美海軍DDG-1000艦任務系統關鍵信息技術分析*

姜 艷 楊心武 吳 明 林 健

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

美海軍DDG-1000艦任務系統關鍵信息技術分析*

姜 艷1楊心武2吳 明2林 健2

(1.91404部隊 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逐艦DDG-1000的項目發展歷史、羅列了其十大關鍵技術,并介紹了其任務系統組成,重點分析了任務系統中所采用的全艦計算環境、多功能雷達、綜合水下作戰系統和全艦隱身設計四大關鍵信息技術。在此基礎上,從DDG-1000信息技術發展特點的角度對比分析了我海軍艦艇與其差距。

DDG-1000；任務系統；全艦計算環境；多功能雷達；水下作戰；隱身設計

(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水面作戰艦艇,DDG-1000任務系統在船體結構和材料、推進系統、電力系統、船舶輔助系統、作戰系統等方面采用了眾多先進的技術。作戰系統的改進在該項目中占據最主要的部分,而信息技術又是作戰系統中使用最為重要和廣泛的技術之一。

2 DDG-1000項目背景

DDG-1000是美國海軍為應對在21世紀中將會面臨的各種威脅而建造的多任務水面戰斗艦艇,在對陸攻擊、減少船員、增強機動性和降低外部特征等方面做了諸多改進。自20世紀90年代初美國海軍啟動DDG-1000項目以來,該項目經歷了一系列曲折的歷程。其中,一些重要的時間節點包括[1-2]：

1992年,美國海軍提出“21世紀驅逐艦技術研究”的概念,該概念被納入美國海軍新一代水面作戰艦艇框架之中,即“21世紀水面作戰”(Surface Combatant of 21th Century, SC-21)。1997年,該項目正式立項,并更名為“DD-21”,以體現出面向21世紀的驅逐艦；2000年,該型艦的首艦被命名為“朱姆沃爾特”號,以紀念同年去世的美國上將朱姆沃爾特。2001年11月,由于經費原因,美國防部宣布停止DD-21計劃,隨后以DD(X)計劃取代之。2002年4月,美國海軍確定由諾斯羅普·格魯曼公司擔當DD(X)的主承包商。2006年4月,DD(X)的項目代號改為DDG-1000,標志著該級艦的論證已基本結束,進而轉入施工設計和建造階段。2008年7月,同樣由于經費原因,美國海軍終止了“朱姆沃爾特”級的批量建造計劃(最初預計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)計劃分別于2015年、2016年和2018年交付海軍,但受復雜技術問題影響,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艦,DDG-1000凝結了全新研發的最頂尖的科技結晶,本級艦從艦體設計、機電動力、指管通情、網絡通信、偵測導航、武器系統等方面突破了多項技術難關。其中,美國海軍總結出十大關鍵技術并指定承包商通過工程發展模型進行實際測試,如圖1所示。這十大關鍵技術包括：

圖1 DDG-1000十大關鍵技術

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

2) 先進艦炮系統(Advanced Gun System, AGS)

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

4) 全艦計算環境(Total Ship Computing Environment, TSCE)

5) 多功能雷達(Multi-function Radar, MFR)

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

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

8) 紅外線模型(IR Mockups)

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

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

在單個新研艦艇上同時采用如此多的新技術在美國海軍造船史上實屬罕見,它違背了美國海軍關于在新研艦艇上采用新技術的數量限制在2～3個的設計原則,同時也反映出美國海軍新的權衡策略。

3 DDG-1000任務系統組成

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

DDG-1000的任務系統的主要分系統包括[4]：

1) 外部通信系統(EXCOMMS)

作為DDG-1000的C3I系統的一部分,外部通信系統為DDG-1000執行任務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、數據和視頻通信。外部通信系統由衛星通信、視距通信、海軍通用數據鏈、信息安全、通用陣列單元、協同作戰處理、集成通信控制軟件等七部分組成。

2) 多功能雷達(MFR)

