美國(guó)海軍AN/BQQ-10聲納系統(tǒng)的發(fā)展與啟示*

管景崇 胡金華

(海軍工程大學(xué) 武漢 430033)

美國(guó)海軍AN/BQQ-10聲納系統(tǒng)的發(fā)展與啟示*

管景崇 胡金華

(海軍工程大學(xué) 武漢 430033)

美國(guó)海軍AN/BQQ-10聲納系統(tǒng)是第一型真正意義上的一體化聲納系統(tǒng),其發(fā)展歷史和核心內(nèi)容顯示當(dāng)前的聲納系統(tǒng)和電子信息設(shè)備正在和已經(jīng)發(fā)生重大變革。這種變革不僅體現(xiàn)在技術(shù)上的變革,更體現(xiàn)在文化、系統(tǒng)工程等方面的變革,從而為電子信息設(shè)備的發(fā)展帶來(lái)十分深遠(yuǎn)的影響。論文從AN/BQQ-10聲納系統(tǒng)發(fā)展背景出發(fā),探討這種新型系統(tǒng)的核心內(nèi)容和所帶來(lái)的變革,總結(jié)未來(lái)電子信息設(shè)備的一些發(fā)展方向,以及對(duì)發(fā)展我國(guó)電子信息系統(tǒng)的一些啟示。

系統(tǒng)體系; 聲納系統(tǒng); 一體化

Class Number TN929.3

1 美國(guó)AN/BQQ10聲納系統(tǒng)發(fā)展背景

美國(guó)海軍潛艇聲納系統(tǒng)有早期潛艇的AN/BQQ-2聲納系統(tǒng)、洛杉磯級(jí)潛艇AN/BQQ-5聲納系統(tǒng)和俄亥俄級(jí)潛艇的AN/BQQ-6聲納系統(tǒng)。其聲納系統(tǒng)基本按傳統(tǒng)的體系架構(gòu)實(shí)現(xiàn)。

上世紀(jì)90年代,由于各國(guó)潛艇不斷采用低噪聲和安靜型潛艇,美國(guó)海軍面臨著聲學(xué)優(yōu)勢(shì)縮小的挑戰(zhàn)和迫切提高聲學(xué)性能的需要,但由于冷戰(zhàn)的結(jié)束,投入費(fèi)用下降而開(kāi)發(fā)成本卻迅速上漲,而且還要在更短的時(shí)間內(nèi)完成技術(shù)提升,有限的資源已不能支撐發(fā)展的需求,這迫使美國(guó)海軍需要一種變革來(lái)實(shí)現(xiàn)技術(shù)的進(jìn)步。

那時(shí)主要采用定制的基于專(zhuān)用硬件和軟件的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),而且需要龐大的備品備件庫(kù)來(lái)維持整個(gè)壽命周期內(nèi)的保障。這種方法不具備可持續(xù)性。與此同時(shí),商用信息和通信技術(shù)工業(yè)由于商業(yè)和消費(fèi)者市場(chǎng)的快速打開(kāi)而得到跨越式發(fā)展。因此,美國(guó)海軍邀請(qǐng)咨詢(xún)集團(tuán)MITRE公司主持一項(xiàng)獨(dú)立的潛艇聲納技術(shù)調(diào)查來(lái)評(píng)估關(guān)于潛艇聲學(xué)信號(hào)處理的技術(shù)開(kāi)發(fā)和發(fā)展過(guò)程。

在1995年9月,調(diào)查組提交結(jié)果和建議,一個(gè)重要建議是用COTS處理器來(lái)替代傳統(tǒng)聲納系統(tǒng),采用APBs(Advanced Processing Builds)來(lái)滿足不斷增加的能力提高需求。與此同時(shí),美國(guó)海軍水下武器中心正在做一系列近期聲納改進(jìn)以應(yīng)付急需的功能短板。這就最終導(dǎo)致ARCI(the Acoustic Rapid COTS Insertion)項(xiàng)目,也是代號(hào)為AN/BQQ-10系統(tǒng)的開(kāi)始。

當(dāng)然,COTS技術(shù)本身并不構(gòu)成真正意義上的“開(kāi)放”結(jié)構(gòu)。很多現(xiàn)有系統(tǒng),即使使用商用硬件和軟件,也保留著專(zhuān)用的格式、拓?fù)浠蚍謱?其目的是鎖定并排除“第三黨”對(duì)聲納系統(tǒng)的直接影響。

