美防空反導(dǎo)領(lǐng)域開放體系架構(gòu)技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用

孫 濤

開放體系架構(gòu)具有架構(gòu)靈活多變，體系易于擴(kuò)展、集成和升級(jí)，互操作性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)性好，具有可裁剪特性等，因而近年來，其研發(fā)思想和相關(guān)技術(shù)得到了快速發(fā)展，逐步體現(xiàn)出強(qiáng)大的生命力和后發(fā)優(yōu)勢(shì)。美國防空反導(dǎo)系統(tǒng)不斷發(fā)展的過程中，經(jīng)歷了從單一系統(tǒng)的研發(fā)裝備到實(shí)現(xiàn)裝備的體系化的轉(zhuǎn)變，裝備體系的建設(shè)中開放體系架構(gòu)逐步取代了最初的封閉體系架構(gòu)。

發(fā)展歷程

采用傳統(tǒng)封閉系統(tǒng)架構(gòu)的開發(fā)模式已經(jīng)成了武器系統(tǒng)發(fā)展的重大瓶頸問題。為了解決上述問題，包括同時(shí)考慮性能、成本、工業(yè)使用的成熟度、可長(zhǎng)期采購性以及升級(jí)潛力等方面，將開放體系架構(gòu)技術(shù)應(yīng)用于大規(guī)模復(fù)雜信息系統(tǒng)的開發(fā)成為了必然。

2003年，美軍在信息技術(shù)領(lǐng)域全面轉(zhuǎn)向“開放系統(tǒng)”技術(shù)體制，要求只要條件可行，在任何情況下都應(yīng)當(dāng)應(yīng)用模塊化“開放系統(tǒng)”方法。2004年8月，美國海軍負(fù)責(zé)裝備研發(fā)和采辦的副部長(zhǎng)公布了“開放架構(gòu)”政策，建立起一個(gè)包含所有系統(tǒng)司令部和項(xiàng)目執(zhí)行辦公室人員的專門機(jī)構(gòu)——開放架構(gòu)企業(yè)團(tuán)隊(duì)，開始負(fù)責(zé)整個(gè)海軍實(shí)施“開放架構(gòu)戰(zhàn)略”的全局工作，同時(shí)明確了各系統(tǒng)司令部和項(xiàng)目管理辦公室對(duì)“開放架構(gòu)”實(shí)施的職責(zé)。美國海軍作戰(zhàn)部隨后發(fā)布了海軍開放架構(gòu)需求文件，提出“開放架構(gòu)”的原則，要求在所有的武器系統(tǒng)和作戰(zhàn)系統(tǒng)研制、升級(jí)中考慮“開放架構(gòu)”的要求，至此“開放架構(gòu)”成為美國海軍的戰(zhàn)略，推動(dòng)美國海軍全面實(shí)施向開放系統(tǒng)技術(shù)體制的變革。

美國防部開放系統(tǒng)架構(gòu)管理指南

2013年，美國防部經(jīng)過多年的實(shí)踐和發(fā)展，發(fā)布了《開放體系架構(gòu)項(xiàng)目合同管理實(shí)施指南》1.1版，為武器裝備在發(fā)展政策方面提供指導(dǎo)。目前美國大量的武器裝備研發(fā)采辦都是基于開放體系架構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)施的，典型案例包括美國海軍的“宙斯盾”系統(tǒng)現(xiàn)代化發(fā)展、海軍正在發(fā)展的防空和反導(dǎo)雷達(dá)、陸軍正在發(fā)展的“一體化防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)”、新型的低層防空反導(dǎo)雷達(dá)等。

