軍貿(mào)艦艇雷達(dá)分布式操控應(yīng)用技術(shù)研究

沈遠(yuǎn)海，賀 賀，張 昕

(中國(guó)船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院，北京 100094)

0 引 言

典型護(hù)衛(wèi)艦作戰(zhàn)系統(tǒng)一般由警戒探測(cè)設(shè)備、作戰(zhàn)管理系統(tǒng)(或指揮控制系統(tǒng))、武器系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等分系統(tǒng)或設(shè)備組成。[1]警戒探測(cè)設(shè)備作為作戰(zhàn)系統(tǒng)的直屬設(shè)備一般包括多部雷達(dá)，按作戰(zhàn)區(qū)域分為遠(yuǎn)程警戒、中遠(yuǎn)程警戒、中近程搜索等多種功能。這些雷達(dá)為作戰(zhàn)系統(tǒng)提供了滿(mǎn)足作戰(zhàn)使用區(qū)域要求的對(duì)空、對(duì)海的警戒搜索能力,是艦艇作戰(zhàn)能力的重要組成部分。本文針對(duì)當(dāng)前軍貿(mào)水面艦艇在雷達(dá)操控方面的使用需求，提出“一級(jí)分布式操控”技術(shù)方案，發(fā)揮了中西方國(guó)家裝備的集成優(yōu)勢(shì)，提升了作戰(zhàn)系統(tǒng)的整體作戰(zhàn)能力。

1 艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)雷達(dá)操控技術(shù)現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，作戰(zhàn)系統(tǒng)中雷達(dá)的操作控制多采用功能差異的“兩級(jí)多戰(zhàn)位控制”方式，即采用功能有差異的作戰(zhàn)指揮層和設(shè)備控制層兩個(gè)層次進(jìn)行控制，并可在作戰(zhàn)管理系統(tǒng)或雷達(dá)操控臺(tái)位的多個(gè)戰(zhàn)位實(shí)施。[2-3]指揮層主要面向方面戰(zhàn)指揮，是頂層指揮控制，由作戰(zhàn)管理系統(tǒng)(或指揮控制系統(tǒng))來(lái)實(shí)施。對(duì)雷達(dá)傳感器的操作控制主要側(cè)重于對(duì)艦艇整體作戰(zhàn)能力有重要影響的功能控制，如控制傳感器的輻射、重點(diǎn)區(qū)域的檢測(cè)等功能。表現(xiàn)在雷達(dá)的操作控制上，主要包括雷達(dá)的開(kāi)關(guān)機(jī)、開(kāi)斷高壓、重點(diǎn)區(qū)域檢測(cè)等作戰(zhàn)命令。同時(shí)，按照控制級(jí)別，指揮層不直接對(duì)雷達(dá)進(jìn)行操作控制,只將相關(guān)控制命令發(fā)往雷達(dá)操控臺(tái)，由雷達(dá)操控臺(tái)具體操作實(shí)施各項(xiàng)操控命令。由于作戰(zhàn)管理系統(tǒng)是有多個(gè)顯控臺(tái)構(gòu)成，每一個(gè)顯控臺(tái)的軟硬件配置相同，可按作戰(zhàn)需要設(shè)置不同的戰(zhàn)位，而每一個(gè)戰(zhàn)位均有發(fā)布雷達(dá)操控命令的能力，因此形成了多戰(zhàn)位的控制能力。

對(duì)雷達(dá)設(shè)備的完整操作控制則由雷達(dá)操控臺(tái)來(lái)完成。雷達(dá)操控臺(tái)除執(zhí)行作戰(zhàn)管理系統(tǒng)所關(guān)注的操控命令外還包括顯示搜索雷達(dá)的原始視頻、搜索提取點(diǎn)跡航跡、跟蹤目標(biāo)位置，并且完成雷達(dá)的各種發(fā)射、接收參數(shù)設(shè)置、對(duì)點(diǎn)航跡數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波等數(shù)據(jù)處理等一系列完整操作控制、目標(biāo)解算。[4-5]雷達(dá)操控臺(tái)一般包括兩部計(jì)算機(jī)，一部執(zhí)行參數(shù)設(shè)置、內(nèi)外交互等人機(jī)接口命令，對(duì)于實(shí)時(shí)性要求并不苛刻；另一部執(zhí)行雷達(dá)的專(zhuān)用數(shù)據(jù)處理功能，包括點(diǎn)航跡提取等功能，該功能為雷達(dá)的專(zhuān)屬功能，需要根據(jù)雷達(dá)的各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置動(dòng)態(tài)提取雷達(dá)視頻圖像的點(diǎn)跡和航跡，對(duì)航跡進(jìn)行濾波等。

