姜 艷 楊心武 吳 明 林 健

(1.91404部隊(duì) 秦皇島 066001)(2.武漢船舶通信研究所 武漢 430205)

美海軍DDG-1000艦任務(wù)系統(tǒng)關(guān)鍵信息技術(shù)分析*

姜 艷1楊心武2吳 明2林 健2

(1.91404部隊(duì) 秦皇島 066001)(2.武漢船舶通信研究所 武漢 430205)

論文簡要回顧了美國海軍最新一代驅(qū)逐艦DDG-1000的項(xiàng)目發(fā)展歷史、羅列了其十大關(guān)鍵技術(shù),并介紹了其任務(wù)系統(tǒng)組成,重點(diǎn)分析了任務(wù)系統(tǒng)中所采用的全艦計(jì)算環(huán)境、多功能雷達(dá)、綜合水下作戰(zhàn)系統(tǒng)和全艦隱身設(shè)計(jì)四大關(guān)鍵信息技術(shù)。在此基礎(chǔ)上,從DDG-1000信息技術(shù)發(fā)展特點(diǎn)的角度對比分析了我海軍艦艇與其差距。

DDG-1000；任務(wù)系統(tǒng)；全艦計(jì)算環(huán)境；多功能雷達(dá)；水下作戰(zhàn)；隱身設(shè)計(jì)

(1. No. 91404 Troops of PLA, Qinhuangdao 066001)(2. Wuhan Maritime Communication Research Institute, Wuhan 430205)

Class Number TP393.09

1 引言

作為美國海軍新一代多任務(wù)水面作戰(zhàn)艦艇,DDG-1000任務(wù)系統(tǒng)在船體結(jié)構(gòu)和材料、推進(jìn)系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、船舶輔助系統(tǒng)、作戰(zhàn)系統(tǒng)等方面采用了眾多先進(jìn)的技術(shù)。作戰(zhàn)系統(tǒng)的改進(jìn)在該項(xiàng)目中占據(jù)最主要的部分,而信息技術(shù)又是作戰(zhàn)系統(tǒng)中使用最為重要和廣泛的技術(shù)之一。

2 DDG-1000項(xiàng)目背景

DDG-1000是美國海軍為應(yīng)對在21世紀(jì)中將會面臨的各種威脅而建造的多任務(wù)水面戰(zhàn)斗艦艇,在對陸攻擊、減少船員、增強(qiáng)機(jī)動性和降低外部特征等方面做了諸多改進(jìn)。自20世紀(jì)90年代初美國海軍啟動DDG-1000項(xiàng)目以來,該項(xiàng)目經(jīng)歷了一系列曲折的歷程。其中,一些重要的時間節(jié)點(diǎn)包括[1-2]：

1992年,美國海軍提出“21世紀(jì)驅(qū)逐艦技術(shù)研究”的概念,該概念被納入美國海軍新一代水面作戰(zhàn)艦艇框架之中,即“21世紀(jì)水面作戰(zhàn)”(Surface Combatant of 21th Century, SC-21)。1997年,該項(xiàng)目正式立項(xiàng),并更名為“DD-21”,以體現(xiàn)出面向21世紀(jì)的驅(qū)逐艦；2000年,該型艦的首艦被命名為“朱姆沃爾特”號,以紀(jì)念同年去世的美國上將朱姆沃爾特。2001年11月,由于經(jīng)費(fèi)原因,美國防部宣布停止DD-21計(jì)劃,隨后以DD(X)計(jì)劃取代之。2002年4月,美國海軍確定由諾斯羅普·格魯曼公司擔(dān)當(dāng)DD(X)的主承包商。2006年4月,DD(X)的項(xiàng)目代號改為DDG-1000,標(biāo)志著該級艦的論證已基本結(jié)束,進(jìn)而轉(zhuǎn)入施工設(shè)計(jì)和建造階段。2008年7月,同樣由于經(jīng)費(fèi)原因,美國海軍終止了“朱姆沃爾特”級的批量建造計(jì)劃(最初預(yù)計(jì)32艘),改為僅建造3艘。首艘朱姆沃爾特號(DDG-1000)、二號艦麥可·蒙蘇爾號(DDG-1001)和三號艦林登·約翰遜號(DDG-1002)計(jì)劃分別于2015年、2016年和2018年交付海軍,但受復(fù)雜技術(shù)問題影響,截至2016年1月,三艘艦的完成度分別為98%、84%和43%。

作為美國新世代頂級水面戰(zhàn)艦,DDG-1000凝結(jié)了全新研發(fā)的最頂尖的科技結(jié)晶,本級艦從艦體設(shè)計(jì)、機(jī)電動力、指管通情、網(wǎng)絡(luò)通信、偵測導(dǎo)航、武器系統(tǒng)等方面突破了多項(xiàng)技術(shù)難關(guān)。其中,美國海軍總結(jié)出十大關(guān)鍵技術(shù)并指定承包商通過工程發(fā)展模型進(jìn)行實(shí)際測試,如圖1所示。這十大關(guān)鍵技術(shù)包括：

圖1 DDG-1000十大關(guān)鍵技術(shù)

1) 穿浪型內(nèi)傾船舷艦體(Wave Piercing Tumblehome Hull)

2) 先進(jìn)艦炮系統(tǒng)(Advanced Gun System, AGS)

3) 集成復(fù)合材料艦島與孔徑(Integrated Composite Deckhouse and Aperture, ICDHA)

4) 全艦計(jì)算環(huán)境(Total Ship Computing Environment, TSCE)

5) 多功能雷達(dá)(Multi-function Radar, MFR)

6) 綜合水下作戰(zhàn)系統(tǒng)(Integrated Under Sea Warfare, IUSW)

7) MK-57垂直發(fā)射系統(tǒng)(Peripheral Vertical Launch System, PVLS)

8) 紅外線模型(IR Mockups)

9) 自動火控抑制技術(shù)(Automatic Fire Suppression System, AFSS)

10) 綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)(Integrated Power System, IPS)

