美軍JTRS對海軍通信裝備發展的啟示＊

(海司通信部 北京 100841)

1 概述

1.1 JTRS發展背景

1991年海灣戰爭結束后,美國國防部(DoD)意識到現役通信系統單一功能的硬件設計已無法充分利用或適應商業技術快速變化,特別是在謀取與維持信息優勢以及在滿足作戰單元與作戰平臺快速移動方面,現役系統難以滿足部隊所需的通信功能實體與靈活性。有鑒于此,DoD于1997年正式批準了聯合戰術無線電通信系統(Joint Tactical Radio Systems,以下簡稱JTRS)計劃并發布了JTRS研制任務需求信息(MNS)[1]。同年10月,為了便于JTRS標準化開發與研制,DoD成立了聯合戰術無線電系統計劃辦公室(JPO)。JPO依據MNS要求并經過多次修改與完善,于2003年發布了JTRS聯合作戰需求文件[2](JORD)3.2版。

JT RS是一種軟件可編程、且硬件可配置的數字無線通信系統。在互操作性、靈活性與適應性方面,她可滿足部隊指揮員與平臺不斷變化的作戰任務要求。JTRS可在2MHz～2GHz頻譜范圍工作,除了支持與現役幾十種基于硬件設計的電臺波形互通外,其新研制或增加波形可支持Ad Hoc網絡(包括無線路由與網關功能)應用。隨著美軍向信息化轉型,JTRS已納入到其網絡中心戰(NCO)的體系中,并成為支撐美軍聯合作戰設想2020[3]和NCO體系的重要戰術網絡通信系統。

1.2 JT RS發展歷程

在JT RS納入JPO管理之前,美空軍ROME實驗室在1993年～1995年先后實施了Speakeasy(I、II期)[4];同期,美海軍也提出了可編程模塊化通信系統PMCS計劃。Speakeasy與PMCS均屬于多頻段、多模式與多功能電臺(即一種軟件定義無線電技術或SDR),且兩者均成功地示范了十多種與美軍現役電臺互通的波形。Speakeasy與PMCS的成功實施,為后續JT RS的開發工作奠定了基礎。

為了統一陸軍、空軍與海軍聯合開發SDR的進程,DoD于1996年要求三軍將后續SDR系統研制或演示系統合并,并統一納入JPO管理,即正式命名為JT RS計劃。JT RS計劃主要包括三個階段：第一階段(1997年～1998年)為體系結構定義階段,主要對需求、波形和技術基礎進行分析,并形成基礎體系結構定義報告(ADR)。第二階段(1999年～2003年)為體系結構開發和驗證階段(即著名的Step 2A與Step 2A),形成并完善軟件通信體系結構(SCA)標準。第三階段(2005年以后)為各軍種測試、采購與裝備階段,開始著手裝備部隊并最終取代各軍兵種現役的不同電臺或基于硬件設計的通信裝備。

1.3 JT RS的體系結構

借助于SDR的可擴展性和靈活性,JTRS可以方便而完整地集成進全球信息柵格GIG[5],并在整個頻域范圍內為相關作戰人員提供縱橫交錯的網絡連接能力和全新的通信服務,使作戰人員能夠及時地獲得與戰斗直接相關的各種重要戰術信息,派生出全新的作戰模式,支撐未來全新作戰概念與系統(如：未來戰斗系統FCS[6],戰術級作戰人員信息網絡系統WIN-T,自動數字網系統ADNS等)。

JT RS的硬件體系架構如圖1所示。

圖1 JT RS的硬件體系架構

從圖1中可以看到JTRS的硬件體系架構主要由五大功能模塊組成[7],分別是寬帶射頻前端模塊、多速率波形處理模塊(Modem)、信息安全模塊、可編程信息處理模塊、可編程多功能接口模塊。