雷達(dá)操控臺(tái)對(duì)雷達(dá)內(nèi)部的各種操控命令有網(wǎng)絡(luò)數(shù)字量和視頻信號(hào)、開(kāi)關(guān)信號(hào)等模擬量?jī)煞N。相比作戰(zhàn)系統(tǒng)的操控命令，雷達(dá)的操控命令的內(nèi)容廣度及復(fù)雜程度都大幅度提高[6]，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。兩級(jí)多戰(zhàn)位操控設(shè)備的邏輯圖如圖2所示。

2 外方的分布式控制需求

當(dāng)前國(guó)際軍貿(mào)市場(chǎng)上，船舶軍貿(mào)產(chǎn)品的采購(gòu)需求主要來(lái)自北非、東南亞等傳統(tǒng)的軍貿(mào)出口國(guó)家，如阿爾及利亞、厄瓜多爾、泰國(guó)等。這些國(guó)家一般為第三世界國(guó)家。由于技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，海軍人員數(shù)量少，他們自身不具備完整的訓(xùn)練體系和技術(shù)裝備體系。艦員的培訓(xùn)一般委托西方發(fā)達(dá)國(guó)家進(jìn)行高級(jí)綜合培訓(xùn)。技術(shù)裝備也采用了相匹配的西方裝備體系。這些國(guó)家受西方使用習(xí)慣影響，軍貿(mào)采購(gòu)裝備也多提出了西方標(biāo)準(zhǔn)。在阿爾及利亞護(hù)衛(wèi)艦軍貿(mào)項(xiàng)目中，外方就明確采用SMART-S三坐標(biāo)雷達(dá)，并且要求中方作戰(zhàn)系統(tǒng)進(jìn)行有效集成。

SMART-S三坐標(biāo)雷達(dá)是一部工作頻段在S波段、集搜索和跟蹤功能為一體的多功能雷達(dá)。該雷達(dá)在方位上采用機(jī)械掃描，在俯仰上采用多波束進(jìn)行測(cè)量，能夠得到較高的距離、方位、俯仰探測(cè)精度。該雷達(dá)采用固態(tài)發(fā)射機(jī)上置天線的方式，功率損耗大幅度減少，可靠性得到較大幅度的提高。該雷達(dá)遠(yuǎn)程警戒探測(cè)能力強(qiáng)，具備直升機(jī)精確識(shí)別、RCS動(dòng)態(tài)估計(jì)等優(yōu)異性能，是該護(hù)衛(wèi)艦的主戰(zhàn)雷達(dá)。

外方同時(shí)提出了明確的分布式操控的需求，即功能相同“一級(jí)分布式操控”要求。作戰(zhàn)管理系統(tǒng)和雷達(dá)操控臺(tái)各操控節(jié)點(diǎn)應(yīng)具備完全相同的功能，都對(duì)雷達(dá)整機(jī)具有完全控制的功能，不僅包括雷達(dá)開(kāi)關(guān)機(jī)、高低壓控制等傳統(tǒng)的指揮控制功能，還包括雷達(dá)各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置、點(diǎn)航跡發(fā)送等一系列功能。該項(xiàng)功能的物理實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

該項(xiàng)功能要求是和THALES等西方裝備的使用習(xí)慣相匹配的。該項(xiàng)設(shè)計(jì)是需要作戰(zhàn)系統(tǒng)具備對(duì)主戰(zhàn)雷達(dá)的多點(diǎn)分布式操控的能力。該設(shè)計(jì)結(jié)果是將雷達(dá)的探測(cè)能力作為一種資源在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行共享。任意層級(jí)的指揮員、操作員都可以動(dòng)態(tài)申請(qǐng)?jiān)擁?xiàng)能力。指揮員可根據(jù)作戰(zhàn)使用的要求靈活選擇戰(zhàn)位來(lái)獲取此項(xiàng)資源。雷達(dá)系統(tǒng)作為大功率微波輻射源容易遭受敵方的攻擊。作為唯一的具備全雷達(dá)操控能力的設(shè)備，雷達(dá)操控臺(tái)如果出現(xiàn)故障或遭到損害將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)作戰(zhàn)系統(tǒng)的主戰(zhàn)雷達(dá)警戒探測(cè)能力的喪失，而采用有全操控能力的多點(diǎn)顯控臺(tái)設(shè)計(jì)就可以避免此種單點(diǎn)故障。

該項(xiàng)技術(shù)和我國(guó)現(xiàn)階段的雷達(dá)操控技術(shù)是有相當(dāng)差異的，國(guó)內(nèi)還未進(jìn)行完整的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證，在工程上是有相當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)的。由于軍貿(mào)工作受?chē)?guó)內(nèi)生產(chǎn)關(guān)系、研制程序約束較小，可以打破國(guó)內(nèi)某些傳統(tǒng)專(zhuān)業(yè)的壁壘，可以是一個(gè)新技術(shù)、新裝備的試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)。因此，該項(xiàng)技術(shù)可通過(guò)軍貿(mào)項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)、試驗(yàn)驗(yàn)證，并可將成果向作戰(zhàn)系統(tǒng)領(lǐng)域進(jìn)行推廣。