在單個新研艦艇上同時采用如此多的新技術(shù)在美國海軍造船史上實(shí)屬罕見,它違背了美國海軍關(guān)于在新研艦艇上采用新技術(shù)的數(shù)量限制在2～3個的設(shè)計(jì)原則,同時也反映出美國海軍新的權(quán)衡策略。

3 DDG-1000任務(wù)系統(tǒng)組成

如圖2所示,DDG-1000任務(wù)系統(tǒng)包括外部通信系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、艦船域控制系統(tǒng)、武器控制系統(tǒng)、指揮控制和情報(bào)(C2I)、訓(xùn)練任務(wù)和保障等幾部分,各部分外圍資源通過分布式適配處理器(DAP)接入相應(yīng)的控制系統(tǒng)。各控制系統(tǒng)又作為TSCE核心的一部分與指揮、控制及情報(bào)(C2I)無縫融合[3]。

DDG-1000的任務(wù)系統(tǒng)的主要分系統(tǒng)包括[4]：

1) 外部通信系統(tǒng)(EXCOMMS)

作為DDG-1000的C3I系統(tǒng)的一部分,外部通信系統(tǒng)為DDG-1000執(zhí)行任務(wù)期間提供與其它岸基、空中和海上平臺以及碼頭之間的話音、數(shù)據(jù)和視頻通信。外部通信系統(tǒng)由衛(wèi)星通信、視距通信、海軍通用數(shù)據(jù)鏈、信息安全、通用陣列單元、協(xié)同作戰(zhàn)處理、集成通信控制軟件等七部分組成。

2) 多功能雷達(dá)(MFR)

多功能雷達(dá)使DDG-1000獲取對海和對空優(yōu)勢,支持近距離壓制敵方水面艦艇和飛機(jī)。多功能雷達(dá)為X波段(AN/SPY-3)相控陣?yán)走_(dá),采用通用信號處理設(shè)備,可提供水面水平搜索以及空中三維坐標(biāo)搜索能力。X波段雷達(dá)一部分支持導(dǎo)航功能,具備高功率和低功率兩種導(dǎo)航模式。

3) 敵我識別(IFF)

敵我識別用于防空作戰(zhàn)和反艦作戰(zhàn)任務(wù),與詢問及應(yīng)答系統(tǒng)協(xié)同工作,用于快速進(jìn)行友方作戰(zhàn)平臺身份識別、跟蹤和控制。敵我識別包括三部分硬件：詢問單元、應(yīng)答單元和電掃描天線單元以及相應(yīng)的軟件。

4) 綜合水下作戰(zhàn)系統(tǒng)(IUSW)

綜合水下作戰(zhàn)系統(tǒng)為DDG-1000提供指揮反潛作戰(zhàn)、魚雷防御、反水雷、搜索救援等能力,使其具備極大地水下優(yōu)勢。綜合水下作戰(zhàn)系統(tǒng)集成了艦殼聲納、拖曳聲納、拖曳反水雷單元等用于空中、水面和水下目標(biāo)探測的聲納系統(tǒng)以及相應(yīng)軟件。

5) 光電/紅外系統(tǒng)(EO/IR)

光電/紅外傳感器包括軟件和硬件兩部分,用于C2系統(tǒng)偵察、測距特定目標(biāo)以及報(bào)告航跡,由位于甲板上主要陣面之上的5個萬向光電傳感器和相應(yīng)的電子模塊設(shè)備組成,另外還包括內(nèi)嵌于C2系統(tǒng)中的控制和生成航跡的偵察和跟蹤軟件、目標(biāo)檢測算法等。

圖2 DDG-1000任務(wù)系統(tǒng)組成框圖

6) 艦船控制系統(tǒng)(SCS)

艦船控制系統(tǒng)也叫艦船域控制系統(tǒng)(SDC),它為DDG-1000艦員提供分級、集成的艦船平臺控制軟硬件。SCS軟件架構(gòu)允許分級進(jìn)行自動化監(jiān)視、控制和配置SCS設(shè)備,從而降低人員需求。從艦橋或艦船任務(wù)中心,SCS可為DDG-1000協(xié)調(diào)、控制和監(jiān)視導(dǎo)航、動力、電力、機(jī)械等裝置,另外還具備損管控制功能。

機(jī)電控制系統(tǒng)(ECS)是SCS的一部分,是一個相當(dāng)先進(jìn)和高度集成的機(jī)電設(shè)備控制系統(tǒng)。ECS在層次上支撐SCS為作戰(zhàn)系統(tǒng)提供艦船機(jī)動和電力,其主要由三個部分組成：綜合電力系統(tǒng)(IPS)控制、自動損管(ADC)和輔機(jī)控制系統(tǒng)(ACS)。ECS是一個分布式實(shí)時控制系統(tǒng),用于自動監(jiān)視和控制DDG-1000機(jī)電設(shè)備,實(shí)現(xiàn)電力自動化和輔機(jī)控制自動化。ECS采用網(wǎng)絡(luò)分布式控制單元(DCU)和遠(yuǎn)程終端單元(RTU)作為與全艦船機(jī)電設(shè)備之間的接口,用于監(jiān)視和控制傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、接觸器和電力設(shè)備等。

7) 先進(jìn)艦炮系統(tǒng)(AGS)

先進(jìn)艦炮系統(tǒng)是一個全自動、垂直裝彈、穩(wěn)定的155mm單管艦炮系統(tǒng),能夠按照存儲、初始化/可編寫的程序填裝和發(fā)射彈體以及推進(jìn)裝藥。其主要任務(wù)是對陸攻擊作戰(zhàn),可以在DDG-1000濱海交戰(zhàn)范圍內(nèi)精確、快速、大范圍火力支援視距之外的地面和和先遣力量。DDG-1000攜帶兩套完整的AGS系統(tǒng)——Mount 61和62。兩套系統(tǒng)的配置在甲板之上完全相同,但在甲板下稍有區(qū)別。

8) 垂直發(fā)射系統(tǒng)(MK57 VLS)