美軍大力推行“開放式體系架構(gòu)”設(shè)計(jì)思想，通過各層次之間的標(biāo)準(zhǔn)接口，屏蔽與上層之間的緊耦合，提升對(duì)應(yīng)用層的開放性支撐；將軟件與硬件分離，實(shí)現(xiàn)局部軟件升級(jí)即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能力提升。根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)的開放程度分為五級(jí)，不同級(jí)別的主要特征概括如下：1～2級(jí)為“兼容級(jí)”，它主要采用適配器或通過更改應(yīng)用接口的方式集成遺留系統(tǒng)；3級(jí)為開放式體系架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)的“初始級(jí)”，它的突出特征是軟件開發(fā)不依賴于特定硬件，其系統(tǒng)性能與計(jì)算設(shè)備數(shù)量的多寡和性能的高低成線性關(guān)系；4級(jí)為“公共功能級(jí)”，它采用的公共功能服務(wù)具有部署靈活，升級(jí)快速的能力；5級(jí)為“全艦計(jì)算級(jí)”，它使用統(tǒng)一的信息基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)降低系統(tǒng)維修保障壓力和減少人員配置，為應(yīng)用系統(tǒng)提供公共計(jì)算支持，保障應(yīng)用系統(tǒng)的容錯(cuò)性和抗毀生存能力。目前美國海軍一體化防空反導(dǎo)系統(tǒng)采用的開放體系架構(gòu)達(dá)到了4～5級(jí)的程度。

應(yīng)用情況

美國陸軍在防空反導(dǎo)裝備發(fā)展過程中，開放體系架構(gòu)技術(shù)的應(yīng)用集中反映在防空反導(dǎo)指控系統(tǒng)的發(fā)展之中，用于構(gòu)建防空反導(dǎo)一體化的作戰(zhàn)體系。海軍主要通過對(duì)“宙斯盾”系統(tǒng)實(shí)施“先進(jìn)能力建設(shè)”項(xiàng)目的途徑落實(shí)開放體系架構(gòu)戰(zhàn)略，其核心是對(duì)指控系統(tǒng)的不斷升級(jí)。

美陸軍采用開放體系架構(gòu)的目標(biāo)是為陸軍防空和導(dǎo)彈防御系統(tǒng)建立一個(gè)以網(wǎng)絡(luò)為中心的系統(tǒng)之系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)解決方案，用于集成傳感器系統(tǒng)（包括用于目標(biāo)探測(cè)、跟蹤、火控的多種傳感器）、攔截武器系統(tǒng)、作戰(zhàn)管理、指揮控制、通信和情報(bào)系統(tǒng)。諸如愛國者-3系統(tǒng)、薩德系統(tǒng)、陸基發(fā)射先進(jìn)中程空空導(dǎo)彈、哨兵系統(tǒng)等多種類、多建制的武器系統(tǒng)和傳感器系統(tǒng)都將通過“一體化防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)”進(jìn)行互聯(lián)和互操作，最終將有望實(shí)現(xiàn)部隊(duì)使用任何傳感器及任何武器來完成目標(biāo)任務(wù)。

愛國者-3防空反導(dǎo)系統(tǒng)

“一體化防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)”主要構(gòu)建以多武器、多傳感器全面聯(lián)網(wǎng)并獲取單一集成空情圖為必要條件、以綜合火控網(wǎng)絡(luò)建設(shè)為關(guān)鍵點(diǎn)、以實(shí)現(xiàn)攔截武器系統(tǒng)的超視距作戰(zhàn)能力為標(biāo)志的一體化防空反導(dǎo)大系統(tǒng)，使每個(gè)子系統(tǒng)對(duì)其他子系統(tǒng)的攔截武器都能夠按照作戰(zhàn)需求和能力指標(biāo)實(shí)現(xiàn)集成的控制和制導(dǎo)，最終實(shí)現(xiàn)防空反導(dǎo)一體化。2019年5月，首個(gè)生產(chǎn)型“一體化防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)”作戰(zhàn)運(yùn)行中心成功向美陸軍交付，2021年該系統(tǒng)完成了最后一次研發(fā)試驗(yàn)，2022年10月，該系統(tǒng)完成了初始作戰(zhàn)測(cè)試與評(píng)估。

