美防空反導領域開放體系架構技術發展與應用

孫 濤

開放體系架構具有架構靈活多變，體系易于擴展、集成和升級，互操作性強，經濟性好，具有可裁剪特性等，因而近年來，其研發思想和相關技術得到了快速發展，逐步體現出強大的生命力和后發優勢。美國防空反導系統不斷發展的過程中，經歷了從單一系統的研發裝備到實現裝備的體系化的轉變，裝備體系的建設中開放體系架構逐步取代了最初的封閉體系架構。

發展歷程

采用傳統封閉系統架構的開發模式已經成了武器系統發展的重大瓶頸問題。為了解決上述問題，包括同時考慮性能、成本、工業使用的成熟度、可長期采購性以及升級潛力等方面，將開放體系架構技術應用于大規模復雜信息系統的開發成為了必然。

2003年，美軍在信息技術領域全面轉向“開放系統”技術體制，要求只要條件可行，在任何情況下都應當應用模塊化“開放系統”方法。2004年8月，美國海軍負責裝備研發和采辦的副部長公布了“開放架構”政策，建立起一個包含所有系統司令部和項目執行辦公室人員的專門機構——開放架構企業團隊，開始負責整個海軍實施“開放架構戰略”的全局工作，同時明確了各系統司令部和項目管理辦公室對“開放架構”實施的職責。美國海軍作戰部隨后發布了海軍開放架構需求文件，提出“開放架構”的原則，要求在所有的武器系統和作戰系統研制、升級中考慮“開放架構”的要求，至此“開放架構”成為美國海軍的戰略，推動美國海軍全面實施向開放系統技術體制的變革。

美國防部開放系統架構管理指南

2013年，美國防部經過多年的實踐和發展，發布了《開放體系架構項目合同管理實施指南》1.1版，為武器裝備在發展政策方面提供指導。目前美國大量的武器裝備研發采辦都是基于開放體系架構設計和實施的，典型案例包括美國海軍的“宙斯盾”系統現代化發展、海軍正在發展的防空和反導雷達、陸軍正在發展的“一體化防空反導作戰指揮系統”、新型的低層防空反導雷達等。

美軍大力推行“開放式體系架構”設計思想，通過各層次之間的標準接口，屏蔽與上層之間的緊耦合，提升對應用層的開放性支撐；將軟件與硬件分離，實現局部軟件升級即可實現系統能力提升。根據系統架構的開放程度分為五級，不同級別的主要特征概括如下：1～2級為“兼容級”，它主要采用適配器或通過更改應用接口的方式集成遺留系統；3級為開放式體系架構標準的“初始級”，它的突出特征是軟件開發不依賴于特定硬件，其系統性能與計算設備數量的多寡和性能的高低成線性關系；4級為“公共功能級”，它采用的公共功能服務具有部署靈活，升級快速的能力；5級為“全艦計算級”，它使用統一的信息基礎設施平臺降低系統維修保障壓力和減少人員配置，為應用系統提供公共計算支持，保障應用系統的容錯性和抗毀生存能力。目前美國海軍一體化防空反導系統采用的開放體系架構達到了4～5級的程度。

應用情況

美國陸軍在防空反導裝備發展過程中，開放體系架構技術的應用集中反映在防空反導指控系統的發展之中，用于構建防空反導一體化的作戰體系。海軍主要通過對“宙斯盾”系統實施“先進能力建設”項目的途徑落實開放體系架構戰略，其核心是對指控系統的不斷升級。

美陸軍采用開放體系架構的目標是為陸軍防空和導彈防御系統建立一個以網絡為中心的系統之系統體系結構解決方案，用于集成傳感器系統（包括用于目標探測、跟蹤、火控的多種傳感器）、攔截武器系統、作戰管理、指揮控制、通信和情報系統。諸如愛國者-3系統、薩德系統、陸基發射先進中程空空導彈、哨兵系統等多種類、多建制的武器系統和傳感器系統都將通過“一體化防空反導作戰指揮系統”進行互聯和互操作，最終將有望實現部隊使用任何傳感器及任何武器來完成目標任務。

愛國者-3防空反導系統

“一體化防空反導作戰指揮系統”主要構建以多武器、多傳感器全面聯網并獲取單一集成空情圖為必要條件、以綜合火控網絡建設為關鍵點、以實現攔截武器系統的超視距作戰能力為標志的一體化防空反導大系統，使每個子系統對其他子系統的攔截武器都能夠按照作戰需求和能力指標實現集成的控制和制導，最終實現防空反導一體化。2019年5月，首個生產型“一體化防空反導作戰指揮系統”作戰運行中心成功向美陸軍交付，2021年該系統完成了最后一次研發試驗，2022年10月，該系統完成了初始作戰測試與評估。

美國海軍防空反導裝備中開放體系架構技術的應用，同樣是集中反映在指控系統的發展之中，依托“宙斯盾”系統構建防空反導的一體化作戰架構。目前，開放體系架構計算環境已廣泛用于美海軍航母、兩棲攻擊艦等艦艇作戰系統的設計中，提高了美軍艦載信息系統的開放性。美國海軍基于開放體系架構發展了多種現役的和在研的武器系統。其中“宙斯盾”系統的發展歷時最為悠久，也最為成熟，是海軍開放體系架構的典型現役裝備。此外，正在開發的“防空反導雷達”是采用開放體系架構在研并即將裝備的典型裝備。