MK57垂直發(fā)射系統(tǒng)是一個通用的、無人操作的導(dǎo)彈發(fā)射系統(tǒng),能夠自動填裝、準(zhǔn)備和發(fā)射導(dǎo)彈以支持DDG-1000的任務(wù)執(zhí)行,包括對陸攻擊、綜合空中和水面支配搶占、綜合水下支配搶占。MK57發(fā)射系統(tǒng)從甲板下對80個發(fā)射單元填裝導(dǎo)彈,可瞄準(zhǔn)水面360°半球范圍內(nèi)任意目標(biāo)。

9) 近程艦炮系統(tǒng)(CIGS)

近程艦炮系統(tǒng)可以幫助DDG-1000獲得綜合空中和水面支配地位,可壓制近距離的敵方水面艦船和飛機(jī)。CIGS也可以支援軍事行動,比如海上封鎖、海上執(zhí)法或人質(zhì)營救。兩套CIGS安裝在船艉懸掛裝置處。炮塔上裝有機(jī)關(guān)炮(MK44 MOD 2)和一套先進(jìn)的發(fā)射控制系統(tǒng),包括彈道解算計(jì)算機(jī)、電光傳感器、人眼安全激光測距儀。系統(tǒng)使用前視紅外傳感器、低光電視攝像機(jī)、人眼安全激光測距儀以及一套閉環(huán)跟蹤系統(tǒng)來提高精度,以應(yīng)對小型高速目標(biāo)。系統(tǒng)可在本地炮塔內(nèi)操作,或者在作戰(zhàn)信息中心的遠(yuǎn)端艦炮站操作員面板遠(yuǎn)程操作。MK44 MOD 2是一款單管、開放式槍栓、雙補(bǔ)給、電力供電、鏈條驅(qū)動的機(jī)關(guān)炮。彈藥庫可容納424發(fā)炮彈,雙補(bǔ)給方式支持射速200發(fā)/分鐘。

10) 協(xié)同作戰(zhàn)能力(CEC)

CEC為具備集成火控能力的傳感器網(wǎng)絡(luò)。裝備有CEC的實(shí)時協(xié)同作戰(zhàn)平臺,可通過實(shí)時、視距、高速的分布式網(wǎng)絡(luò)來共享各平臺防空搜索傳感器獲取的協(xié)同監(jiān)測數(shù)據(jù),能夠有效提高防空和反導(dǎo)作戰(zhàn)能力。CEC采用精確定向通信,具備很強(qiáng)的抗干擾能力。各協(xié)同作戰(zhàn)平臺采用獨(dú)立的高容量并行處理算法來融合傳感器數(shù)據(jù),形成一個高質(zhì)量跟蹤態(tài)勢。CEC數(shù)據(jù)可看作為由各單個協(xié)同作戰(zhàn)平臺防空反導(dǎo)傳感器最大能力的總集合,并且將其輸入到每個協(xié)同作戰(zhàn)平臺的武器系統(tǒng)。CEC極大地提高戰(zhàn)斗防御縱深,包括針對本地和區(qū)域的現(xiàn)行及未來空中導(dǎo)彈威脅。

11) 全艦計(jì)算環(huán)境(TSCE)

全艦計(jì)算環(huán)境(TSCE)提供DDG-1000所有的計(jì)算資源及相關(guān)軟件。TSCE為艦船平臺、作戰(zhàn)系統(tǒng)和支撐保障系統(tǒng)提供單個計(jì)算環(huán)境,為應(yīng)用/功能系統(tǒng)軟件提供中間件平臺,用于建立和執(zhí)行其功能。TSCE應(yīng)用軟件、硬件和軟件基礎(chǔ)設(shè)施一同構(gòu)成計(jì)算資源的絕大部分。

12) 綜合電力系統(tǒng)(IPS)

DDG-1000的綜合電力系統(tǒng)(IPS)由四臺大功率燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電,產(chǎn)生供推進(jìn)系統(tǒng)、艦船服務(wù)和作戰(zhàn)系統(tǒng)所需的電力,輸出電功率可達(dá)78MW以上,遠(yuǎn)超美軍現(xiàn)役主力驅(qū)逐艦DDG-51的7.5MW輸出電功率。IPS的高效靈活的電力分配允許大幅度降低能源消耗,并且適合高能武器(如電磁軌道炮和高能激光武器)以及傳感器的使用。

此外,DDG-1000上還應(yīng)用了通用陣列電源系統(tǒng)(CAPS)和通用陣列冷卻系統(tǒng)(CACS)。CAPS完成全艦集成電力系統(tǒng)的船用電壓到其它設(shè)備供電電壓轉(zhuǎn)換,支持對多功能雷達(dá)、敵我識別、電子戰(zhàn)、密碼、外部通信等多種分系統(tǒng)供電。CAPS是一套分布式電力系統(tǒng),包括兩套配電設(shè)備和四套變電設(shè)備。CACS為多功能雷達(dá)、外部通信系統(tǒng)天線陣列提供液冷將熱量交換給艦平臺提供的冷卻水。CACS是一套分布式冷卻系統(tǒng),冷卻設(shè)備分為三個獨(dú)立部分,每部分冷卻回路可單獨(dú)操作,包括冷媒輸送至雙波段雷達(dá)和外部通信設(shè)備以及對其的監(jiān)視和控制。冷卻設(shè)備由冗余設(shè)計(jì)的泵、一個熱交換器和過濾系統(tǒng)組成。

通過上述先進(jìn)技術(shù)和系統(tǒng)的應(yīng)用,DDG-1000戰(zhàn)技性能大幅提高,相比美國海軍現(xiàn)役主力驅(qū)逐艦DDG-51,其在火力支援和防御反艦巡航導(dǎo)彈方面的能力提升了3倍,整體雷達(dá)反射截面積(RCS)減少了50倍,綜合防御能力是DDG-51的10倍,淺水域?qū)顾椎淖鲬?zhàn)范圍也增大了10倍。然而,DDG-1000的人員編制只有142人,比DDG-51的314人減少了62%。

4 DDG-1000任務(wù)系統(tǒng)關(guān)鍵信息技術(shù)

在DDG-1000的十大關(guān)鍵技術(shù)中,與任務(wù)系統(tǒng)中信息部分緊密相關(guān)的技術(shù)包括全艦計(jì)算環(huán)境(TSCE)、多功能雷達(dá)(MFR)、綜合水下作戰(zhàn)系統(tǒng)(IUSW)和全艦隱身設(shè)計(jì)(穿浪型內(nèi)傾船舷艦體、集成復(fù)合材料艦島與孔徑和紅外線模型結(jié)構(gòu))四項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