JT RS基于SCA標準的軟件體系架構如圖2所示。

圖2 JT RS基于SCA標準的軟件體系架構

該軟件體系結構由操作環境和應用組件組成。操作環境包括核心框架、CORBA中間件、嵌入式實時操作系統以及網絡接口層和板級支持包等,構成了通用軟件平臺。SCA是軟件體系結構的核心內容。所有應用采用組件設計形式,組件間通信由CORBA提供的邏輯“軟件總線”來完成,根據特定的功能,定制符合用戶需求的通信波形,而不同的波形在平臺上可以實現動態地加卸載。

2 JTRS主要能力、應用及發展趨勢

2.1 JTRS主要能力

未來隨著JTRS應用全面展開與部署,使其成為美軍戰斗單位在戰術與戰役層面上獲取信息優勢的有力通信裝備。

JTRS能夠提供良好的多頻段、多功能和多模式能力。基于SDR技術,JTRS能夠有效覆蓋從2MHz～2GHz的主要戰術通信頻段。通過更新軟件,可以實時改變系統的功能和工作模式,以適應戰場環境及任務的變化。

JTRS能夠提供良好的網絡通信能力和戰術互操作能力。實際作戰過程中,作戰單位可利用JTRS的通用寬帶組網波形[8]組成統一的分布式移動戰術信息網絡,并與其它信息網絡對接,保證作戰單位能夠在戰場中任何地方隨時共享并獲取相關任務信息。

JTRS能夠提供良好的擴展能力。基于開放式體系架構,JTRS能夠方便而完整地實現由新作戰概念派生出的全新服務和系統。同時,新增的系統功能和服務不會對系統原有能力造成影響。有效減少通信裝備的種類和數量,減輕作戰人員負擔。

2.2 JTRS在美海軍中的應用

在以NCO思想為代表的軍事改革浪潮推動下,美軍正積極推動其作戰模式的戰略轉型。JTRS以其開放式的體系架構,良好的可擴展性和互操作性,受到各軍兵種的重視,并在各軍兵種作戰轉型中扮演了重要角色。

美國海軍于2002年提出了“21世紀海上力量”的新戰略[9],這也是海軍轉型的總體構想,具體包括“海上打擊”、“海上盾牌”和“海上基地”三個主要組成部分,完整地描述了海軍未來全新的作戰觀念。根據海軍的構想,FORCE net將成為實現“海上打擊”、“海上盾牌”和“海上基地”概念的核心網絡與分布式系統。借助于JT RS支撐,FORCE net將有效實現與其它各軍兵種信息系統的互聯互通,將空前增強海軍獲取、共享與利用信息的能力,使海軍轉型成一支依靠信息優勢、決策優勢和協同作戰能力的高效能作戰部隊。

2007年,洛克希德-馬丁公司率先將JT RS的相關技術應用在潛艇綜合通信系統的設計中,推出了通用潛艇無線電報房CSRR。同年,CSRR先后成功地集成在弗吉尼亞級攻擊核潛艇(SSBN 736)、海狼級(SSN 22)和俄亥俄級(SSGN 726)等水下作戰平臺上,并完成了包括系泊及海上實際操作的多項測試和評估,實現了美海軍歷史上的第一個自動化報房。實際測試證明,CSRR在不同的潛艇平臺具有良好的通用性與開放性,提高了潛艇通信系統的自動化程度,同時為潛艇擴展新的通信能力和業務提供了可擴展空間。現在,洛克希德-馬丁公司在CSRR系統的基礎上,將相關技術進一步推廣,提出了適用于水面及其它不同艦艇平臺的通用無線電報房CRR[10]系統應用與技術視圖(如圖3所示)。

圖3 通用無線電報房(CRR)技術框圖

2.3 JT RS的主要發展趨勢

JT RS的精髓在于其采用開放式的體系架構,能夠迅速地通過軟件升級的方式集成新的波形和通信功能。未來隨著“網絡中心戰”思想的貫徹和逐步推進,必然使得JT RS不斷向前發展,以滿足美軍未來對通信的需求。

1)開放的體系架構

在未來JT RS發展過程中,SCA的架構仍需要進行調整,以適應未來更廣泛的部署環境。當前SCA的架構主要面向通用處理器環境,未來SCA將著眼于在更廣泛的操作環境內為通信體系架構提供一種更加抽象和通用的描述方法,使得整個JT RS具有更加開放的體系架構,對新功能和應用的支持更加迅捷。