開(kāi)放式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單地定義為一種分層數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu),采用商用部件和遵照行之有效的標(biāo)準(zhǔn),允許不同生產(chǎn)商的設(shè)備和程序的直接連接或進(jìn)入。這意味著系統(tǒng)功能和性能的調(diào)整能被一個(gè)或多個(gè)使用者來(lái)實(shí)現(xiàn),而不需要改變已有設(shè)備、流程和拓?fù)洹?/p>

COTS和開(kāi)放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)帶來(lái)一系列的變化:由于避免專(zhuān)用產(chǎn)品的使用和在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的每一層都消除了“鎖定”,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能定期更新以保證快速的附加操作能力的插入以消除可能出現(xiàn)的危機(jī)(如對(duì)大學(xué)院校或小企業(yè)創(chuàng)新的傷害,避免昂貴的中修等),引入新的技術(shù)和備件流程,設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)代價(jià)明顯下降。可清楚地看到,真正基于COTS的開(kāi)放性結(jié)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)并不在技術(shù)方面,而是需要在消費(fèi)者與供應(yīng)商間共同承認(rèn)和響應(yīng)的一個(gè)協(xié)調(diào)過(guò)程和文化轉(zhuǎn)變。

美國(guó)ARCI項(xiàng)目制定了加快引入性能更高的信號(hào)處理機(jī)到現(xiàn)役聲納系統(tǒng)的目標(biāo),同時(shí)保留與新型弗吉尼亞潛艇的C3I并行開(kāi)發(fā)的關(guān)聯(lián)性。

Lockheed Martin公司為此項(xiàng)目最初的合同商,負(fù)責(zé)每次更新的全部總成,包括對(duì)全部硬件和軟件改進(jìn)的最終集成和測(cè)試,也負(fù)責(zé)配置控制和向美國(guó)海軍提供各個(gè)接口,用于軟件和硬件查找故障和維修。

ARCI方法的核心是新的商業(yè)模式,它創(chuàng)建的開(kāi)放架構(gòu)能保證“best of breed(最佳繁殖)”(包括第三黨應(yīng)用),在固定更新周期內(nèi)發(fā)揮作用。ARCI將來(lái)自大小企事業(yè)、大學(xué)院校和有關(guān)研究單位的技能、工程、技術(shù)以APB形式綜合和實(shí)現(xiàn)其能力。

最早的升級(jí)(指第Ⅰ～Ⅳ期)主要對(duì)TB-23和TB-29拖曳陣處理的改進(jìn),以及之后的球陣和高頻陣的改進(jìn)。初始時(shí),Lockheed Martin公司開(kāi)發(fā)主動(dòng)和被動(dòng)球陣和高頻被動(dòng)陣的功能。Digital Systems Resources在2003年9月開(kāi)發(fā)拖曳陣功能,the University of Texas Applied Research Laboratory開(kāi)發(fā)了高頻主動(dòng)陣功能,Johns Hopkins University主持測(cè)試。

ARCI項(xiàng)目的另一方面是功能集成,由Submarine Precision Underwater Mapping and Navigation(PUMA)完成升級(jí)。處理改進(jìn)作為APB02的一部分進(jìn)入AN/BQQ-10系統(tǒng)高頻聲納(ARCI第IV期)和AN/BCS-15 EC-19(SSN-688 only)聲納系統(tǒng)。性能提升包括潛艇在海底測(cè)繪和登記地理特征的能力,包括類(lèi)似雷的檢測(cè),并用三維顯示。此能力允許潛艇指導(dǎo)隱蔽的戰(zhàn)場(chǎng)準(zhǔn)備和雷場(chǎng)警戒和規(guī)避。

ARCI的關(guān)鍵技術(shù)是多用途可遷移的中間件(Multi-Purpose Transportable Middleware,MTM),保證以前系統(tǒng)軟件能移植和重用使已有軟件投資最大化。MTM最早由DSR開(kāi)發(fā),是一個(gè)免注冊(cè)的軟件版本,它允許不同應(yīng)用軟件模塊間傳輸?shù)母咚贁?shù)據(jù)能在ARCI聲納系統(tǒng)中運(yùn)行,而與硬件和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錈o(wú)關(guān)。這種無(wú)關(guān)性允許硬件與其關(guān)聯(lián)的驅(qū)動(dòng)器被更新時(shí)而大量復(fù)雜的應(yīng)用代碼不受影響。

