國外潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)發(fā)展研究

劉淼森，韓 晗，楊清軒

(1. 海軍研究院，北京 100161；2. 國家計算機網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急技術(shù)處理協(xié)調(diào)中心，北京 100094；3. 中國船舶重工集團公司第七一四研究所，北京 100101)

0 引 言

20世紀(jì)90年代以來，各海軍強國紛紛開發(fā)了新一代潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)技術(shù)水平領(lǐng)先，作戰(zhàn)性能優(yōu)秀，具有采取開放式架構(gòu)、信息化程度高、綜合處理能力強、經(jīng)濟可承受性好等特點。代表了潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的未來發(fā)展方向。表1給出了國外主要海軍強國新型潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)及裝備情況。

1 美國

美國海軍“弗吉尼亞”級潛艇的指揮、控制、通信和情報系統(tǒng)（C3I）是由洛克希德·馬丁公司海上系統(tǒng)與傳感器分部研制。該系統(tǒng)通過開放式、分布式及實時的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將以前的潛艇系統(tǒng)，如聲吶、雷達、作戰(zhàn)控制和導(dǎo)航等，集成在一起。借助這種耐壓殼內(nèi)的局域網(wǎng)，“弗吉尼亞”級潛艇的所有作戰(zhàn)控制和通信系統(tǒng)實現(xiàn)了互聯(lián)。

與以往通過軍用采購來提供專有解決方案不同，洛克希德·馬丁公司在要求苛刻的潛艇環(huán)境中采用民用現(xiàn)成（COTS）硬件和軟件技術(shù)對潛艇的C3I系統(tǒng)進行創(chuàng)新性設(shè)計。通過采用COTS技術(shù)和開放式體系結(jié)構(gòu)，避免了采用成本高昂的軍用產(chǎn)品與技術(shù)，使得“弗吉尼亞”級潛艇的C3I系統(tǒng)研發(fā)與采購成本顯著降低，全壽期成本也相應(yīng)降低。開放式系統(tǒng)使得“弗吉尼亞”級潛艇的C3I系統(tǒng)能夠使用更先進的計算機、信號處理器和軟件算法，選用民用市場上可用的更先進的能力，滿足不斷變化的軍用需求。C3I系統(tǒng)通過與其他先進作戰(zhàn)平臺進行實時信息共享，促使“弗吉尼亞”級潛艇更好地融入聯(lián)合作戰(zhàn)行動。

2001年，第1套C3I系統(tǒng)在通用動力電船公司完成了安裝和集成，其典型特征包括大量采用COTS先進技術(shù)，其中硬件和軟件分別使用了78%和76%COTS產(chǎn)品；有效降低開發(fā)成本；集成開發(fā)計劃方案，軟件重用最大化，提高了系統(tǒng)通用性；充分利用聲學(xué)快速民用植入（ARCI）成果；促進技術(shù)直接植入與更新等。

表1 國外海軍典型常規(guī)潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)及裝備情況Tab. 1 Foreign naval typical submarine combat system

圖 1 C3I潛艇綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)艇上布置示意圖Fig. 1 C3Isubmarine integrated combat system layout

C3I潛艇綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)是美國海軍第1套全方位綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)幾乎集成了潛艇上搭載的所有電子設(shè)備，形成一個以光纖局域網(wǎng)連接的全分布式系統(tǒng)。相較于AN/BSY-1和AN/BSY-2潛艇綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)，C3I潛艇綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理能力方面分別提高了55和26倍，其體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 俄羅斯

圖 2 “弗吉尼亞”級潛艇信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Virginia class submarine information system structure

俄羅斯?jié)撏ЬC合作戰(zhàn)系統(tǒng)繼承了蘇聯(lián)潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的發(fā)展模式，具有堅實的理論基礎(chǔ)，但是相較于美國，俄羅斯國內(nèi)電子信息方面相對薄弱，為達到系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能，保障技術(shù)上的可實現(xiàn)性，采取“專艇專用，講究實效”的設(shè)計原則，其一般以聲吶系統(tǒng)、自動信息控制系統(tǒng)（作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)）為核心進行設(shè)計，目前列裝的典型潛艇綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)包括“基洛”級常規(guī)動力潛艇自動信息控制系統(tǒng)、“阿穆爾”級常規(guī)動力潛艇作戰(zhàn)指揮與控制系統(tǒng)，本節(jié)主要以“阿穆爾”級常規(guī)動力潛艇作戰(zhàn)指揮與控制系統(tǒng)為研究對象進行闡述。