多功能雷達使DDG-1000獲取對海和對空優勢,支持近距離壓制敵方水面艦艇和飛機。多功能雷達為X波段(AN/SPY-3)相控陣雷達,采用通用信號處理設備,可提供水面水平搜索以及空中三維坐標搜索能力。X波段雷達一部分支持導航功能,具備高功率和低功率兩種導航模式。

3) 敵我識別(IFF)

敵我識別用于防空作戰和反艦作戰任務,與詢問及應答系統協同工作,用于快速進行友方作戰平臺身份識別、跟蹤和控制。敵我識別包括三部分硬件：詢問單元、應答單元和電掃描天線單元以及相應的軟件。

4) 綜合水下作戰系統(IUSW)

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

5) 光電/紅外系統(EO/IR)

光電/紅外傳感器包括軟件和硬件兩部分,用于C2系統偵察、測距特定目標以及報告航跡,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的電子模塊設備組成,另外還包括內嵌于C2系統中的控制和生成航跡的偵察和跟蹤軟件、目標檢測算法等。

圖2 DDG-1000任務系統組成框圖

6) 艦船控制系統(SCS)

艦船控制系統也叫艦船域控制系統(SDC),它為DDG-1000艦員提供分級、集成的艦船平臺控制軟硬件。SCS軟件架構允許分級進行自動化監視、控制和配置SCS設備,從而降低人員需求。從艦橋或艦船任務中心,SCS可為DDG-1000協調、控制和監視導航、動力、電力、機械等裝置,另外還具備損管控制功能。

機電控制系統(ECS)是SCS的一部分,是一個相當先進和高度集成的機電設備控制系統。ECS在層次上支撐SCS為作戰系統提供艦船機動和電力,其主要由三個部分組成：綜合電力系統(IPS)控制、自動損管(ADC)和輔機控制系統(ACS)。ECS是一個分布式實時控制系統,用于自動監視和控制DDG-1000機電設備,實現電力自動化和輔機控制自動化。ECS采用網絡分布式控制單元(DCU)和遠程終端單元(RTU)作為與全艦船機電設備之間的接口,用于監視和控制傳感器、執行機構、接觸器和電力設備等。

7) 先進艦炮系統(AGS)

先進艦炮系統是一個全自動、垂直裝彈、穩定的155mm單管艦炮系統,能夠按照存儲、初始化/可編寫的程序填裝和發射彈體以及推進裝藥。其主要任務是對陸攻擊作戰,可以在DDG-1000濱海交戰范圍內精確、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——Mount 61和62。兩套系統的配置在甲板之上完全相同,但在甲板下稍有區別。

8) 垂直發射系統(MK57 VLS)

MK57垂直發射系統是一個通用的、無人操作的導彈發射系統,能夠自動填裝、準備和發射導彈以支持DDG-1000的任務執行,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發射系統從甲板下對80個發射單元填裝導彈,可瞄準水面360°半球范圍內任意目標。

9) 近程艦炮系統(CIGS)

近程艦炮系統可以幫助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。CIGS也可以支援軍事行動,比如海上封鎖、海上執法或人質營救。兩套CIGS安裝在船艉懸掛裝置處。炮塔上裝有機關炮(MK44 MOD 2)和一套先進的發射控制系統,包括彈道解算計算機、電光傳感器、人眼安全激光測距儀。系統使用前視紅外傳感器、低光電視攝像機、人眼安全激光測距儀以及一套閉環跟蹤系統來提高精度,以應對小型高速目標。系統可在本地炮塔內操作,或者在作戰信息中心的遠端艦炮站操作員面板遠程操作。MK44 MOD 2是一款單管、開放式槍栓、雙補給、電力供電、鏈條驅動的機關炮。彈藥庫可容納424發炮彈,雙補給方式支持射速200發/分鐘。

10) 協同作戰能力(CEC)