4.1 全艦計(jì)算環(huán)境(TSCE)

全艦計(jì)算環(huán)境(TSCE)基于高性能的計(jì)算、實(shí)時/非實(shí)時的面向服務(wù)體系架構(gòu)(Service-Oriented Architecture, SOA)、實(shí)時發(fā)布訂閱(Data Distribution Service for Real-Time System,DDS RT)、虛擬化、一體化網(wǎng)絡(luò)等商用成熟的技術(shù)實(shí)施集成,完成DDG-1000上的偵察探測、指揮控制、通信、導(dǎo)航、損管、動力、機(jī)電等信息系統(tǒng)的全部處理運(yùn)算。全艦計(jì)算環(huán)境的應(yīng)用使得美國海軍艦船信息系統(tǒng)從傳統(tǒng)的分系統(tǒng)拼裝式集成轉(zhuǎn)變?yōu)榛诩杏?jì)算的開放式集成模式,是艦船信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和集成方式的根本性變革[5]。

1) TSCE體系架構(gòu)

TSCE符合五級開放式體系結(jié)構(gòu),由硬件設(shè)備層、操作系統(tǒng)層、分布式中間件層、服務(wù)接口層、各類子系統(tǒng)應(yīng)用軟件以及資源管理等構(gòu)成,共同形成一個開放的、虛擬的計(jì)算環(huán)境,如圖3所示[6-8]。

硬件設(shè)備層采用商用成熟的符合IEEE、TIA、IETF標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算、存儲、顯示、網(wǎng)絡(luò)、交換機(jī)、電纜等產(chǎn)品,這些設(shè)備共同構(gòu)成了TSCE的計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。

操作系統(tǒng)層運(yùn)行在硬件層的計(jì)算機(jī)上,采用了符合POSIX標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)和驅(qū)動程序,包括Linux、Lynx和Windows等操作系統(tǒng)。

中間件層位于操作系統(tǒng)層和應(yīng)用程序?qū)又g,用于這兩層之間的消息通信和資源共享,并可實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的快速響應(yīng)。中間件采用了對象管理組織(OMG)發(fā)布的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),例如公共對象請求代理機(jī)構(gòu)(COBRA)和數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)(DDS)[9]。

公共服務(wù)層為上層應(yīng)用提供信息交互、處理和管理等軟件服務(wù),例如時間同步、數(shù)據(jù)記錄、輸入/輸出控制和電源管理等。

應(yīng)用層面向用戶提供作戰(zhàn)任務(wù)的操作界面和支持,在DDG-1000上,應(yīng)用軟件包括顯示、傳感、武器、訓(xùn)練、指控、外部通信等應(yīng)用方面。

另外,在管理層面,全艦計(jì)算環(huán)境具備強(qiáng)大的資源管理功能,可對硬件層、操作系統(tǒng)層、中間件層以及應(yīng)用層進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控、向全艦發(fā)布系統(tǒng)實(shí)時狀態(tài)、統(tǒng)籌和規(guī)劃全艦指控資源,保證資源動態(tài)實(shí)時分配。

圖3 TSCE體系結(jié)構(gòu)

2) TSCE基礎(chǔ)設(shè)施

TSCE基礎(chǔ)設(shè)施包括電子模塊化封裝箱(EME)、分布式適配處理器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、人機(jī)接口設(shè)備等幾個部分。

電子模塊化封裝箱(EME)通過體積巨大、堅(jiān)固的封裝箱將由商用現(xiàn)貨(COTS)硬件組成的任務(wù)系統(tǒng)電子設(shè)備與外部海上環(huán)境隔離,包括沖擊、振動、電磁干擾和電磁脈沖等環(huán)境。同時,EME提供對商用貨架設(shè)備正常工作所需的物理保護(hù)、噪聲隔離、冷卻以及電源制式等要求。如圖4,DDG-1000共有16個這樣的體積不等的封裝箱,內(nèi)部容納了IBM刀片服務(wù)器、機(jī)柜及配套設(shè)備[10]。

圖4 電子模塊化封裝箱(EME)

分布式適配處理器(DAP)是TSCE與其它應(yīng)用系統(tǒng)信息交互的“網(wǎng)關(guān)”,包括接口硬件和軟件兩部分。DAP利用工控機(jī)或單板計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn),可以支持多種標(biāo)準(zhǔn)的接口適配和協(xié)議轉(zhuǎn)換,具有較強(qiáng)的接口擴(kuò)展能力。圖5分別為嵌入式和網(wǎng)關(guān)式的DAP。

圖5 分布式適配處理器(DAP)

TSCE的網(wǎng)絡(luò)包括有線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)以及其上運(yùn)行的軟件幾部分組成,可提供語音、視頻、數(shù)據(jù)的傳輸和交換以及內(nèi)部監(jiān)控等功能,實(shí)現(xiàn)了戰(zhàn)術(shù)和非戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)的一體化,并提供安全、可靠的網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)。TSCE有線網(wǎng)絡(luò)采用了基于光纖網(wǎng)絡(luò)的“核心+接入”兩層結(jié)構(gòu),包括3臺核心交換機(jī)(30G帶寬)和20多臺接入交換機(jī)(10G帶寬),圖6展示了TSCE與機(jī)電控制系統(tǒng)(ECS)的兩層網(wǎng)絡(luò)連接結(jié)構(gòu)。

圖6 TSCE網(wǎng)絡(luò)與ESC網(wǎng)絡(luò)

人機(jī)接口設(shè)備為可支持顯示和應(yīng)用分離的標(biāo)準(zhǔn)顯控臺,可以實(shí)現(xiàn)在任意位置顯示需要的信息,而不受顯示設(shè)備的限制。顯控臺包括顯控終端和人機(jī)接口服務(wù)組件,并提供人機(jī)交互界面。人機(jī)接口設(shè)備的設(shè)計(jì)為艦上靈活分配操作員、戰(zhàn)位功能或任務(wù)提供了便捷性。圖7顯示了DDG-1000任務(wù)中心和艦橋使用的3屏顯控臺以及觸摸屏設(shè)備。

