一體化集成電子信息系統(tǒng)體系發(fā)展研究

吳少鵬

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引 言

電子信息系統(tǒng)將面臨日趨復(fù)雜任務(wù)環(huán)境和具有更為多樣化應(yīng)用功能的特點(diǎn)，對(duì)電子信息系統(tǒng)的復(fù)雜環(huán)境多維感知能力、多源信息協(xié)同認(rèn)知能力、信息多維應(yīng)用能力等體系能力提出了更高的要求，因此以極大發(fā)揮各種獨(dú)立電子信息功能的體系化綜合使用效能的電子信息系統(tǒng)的集成一體化、功能一體化、應(yīng)用一體化的集成電子信息系統(tǒng)已成為發(fā)展趨勢(shì)。通過探討未來(lái)一體化集成電子信息系統(tǒng)的體系概念、功能趨勢(shì)、技術(shù)特點(diǎn)及主要關(guān)鍵技術(shù)等，本文提出一種一體化集成電子信息系統(tǒng)發(fā)展的新形態(tài)，以試圖為一體化集成電子信息技術(shù)發(fā)展提供參考。[1-2]

1 一體化集成電子信息系統(tǒng)體系基本概念與特點(diǎn)

1.1 一體化集成電子信息系統(tǒng)基本概念研究

一體化集成電子信息系統(tǒng)是集探測(cè)偵察、通信交互、干擾對(duì)抗、識(shí)別認(rèn)知、評(píng)估預(yù)測(cè)、輔助決策、控制指揮并可功能拓展的多維度一體化集成和信息一體化關(guān)聯(lián)生成的電子信息系統(tǒng)。

一體化集成電子信息系統(tǒng)可以綜合各種電子信息功能的信息，通過集成共享全維度信息和充分關(guān)聯(lián)挖掘和預(yù)測(cè)，極大發(fā)揮體系化綜合應(yīng)用效能。其主要技術(shù)內(nèi)涵是針對(duì)各種功能信息產(chǎn)品生成需求，在寬開頻譜/光譜/聲譜、中頻信號(hào)、各功能信號(hào)等多層面進(jìn)行基于信息挖掘的同類信息深度融合、異類信息深度關(guān)聯(lián)和多層面的深度印證，同步生成多自由度、體系化的多種功能信息及其輔助決策控制和效能評(píng)估等應(yīng)用信息，以提高全維度信息質(zhì)量，適應(yīng)扁平化高效電子信息應(yīng)用的效能要求。[3-4]

1.2 一體化集成電子信息系統(tǒng)體系能力特點(diǎn)分析

(1) 充分利用當(dāng)今浩瀚空間豐富的各類人為和非人為方式直接或間接所產(chǎn)生或?qū)е碌漠愵愲姶怒h(huán)境特征信息，通過將隱性知識(shí)顯性化，挖掘生成可直接應(yīng)用或間接關(guān)聯(lián)以提高應(yīng)用效能的電子信息產(chǎn)品。

(2) 針對(duì)獲取的不同功能特定信息，進(jìn)行多維深度的同類信號(hào)融合、異類信號(hào)關(guān)聯(lián)印證和挖掘認(rèn)知，以提升電子信息應(yīng)用的正確性。

2 一體化集成電子信息系統(tǒng)能力體系發(fā)展趨勢(shì)

一體化集成電子信息系統(tǒng)能力發(fā)展總體趨勢(shì)見圖1。

圖1 一體化集成電子信息系統(tǒng)能力發(fā)展總體趨勢(shì)

2.1 一體化集成電子信息系統(tǒng)類型發(fā)展趨勢(shì)

基于平臺(tái)和應(yīng)用特點(diǎn)一般可分為3類，即射頻集成一體化、綜合集成一體化和協(xié)同集成一體化。

(1) 射頻集成一體化 主要用于機(jī)動(dòng)平臺(tái)，為系統(tǒng)性獨(dú)立裝備。主要以共用射頻系統(tǒng)、多功能綜合集成、系統(tǒng)資源智能化分配調(diào)度與共享、多源信息數(shù)字化和軟件化綜合處理及聯(lián)合運(yùn)用為特征，并可解決現(xiàn)平臺(tái)有限狹小空間各種獨(dú)立功能系統(tǒng)天線林立導(dǎo)致的電磁兼容難和平臺(tái)物理隱身性能低等問題。與其他類型一體化集成電子信息系統(tǒng)的典型區(qū)別特征是天線共孔徑、射頻共通道、射頻信號(hào)共形式。