DSR也開(kāi)發(fā)了與ARCI關(guān)聯(lián)的多用途處理器。信號(hào)處理器從最早每塊板320 Mflop的性能擴(kuò)展到每個(gè)機(jī)箱超過(guò)40 Gflop。計(jì)算機(jī)硬件已經(jīng)在ARCI項(xiàng)目周期內(nèi)多次升級(jí)。

最早技術(shù)基線為quad i860卡,SHARC處理器和單獨(dú)設(shè)計(jì)的信號(hào)條件器,以及公用顯示工作站的HP744處理器。然而,這個(gè)結(jié)構(gòu)的問(wèn)題很快被發(fā)現(xiàn):用戶(hù)卡被證明是失敗的,編程困難,操作系統(tǒng)與外圍驅(qū)動(dòng)連接受限等。從這個(gè)失敗中得到的教訓(xùn)是當(dāng)使用的硬件和軟件部件越主流,測(cè)試出現(xiàn)的問(wèn)題越少,供應(yīng)商也越容易解決問(wèn)題。后來(lái),取消用戶(hù)VME卡被認(rèn)為可以減小系統(tǒng)成本,提高可靠性和使軟件編程更容易更快。

從2000年起,主流COTS處理器用于處理復(fù)雜的信號(hào)處理應(yīng)用。從那時(shí)起,技術(shù)插入過(guò)程主要集中在將聲納系統(tǒng)的其余部分轉(zhuǎn)換到有主流操作系統(tǒng)的主流COTS處理器上。

為達(dá)到最大化,ARCI系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用千兆以太網(wǎng)(最早是采用ATM標(biāo)準(zhǔn)),堅(jiān)持采用最商業(yè)化做法和提供最寬容的硬件與設(shè)備驅(qū)動(dòng)器。然而網(wǎng)絡(luò)和機(jī)箱外殼的升級(jí)使系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加靈活,也使機(jī)箱外殼更容易在未來(lái)技術(shù)插入中升級(jí)。

ARCI連續(xù)獲得基于軟件的技術(shù)插入的訂貨,如2008年Fiscal連續(xù)進(jìn)行中高頻主動(dòng)系統(tǒng)、要害自動(dòng)檢測(cè)、跟蹤和定位算法改進(jìn),和目標(biāo)聲學(xué)狀態(tài)估計(jì)的改進(jìn)工作。2009年和2010年主要改進(jìn)在自動(dòng)系統(tǒng)操作以減少工作負(fù)擔(dān)和人為性,并繼續(xù)改進(jìn)淺海反潛的聲學(xué)性能。下一步主要改進(jìn)在寬孔徑、低成本共形陣LCCA、SSN688洛杉磯級(jí)潛艇球陣信號(hào)處理、接觸跟隨和跟蹤,精密自動(dòng)化、測(cè)距工具,搜索空間減小工具,環(huán)境預(yù)測(cè)和監(jiān)測(cè),以及主動(dòng)系統(tǒng)等方面。

ARCI的目標(biāo)是在軍用水聲系統(tǒng)中快速運(yùn)用現(xiàn)成的商業(yè)元件。據(jù)國(guó)外專(zhuān)家評(píng)估,該計(jì)劃的實(shí)施能在大幅度提高反潛兵器效能的同時(shí)將其成本降至現(xiàn)在的十分之一。

