美國海軍AN/BQQ-10聲納系統的發展與啟示*

管景崇 胡金華

(海軍工程大學 武漢 430033)

美國海軍AN/BQQ-10聲納系統的發展與啟示*

管景崇 胡金華

(海軍工程大學 武漢 430033)

美國海軍AN/BQQ-10聲納系統是第一型真正意義上的一體化聲納系統,其發展歷史和核心內容顯示當前的聲納系統和電子信息設備正在和已經發生重大變革。這種變革不僅體現在技術上的變革,更體現在文化、系統工程等方面的變革,從而為電子信息設備的發展帶來十分深遠的影響。論文從AN/BQQ-10聲納系統發展背景出發,探討這種新型系統的核心內容和所帶來的變革,總結未來電子信息設備的一些發展方向,以及對發展我國電子信息系統的一些啟示。

系統體系; 聲納系統; 一體化

Class Number TN929.3

1 美國AN/BQQ10聲納系統發展背景

美國海軍潛艇聲納系統有早期潛艇的AN/BQQ-2聲納系統、洛杉磯級潛艇AN/BQQ-5聲納系統和俄亥俄級潛艇的AN/BQQ-6聲納系統。其聲納系統基本按傳統的體系架構實現。

上世紀90年代,由于各國潛艇不斷采用低噪聲和安靜型潛艇,美國海軍面臨著聲學優勢縮小的挑戰和迫切提高聲學性能的需要,但由于冷戰的結束,投入費用下降而開發成本卻迅速上漲,而且還要在更短的時間內完成技術提升,有限的資源已不能支撐發展的需求,這迫使美國海軍需要一種變革來實現技術的進步。

那時主要采用定制的基于專用硬件和軟件的計算機系統,而且需要龐大的備品備件庫來維持整個壽命周期內的保障。這種方法不具備可持續性。與此同時,商用信息和通信技術工業由于商業和消費者市場的快速打開而得到跨越式發展。因此,美國海軍邀請咨詢集團MITRE公司主持一項獨立的潛艇聲納技術調查來評估關于潛艇聲學信號處理的技術開發和發展過程。

在1995年9月,調查組提交結果和建議,一個重要建議是用COTS處理器來替代傳統聲納系統,采用APBs(Advanced Processing Builds)來滿足不斷增加的能力提高需求。與此同時,美國海軍水下武器中心正在做一系列近期聲納改進以應付急需的功能短板。這就最終導致ARCI(the Acoustic Rapid COTS Insertion)項目,也是代號為AN/BQQ-10系統的開始。

當然,COTS技術本身并不構成真正意義上的“開放”結構。很多現有系統,即使使用商用硬件和軟件,也保留著專用的格式、拓撲或分層,其目的是鎖定并排除“第三黨”對聲納系統的直接影響。

開放式結構簡單地定義為一種分層數據處理結構,采用商用部件和遵照行之有效的標準,允許不同生產商的設備和程序的直接連接或進入。這意味著系統功能和性能的調整能被一個或多個使用者來實現,而不需要改變已有設備、流程和拓撲。

COTS和開放系統結構帶來一系列的變化:由于避免專用產品的使用和在系統設計的每一層都消除了“鎖定”,計算機系統能定期更新以保證快速的附加操作能力的插入以消除可能出現的危機(如對大學院校或小企業創新的傷害,避免昂貴的中修等),引入新的技術和備件流程,設計和開發代價明顯下降。可清楚地看到,真正基于COTS的開放性結構的運轉并不在技術方面,而是需要在消費者與供應商間共同承認和響應的一個協調過程和文化轉變。

美國ARCI項目制定了加快引入性能更高的信號處理機到現役聲納系統的目標,同時保留與新型弗吉尼亞潛艇的C3I并行開發的關聯性。

Lockheed Martin公司為此項目最初的合同商,負責每次更新的全部總成,包括對全部硬件和軟件改進的最終集成和測試,也負責配置控制和向美國海軍提供各個接口,用于軟件和硬件查找故障和維修。