CEC為具備集成火控能力的傳感器網絡。裝備有CEC的實時協同作戰平臺,可通過實時、視距、高速的分布式網絡來共享各平臺防空搜索傳感器獲取的協同監測數據,能夠有效提高防空和反導作戰能力。CEC采用精確定向通信,具備很強的抗干擾能力。各協同作戰平臺采用獨立的高容量并行處理算法來融合傳感器數據,形成一個高質量跟蹤態勢。CEC數據可看作為由各單個協同作戰平臺防空反導傳感器最大能力的總集合,并且將其輸入到每個協同作戰平臺的武器系統。CEC極大地提高戰斗防御縱深,包括針對本地和區域的現行及未來空中導彈威脅。

11) 全艦計算環境(TSCE)

全艦計算環境(TSCE)提供DDG-1000所有的計算資源及相關軟件。TSCE為艦船平臺、作戰系統和支撐保障系統提供單個計算環境,為應用/功能系統軟件提供中間件平臺,用于建立和執行其功能。TSCE應用軟件、硬件和軟件基礎設施一同構成計算資源的絕大部分。

12) 綜合電力系統(IPS)

DDG-1000的綜合電力系統(IPS)由四臺大功率燃氣輪機發電,產生供推進系統、艦船服務和作戰系統所需的電力,輸出電功率可達78MW以上,遠超美軍現役主力驅逐艦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上還應用了通用陣列電源系統(CAPS)和通用陣列冷卻系統(CACS)。CAPS完成全艦集成電力系統的船用電壓到其它設備供電電壓轉換,支持對多功能雷達、敵我識別、電子戰、密碼、外部通信等多種分系統供電。CAPS是一套分布式電力系統,包括兩套配電設備和四套變電設備。CACS為多功能雷達、外部通信系統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,冷卻設備分為三個獨立部分,每部分冷卻回路可單獨操作,包括冷媒輸送至雙波段雷達和外部通信設備以及對其的監視和控制。冷卻設備由冗余設計的泵、一個熱交換器和過濾系統組成。

通過上述先進技術和系統的應用,DDG-1000戰技性能大幅提高,相比美國海軍現役主力驅逐艦DDG-51,其在火力支援和防御反艦巡航導彈方面的能力提升了3倍,整體雷達反射截面積(RCS)減少了50倍,綜合防御能力是DDG-51的10倍,淺水域對抗水雷的作戰范圍也增大了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任務系統關鍵信息技術

在DDG-1000的十大關鍵技術中,與任務系統中信息部分緊密相關的技術包括全艦計算環境(TSCE)、多功能雷達(MFR)、綜合水下作戰系統(IUSW)和全艦隱身設計(穿浪型內傾船舷艦體、集成復合材料艦島與孔徑和紅外線模型結構)四項關鍵技術。

4.1 全艦計算環境(TSCE)

全艦計算環境(TSCE)基于高性能的計算、實時/非實時的面向服務體系架構(Service-Oriented Architecture, SOA)、實時發布訂閱(Data Distribution Service for Real-Time System,DDS RT)、虛擬化、一體化網絡等商用成熟的技術實施集成,完成DDG-1000上的偵察探測、指揮控制、通信、導航、損管、動力、機電等信息系統的全部處理運算。全艦計算環境的應用使得美國海軍艦船信息系統從傳統的分系統拼裝式集成轉變為基于集中計算的開放式集成模式,是艦船信息系統體系結構和集成方式的根本性變革[5]。

1) TSCE體系架構

TSCE符合五級開放式體系結構,由硬件設備層、操作系統層、分布式中間件層、服務接口層、各類子系統應用軟件以及資源管理等構成,共同形成一個開放的、虛擬的計算環境,如圖3所示[6-8]。

硬件設備層采用商用成熟的符合IEEE、TIA、IETF標準的計算、存儲、顯示、網絡、交換機、電纜等產品,這些設備共同構成了TSCE的計算和網絡基礎。

操作系統層運行在硬件層的計算機上,采用了符合POSIX標準的操作系統和驅動程序,包括Linux、Lynx和Windows等操作系統。

中間件層位于操作系統層和應用程序層之間,用于這兩層之間的消息通信和資源共享,并可實現業務的快速響應。中間件采用了對象管理組織(OMG)發布的規范和標準,例如公共對象請求代理機構(COBRA)和數據分發服務(DDS)[9]。