ARCI將傳統(tǒng)的集中式聲學(xué)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)槁?lián)邦式(federated)系統(tǒng),能實(shí)現(xiàn)模塊在線升級(jí),即“即插即用”。ARCI的工作方式為軟件每一年升級(jí)一次,硬件每?jī)赡晟?jí)一次,帶來(lái)的好處是成本的大大下降,技術(shù)性能的動(dòng)態(tài)提升。目前,ARCI有兩項(xiàng)主要內(nèi)容:APB(Advanced Processing Builds先進(jìn)的處理庫(kù))和TI(技術(shù)插入)。APB針對(duì)于算法升級(jí),TI針對(duì)硬件升級(jí)。美國(guó)海軍規(guī)定每年進(jìn)行一次APB升級(jí),每?jī)赡赀M(jìn)行一次TI升級(jí)。APB以2000年為基準(zhǔn),設(shè)置不同的版本,2000年的APB稱(chēng)為APB00。每次升級(jí)都進(jìn)行專(zhuān)門(mén)部門(mén)的測(cè)試和評(píng)估,完成測(cè)試和評(píng)估后才能正式交付使用。實(shí)際上,由于軟件可靠性等原因,并不能做到每年一次。

目前,不僅美國(guó)潛艇上完成基于ARCI的升級(jí),而且在英國(guó)、法國(guó)等潛艇聲納系統(tǒng)都相繼采用這種技術(shù),成為潛艇聲納系統(tǒng)的潮流。如Thales公司研發(fā)的S-Cube聲納系統(tǒng)是TSM 2233聲納系統(tǒng)的一體化系統(tǒng)版,采用最新的COTS硬件并引入開(kāi)放系統(tǒng)架構(gòu),具有更優(yōu)的性能、最大的靈活性、增強(qiáng)的壽命支持和易于升級(jí)等優(yōu)點(diǎn)。

2 開(kāi)放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義及優(yōu)點(diǎn)

AN/BQQ10聲納系統(tǒng)與傳統(tǒng)意義上的聲納系統(tǒng)有著較大的區(qū)別,是一種有著先進(jìn)管理理念的動(dòng)態(tài)發(fā)展的聲納系統(tǒng)。其體現(xiàn)在兩個(gè)特征:COTS和開(kāi)放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

開(kāi)放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是與商業(yè)流行技術(shù)(COTS)緊密相關(guān)的一個(gè)概念。關(guān)于開(kāi)放式系統(tǒng)或開(kāi)放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義目前還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域,開(kāi)放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義是由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織規(guī)定的,即開(kāi)放系統(tǒng)互連(OSI)規(guī)程,但目前的開(kāi)放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有更廣泛的含義。

按MIL-STD-2036軍用標(biāo)準(zhǔn),開(kāi)放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)該被定義為設(shè)計(jì)方法,利用這種設(shè)計(jì)方法,可按非專(zhuān)利標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)硬件和軟件,允許有多個(gè)制造商的部件和系統(tǒng)接口。

SECNAVINST 5200·32A采納的IEEE的開(kāi)放式系統(tǒng)的定義是,開(kāi)放系統(tǒng)即完全執(zhí)行接口、服務(wù)和支援格式的開(kāi)放式規(guī)范的系統(tǒng),能適當(dāng)?shù)毓芾硎褂玫牟考?跨接的大量部件變化要最小,能與本地和遠(yuǎn)距離系統(tǒng)上的其它部件互操作,并能以便于用戶(hù)移植的形式與其它用戶(hù)交互。

從上述幾種定義可以看出,開(kāi)放式系統(tǒng)有三個(gè)含義。

1) 采用商用標(biāo)準(zhǔn)硬件和軟件及接口,使系統(tǒng)內(nèi)的多個(gè)不同來(lái)源的部件可相互接口,支持相互可操作。

2) 支持系統(tǒng)功能和能力的擴(kuò)充。

3) 支持軟件的可移植性。

開(kāi)放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不僅涉及計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu),而且還涉及網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)。隨著時(shí)間的推移和技術(shù)的發(fā)展,開(kāi)放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的含義和特點(diǎn)也在發(fā)生變化。將報(bào)道的80年代中后期研制的新一代潛艇指控系統(tǒng)和作戰(zhàn)系統(tǒng)的開(kāi)放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和現(xiàn)在正研制的NSSN C3I系統(tǒng)的開(kāi)放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比,NSSN C3I系統(tǒng)的開(kāi)放程序有了很大提高,這主要原因是NSSN C3I系統(tǒng)更多地采用了COTS設(shè)備。采用開(kāi)放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能達(dá)到以下目的:

1) 互操作性。兩臺(tái)或多臺(tái),相同或不相同的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用和它們軟件的交換能力,以及使用已交換信息的能力。