美國海軍防空反導(dǎo)裝備中開放體系架構(gòu)技術(shù)的應(yīng)用，同樣是集中反映在指控系統(tǒng)的發(fā)展之中，依托“宙斯盾”系統(tǒng)構(gòu)建防空反導(dǎo)的一體化作戰(zhàn)架構(gòu)。目前，開放體系架構(gòu)計(jì)算環(huán)境已廣泛用于美海軍航母、兩棲攻擊艦等艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，提高了美軍艦載信息系統(tǒng)的開放性。美國海軍基于開放體系架構(gòu)發(fā)展了多種現(xiàn)役的和在研的武器系統(tǒng)。其中“宙斯盾”系統(tǒng)的發(fā)展歷時(shí)最為悠久，也最為成熟，是海軍開放體系架構(gòu)的典型現(xiàn)役裝備。此外，正在開發(fā)的“防空反導(dǎo)雷達(dá)”是采用開放體系架構(gòu)在研并即將裝備的典型裝備。

一體化防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)采用的MOSA方法

美國海軍重點(diǎn)利用“宙斯盾”系統(tǒng)的“先進(jìn)能力建設(shè)”項(xiàng)目實(shí)施開放體系架構(gòu)戰(zhàn)略，通過“先進(jìn)能力建設(shè)-08”“先進(jìn)能力建設(shè)-12”“先進(jìn)能力建設(shè)-16”“先進(jìn)能力建設(shè)-20”等分階段的發(fā)展和實(shí)施。此外美海軍還利用“海軍一體化火力控制-防空部分”項(xiàng)目支持開放體系架構(gòu)戰(zhàn)略在“宙斯盾”彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)中的應(yīng)用，使“宙斯盾”彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)發(fā)展到基線-9.2C版本時(shí)具備了一體化防空反導(dǎo)的能力。該能力的實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)是將已有的CEC系統(tǒng)、宙斯盾系統(tǒng)、艦載預(yù)警機(jī)以及艦載的攔截武器標(biāo)準(zhǔn)-6攔截彈綜合集成在一起，實(shí)現(xiàn)防空反導(dǎo)作戰(zhàn)能力的綜合集成，其核心關(guān)鍵依然是指揮控制系統(tǒng)能力的不斷升級(jí)發(fā)展。

關(guān)鍵技術(shù)

開放體系架構(gòu)技術(shù)并非一種單獨(dú)的專門技術(shù)，而是信息系統(tǒng)架構(gòu)相關(guān)技術(shù)的集群。美防空反導(dǎo)中應(yīng)用開放體系架構(gòu)技術(shù)主要包括模塊化開放系統(tǒng)方法、綜合總線與系統(tǒng)集成技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)接口組件單元即插即用技術(shù)、一體化火控網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通用軟件技術(shù)等。

模塊化開放系統(tǒng)方法（MOSA）的核心目標(biāo)是得到可負(fù)擔(dān)得起的、能不斷進(jìn)化的聯(lián)合作戰(zhàn)能力。開放系統(tǒng)是采用了模塊化設(shè)計(jì)，關(guān)鍵接口廣泛使用支持產(chǎn)品和一致的標(biāo)準(zhǔn)，并且成功采用確認(rèn)和驗(yàn)證測(cè)試以保障其關(guān)鍵接口的開放性的一種系統(tǒng)。通過商業(yè)指標(biāo)和技術(shù)指標(biāo)，采用以下原則：首先是建立授權(quán)環(huán)境、采用模塊化設(shè)計(jì)、指定關(guān)鍵接口、選擇公開標(biāo)準(zhǔn)并經(jīng)過一致認(rèn)證的原則。模塊化開放系統(tǒng)方法的優(yōu)點(diǎn)是：首先是系統(tǒng)易于擴(kuò)展和改變，可以降低總的擁有成本，可以減少開發(fā)過程中的循環(huán)次數(shù)，使聯(lián)合集成架構(gòu)和互操作成為可能并實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)的降低。