公共服務層為上層應用提供信息交互、處理和管理等軟件服務,例如時間同步、數據記錄、輸入/輸出控制和電源管理等。

應用層面向用戶提供作戰任務的操作界面和支持,在DDG-1000上,應用軟件包括顯示、傳感、武器、訓練、指控、外部通信等應用方面。

另外,在管理層面,全艦計算環境具備強大的資源管理功能,可對硬件層、操作系統層、中間件層以及應用層進行實時監控、向全艦發布系統實時狀態、統籌和規劃全艦指控資源,保證資源動態實時分配。

圖3 TSCE體系結構

2) TSCE基礎設施

TSCE基礎設施包括電子模塊化封裝箱(EME)、分布式適配處理器、網絡設備、人機接口設備等幾個部分。

電子模塊化封裝箱(EME)通過體積巨大、堅固的封裝箱將由商用現貨(COTS)硬件組成的任務系統電子設備與外部海上環境隔離,包括沖擊、振動、電磁干擾和電磁脈沖等環境。同時,EME提供對商用貨架設備正常工作所需的物理保護、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,內部容納了IBM刀片服務器、機柜及配套設備[10]。

圖4 電子模塊化封裝箱(EME)

分布式適配處理器(DAP)是TSCE與其它應用系統信息交互的“網關”,包括接口硬件和軟件兩部分。DAP利用工控機或單板計算機實現,可以支持多種標準的接口適配和協議轉換,具有較強的接口擴展能力。圖5分別為嵌入式和網關式的DAP。

圖5 分布式適配處理器(DAP)

TSCE的網絡包括有線網絡、無線網絡以及其上運行的軟件幾部分組成,可提供語音、視頻、數據的傳輸和交換以及內部監控等功能,實現了戰術和非戰術網絡的一體化,并提供安全、可靠的網絡通信服務。TSCE有線網絡采用了基于光纖網絡的“核心+接入”兩層結構,包括3臺核心交換機(30G帶寬)和20多臺接入交換機(10G帶寬),圖6展示了TSCE與機電控制系統(ECS)的兩層網絡連接結構。

圖6 TSCE網絡與ESC網絡

人機接口設備為可支持顯示和應用分離的標準顯控臺,可以實現在任意位置顯示需要的信息,而不受顯示設備的限制。顯控臺包括顯控終端和人機接口服務組件,并提供人機交互界面。人機接口設備的設計為艦上靈活分配操作員、戰位功能或任務提供了便捷性。圖7顯示了DDG-1000任務中心和艦橋使用的3屏顯控臺以及觸摸屏設備。

圖7 人機接口設備

TSCE以開放式體系架構為框架、以基礎設計為平臺搭建的計算支持,能夠很好地解決艦上傳感、武器、訓練、指控、通信等分系統在集成時的“煙囪”問題,實現各分系統應用軟件計算資源的統一調度和管理。通過這種開放式的集成模式替代以往的分系統拼裝式集成模式,可使系統獲得易升級、可重構、免維護、更強的生命力、更高的自動化能力以及更少的人員配置需求等優勢。

4.2 多功能雷達(MFR)

DDG-1000最初設計的主要雷達系統為雙波段雷達系統(Dual Band Radar,DBR),包括由雷神開發的X波段多功能雷達(Multi-Function Radar,MFR)AN/SPY-3和洛克希德·馬丁開發的S波段遠程廣域搜索雷達(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部雷達的功能,并且還支持導航功能。VSR主要完成遠程空域搜索,在MFR進行目標照射時,VSR也可進行低空搜索,實現雷達資源的合理分配,達到精確跟蹤的目的。MFR和VSR兩者配合使用,滿足艦上需要的雷達功能,包括對空/平面搜索、早期預警、防空自衛及對海對地作戰所需的跟蹤/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(DBR)工作概念圖