3 分布式雷達(dá)控制的集成方案

(1) 在總結(jié)分析兩級(jí)多戰(zhàn)位操控的設(shè)備邏輯圖的基礎(chǔ)上，分析作戰(zhàn)系統(tǒng)主戰(zhàn)雷達(dá)SMART-S的功能性能和操控模式，結(jié)合作戰(zhàn)系統(tǒng)的作戰(zhàn)任務(wù)和需求，提出分布式雷達(dá)操控功能的設(shè)備邏輯圖，并提出對(duì)雷達(dá)操控臺(tái)、作戰(zhàn)管理系統(tǒng)的通用要求。分布式雷達(dá)操控功能的設(shè)備邏輯圖如圖4。

從設(shè)備邏輯圖可以看出，針對(duì)雷達(dá)分布式控制功能的實(shí)現(xiàn)，作戰(zhàn)系統(tǒng)宏觀上包含兩個(gè)方面：一是在雷達(dá)操控臺(tái)端需要將專(zhuān)用數(shù)據(jù)處理等專(zhuān)用功能模塊進(jìn)行分離，以滿(mǎn)足雷達(dá)通用控制的要求，并增加接口轉(zhuǎn)換單元，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的通用協(xié)議，以適應(yīng)不同戰(zhàn)位對(duì)雷達(dá)直接操作控制需求；二是在指控端，需要增加復(fù)雜的人機(jī)操作控制功能，通過(guò)指定標(biāo)準(zhǔn)化的通用協(xié)議，將雷達(dá)操控臺(tái)和作戰(zhàn)指揮臺(tái)對(duì)雷達(dá)控制統(tǒng)一起來(lái)，同時(shí)需要將通用數(shù)據(jù)處理功能進(jìn)行分離以保證作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)和雷達(dá)操控臺(tái)的通用性。

(2) 針對(duì)傳統(tǒng)雷達(dá)控制信息模擬量多、不利于控制功能的分布式實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，提出對(duì)雷達(dá)前端操作控制命令的數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化、實(shí)時(shí)性要求，通過(guò)優(yōu)化雷達(dá)的系統(tǒng)構(gòu)架，將與作戰(zhàn)指揮相關(guān)的關(guān)鍵信息接口從原有的模擬控制量改為數(shù)字控制量，實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)操作控制信息的數(shù)字化要求。

雷達(dá)內(nèi)部存在兩類(lèi)控制信息，包括模擬信息和數(shù)字信息。數(shù)字信息易于采用功能對(duì)等的多點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，有利于控制功能的分布式實(shí)現(xiàn)。模擬量難于采用功能對(duì)等的多點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，這是由于工程實(shí)際由于不同的設(shè)備對(duì)模擬量數(shù)量有明確限制，因此難于將一個(gè)模擬信號(hào)分為多個(gè)相同的模擬量而造成的。

(3) 編制了標(biāo)準(zhǔn)控制協(xié)議，提出了作戰(zhàn)管理系統(tǒng)的不同雷達(dá)操控臺(tái)位的功能備份要求，采用了合理的軟件體系架構(gòu)和功能構(gòu)件，提高了備份處理能力和冗余性。

傳統(tǒng)雷達(dá)的內(nèi)部控制命令的信息種類(lèi)、信息格式均和作戰(zhàn)系統(tǒng)通用協(xié)議有很大的差異，而設(shè)計(jì)通用的協(xié)議是分布式操控的重要前提。通過(guò)分析雷達(dá)原有復(fù)雜的人機(jī)操控命令、作戰(zhàn)管理系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單的操控命令的功能、信息特點(diǎn)，提出合理的操作控制功能流程和信息流程，分析其中的信息結(jié)構(gòu)關(guān)系，結(jié)合裝備接口協(xié)議的現(xiàn)狀，編制完善了雷達(dá)操控的標(biāo)準(zhǔn)信息協(xié)議，并得到中外雙方的共同認(rèn)可。