(2) 綜合集成一體化 主要用于具有多獨(dú)立傳感器的集中平臺(tái)/站，為多傳感器前端平臺(tái)內(nèi)分布、后端集成一體化處理的系統(tǒng)裝備。傳感器前端的高度集成會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部電磁兼容難度，與其他類型一體化集成電子信息系統(tǒng)的典型區(qū)別特征是多傳感器天線綜合、中視頻后進(jìn)行集成處理。

(3) 協(xié)同集成一體化 主要應(yīng)用于多平臺(tái)/多站點(diǎn)/多基協(xié)同體系化裝備。主要以跨域資源智能化分配調(diào)度為基礎(chǔ)，在共同空間覆蓋范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)基于多同類和異類和多視角傳感器的多功能信息深度綜合，以完成各種功能信息生成與聯(lián)合決策運(yùn)用等為特征。其典型區(qū)別特征是天線前端為跨域跨平臺(tái)分布和多源信息一體化集成處理。

2.2 一體化集成電子信息系統(tǒng)集成維度發(fā)展趨勢(shì)

一體化集成電子信息系統(tǒng)集成維度發(fā)展主要體現(xiàn)在各種功能前端橫向維度的一體化集成和信息處理、綜合、研判、決策、指揮等的后端縱向維度一體化集成。

(1) 前端橫向維度集成一體化

對(duì)于射頻集成一體化電子信息系統(tǒng)，其前端橫向維度集成一體化主要是將由物理層面的各種功能多頻段天線和射頻通道集成為天線全頻段共孔徑、射頻共通道的一體化前端。主要體現(xiàn)在多頻段、多光譜、多極化和適應(yīng)多功能不同需求的同時(shí)收發(fā)、空間波束綜合等的全頻段共孔徑天線，及其射頻多信號(hào)形式的共通道同時(shí)傳輸與接收。

對(duì)于綜合/協(xié)同集成一體化電子信息系統(tǒng)，其前端橫向維度集成一體化主要是實(shí)現(xiàn)分布式前端的天線綜合、空間波束協(xié)同應(yīng)用、虛擬共射頻通道等的一體化前端，主要體現(xiàn)在多頻段、多光譜、多極化和適應(yīng)多功能不同需求的同時(shí)收發(fā)、空間覆蓋的功能協(xié)同綜合。

(2) 后端縱向維度集成一體化

后端橫向維度集成一體化是實(shí)現(xiàn)多源信息綜合挖掘和信息應(yīng)用的關(guān)鍵。其主要發(fā)展趨勢(shì)是將各類傳統(tǒng)傳感器功能、傳感器綜合控制、統(tǒng)一態(tài)勢(shì)、輔助決策、控制指揮、信息應(yīng)用評(píng)估等向集成一體的方向發(fā)展，主要體現(xiàn)在基于多功能信息綜合的按需歸納信號(hào)生成，以及多功能信息化綜合應(yīng)用。

2.3 一體化集成電子信息系統(tǒng)功能集成發(fā)展趨勢(shì)

一體化集成電子信息系統(tǒng)功能將向多領(lǐng)域、多功能、多應(yīng)用方向發(fā)展。除戰(zhàn)術(shù)功能外，將向環(huán)境監(jiān)測(cè)、天氣觀測(cè)、氣象預(yù)測(cè)、空中管制、航行管理、區(qū)域管控、異常預(yù)報(bào)，以及廣域互聯(lián)互通、多種作業(yè)支持等功能拓展。

針對(duì)電磁波具有全天候、全時(shí)空、范圍廣、距離遠(yuǎn)，光波具有精度高、功耗低、識(shí)別能力強(qiáng)，聲波具有不受電磁波影響、隱蔽性好、復(fù)雜地形適應(yīng)性強(qiáng)等的各自特點(diǎn)，一體化集成電子信息系統(tǒng)將向聲光電一體的廣域感知、認(rèn)知和應(yīng)用，即空間信號(hào)類型全覆蓋的方向發(fā)展。