雙波段雷達系統組成如圖9所示,陣面天線設計和信號處理是該型雷達最重要的組成部分。

1) 陣面天線

在雷達陣面天線設計方面,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、雷達偵測距離和解析度的顯著降低,因此,絕大多數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,但為了確保目標通過兩面天線波束交界時仍能有效持續跟蹤,一般相控陣雷達將單面天線的掃瞄方位角限制在90°,所以傳統艦船多采用四面天線陣。而DDG-1000的MFR與VSR采用三面天線的構型,單面天線的波束覆范圍幾乎達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上已經實現突破,可以讓掃瞄方位提升到天線實體能力的理論上限。另一方面,減少一面天線就意味著減少25%的體積重量,同時也控制了系統成本。

圖9 雙波段雷達系統組成

2) 信號處理

在信號處理方面,DBR系統使用IBM商用現成超級計算機進行控制與信號處理,高性能COTS服務器利用雷達和數字信號處理技術進行信號分析,包括通道均衡、雜波濾波、多普勒處理、脈沖編輯,并可執行多種先進電子保護算法。數據處理器處理作戰系統的指令,包含資源管理器、跟蹤器以及指控處理器。IBM公司的超級計算機也被整合在模塊化電子封裝箱(EME)中。由于共用同一臺計算機處理,兩波段雷達能夠同步工作,充分發揮各自的功能,使任務分配、功率輸出、頻率/頻帶、波形/波束形成、雷達輻射、跟蹤質量等達到最佳狀態。另一方面,利用商用現成系統可降低開發成本,提高系統可靠性與可維護性。

2010年6月,美國國防部因為海軍沉重的預算壓力,為節省成本決定刪去DDG-1000的VSR雷達系統,只保留MFR。由于取消VSR,AN/SPY-3雷達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同作戰能力(CEC)后彌補。

4.3 綜合水下作戰系統(IUSW)

DDG-1000的水下作戰系統在最初立項時被稱為IUSW-21計劃,2002年9月后開展了海上試驗,試驗設備安裝在現役驅逐艦上,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水面搜索雷達以及先進的寬帶處理器等。IUSW-21計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的綜合水下作戰系統(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、輕型寬頻可變深度聲納(LBVDS)、直升機載吊放聲納、投送式探溫儀、拖曳魚雷對抗系統、水下聲學對抗系統(可對敵方魚雷聲納進行雜音干擾或制造假目標)和相關的數據傳感裝置以及軟硬件等。整套AN/SQQ-90的電子設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,節省了安裝與測試時間,減少整套設備的體積與重量,還可獲得最佳的電力供應和冷卻效率[12]。

綜合水下作戰系統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)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,能夠支持在行進中規避水雷攻擊,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)采用了稀疏陣技術和模塊化結構,由多個不同頻段模塊組成。AN/SQR-20具有遠距離被動探測、噪聲測向、跟蹤和識別功能,可以支持反潛戰、魚雷防御報警接收、水面艦艇遠距離探測等任務。其海上應用場景主要是執行大范圍遠距離初始探測,并引導艦載反潛直升機迅速飛往目標區域,再使用機載探潛設備對潛艇實施精確定位。相對于上一代AN/SQR-19系統,AN/SQR-20具有更大的覆蓋范圍,更高的探測性能和可靠性,采用了模塊化設計,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計,采用了新型高能量密度材料制作發射換能器,信號產生和處理頻率可覆蓋1～6kHz,探測距離達12～15海里。LBVDS采用寬帶波形和相應的處理算法,可抑制混響和淺水有源聲學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,即在拖纜上布置溫度傳感器,能夠實時測量不同深度的海水溫度,為自適應處理工作創造了基礎,從而進一步提高自動化水平。另外,LBVDS還具有快速定位、高可靠、低虛警率等優點。