一體化防空反導作戰指揮系統采用的MOSA方法

美國海軍重點利用“宙斯盾”系統的“先進能力建設”項目實施開放體系架構戰略，通過“先進能力建設-08”“先進能力建設-12”“先進能力建設-16”“先進能力建設-20”等分階段的發展和實施。此外美海軍還利用“海軍一體化火力控制-防空部分”項目支持開放體系架構戰略在“宙斯盾”彈道導彈防御系統中的應用，使“宙斯盾”彈道導彈防御系統發展到基線-9.2C版本時具備了一體化防空反導的能力。該能力的實現重點是將已有的CEC系統、宙斯盾系統、艦載預警機以及艦載的攔截武器標準-6攔截彈綜合集成在一起，實現防空反導作戰能力的綜合集成，其核心關鍵依然是指揮控制系統能力的不斷升級發展。

關鍵技術

開放體系架構技術并非一種單獨的專門技術，而是信息系統架構相關技術的集群。美防空反導中應用開放體系架構技術主要包括模塊化開放系統方法、綜合總線與系統集成技術、標準接口組件單元即插即用技術、一體化火控網絡技術、通用軟件技術等。

模塊化開放系統方法（MOSA）的核心目標是得到可負擔得起的、能不斷進化的聯合作戰能力。開放系統是采用了模塊化設計，關鍵接口廣泛使用支持產品和一致的標準，并且成功采用確認和驗證測試以保障其關鍵接口的開放性的一種系統。通過商業指標和技術指標，采用以下原則：首先是建立授權環境、采用模塊化設計、指定關鍵接口、選擇公開標準并經過一致認證的原則。模塊化開放系統方法的優點是：首先是系統易于擴展和改變，可以降低總的擁有成本，可以減少開發過程中的循環次數，使聯合集成架構和互操作成為可能并實現風險的降低。

標準接口組件單元即插即用技術。標準化的接口允許各單元把數據提交給數據總線并且從數據總線獲得信息。各種傳感器和武器系統也都利用標準接口向數據總線發送數據并從數據總線接收數據，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、數據鏈接口、武器即插即用函數、武器任務執行、作戰人員身份識別融合、聯合航跡管理；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、數據鏈接口、傳感器即插即用函數、傳感器任務執行、作戰人員身份識別融合、聯合航跡管理；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。

一體化火控網絡（IFCN）技術是陸軍一體化防空反導系統之系統基本的通信基礎結構，提供火控鏈路連接和分布式操作能力，為語音、視頻和數據提供連通性。一體化火控網的中繼設備提供移動的通信節點，設備上安裝有接口套件，可擴展與遠端發射架和傳感器平臺的連通性。一體化火控網絡的鏈路采用孔狀的自組織IPv6網絡，主要特點就是魯棒性好，并且其中包含了高數據率和低數據率的兩種鏈路，鏈路路徑也采用了冗余式的多路徑路由，即避免了單點故障，同時也使得抗干擾性大幅提高。

通用軟件技術。軟件主要實現下面功能：武器和傳感器的即插即用功能、武器和傳感器任務分派與執行、態勢感知與聯合航跡管理、作戰身份識別融合、威脅評估、聯合一體化多國互操作、網絡管理、防御計劃編制等。美陸軍“一體化防空反導作戰指揮系統”項目開發的軟件包括：任務支持軟件、作戰身份識別軟件、跟蹤管理軟件、傳感器服務軟件、武器服務軟件、任務控制軟件、嵌入式訓練軟件、通用武器機器接口軟件等。美海軍通用軟件技術主要通過“通用源軟件庫”來實現軟件的通用和復用。宙斯盾系統基線9系列使用一個“通用源軟件庫”，其中軟件的重復利用率非常高，從先進能力建設08到基線9A，到陸基宙斯盾基線9E，重復利用率都在97%～99%，其中新開發的軟件占比很少。

建設特點

由于背景、目標、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裝備體系中發展開放體系架構技術的發展路徑上看各有特點。

美國海軍實施“開放體系架構戰略”為美國海軍信息系統建設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和裝備發展的壓力，因此主要采用了利用商業現貨、軟件重用庫的途徑，特點是以硬件發展更新為先同時帶動可重用軟件的發展。

美軍宙斯盾系統采用通用軟件技術

一體化火控網絡鏈路示意圖

陸軍則主要面對裝備之間的信息隔絕和不暢等問題，采用了新研發的基于“開放體系架構”的新型指控系統，將新老裝備通過“軟件中間件”“即插即用”技術集成在一起。其發展特點則是強調“模塊化開放系統方法”“綜合總線與集成”“標準接口即插即用”等軟件技術為先的軟硬件技術相結合的途徑開展相關工作。

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

采用開放體系架構技術發展的武器系統在研發成本、研發周期、研發難易程度、武器系統裝備后的升級改進和維護、全壽命周期總成本、武器系統可用狀態等諸多方面相比于傳統的封閉體系架構發展方法都具有壓倒性的優勢，因此新武器系統的發展，特別是以信息系統為核心要素的武器系統的研發途徑采用開放體系架構構建新系統是必由之路，是減少重復性工作的捷徑。

美國海軍和陸軍防空反導“開放體系架構”應用發展的經驗表明，應用開放體系架構技術體制、商用現貨集成開發機制等信息技術應用成功的經驗，對實現防空反導系統快速集成和開發，在技術上是完全可行的，也是未來發展的總趨勢。不僅是在防空反導領域，目前開放體系架構技術的發展應用是向更多的武器裝備運用，從大的防空反導系統到F-35戰機，甚至是小到無人機系統等。

結語

目前防空反導武器裝備研發過程中，開放體系架構技術的應用還處于初級階段。開放體系架構技術在美國防空反導中的發展與應用對武器系統裝備發展、作戰性能都將產生深遠的影響。在防空反導體系這種高度信息化的裝備體系發展過程中，應用開放體系架構技術要從技術、管理、培訓和綜合集成等多個層面綜合實施。