標(biāo)準(zhǔn)接口組件單元即插即用技術(shù)。標(biāo)準(zhǔn)化的接口允許各單元把數(shù)據(jù)提交給數(shù)據(jù)總線并且從數(shù)據(jù)總線獲得信息。各種傳感器和武器系統(tǒng)也都利用標(biāo)準(zhǔn)接口向數(shù)據(jù)總線發(fā)送數(shù)據(jù)并從數(shù)據(jù)總線接收數(shù)據(jù)，這種接口套件被稱為即插即用套件。武器即插即用接口包括通用部分和專用部分，其中通用部分包括：無線電接口、數(shù)據(jù)鏈接口、武器即插即用函數(shù)、武器任務(wù)執(zhí)行、作戰(zhàn)人員身份識(shí)別融合、聯(lián)合航跡管理；專用部分包括：特定武器的I/F、武器控制、武器的其他特定功能。傳感器的即插即用接口與武器類似，也分為通用部分和專用部分，其中通用部分包括：無線電接口、數(shù)據(jù)鏈接口、傳感器即插即用函數(shù)、傳感器任務(wù)執(zhí)行、作戰(zhàn)人員身份識(shí)別融合、聯(lián)合航跡管理；專用部分包括：特定傳感器的I/F、傳感器控制、傳感器的其他特定功能。

一體化火控網(wǎng)絡(luò)（IFCN）技術(shù)是陸軍一體化防空反導(dǎo)系統(tǒng)之系統(tǒng)基本的通信基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，提供火控鏈路連接和分布式操作能力，為語音、視頻和數(shù)據(jù)提供連通性。一體化火控網(wǎng)的中繼設(shè)備提供移動(dòng)的通信節(jié)點(diǎn)，設(shè)備上安裝有接口套件，可擴(kuò)展與遠(yuǎn)端發(fā)射架和傳感器平臺(tái)的連通性。一體化火控網(wǎng)絡(luò)的鏈路采用孔狀的自組織IPv6網(wǎng)絡(luò)，主要特點(diǎn)就是魯棒性好，并且其中包含了高數(shù)據(jù)率和低數(shù)據(jù)率的兩種鏈路，鏈路路徑也采用了冗余式的多路徑路由，即避免了單點(diǎn)故障，同時(shí)也使得抗干擾性大幅提高。

通用軟件技術(shù)。軟件主要實(shí)現(xiàn)下面功能：武器和傳感器的即插即用功能、武器和傳感器任務(wù)分派與執(zhí)行、態(tài)勢(shì)感知與聯(lián)合航跡管理、作戰(zhàn)身份識(shí)別融合、威脅評(píng)估、聯(lián)合一體化多國互操作、網(wǎng)絡(luò)管理、防御計(jì)劃編制等。美陸軍“一體化防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)”項(xiàng)目開發(fā)的軟件包括：任務(wù)支持軟件、作戰(zhàn)身份識(shí)別軟件、跟蹤管理軟件、傳感器服務(wù)軟件、武器服務(wù)軟件、任務(wù)控制軟件、嵌入式訓(xùn)練軟件、通用武器機(jī)器接口軟件等。美海軍通用軟件技術(shù)主要通過“通用源軟件庫”來實(shí)現(xiàn)軟件的通用和復(fù)用。宙斯盾系統(tǒng)基線9系列使用一個(gè)“通用源軟件庫”，其中軟件的重復(fù)利用率非常高，從先進(jìn)能力建設(shè)08到基線9A，到陸基宙斯盾基線9E，重復(fù)利用率都在97%～99%，其中新開發(fā)的軟件占比很少。

建設(shè)特點(diǎn)

由于背景、目標(biāo)、基本情況和面臨的問題有所不同，美國海軍和陸軍防空反導(dǎo)裝備體系中發(fā)展開放體系架構(gòu)技術(shù)的發(fā)展路徑上看各有特點(diǎn)。