2)更完整的通信頻譜覆蓋及更靈活的帶寬能力

實現更完整的通信頻譜覆蓋及更靈活的帶寬能力是JT RS的核心目標之一。目前,美國Harris公司生產的AN/PRC-117G電臺已經實現了從2MHz～2GHz的通信頻段覆蓋能力。未來結合MEMS技術的發展,可在一塊芯片上生產小型的、可調的、高性能的無源元件,將徹底改變RF信號處理的具體實現方法。使得射頻處理模塊可以實現可變的接收帶寬,對射頻信號的覆蓋范圍進一步向上擴展至Ku頻段甚至更高,在真正意義上實現可編程的射頻處理能力。同時隨著各種新材料和相關新技術的使用,將實現更加高效的寬帶天線,以減少JTRS的天線種類。

3)更強大的運算處理能力

為適應未來各種更加復雜的波形和應用,JTRS的硬件平臺必須具有更強大的運算處理能力。未來隨著DSP技術和其它通用處理器技術的不斷發展,JTRS硬件平臺將集成更高速的數據存儲器及通信接口、功能更為強大的各種處理器,形成復雜的“云”技術架構,為JT RS提供更強大的運算處理能力,以支持其進一步擴展全新的波形和通信功能。

4)強大的通信組網能力

在NCO思想的指導下,為更好地支持未來戰場上各種不同功能信息網絡的互操作性和不同通信應用的需求,JTRS需要更強大的通信組網能力。未來JT RS將通過擴展更加高速組網波形和完善并豐富其網絡協議棧的的方式向著網絡寬帶化和組網智能化的方向發展。

5)小型化和低功耗

JTRS作為戰術通信系統其終端設備必須跟隨作戰人員或相關作戰平臺在戰場范圍內進行機動,這對終端設備本身的尺寸、重量和功耗提出了更高的要求。未來,JTRS終端設備將向著結構更加緊湊小巧、重量更輕、功耗更低的方向發展。

3 JTRS對我海軍發展的啟示

JTRS本質上是NCO思想在戰術無線通信領域內的具體表現形式。在NCO指導下,JT RS已經對美軍各軍兵種的作戰模式和通信裝備的發展思路產生了深遠的影響,同時,JT RS及潛在應用,也必將對我海軍作戰模式轉型與通信裝備發展帶來了一定的啟示作用。

3.1 JTRS對我海軍通信網絡技術發展的啟示

JTRS主要功能,尤其是其網絡化能力(包括未來寬帶網絡化波形WNW嵌入)及在動態環境下快速展開特性,對我海軍綜合電子信息系統,特別是通信網絡的一體化技術發展產生一定影響,即未來海戰場通信網絡必須滿足以下幾個方面的發展要求：

1)各種不同通信網絡應具有良好的互操作性,并能夠形成一個綜合性通信網絡;

2)通信系統應能夠具有良好的擴展能力,適應未來對通信的新需求,并能夠迅速地對各種新業務和新應用進行集成;

3)通信網絡應具有一體化綜合管理能力,可以實現異構、復雜、龐大通信網絡自組織管理和高效運行;

4)通信與信息安全應進行一體化考慮,實現對所有信息源的共享,滿足不同層次人員對信息的不同需求;

5)海軍通信系統應能夠提供與主要民用通信系統的接入能力,以支持海軍未來諸如護航、維和等多元化使命任務能力。

最終實現整個通信網絡互連互通、無縫覆蓋,使每個用戶無論何時、何地,都能通過通信網絡實現端到端的連接,并獲取需要的任何信息,使其成為一個理想的一體化通信網。

3.2 JT RS對我海軍通信裝備發展的啟示

JT RS采用基于SCA的SDR體系架構,使相關通信技術裝備具有良好的通用性、可擴展性和互操作性,為我海軍通信裝備的發展提供了一條可供借鑒的思路。

1)采用SDR技術,可促進海軍通信裝備向模塊化、標準化和系列化方向發展

目前,海軍通信裝備模塊化程度不高,裝備的研制缺乏標準約束,導致裝備功能、體系結構及接口相對獨立,使裝備的系列化發展面臨巨大挑戰。同時給通信系統的綜合集成帶來較大的技術風險,導致通信系統結構復雜。

