地面通信网实现各种渠道信息汇集、处理和应急机动通信指挥。

3.2 系统技术验证设计
系统技术验证主要涵盖TDRSS的目标跟踪、测控、信息传输等业务，目的是在天基远程应急信息传输系统各要素之间，检验接口协议匹配性、信息传输数据的正确性和系统快速响应实时性。

所有技术验证实施均可分关键技术分析调研、计算机仿真模拟和实装体系测试3个步骤完成，验证主要内容如下：
(1)地面运控管理中心对空间飞行用户(航空飞机、中低轨资源、遥感卫星等)的飞行在线管理业务
在完成具有统一接口的数据链协议设计之后，所有加装此协议标准的空间飞行器按照格式化消息约定，通过TDRSS的SMA系统报告飞行状态，地面运控管理中心
对消息和状态数据进行接收验证。

应用场景如图4所示。

(2)全球机动用户(航空飞机、中低轨遥感卫星、陆地机动站、水面舰船等)对中继卫星资源的随遇动态申请业务
全球机动用户终端按照统一设计的“TDRSS应用SMA业务接口协议规范”要求，加装业务应用软件，随机猝发申请中继卫星Ka/S传输信道使用。

TDRSS地面运
控系统资源管理中心启动任务驱动的运行模式(应急响应模式)，采用动态插入任务启发式算法进行求解，进行快速的资源动态调整，优先分配SMA应急响应资源申请，建立全球机动用户与用户中心的前/返向链路。

(3)通过TDRSS区域增强节点，为集群用户(手持机、陆地机动站等)提供数据传输业务
为满足在抢险救灾等应急任务中集群用户集中接入需求，可设计由飞艇或无人飞机搭载的TDRSS区域增强节点，通过任务前配置，作为集群用户公共接入平台。

区域增强节点向下为其覆盖范围内的集群移动用户提供区域内数据交换链路，完成集
群内多用户数据传输业务；向上与TDRSS相连，通过TDRSS完成与其覆盖范围
外用户或集群的数据交换。

系统技术验证实施途径可通过搭建实装环境，开展多用户接入短信、语音通话、图片图像传输等试验，检验系统应用效果。

3.3 系统应用前景预测
借鉴美军天基CDL发展经验，研究基于TDRSS的全球天基远程应急信息传输系统，在我国全球海外利益不断拓展新形势下，可以满足以下应用需求：
(1)远洋舰船应急通信保障
我国作战舰艇类型数量众多，不但需要有长期稳定的近海通信卫星波束连续覆盖，还需要更高带宽、更远覆盖的卫星通信链路。

在我国远海乃至全球海域，作为舰艇远航活动和应急情况下与岸基指挥所大容量数据的交互手段。

同时，远洋民用大型舰船在海外物资运输、应急撤侨等重大活动中也需要全球波束覆盖的卫星通信支持，以满足编队协同通信、岸舰海况通报及情报支援等通信需求。

(2)自然灾害搜救通信保障
地震、洪涝灾害、森林火灾等重大自然灾害以及伴生的严重次生灾害，往往造成地面通信网络和原有其他通信体系的严重破坏，导致灾区孤岛地区的关键信息无法及时传输给外部，需要高效快速的卫星应急通信系统。

自然灾害发生后，常规卫星通信系统往往因受复杂地形遮挡、边远地区波束覆盖、卫星容量限制等因素制约，无法有效满足应急搜救的通信需求，因此需要有不依赖原有固定设施的、自成体系的综合应急通信系统提供可靠通信保障。

(3)特殊任务信息通联保障
国家在全球重大行动中(如海外撤侨、维和护航等任务)往往需要除常规通信手段之外的专享特殊通联保障。

特殊任务信息通联保障需要自主可控、保密性高的通信链路，并且其信息通信终端应具备可移动性好、覆盖范围广、部署快速、操作简易等特点。

天基CDL系统具有广域覆盖、高速传输的优势，能够确保战场ISR等高速信息的
实时传输，支持信息化战场上的快速指挥决策。

在美军近年来发展的实战应用系统中，天基CDL系统已经展现出巨大的战术应用潜力。

本文充分借鉴美军天基CDL 发展经验，利用TDRSS波束全球覆盖、数据传输速率高、实时性强以及具备同时多目标服务能力等特点，提出了基于TDRSS的天基远程应急信息传输系统方案构想和技术验证内容，对未来天基信息系统的建设和应用有一定的参考借鉴意义。

后续还需进一步突破远程信息传输系统中组网协议设计、网络管理方法研究、消息接口标准制定等关键技术，提出系统各组成设备的功能要求和技术实施方案，为构建我国自主的空间信息化装备体系提供支撑，满足全球远程信息支援保障需求，确保我国全球战略利益下的任务使命要求。

刘崇伟(1966—)，男，四川南充人，北京空间信息中继传输技术研究中心高级工
程师，主要从事航天测控通信总体工作；
Email：**************
费立刚(1968—)，男，河南淮滨人，北京空间信息中继传输技术研究中心研究员，主要从事航天测控通信总体工作。

【相关文献】
[1] 魏晨曦.美军天基通用数据链及其发展[J].航天电子对抗,2015,31(2):20-23. WEI Chenxi. US military space common data link and its development[J].Aerospace Electric
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[2] Goddard Space Flight Center/National Aeronautics and Space Administration. Space Network User’s Guide[M].Greenbelt,Maryland:Goddard Space Flight Center,2012.
[3] OLSEN R C.空天遥感[M].贾鑫,译.北京:国防工业出版社,2014.
[4] 费立刚,范丹丹,寇保华，等.基于中继卫星的天地一体化信息网络综合集成演示系统研究[J].中国
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[5] 姚铮,陆明泉.新一代卫星导航信号设计原理与实现技术[M].北京:电子工业出版社,2016.。