圖7 人機(jī)接口設(shè)備

TSCE以開放式體系架構(gòu)為框架、以基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為平臺搭建的計(jì)算支持,能夠很好地解決艦上傳感、武器、訓(xùn)練、指控、通信等分系統(tǒng)在集成時的“煙囪”問題,實(shí)現(xiàn)各分系統(tǒng)應(yīng)用軟件計(jì)算資源的統(tǒng)一調(diào)度和管理。通過這種開放式的集成模式替代以往的分系統(tǒng)拼裝式集成模式,可使系統(tǒng)獲得易升級、可重構(gòu)、免維護(hù)、更強(qiáng)的生命力、更高的自動化能力以及更少的人員配置需求等優(yōu)勢。

4.2 多功能雷達(dá)(MFR)

DDG-1000最初設(shè)計(jì)的主要雷達(dá)系統(tǒng)為雙波段雷達(dá)系統(tǒng)(Dual Band Radar,DBR),包括由雷神開發(fā)的X波段多功能雷達(dá)(Multi-Function Radar,MFR)AN/SPY-3和洛克希德·馬丁開發(fā)的S波段遠(yuǎn)程廣域搜索雷達(dá)(Volume Search Radar,VSR)AN/SPY-4兩個部分。

MFR主要完成低空、超低空搜索。一部MFR即能夠完成SPS-67、MK95、SPQ-9B、MK23 TAS(Target Acquisition System)和SPN-41/46等5部雷達(dá)的功能,并且還支持導(dǎo)航功能。VSR主要完成遠(yuǎn)程空域搜索,在MFR進(jìn)行目標(biāo)照射時,VSR也可進(jìn)行低空搜索,實(shí)現(xiàn)雷達(dá)資源的合理分配,達(dá)到精確跟蹤的目的。MFR和VSR兩者配合使用,滿足艦上需要的雷達(dá)功能,包括對空/平面搜索、早期預(yù)警、防空自衛(wèi)及對海對地作戰(zhàn)所需的跟蹤/定位/火控。圖8以概念圖的形式顯示了DBR的功能和工作流程[11]。

圖8 雙頻段雷達(dá)(DBR)工作概念圖

雙波段雷達(dá)系統(tǒng)組成如圖9所示,陣面天線設(shè)計(jì)和信號處理是該型雷達(dá)最重要的組成部分。

1) 陣面天線

在雷達(dá)陣面天線設(shè)計(jì)方面,由于相控陣天線的電掃瞄波束在偏離軸心一定角度之后就會明顯變寬,造成天線增益、雷達(dá)偵測距離和解析度的顯著降低,因此,絕大多數(shù)單面相控陣天線波束掃瞄方位角極限為120°(±60°)。這種限制下,雖然三面天線就能覆蓋360°方位角,但為了確保目標(biāo)通過兩面天線波束交界時仍能有效持續(xù)跟蹤,一般相控陣?yán)走_(dá)將單面天線的掃瞄方位角限制在90°,所以傳統(tǒng)艦船多采用四面天線陣。而DDG-1000的MFR與VSR采用三面天線的構(gòu)型,單面天線的波束覆范圍幾乎達(dá)到電子掃瞄天線的極限,這意味著美國廠商在信號控制與處理技術(shù)上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)突破,可以讓掃瞄方位提升到天線實(shí)體能力的理論上限。另一方面,減少一面天線就意味著減少25%的體積重量,同時也控制了系統(tǒng)成本。

圖9 雙波段雷達(dá)系統(tǒng)組成

2) 信號處理

在信號處理方面,DBR系統(tǒng)使用IBM商用現(xiàn)成超級計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制與信號處理,高性能COTS服務(wù)器利用雷達(dá)和數(shù)字信號處理技術(shù)進(jìn)行信號分析,包括通道均衡、雜波濾波、多普勒處理、脈沖編輯,并可執(zhí)行多種先進(jìn)電子保護(hù)算法。數(shù)據(jù)處理器處理作戰(zhàn)系統(tǒng)的指令,包含資源管理器、跟蹤器以及指控處理器。IBM公司的超級計(jì)算機(jī)也被整合在模塊化電子封裝箱(EME)中。由于共用同一臺計(jì)算機(jī)處理,兩波段雷達(dá)能夠同步工作,充分發(fā)揮各自的功能,使任務(wù)分配、功率輸出、頻率/頻帶、波形/波束形成、雷達(dá)輻射、跟蹤質(zhì)量等達(dá)到最佳狀態(tài)。另一方面,利用商用現(xiàn)成系統(tǒng)可降低開發(fā)成本,提高系統(tǒng)可靠性與可維護(hù)性。

2010年6月,美國國防部因?yàn)楹＼姵林氐念A(yù)算壓力,為節(jié)省成本決定刪去DDG-1000的VSR雷達(dá)系統(tǒng),只保留MFR。由于取消VSR,AN/SPY-3雷達(dá)通過軟件升級使其具備原VSR的部分功能,欠缺的部分能力期望通過采用協(xié)同作戰(zhàn)能力(CEC)后彌補(bǔ)。

4.3 綜合水下作戰(zhàn)系統(tǒng)(IUSW)

DDG-1000的水下作戰(zhàn)系統(tǒng)在最初立項(xiàng)時被稱為IUSW-21計(jì)劃,2002年9月后開展了海上試驗(yàn),試驗(yàn)設(shè)備安裝在現(xiàn)役驅(qū)逐艦上,與艦上原裝的AN/SQS-53C艦殼聲納集成在一起,一同試驗(yàn)的還包括LBVDS輕型寬帶變深聲納、多功能拖曳陣(MFTA)、AN/SPS-55水面搜索雷達(dá)以及先進(jìn)的寬帶處理器等。IUSW-21計(jì)劃總體布置情況如圖10所示。