分析雷達(dá)操控臺(tái)的技術(shù)特點(diǎn)，重點(diǎn)需解決作戰(zhàn)管理系統(tǒng)軟件的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。作戰(zhàn)管理系統(tǒng)軟件的靜態(tài)結(jié)構(gòu)采用分層體系結(jié)構(gòu)，共分為4層：系統(tǒng)軟件、應(yīng)用框架、應(yīng)用總控軟件和應(yīng)用構(gòu)件。系統(tǒng)軟件層包括操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)軟件、各硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序等，為軟件提供底層支持。應(yīng)用框架層包含界面管理、構(gòu)件管理、數(shù)據(jù)實(shí)體管理等部分，對(duì)軟件涉及的邏輯和行為進(jìn)行封裝，為應(yīng)用構(gòu)件開(kāi)發(fā)提供支持。應(yīng)用總控軟件包括顯控總控軟件、任務(wù)計(jì)算總控軟件和信息網(wǎng)關(guān)總控軟件3個(gè)可執(zhí)行程序，提供通用應(yīng)用功能。雷達(dá)操控構(gòu)件作為一個(gè)獨(dú)立的功能構(gòu)件是應(yīng)用構(gòu)件的一部分，在作戰(zhàn)管理系統(tǒng)中的任意一個(gè)顯控臺(tái)均可直接調(diào)用。任一顯控臺(tái)也可根據(jù)操作人員要求釋放或獨(dú)占雷達(dá)操控資源。

(4) 提出了雷達(dá)分布式操控的優(yōu)先級(jí)順序及統(tǒng)一優(yōu)先級(jí)的前端資源搶占準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)無(wú)沖突的多節(jié)點(diǎn)分布式操控雷達(dá)的功能，增強(qiáng)了作戰(zhàn)系統(tǒng)的可靠性、抗毀性和組織靈活性。由于雷達(dá)操控的節(jié)點(diǎn)增多，涉及到操控的優(yōu)先級(jí)順序和前端資源搶占準(zhǔn)則。通過(guò)設(shè)計(jì)確定如下優(yōu)先級(jí)數(shù)序：雷達(dá)操控臺(tái)>指控情報(bào)指揮臺(tái)>方面戰(zhàn)作戰(zhàn)指揮臺(tái)(對(duì)空、對(duì)海、反潛)指揮臺(tái)，并給出同一優(yōu)先級(jí)的資源搶占準(zhǔn)則，即針對(duì)同一優(yōu)先級(jí)的方面戰(zhàn)指揮臺(tái)，在缺省方式下采用先到先得的方式，在艦長(zhǎng)人工干預(yù)條件下可以設(shè)置任一顯控臺(tái)優(yōu)先獲取雷達(dá)前端資源。

4 試驗(yàn)結(jié)果

在軍貿(mào)作戰(zhàn)系統(tǒng)對(duì)雷達(dá)操控的試驗(yàn)中，中方組織了中方設(shè)備的作戰(zhàn)管理系統(tǒng)、SMART-S雷達(dá)的聯(lián)合測(cè)試。通過(guò)多次測(cè)試聯(lián)調(diào)，中方的作戰(zhàn)管理系統(tǒng)的任一顯控臺(tái)均能夠執(zhí)行雷達(dá)的各項(xiàng)操作控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)雷達(dá)操控臺(tái)同等的操作控制能力。這說(shuō)明分布式操控功能在工程上得到成功實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)得到了外方的高度認(rèn)可，認(rèn)為中方對(duì)該型雷達(dá)的集成是成功的。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析作戰(zhàn)系統(tǒng)主戰(zhàn)雷達(dá)SMART-S的功能性能、技術(shù)特點(diǎn)、運(yùn)行機(jī)理和操控模式，結(jié)合作戰(zhàn)系統(tǒng)的作戰(zhàn)任務(wù)和需求，在協(xié)調(diào)確認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)控制協(xié)議的基礎(chǔ)上重點(diǎn)解決了雷達(dá)本地與作戰(zhàn)管理系統(tǒng)的分布式深度控制的接口設(shè)計(jì)、試驗(yàn)驗(yàn)證等技術(shù)問(wèn)題，首次在國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了西方SMART-S雷達(dá)的多戰(zhàn)位分布式深度控制。同時(shí)，秉承了SMART-S雷達(dá)的遠(yuǎn)程警戒、探測(cè)、精確識(shí)別等優(yōu)異性能，充分發(fā)揮了中西方國(guó)家裝備的集成優(yōu)勢(shì)，提升了作戰(zhàn)系統(tǒng)的整體作戰(zhàn)能力。

本艦裝備自研的Neza6作戰(zhàn)管理系統(tǒng)，采用分層的全分布體系結(jié)構(gòu)，在原有基礎(chǔ)上進(jìn)一步集成了西方的三坐標(biāo)雷達(dá)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)SMART-S雷達(dá)的全控制由單點(diǎn)擴(kuò)展為多點(diǎn)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)技術(shù)空白。本文提出的分布式操控三坐標(biāo)雷達(dá)在原理是可行的，并通過(guò)工程試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。該項(xiàng)技術(shù)可向作戰(zhàn)系統(tǒng)領(lǐng)域進(jìn)行推廣。