2) 系統特點

(1)多功能集成

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

(2)自動化設計

AN/SQQ-90采用自動化技術和獨特的信息管理技術,使整個系統達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術響應來提示操作人員如何注意和分析水下作戰狀況。相比于傳統聲納系統中在噪聲干擾下尋找目標的過程耗費聲納操作員大量精力的現狀,AN/SQQ-90系統可以自動對目標進行分類識別,提供各種目標的優先等級,操作員在此基礎上根據戰術和環境狀況做決策。由于自動化水平的提高,AN/SQQ-90所需的操作人員數量只有宙斯盾艦使用的AN/SQQ-89的1/3。

(3)協同工作

美國海軍網絡中心反潛戰概念最主要的要求之一是盡早發現敵方潛艇,在編隊中形成共享的統一態勢圖像,并由處于最合適位置的作戰平臺實施對潛攻擊。AN/SQQ-90系統采用未來作為美國海軍通用標準的開放式系統架構,與DDG-1000艦上同樣采用開放式結構的作戰系統和多傳感器系統相互結合,可以實現反潛作戰指揮、武器控制以及與反潛直升機的協同作戰,具備自動水下目標探測、識別、跟蹤、定位和攻擊的能力。例如,在一種協同反潛工作模式中,LBVDS與AN/SQR-20可以協同工作。通過固定于艦體的LBVDS發射主動聲波信號,并由拖曳的AN/SQR-20負責接收回波進行處理,能夠實現對一些停機潛艇進行主動探測,從而彌補被動探測效率不高的缺陷,同時能夠縮短作戰反應時間。據稱,這種組合效能超過現有SQR-19的10倍。

4.4 全艦隱身設計

DDG-1000全艦隱身設計主要體現在針對雷達隱身的集成復合材料艦島與孔徑設計、針對紅外隱身的紅外線模型設計和針對聲學隱身的穿浪型內傾船舷艦體設計三個方面。

1) 雷達隱身

為實現雷達隱身,在上層建筑方面,DDG-1000采用了集成復合上層建筑和孔徑結構(ICDHA)的一體化成型結構,整體造型由下往上向內收縮,并且將雷達、通信等天線集成于該一體化上層建筑中,實現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,該上層建筑結構采用重量輕、強度高、雷達反射性低且不會銹蝕的復合材料制造。上述措施使得DDG-1000獲得了極低的雷達反射截面積(RCS)。另外,在整個船體方面,由于采用穿浪型內傾單體船型,艦炮也采用隱身設計,全艦隱身性能得到顯著增強。通過這一系列隱身設計,但其雷達截面積僅有一艘數百噸的漁船大小,在海上作業時被發現的機率低于10%。

2) 紅外隱身

在針對紅外輻射特征控制方面,DDG-1000對能產生紅外輻射的廢氣進行了特殊的處理。首先將由動力系統排出的廢氣先經過海水和空氣冷卻,然后由集成上層建筑主機煙囪頂部排煙口排出。排煙口被設計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沖刷冷卻船身的熱點,以減少熱訊號,進一步降低全艦紅外輻射特征。

3) 聲學隱身

在噪聲控制方面,DDG-1000將其動力系統安裝于減震浮筏上,可減小發動機振動噪聲,從而降低被潛艇聲納發現的機率。另外,DDG-1000的船體外形被設計為低阻力的穿浪體型,并且采取多種先進的減振降噪措施,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關鍵信息技術分析,并對比我國海軍發展現狀,我國海軍艦艇在信息基礎設施、系統集成、架構設計和隱身設計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短,進一步提升我海軍艦艇的戰斗力。

1) 信息基礎設施

DDG-1000的處理機柜和顯控臺根據作戰系統、機械、電氣、通信等專用的不同進行了分類標準和通用化,可以使得海軍使用標準軟件和商用貨架(COTS)硬件時獲得持續增強的能力。DDG-1000采用了標準的模塊化電子封裝箱(EME),為數據處理設備提供了安全的工作環境,通過可靈活布置的適配設備連接各個分系統,支持常用的工業現場總線接口,人機接口采用標準的顯控臺。DDG-1000網絡基礎設施采用了“核心+接入”兩層光纖以太網,實現全艦戰術和非戰術網絡的一體化。