電子信息的戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)一體化是適應(yīng)現(xiàn)代應(yīng)用需求的功能集成方向。一體化集成電子信息系統(tǒng)將向擴(kuò)展對(duì)戰(zhàn)略信息的保障，特別是超遠(yuǎn)程戰(zhàn)略監(jiān)視、早期預(yù)測(cè)和報(bào)警、體系對(duì)抗與應(yīng)用等提供信息支持。

3 一體化集成電子信息系統(tǒng)技術(shù)能力發(fā)展趨勢(shì)

一體化集成電子信息系統(tǒng)技術(shù)能力發(fā)展趨勢(shì)見圖2。

圖2 一體化集成電子信息系統(tǒng)技術(shù) 能力發(fā)展趨勢(shì)示意圖

3.1 技術(shù)形態(tài)發(fā)展趨勢(shì)

基于電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，一體化集成電子信息系統(tǒng)的技術(shù)形態(tài)應(yīng)向著數(shù)字化、軟件化、虛擬化、計(jì)算化的方向發(fā)展。

向射頻數(shù)字化的發(fā)展為一體化集成電子信息系統(tǒng)功能重構(gòu)等能力發(fā)展提供基礎(chǔ)。系統(tǒng)的軟件化將為高度自適應(yīng)任務(wù)適配、多功能算法動(dòng)態(tài)重建等提供關(guān)鍵能力。系統(tǒng)的虛擬化是在物理結(jié)構(gòu)上無(wú)法區(qū)分探測(cè)、偵察、通信等各種功能單元的虛擬多功能一體化系統(tǒng)技術(shù)形式，是多源信息綜合關(guān)聯(lián)以形成各功能信息產(chǎn)品的關(guān)鍵。而計(jì)算化是全維功能智能化按需重構(gòu)、信息按需智能化認(rèn)知與預(yù)測(cè)的核心技術(shù)形態(tài)。

3.2 技術(shù)能力發(fā)展趨勢(shì)

一體化集成電子信息系統(tǒng)的技術(shù)能力將向著基于知識(shí)的自適應(yīng)到基于認(rèn)知的智能化的方向發(fā)展。基于知識(shí)的自適應(yīng)技術(shù)的典型特征是基于已知環(huán)境信息知識(shí)，優(yōu)選工作方式，即通過對(duì)一體化集成電子信息系統(tǒng)的工作方式和處理模式的自適應(yīng)優(yōu)選，如雷達(dá)、通訊、電子對(duì)抗等自適應(yīng)變頻方式等，可以實(shí)現(xiàn)基于現(xiàn)有環(huán)境和系統(tǒng)能力的優(yōu)化工作和處理模式。基于認(rèn)知的智能化技術(shù)的典型特征是基于對(duì)現(xiàn)有和以往知識(shí)，通過對(duì)信息的挖掘、推理和預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)最佳和超前的最優(yōu)工作和處理模式。

4 一體化集成電子信息系統(tǒng)基于計(jì)算的虛擬化技術(shù)體系發(fā)展架構(gòu)

一體化集成電子信息系統(tǒng)基于計(jì)算的虛擬化技術(shù)體系發(fā)展架構(gòu)見圖3。

基于電子信息系統(tǒng)軟件化技術(shù)的發(fā)展和對(duì)智能化技術(shù)研究的不斷深入，未來(lái)一體化集成電子信息系統(tǒng)技術(shù)體系架構(gòu)主要有傳感器前端、公共計(jì)算與顯控環(huán)境、應(yīng)用軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)等組成，系統(tǒng)物理統(tǒng)一架構(gòu)可虛擬化為不同功能裝備形態(tài)。