2) 兼容性。多種應(yīng)用在它們工作中的相互協(xié)調(diào)的總能力,即使原來(lái)沒(méi)有設(shè)計(jì)這樣做。

3) 可移植性。應(yīng)用硬件或軟件組件能夠容易地從一種硬件或軟件環(huán)境轉(zhuǎn)移到另一種環(huán)境中的能力。

4) 可重用性。在產(chǎn)生的另一種應(yīng)用中,重用某種應(yīng)用設(shè)計(jì)源代碼部分的能力。

5) 可維性。通過(guò)取消應(yīng)用代碼部分接口的唯一性,改進(jìn)維持應(yīng)用能力的性能。

6) 可塑性。配置應(yīng)用能力,允許從微機(jī)到大型計(jì)算機(jī)都能在平臺(tái)上運(yùn)行。

7) 與賣(mài)主無(wú)關(guān)。不同賣(mài)主都能競(jìng)爭(zhēng)提供接口是兼容的硬件和軟件。

8) 改善用戶(hù)生產(chǎn)率。通過(guò)簡(jiǎn)化的功能復(fù)制實(shí)現(xiàn),以滿足不同計(jì)算機(jī)賣(mài)的主配置要求。

9) 改善技術(shù)引進(jìn)。在實(shí)際運(yùn)用后,其效果十分明顯。據(jù)報(bào)道,相比于傳統(tǒng)的系統(tǒng),ARCI可在18個(gè)月內(nèi)使處理能力提高了七倍;在10年的壽命周期,總成本下降了五倍,包括過(guò)程費(fèi)用大約為原來(lái)的1/60,更新費(fèi)用和軟件加載的費(fèi)用等都有所下降。

3 ARCI的幾個(gè)核心

1) 多用途軟件中間件MTM。由DSR研發(fā),可自由注冊(cè),允許不同應(yīng)用軟件模塊在ARCI聲納系統(tǒng)中應(yīng)用,而不考慮硬件和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。這也使硬件及其對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器更換而不會(huì)影響到復(fù)雜應(yīng)用代碼應(yīng)用,也保證以前系統(tǒng)軟件的移植和重用,使已有軟件投資最大化。

2) 為ARCI研制的多用途處理器(Multi-purpose processor,MPP)。最早的MPP采用專(zhuān)門(mén)芯片,但后來(lái)發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用的硬件和軟件部件越主流,測(cè)試時(shí)的問(wèn)題越少,供應(yīng)商也越容易解決問(wèn)題,因而采用商用芯片。

在前兩個(gè)技術(shù)插入的硬件基線中,去掉了大多數(shù)通用VME卡,以提高顯示性能。去掉通用VME卡,可以減少系統(tǒng)成本,提高系統(tǒng)可靠性,使軟件編程更容易更快。代碼采用高級(jí)語(yǔ)言(C語(yǔ)言),簡(jiǎn)化代碼,使編程者有更多時(shí)間用于寫(xiě)更好的代碼,找問(wèn)題,而不是去處理與硬件接口的細(xì)節(jié)。顯示系統(tǒng)將VME調(diào)整為商用工作站。對(duì)高端計(jì)算機(jī)工作站進(jìn)行比較后,選擇了惠普工作站和UX操作系統(tǒng),并可利用其豐富的標(biāo)準(zhǔn)色彩和圖形庫(kù)。

2000年起,主流COTS處理器的性能已能滿足復(fù)雜的信號(hào)處理應(yīng)用。因此,ARCI的技術(shù)插入重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到將聲納系統(tǒng)其余部件采用帶主流操作系統(tǒng)的主流COTS處理器,并將VME卡變?yōu)檫\(yùn)行Linux操作系統(tǒng)的Compaq八通道奔3服務(wù)器。之后,兩種服務(wù)器統(tǒng)一硬件基線,使得軟件開(kāi)發(fā)更為容易,因?yàn)閿?shù)據(jù)傳輸更為簡(jiǎn)單。

3) 操作員共性的考慮。操作人員包括艦隊(duì)聲納兵和技師,工業(yè)部門(mén)代表,大學(xué)學(xué)者等,需要在一開(kāi)始就考慮整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程的流程,以告訴操作員如何查看和處理與新功能有關(guān)的數(shù)據(jù)。