圖10 IUSW-21海試配置示意圖

1) 系統(tǒng)組成

圖11 DDG-1000艦殼聲納及拖曳聲納布置

正式安裝于DDG-1000的綜合水下作戰(zhàn)系統(tǒng)(Integrated Undersea Warfare,IUSW)型號為AN/SQQ-90,它涵蓋了雙頻主被動艦殼聲納(AN/SQS-60艦殼中頻聲納和AN/SQS-61艦殼高頻聲納)、AN/SQR-20多功能拖曳陣列聲納系統(tǒng)、輕型寬頻可變深度聲納(LBVDS)、直升機(jī)載吊放聲納、投送式探溫儀、拖曳魚雷對抗系統(tǒng)、水下聲學(xué)對抗系統(tǒng)(可對敵方魚雷聲納進(jìn)行雜音干擾或制造假目標(biāo))和相關(guān)的數(shù)據(jù)傳感裝置以及軟硬件等。整套AN/SQQ-90的電子設(shè)備同樣被整合在一個電子模塊化封裝箱(EME)之中,在交付造船廠之前就能完成整合與測試工作,節(jié)省了安裝與測試時間,減少整套設(shè)備的體積與重量,還可獲得最佳的電力供應(yīng)和冷卻效率[12]。

綜合水下作戰(zhàn)系統(tǒng)包括的主要聲納如下：

(1) 雙頻段艦殼聲納

雙頻段艦殼聲納包括SQS-60中頻聲納和SQS-61高頻聲納兩種聲納,分別安裝在艦艏球鼻內(nèi)的上下兩個圓柱體中,圖11顯示了DDG-1000的雙頻段艦殼聲納(同時顯示了拖曳陣列聲納和魚雷對抗系統(tǒng))的布置位置。上為高頻SQS-61聲納,下面為SQS-60聲納。SQS-61具備極高的精度,能夠支持在行進(jìn)中規(guī)避水雷攻擊,SQS-60主要用于偵測潛艇。

(2) 多功能拖曳陣列聲納(AN/SQR-20)

AN/SQR-20(Multi-Function Towed Array,MFTA)采用了稀疏陣技術(shù)和模塊化結(jié)構(gòu),由多個不同頻段模塊組成。AN/SQR-20具有遠(yuǎn)距離被動探測、噪聲測向、跟蹤和識別功能,可以支持反潛戰(zhàn)、魚雷防御報(bào)警接收、水面艦艇遠(yuǎn)距離探測等任務(wù)。其海上應(yīng)用場景主要是執(zhí)行大范圍遠(yuǎn)距離初始探測,并引導(dǎo)艦載反潛直升機(jī)迅速飛往目標(biāo)區(qū)域,再使用機(jī)載探潛設(shè)備對潛艇實(shí)施精確定位。相對于上一代AN/SQR-19系統(tǒng),AN/SQR-20具有更大的覆蓋范圍,更高的探測性能和可靠性,采用了模塊化設(shè)計(jì),從而降低了維修和更換難度。

(3) 輕型寬帶變深聲納(LBVDS)

輕型寬帶變深聲納(LBVDS)專為偵測低速航行的靜音潛艦而設(shè)計(jì),采用了新型高能量密度材料制作發(fā)射換能器,信號產(chǎn)生和處理頻率可覆蓋1～6kHz,探測距離達(dá)12～15海里。LBVDS采用寬帶波形和相應(yīng)的處理算法,可抑制混響和淺水有源聲學(xué)返回信道衰落的影響,對淺海中的安靜型慢速潛艇和魚雷的偵測和識別效率較以往可以改善20～30%。LBVDS采用了儀器化拖纜技術(shù),即在拖纜上布置溫度傳感器,能夠?qū)崟r測量不同深度的海水溫度,為自適應(yīng)處理工作創(chuàng)造了基礎(chǔ),從而進(jìn)一步提高自動化水平。另外,LBVDS還具有快速定位、高可靠、低虛警率等優(yōu)點(diǎn)。

2) 系統(tǒng)特點(diǎn)

(1)多功能集成

AN/SQQ-90結(jié)合了最新型的軍用聲納和商用信息技術(shù),將反潛戰(zhàn)指揮、艦上和艦外聲探測、火力控制、武器發(fā)射、直升機(jī)反潛、遙控獵雷和魚雷防護(hù)等多功能集成于一體,是能執(zhí)行淺海和深海兩種水下作戰(zhàn)任務(wù)的綜合系統(tǒng),可以應(yīng)對近海和開放海域的多種目標(biāo),尤其是水雷和靜音型潛艇[12]。

(2)自動化設(shè)計(jì)

AN/SQQ-90采用自動化技術(shù)和獨(dú)特的信息管理技術(shù),使整個系統(tǒng)達(dá)到高度的自動化水平。例如,其采用的智能輔助工具通過自動提示和戰(zhàn)術(shù)響應(yīng)來提示操作人員如何注意和分析水下作戰(zhàn)狀況。相比于傳統(tǒng)聲納系統(tǒng)中在噪聲干擾下尋找目標(biāo)的過程耗費(fèi)聲納操作員大量精力的現(xiàn)狀,AN/SQQ-90系統(tǒng)可以自動對目標(biāo)進(jìn)行分類識別,提供各種目標(biāo)的優(yōu)先等級,操作員在此基礎(chǔ)上根據(jù)戰(zhàn)術(shù)和環(huán)境狀況做決策。由于自動化水平的提高,AN/SQQ-90所需的操作人員數(shù)量只有宙斯盾艦使用的AN/SQQ-89的1/3。