一體化集成電子信息系統(tǒng)基本技術(shù)流程是由傳感器前端面向電磁空間收發(fā)各種人為和非人為方式直接或間接所產(chǎn)生或?qū)е碌碾姶判盘?hào)，輸出至公共計(jì)算與顯控環(huán)境。在公共計(jì)算與顯控環(huán)境上，在數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的歷史知識(shí)庫(kù)、算法資源庫(kù)、應(yīng)用模式庫(kù)等數(shù)據(jù)的支持下，按需應(yīng)用資源調(diào)度與重構(gòu)處理、多源信息歸一化處理、多源融合與關(guān)聯(lián)處理、多源信息挖掘與預(yù)測(cè)、多源印證與評(píng)估處理、輔助決策與指揮支持、應(yīng)用效能評(píng)估與驗(yàn)證和其他拓展功能和應(yīng)用等應(yīng)用軟件，最終實(shí)現(xiàn)各種功能信息、指控信息、協(xié)同信息等信息對(duì)外交互，為決策提供信息支持。

5 一體化集成電子信息系統(tǒng)發(fā)展的主要關(guān)鍵技術(shù)

5.1 基于一體化集成電子信息系統(tǒng)功能需求的自由空間電磁信息再認(rèn)知研究

浩瀚空間由人為和非人為方式直接或間接所產(chǎn)生或?qū)е碌碾姶怒h(huán)境更趨復(fù)雜，同時(shí)也具有更為豐富的信息資源。針對(duì)一體化集成電子信息系統(tǒng)功能需求，通過深入分析、挖掘可直接或間接用于一體化集成電子信息系統(tǒng)的信息資源，是實(shí)現(xiàn)一體化集成電子信息系統(tǒng)功能與性能跨越提升的必要前提。為此，需要開展自由空間電磁信息再認(rèn)知研究。

圖3 一體化集成電子信息系統(tǒng)基于計(jì)算的虛擬化技術(shù)體系發(fā)展架構(gòu)

5.2 一體化集成電子信息系統(tǒng)應(yīng)用策略研究

未來(lái)的一體化集成電子信息系統(tǒng)如何在電子信息動(dòng)態(tài)時(shí)敏變化的體系對(duì)抗攻防條件下，充分發(fā)揮其特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，需深入研究一體化集成電子信息系統(tǒng)應(yīng)用概念和機(jī)理，建立適應(yīng)各類復(fù)雜環(huán)境的時(shí)敏應(yīng)用策略，充分發(fā)揮一體化集成電子信息系統(tǒng)的效能。

5.3 多源信息特征挖掘與綜合運(yùn)用技術(shù)

利用多維異類信息進(jìn)行對(duì)各種信息應(yīng)用功能信息的融合、關(guān)聯(lián)與印證將是實(shí)現(xiàn)一體化集成電子信息系統(tǒng)全功能的關(guān)鍵技術(shù)。需利用前端獲取各種同類和異類信息，特別需關(guān)注環(huán)境噪聲信息、自然干擾信息、空間區(qū)域異常信息等環(huán)境背景信息，進(jìn)行多自由度的融合、關(guān)聯(lián)、印證和挖掘等，可有效大幅提高所需生成的功能信息質(zhì)量。為此需開展基于各類信息的電磁空間信號(hào)的機(jī)理、特性和特征提取技術(shù)研究。

5.4 多功能調(diào)度重構(gòu)規(guī)劃技術(shù)

針對(duì)一體化電子信息系統(tǒng)的功能特點(diǎn)，基于軟件化、虛擬化和計(jì)算化能力的發(fā)展，研究系統(tǒng)功能級(jí)、方式級(jí)、參數(shù)級(jí)、算法級(jí)、部件級(jí)等的深度資源調(diào)度方法，是實(shí)現(xiàn)一體化電子信息的功能的重要措施。針對(duì)多種功能需求分析，需研究面向任務(wù)功能調(diào)度、算法重構(gòu)和智能化匹配、面向故障的通道重構(gòu)調(diào)度、面向底層軟件硬件功能級(jí)的深度資源調(diào)度等技術(shù)，通過合理配置系統(tǒng)射頻孔徑，重新規(guī)劃處理鏈路，實(shí)現(xiàn)權(quán)系統(tǒng)功能的高速切換和系統(tǒng)資源的高效利用。基于組合任務(wù)的調(diào)度，規(guī)劃系統(tǒng)利用策略，分解任務(wù)處理步驟到可控制器件，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能任務(wù)的合理調(diào)度與資源的合理利用。