借助于SDR技術可以有效實現通信裝備的模塊化設計,對原本相對獨立裝備的硬軟件按照標準進行模塊化劃分和統一接口設計。在通信系統中打破原有功能與裝備綁定的“煙囪式”模式,采用標準模塊集成的方法,在不同的應用需求下,通信系統可以調配各種所需的模塊并更新相關軟件,以近“實時”的方式實現所需通信功能,從而極大地提高通信系統的靈活性、擴展性和生存能力。同時采用標準的模塊化設計后,可以統一裝備制式,有效減少裝備種類和數量,減少對裝備維護及后勤儲備的難度及成本,有利于系列化通信裝備演進過程中的平滑過渡。

更重要的是,在模塊化的基礎上必須重視標準的制定和使用。以標準引導和約束通信技術裝備的發展,以裝備和技術的發展促進新標準的制定。全面推動裝備向模塊化、標準化和系列化方向發展。

2)采用SDR技術,可提升海軍通信技術裝備新技術應用能力

由于非標準化裝備體制特點,導致在海軍現行裝備體制中引入新的技術體制具有較大的困難和技術風險。往往是引入一種新的技術體制,就要新研一套設備。而較長的設備研發周期會明顯延緩新技術應用于系統的時間進度。同時新技術體制的應用還會面臨與現有裝備的兼容性問題,制約了海軍通信裝備對新技術的應用能力。

采用SDR技術后,可加快新技術體制轉化為新通信能力的進程,改善技術升級過程中的兼容性問題,全面提高通信裝備的新技術應用能力。在該模式下,對新技術的應用將主要通過擴展標準模塊和更新相關軟件的方式進行。研發工作主要集中于符合相關標準下的軟件開發,較原先獨立裝備的研發周期大大縮短。此外,研發工作在統一標準的約束下開展,可以實現高效的分工合作,有效降低新技術體制與現行技術體制之間的兼容性風險。

3)采用SDR技術,可簡化艦載通信系統工作流程,提高系統穩定性及可靠性

在海軍艦載通信系統中,通信控制管理子系統主要解決不同通信裝備的接口差異和集成使用問題。然而不同艦艇上通信裝備的差異導致艦載通信控制管理子系統需要重新設計,甚至重新研制。雖然已就控制管理子系統的通用化設計進行了大量研究工作,但并不能完全解決由通信裝備的多樣化帶來的固有矛盾。因而極大地制約了整個通信系統的可靠性和穩定性。同時也使通信系統工作流程繁瑣復雜,人工干預環節多,自動化程度有限。

利用SDR技術,可以使以往獨立的通信設備演化為若干標準的硬、軟件功能模塊,并集成為模塊化可配置的艦載通信系統。艦載通信綜合管理控制子系統對通信系統內的各標準化硬、軟件功能模塊視為標準化的系統資源進行統一管理和配置。雖然在不同艦艇上通信系統的具體配置有所不同,但整個艦載通信系統的體系架構可以保持良好的一致性,實現艦載通信綜合管理控制子系統及管理策略的通用化。更重要的是,利用SDR技術可以大大簡化艦載通信系統的工作流程,衍生出新的系統功能;減少人工干預環節,降低操作復雜性,提高通信系統自動化程度;簡化通信信號流和信息流路徑,進一步提高艦載通信系統的穩定性及可靠性。

4 結語

未來全新的網絡化和信息化的作戰模式勢必要求我海軍未來的通信技術裝備必須具有應對各種不同通信環境、執行多變作戰任務和即時適應全新通信功能的能力。根據美軍研發并使用JTRS的相關經驗,采用SDR技術,可以提高我海軍通信裝備應用新技術的能力,提高通信系統的穩定性和可靠性,促進我海軍通信裝備向著模塊化、標準化和系列化的方向發展,促使海軍通信技術裝備的發展走上可持續性發展道路。

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