4) 機(jī)柜結(jié)構(gòu)統(tǒng)一設(shè)計(jì)。采用商用機(jī)架的機(jī)箱結(jié)構(gòu)需求滿足沖擊、振動(dòng)等要求。

5) 服務(wù)支持。在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)嵌入式備份,使系統(tǒng)管理功能能在大多數(shù)信號(hào)處理硬件失效時(shí)能自動(dòng)重構(gòu),而不影響工作能力。

6) 維修免操作周期MFOP。MFOP是一項(xiàng)在可預(yù)期的工作周期內(nèi)提高可靠性和保障性的工作,以消除正在工作中的維修問(wèn)題。

4 ARCI帶來(lái)的變革

4.1 技術(shù)能力的變革

水聲信號(hào)數(shù)字處理設(shè)備與水聲基陣系統(tǒng)在很大程度上決定著艦艇水聲系統(tǒng)的能力。據(jù)美國(guó)海軍研究辦公室(Office of Naval Research,ONR)的專(zhuān)家評(píng)估,由于水聲基陣的改進(jìn)能力耗盡,發(fā)展水聲系統(tǒng)的主要潛力正是在于完善水聲信息處理設(shè)備與處理方法。計(jì)算設(shè)備的積極發(fā)展為完善信號(hào)處理設(shè)備和推廣更有效的新型軟件創(chuàng)造了必要的前提條件。美國(guó)國(guó)防部在國(guó)防分析研究所(Institute for Defence Analysis)的審查的基礎(chǔ)上得出結(jié)論,必須采取一系列節(jié)省資金的緊急措施,包括:

· 停止從零開(kāi)始為國(guó)防部研制電子計(jì)算機(jī)的做法;

· 通過(guò)允許在軍用系統(tǒng)中使用現(xiàn)成商用成品配件和軟件的COTS構(gòu)想;

· 在軍用計(jì)算系統(tǒng)的研制中采用“開(kāi)放式上層建筑”原則,以便在現(xiàn)有系統(tǒng)中使用新的結(jié)構(gòu)元素,包括按商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制造的。

實(shí)現(xiàn)方法是在反潛平臺(tái)和水聲處理系統(tǒng)上采用民用現(xiàn)成(COTS)部件的開(kāi)放式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。重大的變化正在發(fā)生:使用壽命和更換周期長(zhǎng)達(dá)幾十年、采用軍用規(guī)范的專(zhuān)用硬件和軟件正被硬件/軟件更新周期只有一、二年的采用民用現(xiàn)成部件的開(kāi)放式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)所取代。這種方法正在潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)上成功采用,在其它反潛系統(tǒng)上也能得到應(yīng)用。

ARCI開(kāi)發(fā)過(guò)程是一個(gè)建設(shè)/測(cè)試/再建設(shè)(Build/Test/Build sequence)的過(guò)程。與舊系統(tǒng)相比,新系統(tǒng)能夠通過(guò)可記錄的操作性事件來(lái)系統(tǒng)更新。因此,競(jìng)爭(zhēng)性系統(tǒng)能夠在實(shí)際環(huán)境中利用實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試和評(píng)判。

4.2 文化變革

ARCI帶來(lái)的另一個(gè)變革是文化上的變革,需要在各類(lèi)大小合同商、學(xué)校實(shí)驗(yàn)室和政府部門(mén)間達(dá)到一致,涉及到使用者、合同商、研究者等間的競(jìng)爭(zhēng)與合作機(jī)制,知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù),數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)信息開(kāi)放,代碼開(kāi)放和共享,合同管理等一系列問(wèn)題。

圖1 審查組組成

ARCI改變“基本合同商”(prime contractor)到“基本系統(tǒng)集成商”(prime system integrator)的管理機(jī)制,提供一種競(jìng)爭(zhēng)性的解決方案,即通過(guò)“同等審查”(peer review)來(lái)選擇最佳的解決方案。同等審查需要成立審查組,審查組包括用戶(hù)代表、算法開(kāi)發(fā)者、評(píng)估人員等。一個(gè)重要變化是非傳統(tǒng)技術(shù)部門(mén)的參與并在參與中獲得好處。