美國海軍實(shí)施“開放體系架構(gòu)戰(zhàn)略”為美國海軍信息系統(tǒng)建設(shè)探索了一條極具特色的路徑。海軍涉及龐大的艦艇裝備群，面臨巨大的能力升級(jí)和裝備發(fā)展的壓力，因此主要采用了利用商業(yè)現(xiàn)貨、軟件重用庫的途徑，特點(diǎn)是以硬件發(fā)展更新為先同時(shí)帶動(dòng)可重用軟件的發(fā)展。

美軍宙斯盾系統(tǒng)采用通用軟件技術(shù)

一體化火控網(wǎng)絡(luò)鏈路示意圖

陸軍則主要面對(duì)裝備之間的信息隔絕和不暢等問題，采用了新研發(fā)的基于“開放體系架構(gòu)”的新型指控系統(tǒng)，將新老裝備通過“軟件中間件”“即插即用”技術(shù)集成在一起。其發(fā)展特點(diǎn)則是強(qiáng)調(diào)“模塊化開放系統(tǒng)方法”“綜合總線與集成”“標(biāo)準(zhǔn)接口即插即用”等軟件技術(shù)為先的軟硬件技術(shù)相結(jié)合的途徑開展相關(guān)工作。

綜合比較上述海軍和陸軍的兩條發(fā)展途徑可以看出，其相同的發(fā)展特點(diǎn)則都是以指控系統(tǒng)為抓手開展工作，這是由指控系統(tǒng)、信息系統(tǒng)以及開放體系架構(gòu)之間的天然的聯(lián)系所決定的一個(gè)特點(diǎn)。

采用開放體系架構(gòu)技術(shù)發(fā)展的武器系統(tǒng)在研發(fā)成本、研發(fā)周期、研發(fā)難易程度、武器系統(tǒng)裝備后的升級(jí)改進(jìn)和維護(hù)、全壽命周期總成本、武器系統(tǒng)可用狀態(tài)等諸多方面相比于傳統(tǒng)的封閉體系架構(gòu)發(fā)展方法都具有壓倒性的優(yōu)勢(shì)，因此新武器系統(tǒng)的發(fā)展，特別是以信息系統(tǒng)為核心要素的武器系統(tǒng)的研發(fā)途徑采用開放體系架構(gòu)構(gòu)建新系統(tǒng)是必由之路，是減少重復(fù)性工作的捷徑。

美國海軍和陸軍防空反導(dǎo)“開放體系架構(gòu)”應(yīng)用發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)表明，應(yīng)用開放體系架構(gòu)技術(shù)體制、商用現(xiàn)貨集成開發(fā)機(jī)制等信息技術(shù)應(yīng)用成功的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)實(shí)現(xiàn)防空反導(dǎo)系統(tǒng)快速集成和開發(fā)，在技術(shù)上是完全可行的，也是未來發(fā)展的總趨勢(shì)。不僅是在防空反導(dǎo)領(lǐng)域，目前開放體系架構(gòu)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用是向更多的武器裝備運(yùn)用，從大的防空反導(dǎo)系統(tǒng)到F-35戰(zhàn)機(jī)，甚至是小到無人機(jī)系統(tǒng)等。

結(jié)語

目前防空反導(dǎo)武器裝備研發(fā)過程中，開放體系架構(gòu)技術(shù)的應(yīng)用還處于初級(jí)階段。開放體系架構(gòu)技術(shù)在美國防空反導(dǎo)中的發(fā)展與應(yīng)用對(duì)武器系統(tǒng)裝備發(fā)展、作戰(zhàn)性能都將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。在防空反導(dǎo)體系這種高度信息化的裝備體系發(fā)展過程中，應(yīng)用開放體系架構(gòu)技術(shù)要從技術(shù)、管理、培訓(xùn)和綜合集成等多個(gè)層面綜合實(shí)施。