“阿穆爾”級常規(guī)動力潛艇是俄羅斯在本國“拉達”級常規(guī)動力潛艇的基礎(chǔ)上專門設(shè)計的出口型潛艇，其裝備的作戰(zhàn)指揮與控制系統(tǒng)（ЛИТИЙ-Э）具有收集和處理傳感器信息、顯示戰(zhàn)場態(tài)勢、控制武器發(fā)射、確定射擊陣位、自動解算多批目標(biāo)運動、預(yù)報作用距離等功能。艇員僅通過艇載計算機便可對全艇進行監(jiān)控與管理。此外，在主控室內(nèi)安裝有全自動的管理系統(tǒng)，艇員通過8部彩色多功能控制臺便可操作艇上的所有子系統(tǒng)。

3 德國

德國潛艇綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)具有代表性的是ISUS 90潛艇綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在大大縮減物理空間的同時，提高了集成化程度，同時具有可剪裁功能的特點，能夠以最大的靈活性適應(yīng)潛艇的作戰(zhàn)要求，ISUS 90潛艇綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。

德國潛艇綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)的研制始于20世紀(jì)80年代，這一時期德國阿特拉斯電子公司研制推出具有專利權(quán)的模塊化ISUS 83潛艇綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)，并于1990年裝備206A型常規(guī)動力潛艇（已退役）。20世紀(jì)90年代，在ISUS 83潛艇綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，阿特拉斯電子公司采用基于COTS、開放式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)研制出新一代ISUS 90潛艇綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)保留了ISUS 83作戰(zhàn)系統(tǒng)的模塊化方法，但其從擁有專利權(quán)的技術(shù)轉(zhuǎn)型到商用流行技術(shù)。目前ISUS 90潛艇綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)裝備于以色列的“海豚”級、意大利的“薩烏羅”級、土耳其，南非，葡萄牙的209型、希臘和韓國的214型等常規(guī)動力潛艇上。

圖3 “阿穆爾”級常規(guī)動力潛艇作戰(zhàn)指揮與控制系統(tǒng)Fig. 3 Amur class submarine combat system

圖4 德國ISUS 90潛艇綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)Fig. 4 German ISUS 90 submarine integrated combat system structure

4 法國

法國潛艇綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)具有代表性的是SUBTICS潛艇戰(zhàn)術(shù)綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)，其系統(tǒng)示意如圖5所示，體系結(jié)構(gòu)如圖6所示，該系統(tǒng)由DCNS和湯姆遜-辛特拉CSF公司組成的UDS國際聯(lián)合公司研制開發(fā)，首套系統(tǒng)于1999年裝備于出口巴基斯坦的“阿格斯塔”90B級常規(guī)動力潛艇，目前該系統(tǒng)裝備于巴基斯坦“阿格斯塔”90B級、智力“鲉魚”級等常規(guī)動力潛艇上。

圖5 法國SUBTICS潛艇戰(zhàn)術(shù)綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)示意圖Fig. 5 French SUBTICS submarine integrated combat system

圖6 法國SUBTICS潛艇戰(zhàn)術(shù)綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)Fig. 6 French SUBTICS submarine integrated combat system structure

隨著潛艇作戰(zhàn)需求的提高，法國在SUBTICS潛艇戰(zhàn)術(shù)綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上繼續(xù)研制并更新SUBTICS潛艇戰(zhàn)術(shù)綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)，據(jù)披露，新系統(tǒng)可提供多種類型的數(shù)據(jù)綜合，保證艇員從監(jiān)視和威脅評估到武器發(fā)射的整個過程中態(tài)勢信息的連續(xù)性。

5 瑞典

以瑞典下一代常規(guī)潛艇——A26型采用的綜合管理系統(tǒng)（GMSS）為例，該信息綜合管理系統(tǒng)為開放式架構(gòu)分布式系統(tǒng)，集成了作戰(zhàn)、潛艇操控及其他管理任務(wù)。為了節(jié)省成本和做到快速交艇，綜合管理系統(tǒng)主要利用市場現(xiàn)有產(chǎn)品，并修改其適應(yīng)或達到軍用標(biāo)準(zhǔn)。綜合管理系統(tǒng)及其所有子系統(tǒng)通過艇上多功能控制臺（MFC）操控，潛艇可通過增設(shè)控制臺提高潛艇操控便利性，其中潛艇監(jiān)控系統(tǒng)等敏感系統(tǒng)也可按客戶要求鎖定工作臺。