4.3 系統(tǒng)工程變革

在ARCI中,系統(tǒng)工程過(guò)程和結(jié)構(gòu)需要對(duì)不同的角色進(jìn)行指導(dǎo)和同步,特別是要控制核心界面和制定標(biāo)準(zhǔn),確保硬件和軟件相互可操作性。軟件開(kāi)發(fā)是由不同創(chuàng)新性合同商、大學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室、政府實(shí)驗(yàn)室等經(jīng)過(guò)競(jìng)爭(zhēng)和合作方式完成,并由軟件APB集成者處進(jìn)行統(tǒng)一綜合。硬件和軟件系統(tǒng)和部件被移交到基本系統(tǒng)集成商,作為一個(gè)更新包被安裝到潛艇。沒(méi)有單個(gè)合同商能完全完成整個(gè)過(guò)程,而傳統(tǒng)的基本合同商可以。在整個(gè)開(kāi)發(fā)周期中,實(shí)現(xiàn)螺旋式開(kāi)發(fā)。

圖2 系統(tǒng)工程流程圖

在整個(gè)過(guò)程中,面臨著各個(gè)參與者錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系,需要一個(gè)強(qiáng)的領(lǐng)導(dǎo)力。對(duì)各種不同的參與者有一個(gè)強(qiáng)大的約束。如何能實(shí)現(xiàn)這種變化,部分源于合同機(jī)制,部分源于領(lǐng)導(dǎo)力。后者包括最上層的命令和中間執(zhí)行層出色的執(zhí)行者。

4.4 用戶(hù)的直接參與

用戶(hù)在開(kāi)發(fā)過(guò)程中會(huì)起到更大的作用。用戶(hù)除提供操作便捷性、布局合理性、訓(xùn)練需求和保障性等多個(gè)方面的反饋之外,還將更深入地參與海上測(cè)試和評(píng)判等工作,將在開(kāi)發(fā)者與艦隊(duì)間起到通信連接。

5 啟示

隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展,電子信息系統(tǒng)也進(jìn)入一個(gè)快速發(fā)展的新時(shí)期。電子系統(tǒng)體系從最早的分立式聲納體系,到集中式的電子信息體系,現(xiàn)在已進(jìn)入具有網(wǎng)絡(luò)化和平臺(tái)化特征的一體化體系。美國(guó)AN/BQQ10聲納系統(tǒng)及其發(fā)展對(duì)所有電子信息系統(tǒng)都具有深遠(yuǎn)的意義和影響,從中也可窺見(jiàn)到未來(lái)電子信息系統(tǒng)的發(fā)展方向。這些發(fā)展方向?qū)Πl(fā)展我國(guó)海軍電子信息系統(tǒng)有著啟發(fā)性的借鑒。

1) 系統(tǒng)體系向開(kāi)放、可組合方向發(fā)展。硬件設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸從最早的模擬數(shù)據(jù)傳輸,到數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸,再到目前的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸,傳輸能力不斷提高,使數(shù)據(jù)從一節(jié)點(diǎn)向另一節(jié)點(diǎn)傳輸不再成為一個(gè)瓶頸,從而為網(wǎng)絡(luò)化設(shè)備的實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。信號(hào)處理算法越來(lái)越不依賴(lài)硬件,最終實(shí)現(xiàn)硬件和軟件的分離,甚至各種商用產(chǎn)品(貨架產(chǎn)品)進(jìn)入系統(tǒng)配置,并通過(guò)構(gòu)建獨(dú)立的軟件體系框架,形成平臺(tái)化設(shè)備。因此,電子設(shè)備從最早的模擬設(shè)備,到數(shù)字設(shè)備,現(xiàn)在已進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)化和平臺(tái)化設(shè)備。體系結(jié)構(gòu)成為具有以分布式體系、網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)、聯(lián)合處理和綜合顯控為特點(diǎn)的開(kāi)放性架構(gòu)。主要表現(xiàn)為數(shù)據(jù)/信息的共享,硬件的共用和軟件的重構(gòu)重用,其實(shí)現(xiàn)依賴(lài)于模塊化設(shè)計(jì)、高速數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、標(biāo)準(zhǔn)化高速信號(hào)處理機(jī)系統(tǒng)、開(kāi)放的軟件體系。