(3)協(xié)同工作

美國海軍網(wǎng)絡(luò)中心反潛戰(zhàn)概念最主要的要求之一是盡早發(fā)現(xiàn)敵方潛艇,在編隊(duì)中形成共享的統(tǒng)一態(tài)勢圖像,并由處于最合適位置的作戰(zhàn)平臺實(shí)施對潛攻擊。AN/SQQ-90系統(tǒng)采用未來作為美國海軍通用標(biāo)準(zhǔn)的開放式系統(tǒng)架構(gòu),與DDG-1000艦上同樣采用開放式結(jié)構(gòu)的作戰(zhàn)系統(tǒng)和多傳感器系統(tǒng)相互結(jié)合,可以實(shí)現(xiàn)反潛作戰(zhàn)指揮、武器控制以及與反潛直升機(jī)的協(xié)同作戰(zhàn),具備自動水下目標(biāo)探測、識別、跟蹤、定位和攻擊的能力。例如,在一種協(xié)同反潛工作模式中,LBVDS與AN/SQR-20可以協(xié)同工作。通過固定于艦體的LBVDS發(fā)射主動聲波信號,并由拖曳的AN/SQR-20負(fù)責(zé)接收回波進(jìn)行處理,能夠?qū)崿F(xiàn)對一些停機(jī)潛艇進(jìn)行主動探測,從而彌補(bǔ)被動探測效率不高的缺陷,同時能夠縮短作戰(zhàn)反應(yīng)時間。據(jù)稱,這種組合效能超過現(xiàn)有SQR-19的10倍。

4.4 全艦隱身設(shè)計(jì)

DDG-1000全艦隱身設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在針對雷達(dá)隱身的集成復(fù)合材料艦島與孔徑設(shè)計(jì)、針對紅外隱身的紅外線模型設(shè)計(jì)和針對聲學(xué)隱身的穿浪型內(nèi)傾船舷艦體設(shè)計(jì)三個方面。

1) 雷達(dá)隱身

為實(shí)現(xiàn)雷達(dá)隱身,在上層建筑方面,DDG-1000采用了集成復(fù)合上層建筑和孔徑結(jié)構(gòu)(ICDHA)的一體化成型結(jié)構(gòu),整體造型由下往上向內(nèi)收縮,并且將雷達(dá)、通信等天線集成于該一體化上層建筑中,實(shí)現(xiàn)了艦上幾乎所有射頻天線(約70個)的集成安裝,最大程度減少了甲板上的暴露物。并且,該上層建筑結(jié)構(gòu)采用重量輕、強(qiáng)度高、雷達(dá)反射性低且不會銹蝕的復(fù)合材料制造。上述措施使得DDG-1000獲得了極低的雷達(dá)反射截面積(RCS)。另外,在整個船體方面,由于采用穿浪型內(nèi)傾單體船型,艦炮也采用隱身設(shè)計(jì),全艦隱身性能得到顯著增強(qiáng)。通過這一系列隱身設(shè)計(jì),但其雷達(dá)截面積僅有一艘數(shù)百噸的漁船大小,在海上作業(yè)時被發(fā)現(xiàn)的機(jī)率低于10%。

2) 紅外隱身

在針對紅外輻射特征控制方面,DDG-1000對能產(chǎn)生紅外輻射的廢氣進(jìn)行了特殊的處理。首先將由動力系統(tǒng)排出的廢氣先經(jīng)過海水和空氣冷卻,然后由集成上層建筑主機(jī)煙囪頂部排煙口排出。排煙口被設(shè)計(jì)為只能從艦體頂部才能觀測到,因此可大大減小被外界通過紅外手段觀測到的幾率。同時,還采用吸取海水并以噴霧的方式?jīng)_刷冷卻船身的熱點(diǎn),以減少熱訊號,進(jìn)一步降低全艦紅外輻射特征。

3) 聲學(xué)隱身

在噪聲控制方面,DDG-1000將其動力系統(tǒng)安裝于減震浮筏上,可減小發(fā)動機(jī)振動噪聲,從而降低被潛艇聲納發(fā)現(xiàn)的機(jī)率。另外,DDG-1000的船體外形被設(shè)計(jì)為低阻力的穿浪體型,并且采取多種先進(jìn)的減振降噪措施,能將水面航行時的噪音降至110分貝左右。該噪聲級別可媲美洛杉磯級攻擊核潛艇。DDG-1000目前是全世界最安靜的水面艦艇,顛覆了潛艇總是能在遠(yuǎn)距離先偵測到水面艦的局面。

5 DDG-1000與我海軍艦艇對比分析

通過上述對DDG-1000關(guān)鍵信息技術(shù)分析,并對比我國海軍發(fā)展現(xiàn)狀,我國海軍艦艇在信息基礎(chǔ)設(shè)施、系統(tǒng)集成、架構(gòu)設(shè)計(jì)和隱身設(shè)計(jì)方面與美軍還存在不同程度的差距,建議在這些方面取長補(bǔ)短,進(jìn)一步提升我海軍艦艇的戰(zhàn)斗力。

1) 信息基礎(chǔ)設(shè)施

DDG-1000的處理機(jī)柜和顯控臺根據(jù)作戰(zhàn)系統(tǒng)、機(jī)械、電氣、通信等專用的不同進(jìn)行了分類標(biāo)準(zhǔn)和通用化,可以使得海軍使用標(biāo)準(zhǔn)軟件和商用貨架(COTS)硬件時獲得持續(xù)增強(qiáng)的能力。DDG-1000采用了標(biāo)準(zhǔn)的模塊化電子封裝箱(EME),為數(shù)據(jù)處理設(shè)備提供了安全的工作環(huán)境,通過可靈活布置的適配設(shè)備連接各個分系統(tǒng),支持常用的工業(yè)現(xiàn)場總線接口,人機(jī)接口采用標(biāo)準(zhǔn)的顯控臺。DDG-1000網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施采用了“核心+接入”兩層光纖以太網(wǎng),實(shí)現(xiàn)全艦戰(zhàn)術(shù)和非戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)的一體化。

我海軍艦艇在顯控臺方面雖然實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化,但人機(jī)工程方面還需進(jìn)一步優(yōu)化。各數(shù)據(jù)處理設(shè)備分散獨(dú)立,保護(hù)方面尚無電子封裝箱式的安全措施。網(wǎng)絡(luò)方面已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)了作戰(zhàn)、艦船控制和通信網(wǎng)絡(luò)的融合,但尚未實(shí)現(xiàn)一體化,且基于安全和管理上的因素,戰(zhàn)術(shù)和非戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)沒有融合。建議我海軍艦艇研制單位借鑒DDG-1000的基礎(chǔ)設(shè)施措施,取長補(bǔ)短,為艦載信息系統(tǒng)和設(shè)備建立良好的公共基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境。