A26艇上的作戰(zhàn)系統(tǒng)采用薩博公司專為潛艇研發(fā)的作戰(zhàn)系統(tǒng)（CMS），與傳統(tǒng)的作戰(zhàn)系統(tǒng)不同，該系統(tǒng)并非作為中央系統(tǒng)并與其他系統(tǒng)集成，而是作為子系統(tǒng)連接至綜合管理系統(tǒng)。這項措施使?jié)撏ЬC合管理系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)（包括作戰(zhàn)系統(tǒng)）可進行單獨的升級和替換，極大降低了升級、替換工作的成本與工時。

A26作戰(zhàn)系統(tǒng)功能強大，可通過綜合管理系統(tǒng)與聲吶、光電桅桿、武器接口系統(tǒng)、潛艇控制系統(tǒng)之間進行高速數(shù)據(jù)交換，計算評估戰(zhàn)場態(tài)勢并提供態(tài)勢感知圖片，進行目標(biāo)運動分析（TMA）。A26亦可通過作戰(zhàn)系統(tǒng)中的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈（TADIL）與友軍通信。

圖7 A26 戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用示意圖Fig. 7 A 26 submarine tactical data link application schematic

6 關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展情況

1）新一代潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)技術(shù)

體系架構(gòu)技術(shù)是作戰(zhàn)系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，國外新一代常規(guī)潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)多數(shù)以商用主流高速以太網(wǎng)技術(shù)為支撐，采用開放式、層次化的體系結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對作戰(zhàn)相關(guān)各系統(tǒng)設(shè)備的綜合管理和控制。新一代潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)技術(shù)包括作戰(zhàn)系統(tǒng)層次體系框架技術(shù)、基于構(gòu)件的作戰(zhàn)系統(tǒng)一體化軟件功能架構(gòu)技術(shù)、潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)以太網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)研究（包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潴w系結(jié)構(gòu)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)信息分類策略和傳輸控制技術(shù)等）等。

2）面向服務(wù)的作戰(zhàn)系統(tǒng)統(tǒng)一計算環(huán)境技術(shù)

該技術(shù)主要采用面向服務(wù)技術(shù)，基于高性能處理設(shè)備，構(gòu)建作戰(zhàn)系統(tǒng)統(tǒng)一的服務(wù)注冊與發(fā)現(xiàn)、綁定、流程控制、功能重組、接口適配等基本運行平臺，為潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)提供服務(wù)創(chuàng)建、集成開發(fā)和部署工具，實現(xiàn)信息共享和功能互操作，支持面向任務(wù)的作戰(zhàn)系統(tǒng)靈活組織、配置和動態(tài)集成，適應(yīng)裝備不斷發(fā)展及升級擴展要求。

3）作戰(zhàn)系統(tǒng)新型信息交換機制技術(shù)

對于潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)而言，集成和互操作性特別重要。因此，國外在系統(tǒng)設(shè)計中盡可能減少專用接口和數(shù)據(jù)格式，廣泛采用成熟商用技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)，從而降低風(fēng)險和成本，提高系統(tǒng)集成效率。為此需要解決實現(xiàn)系統(tǒng)間信息交換、系統(tǒng)互操作的方式方法，重點研究潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)交換格式驗證，突破專用協(xié)議，設(shè)計實現(xiàn)新的數(shù)據(jù)交換格式。

4）一體化聲吶及多陣數(shù)據(jù)綜合處理技術(shù)

該技術(shù)重點解決一體化聲吶設(shè)計和多基陣數(shù)據(jù)融合處理關(guān)鍵技術(shù)，包括：合理配置陣型，提高聲基陣綜合程度；突破多聲陣數(shù)據(jù)的綜合處理，提高聲吶系統(tǒng)的目標(biāo)探測、跟蹤、識別等綜合處理能力；充分考慮多路徑傳播、海底多角度散射等復(fù)雜條件，提高復(fù)雜水聲環(huán)境下聲吶系統(tǒng)的性能。

5）多武器綜合控制及發(fā)控通道優(yōu)化設(shè)計技術(shù)

該技術(shù)綜合考慮潛艇配裝的魚雷、水雷、導(dǎo)彈、對抗器材等武器的作戰(zhàn)能力、運動目標(biāo)的解算精度、敵我態(tài)勢的影響，建立基于作戰(zhàn)效能的潛艇武器指揮控制模型，實現(xiàn)對各種武器的發(fā)控通道綜合組織、綜合發(fā)控和同時導(dǎo)引，減少武器發(fā)射與控制信息的傳輸環(huán)節(jié)，實現(xiàn)指控部位對潛艇武器的直接控制，提高潛艇多武器控制能力、系統(tǒng)快速反應(yīng)能力和任務(wù)可靠性，以最大限度地發(fā)揮武器的作戰(zhàn)效能。