2) 系統(tǒng)工程向綜合集成、快速提升的方向發(fā)展。這種體制,強(qiáng)化了系統(tǒng)集成和各算法的競(jìng)爭(zhēng)性參與,而弱化了基礎(chǔ)軟硬件。強(qiáng)化了系統(tǒng)集成指將硬件和軟件系統(tǒng)和部件被移交到基本系統(tǒng)集成商,作為一個(gè)更新包被安裝到潛艇。強(qiáng)化了算法競(jìng)爭(zhēng)性參與意味著軟件開(kāi)發(fā)是由不同創(chuàng)新性合同商、大學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室、政府實(shí)驗(yàn)室等經(jīng)過(guò)競(jìng)爭(zhēng)和合作方式完成,并由軟件APB集成者處進(jìn)行統(tǒng)一綜合。弱化基礎(chǔ)軟硬件指更多的軟硬件將采用市場(chǎng)化采購(gòu)方式。

3) 系統(tǒng)管理向動(dòng)態(tài)循環(huán)、靈活應(yīng)用方向發(fā)展。設(shè)備研制周期的大大縮短及其新技術(shù)的在線測(cè)試與應(yīng)用,使預(yù)研-設(shè)計(jì)-生產(chǎn)-服務(wù)整個(gè)過(guò)程處于一個(gè)不斷循環(huán)的螺旋式上升的過(guò)程,而在這過(guò)程中,不同的單位參與并發(fā)揮作用。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展,聲納系統(tǒng)以及其它電子設(shè)備也進(jìn)入一個(gè)快速發(fā)展的新時(shí)期。電子系統(tǒng)體系從最早的分立式體系到集中式體系,現(xiàn)在已進(jìn)入具有網(wǎng)絡(luò)化和平臺(tái)化特征的一體化體系。新型體系的建立為設(shè)備的跨越式發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

電子裝備從模擬到數(shù)字是一次革命,從數(shù)字到一體化是第二次革命。從模擬到數(shù)字,不僅大大降低設(shè)備規(guī)模和成本,更重要的是很多復(fù)雜的算法可以通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)多種功能,使裝備的性能大大提高。從數(shù)字到一體化,使軟件與硬件徹底分離,即軟件不再受制于硬件,是第二次革命。而這次革命不僅在聲納裝備技術(shù)方面的變革,更重要的是在文化、系統(tǒng)工程等方面變革,這種變革將深深影響未來(lái)裝備的發(fā)展,需要我們重視。

[1] Jane’s Navy International,2013.

[2] Acoustic Rapid COTS Insertion(A-RCI) AN/BQQ-10(V) Sonar System,DOT&E FY2004 Annual Report,2004.

[3] Richard Scott, Open for Business: A New Model for Submarine Sonar, Jane’s Navy International, Mar. 2006.

[4] Capt Gib Kerr, Robert Miller. A Revolutionary Use of COTS in a Submarine Sonar System. The Journal of Defense software Engineering,2004(11).

[5] D. Maiwald, U. Fass, M. Heumann. Sonar Signal Processing Based on COTS Components. 14th European Signal Processing Conference(EUSIPCO 2006), Florence, Italy,2006.

[6] Paul Gosling. Evolutionary Trends in UK Sonar, RUSI Defense Systems,2008,10.

[7] Boudreau, Michael. Acoustic Rapid COTS Insertion: A Case Study in Modular Open Systems Approach for Spiral Development. IEEE International Conference on System of Systems Engineering,2007.

Enlightment on American Navy’s AN/BQQ-10 Sonar System

GUAN Jingchong HU Jinhua

(Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

The AN/BQQ sonar system for US navy is the first integrated sonar system in its actual meaning. Its development history and core content show that current sonar systems and electronics are undergoing or have undergone great innovations. The innovations lie not only in technology, but in culture and system engineering etc., which have brought profound impacts on the development of electronics. In this paper, from the development background of the AN/BQQ sonar system, the core content of the new type sonar system as well as the innovations it has brought forth would be presented, and some development trends for future electronics would be concluded, together with some clues given for developing electronics in China.

system architecture, sonar system, integration

2013年7月8日,

2013年8月29日

管景榮,男,研究方向:水聲雷達(dá)及電子。胡金華,男,副教授,研究方向:水聲雷達(dá)及電子。

TN929.3

10.3969/j.issn1672-9730.2014.01.006