2) 信息系統(tǒng)集成

美國是軍事信息系統(tǒng)集成的最先倡導(dǎo)者,其軍事信息系統(tǒng)經(jīng)歷了C2—C3—C3I—C4I—C4ISR(C4ISR分別指指揮、控制、通信、計(jì)算、情報(bào)、監(jiān)視、偵察)的發(fā)展歷程,其最明顯的發(fā)展特點(diǎn)是將各個功能逐一進(jìn)行綜合集成[13]。DDG-1000采用的全艦計(jì)算環(huán)境(TSCE)打破了以往的“煙囪式”系統(tǒng)結(jié)構(gòu),以同一計(jì)算資源橫向集成了通信、雷達(dá)、偵察、對抗、導(dǎo)航、武器、平臺控制、訓(xùn)練等多個任務(wù)系統(tǒng)的終端應(yīng)用,以統(tǒng)一的管理和中間件縱向集成了從底層物理硬件及其各種操作系統(tǒng)、接口、協(xié)議等,構(gòu)建一個能夠供外部各種終端應(yīng)用軟件運(yùn)行、操控和顯示的軟環(huán)境。并且,以TSCE為基礎(chǔ),其外部顯控臺和人機(jī)界面接口也進(jìn)行了集成優(yōu)化,任何一個顯控臺都與其它顯控臺互為備份,減少了戰(zhàn)位和人員。這些集成措施是突破性的,極大地節(jié)省了艦上軟硬件資源和人力資源,使得DDG-1000上的人員較DDG-51減少了50%。

我海軍艦艇在集成優(yōu)化上面開展了不少探索,但仍未打破傳統(tǒng)的體系架構(gòu)。在計(jì)算資源和網(wǎng)絡(luò)資源共享方面,在全艦基礎(chǔ)設(shè)施、接口標(biāo)準(zhǔn)化、操作自動化方面,與DDG-1000相比存在較大的差距,無法像其突破性的提高軟硬件資源和人力資源的效率。建議我海軍艦艇總體單位聯(lián)合信息系統(tǒng)承制單位加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的應(yīng)用,提高信息裝備的兼容性,為下一步信息系統(tǒng)集成奠定基礎(chǔ)。

3) 開放式架構(gòu)

DDG-1000在TSCE系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上采用了開放式的體系架構(gòu),層與層、模塊與模塊之間通過標(biāo)準(zhǔn)的接口和協(xié)議進(jìn)行交互或互聯(lián)。這種設(shè)計(jì)的好處是,當(dāng)技術(shù)更新使得某層或某個模塊升級后,直接改動的只有該層或該模塊,其它層或模塊可不做改變。DDG-1000的體系架構(gòu)很多借鑒了商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和趨勢,獲得了升級效率和靈活性,為海軍較少了生命周期成本,并使其具備快速部署能力,系統(tǒng)重構(gòu)能力和多變的任務(wù)適應(yīng)性。

我海軍在開放式架構(gòu)方面開展過一些推進(jìn)工作,艦上應(yīng)用業(yè)務(wù)和底層網(wǎng)絡(luò)嘗試按照標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分層設(shè)計(jì),但是由于一些舊有“煙囪”系統(tǒng)的采用和用戶使用習(xí)慣難以改變等原因,導(dǎo)致開放式架構(gòu)進(jìn)展緩慢。建議海軍從頂層全局考慮,推廣適合開放式架構(gòu)的應(yīng)用模式,以發(fā)揮開放式架構(gòu)的巨大優(yōu)勢。

4) 艦面隱身設(shè)計(jì)

DDG-1000在艦面天線集成和共形方面幾乎做到了極致,通過射頻集成技術(shù)、孔徑共用技術(shù)盡可能減少天線數(shù)量,并采用一體化上層建筑共形安裝或采用選頻罩封裝了幾乎所有的天線。例如,單部多功能雷達(dá)(MFR)就涵蓋了多部傳統(tǒng)雷達(dá)以及導(dǎo)航功能。并且,可以推測,DDG-1000的衛(wèi)通天線也實(shí)現(xiàn)了陣面化。

我海軍最新艦艇也逐步嘗試了艦面共形設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了超短波、塔康敵我識別等天線的共形安裝,但短波和衛(wèi)通兩方面在天線設(shè)計(jì)上仍然存在難點(diǎn),短波天線依舊為鞭天線,衛(wèi)通天線依舊為拋物面天線,建議在短波天線共形設(shè)計(jì)和衛(wèi)通天線陣面化方面開展重點(diǎn)研究。

6 結(jié)語

美海軍DDG-1000在艦載信息系統(tǒng)集成上提出了全艦計(jì)算環(huán)境、多功能雷達(dá)、綜合水下作戰(zhàn)系統(tǒng)和隱身設(shè)計(jì)等多種信息技術(shù)概念,應(yīng)用了集成優(yōu)化、開放式體系架構(gòu)、共形設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)原則,使得全艦在信息化水平上獲得質(zhì)的飛躍。本文針對上述關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析,并指出了我海軍艦艇在這些方面的差距,建議我海軍以這些技術(shù)為借鑒,結(jié)合我軍實(shí)際應(yīng)用需求,推進(jìn)我國海軍艦艇的信息化水平。

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Key Information Technologies of US Navy Ship DDG-1000 Mission System

JIANG Yan1YANG Xinwu2WU Ming2LIN Jian2

This article briefly reviews the history of the US Navy Ship DDG-1000 program and outlines its ten critical technologies. Then the mission system of the ship is introduced. Primary attention is given to four key information technologies, including total ship computing environment, multi-function radar, integrated under sea warfare and the stealth design. Based on the above, it compares and analyzes the differences between DDG-1000 and our navy ships from the perspectives of DDG-1000’s new technology features.

DDG-1000, mission system, total ship computing environment, multi-function radar, under sea warfare, stealth design.

2016年6月10日,

2016年7月30日

姜艷,女,高級工程師,研究方向：通信與通信對抗技術(shù)。楊心武,男,博士,工程師,研究方向：艦船通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)。吳明,男,博士,高級工程師,研究方向：艦船通信系統(tǒng)。林健,男,碩士,工程師,研究方向：艦船通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)。

TP393.09

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.12.004