7 未來發(fā)展趨勢

1）高度信息化、綜合化，支持協(xié)同作戰(zhàn)

潛艇新型作戰(zhàn)系統(tǒng)信息化水平越來越高，逐步能夠與其他作戰(zhàn)平臺實現(xiàn)信息共享和協(xié)同作戰(zhàn)，同時，艇內(nèi)各分系統(tǒng)之間實現(xiàn)了信息充分共享。其中意大利海軍于2008年委托芬卡蒂尼集團優(yōu)化潛艇戰(zhàn)斗系統(tǒng)，以使212A型常規(guī)潛艇能更好支持水下特種作戰(zhàn)等多種任務(wù)。戰(zhàn)斗系統(tǒng)優(yōu)化重點是進一步集成潛艇C4ISR設(shè)備，加強潛艇水下作戰(zhàn)指控與協(xié)同能力，使?jié)撏Э梢愿鶕?jù)戰(zhàn)場環(huán)境選擇通信級別，盡可能與總部和協(xié)同部隊實現(xiàn)快速、安全通信，進而使?jié)撏Ъ{入水下網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)的一環(huán)，目前該作戰(zhàn)系統(tǒng)已于2016年完成交付。

2）開放式的分布式體系結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)化、層次化特征明顯

快速以太網(wǎng)已成為系統(tǒng)主干網(wǎng)首選。隨著各國海軍網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的實施，海軍對潛艇網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求不斷增加，傳統(tǒng)ATM，F(xiàn)DDI，SDH等主流技術(shù)已不能完全滿足艇內(nèi)網(wǎng)絡(luò)一體化的發(fā)展需求，高速以太網(wǎng)由于具有豐富的帶寬、優(yōu)秀的性價比備受青睞，已逐漸成為潛艇網(wǎng)絡(luò)在今后一段時間內(nèi)發(fā)展的一個趨勢。

圖8 芬卡蒂尼集團優(yōu)化設(shè)計的212A型潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)Fig. 8 Type 212 submarine combat system

大量采用開放式的分布式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。開放式的分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)提供了一種寬松的連接環(huán)境，各分系統(tǒng)之間采用標(biāo)準(zhǔn)化接口定義（IDL），分系統(tǒng)之間訪問直接通過中間件接口實現(xiàn)，具有良好的互操作性，確保每個分系統(tǒng)都能進行技術(shù)升級而對整個系統(tǒng)影響不大，保證系統(tǒng)在交付時能反映當(dāng)時的最新技術(shù)水平。

系統(tǒng)硬件與軟件、數(shù)據(jù)與應(yīng)用分離。系統(tǒng)中各組成設(shè)備的軟件和硬件分離，硬件通用化、標(biāo)準(zhǔn)化程度提高，如一部多功能通用顯控臺可顯示和處理來自多個系統(tǒng)的信息。相應(yīng)的功能軟件不再依賴專用硬件運行，中間件大量應(yīng)用，促進軟件通用化水平不斷提高。數(shù)據(jù)庫應(yīng)用貫穿于作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、集成和使用的全過程。

3）聲陣設(shè)計一體化及聲信號處理綜合化

聲吶系統(tǒng)已不是單功能聲吶的組合，而是在系統(tǒng)的高度上全面考慮各項功能的實現(xiàn)。聲吶系統(tǒng)是一個統(tǒng)一綜合設(shè)計、分布式多濕端基陣、分布式小型前置預(yù)處理機和多陣數(shù)據(jù)高度融合處理的聲吶系統(tǒng)。聲吶系統(tǒng)的水下聲基陣從聲吶系統(tǒng)需要獲取和處理的信息出發(fā)進行綜合設(shè)計，與艇總體充分協(xié)調(diào)，確保在艇有限的空間上能夠獲取最大化的信息。同時大量采用多陣關(guān)聯(lián)、融合及聯(lián)合信號處理方法，提高系統(tǒng)綜合處理能力和性能，提高聲吶系統(tǒng)目標(biāo)分辨、識別和魚雷報警能力。

4）指火控一體化，武器控制高度集成

國外潛艇指控和火控系統(tǒng)普遍采用一體化設(shè)計，指控系統(tǒng)除完成情報綜合處理、輔助作戰(zhàn)指揮相關(guān)功能外，還完成魚雷、導(dǎo)彈等軟硬武器的綜合控制功能，充分體現(xiàn)潛艇“集中指揮、綜合控制”的作戰(zhàn)思想。