我海軍艦艇在顯控臺方面雖然實現了標準化,但人機工程方面還需進一步優化。各數據處理設備分散獨立,保護方面尚無電子封裝箱式的安全措施。網絡方面已經初步實現了作戰、艦船控制和通信網絡的融合,但尚未實現一體化,且基于安全和管理上的因素,戰術和非戰術網絡沒有融合。建議我海軍艦艇研制單位借鑒DDG-1000的基礎設施措施,取長補短,為艦載信息系統和設備建立良好的公共基礎設施環境。

2) 信息系統集成

美國是軍事信息系統集成的最先倡導者,其軍事信息系統經歷了C2—C3—C3I—C4I—C4ISR(C4ISR分別指指揮、控制、通信、計算、情報、監視、偵察)的發展歷程,其最明顯的發展特點是將各個功能逐一進行綜合集成[13]。DDG-1000采用的全艦計算環境(TSCE)打破了以往的“煙囪式”系統結構,以同一計算資源橫向集成了通信、雷達、偵察、對抗、導航、武器、平臺控制、訓練等多個任務系統的終端應用,以統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、接口、協議等,構建一個能夠供外部各種終端應用軟件運行、操控和顯示的軟環境。并且,以TSCE為基礎,其外部顯控臺和人機界面接口也進行了集成優化,任何一個顯控臺都與其它顯控臺互為備份,減少了戰位和人員。這些集成措施是突破性的,極大地節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化上面開展了不少探索,但仍未打破傳統的體系架構。在計算資源和網絡資源共享方面,在全艦基礎設施、接口標準化、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合信息系統承制單位加強標準規范的應用,提高信息裝備的兼容性,為下一步信息系統集成奠定基礎。

3) 開放式架構

DDG-1000在TSCE系統結構上采用了開放式的體系架構,層與層、模塊與模塊之間通過標準的接口和協議進行交互或互聯。這種設計的好處是,當技術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的體系架構很多借鑒了商業標準和趨勢,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,系統重構能力和多變的任務適應性。

我海軍在開放式架構方面開展過一些推進工作,艦上應用業務和底層網絡嘗試按照標準的計算機網絡分層設計,但是由于一些舊有“煙囪”系統的采用和用戶使用習慣難以改變等原因,導致開放式架構進展緩慢。建議海軍從頂層全局考慮,推廣適合開放式架構的應用模式,以發揮開放式架構的巨大優勢。

4) 艦面隱身設計

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、孔徑共用技術盡可能減少天線數量,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(MFR)就涵蓋了多部傳統雷達以及導航功能。并且,可以推測,DDG-1000的衛通天線也實現了陣面化。

我海軍最新艦艇也逐步嘗試了艦面共形設計,實現了超短波、塔康敵我識別等天線的共形安裝,但短波和衛通兩方面在天線設計上仍然存在難點,短波天線依舊為鞭天線,衛通天線依舊為拋物面天線,建議在短波天線共形設計和衛通天線陣面化方面開展重點研究。

6 結語

美海軍DDG-1000在艦載信息系統集成上提出了全艦計算環境、多功能雷達、綜合水下作戰系統和隱身設計等多種信息技術概念,應用了集成優化、開放式體系架構、共形設計等設計原則,使得全艦在信息化水平上獲得質的飛躍。本文針對上述關鍵技術進行詳細分析,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為借鑒,結合我軍實際應用需求,推進我國海軍艦艇的信息化水平。

[1] Joseph J. Oravec, DDG-1000 Missile Integration: A Case Study[D]. Monterey: Thesis of Naval Postgraduate School, Monterey, California, March, 2014.

[2] Ronald O'Rourke. Navy DDG-51 and DDG-1000 Destroyer Programs: Background and Issues for Congress[R]. Congressional Research Service Report, May 20, 2016.

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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。楊心武,男,博士,工程師,研究方向：艦船通信系統設計和開發。吳明,男,博士,高級工程師,研究方向：艦船通信系統。林健,男,碩士,工程師,研究方向：艦船通信系統設計和開發。

TP393.09

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.12.004