ARCI方法的核心是新的商業模式,它創建的開放架構能保證“best of breed(最佳繁殖)”(包括第三黨應用),在固定更新周期內發揮作用。ARCI將來自大小企事業、大學院校和有關研究單位的技能、工程、技術以APB形式綜合和實現其能力。

最早的升級(指第Ⅰ～Ⅳ期)主要對TB-23和TB-29拖曳陣處理的改進,以及之后的球陣和高頻陣的改進。初始時,Lockheed Martin公司開發主動和被動球陣和高頻被動陣的功能。Digital Systems Resources在2003年9月開發拖曳陣功能,the University of Texas Applied Research Laboratory開發了高頻主動陣功能,Johns Hopkins University主持測試。

ARCI項目的另一方面是功能集成,由Submarine Precision Underwater Mapping and Navigation(PUMA)完成升級。處理改進作為APB02的一部分進入AN/BQQ-10系統高頻聲納(ARCI第IV期)和AN/BCS-15 EC-19(SSN-688 only)聲納系統。性能提升包括潛艇在海底測繪和登記地理特征的能力,包括類似雷的檢測,并用三維顯示。此能力允許潛艇指導隱蔽的戰場準備和雷場警戒和規避。

ARCI的關鍵技術是多用途可遷移的中間件(Multi-Purpose Transportable Middleware,MTM),保證以前系統軟件能移植和重用使已有軟件投資最大化。MTM最早由DSR開發,是一個免注冊的軟件版本,它允許不同應用軟件模塊間傳輸的高速數據能在ARCI聲納系統中運行,而與硬件和網絡拓撲無關。這種無關性允許硬件與其關聯的驅動器被更新時而大量復雜的應用代碼不受影響。

DSR也開發了與ARCI關聯的多用途處理器。信號處理器從最早每塊板320 Mflop的性能擴展到每個機箱超過40 Gflop。計算機硬件已經在ARCI項目周期內多次升級。

最早技術基線為quad i860卡,SHARC處理器和單獨設計的信號條件器,以及公用顯示工作站的HP744處理器。然而,這個結構的問題很快被發現:用戶卡被證明是失敗的,編程困難,操作系統與外圍驅動連接受限等。從這個失敗中得到的教訓是當使用的硬件和軟件部件越主流,測試出現的問題越少,供應商也越容易解決問題。后來,取消用戶VME卡被認為可以減小系統成本,提高可靠性和使軟件編程更容易更快。

從2000年起,主流COTS處理器用于處理復雜的信號處理應用。從那時起,技術插入過程主要集中在將聲納系統的其余部分轉換到有主流操作系統的主流COTS處理器上。

為達到最大化,ARCI系統網絡采用千兆以太網(最早是采用ATM標準),堅持采用最商業化做法和提供最寬容的硬件與設備驅動器。然而網絡和機箱外殼的升級使系統網絡結構更加靈活,也使機箱外殼更容易在未來技術插入中升級。

ARCI連續獲得基于軟件的技術插入的訂貨,如2008年Fiscal連續進行中高頻主動系統、要害自動檢測、跟蹤和定位算法改進,和目標聲學狀態估計的改進工作。2009年和2010年主要改進在自動系統操作以減少工作負擔和人為性,并繼續改進淺海反潛的聲學性能。下一步主要改進在寬孔徑、低成本共形陣LCCA、SSN688洛杉磯級潛艇球陣信號處理、接觸跟隨和跟蹤,精密自動化、測距工具,搜索空間減小工具,環境預測和監測,以及主動系統等方面。

ARCI的目標是在軍用水聲系統中快速運用現成的商業元件。據國外專家評估,該計劃的實施能在大幅度提高反潛兵器效能的同時將其成本降至現在的十分之一。

ARCI將傳統的集中式聲學系統轉變為聯邦式(federated)系統,能實現模塊在線升級,即“即插即用”。ARCI的工作方式為軟件每一年升級一次,硬件每兩年升級一次,帶來的好處是成本的大大下降,技術性能的動態提升。目前,ARCI有兩項主要內容:APB(Advanced Processing Builds先進的處理庫)和TI(技術插入)。APB針對于算法升級,TI針對硬件升級。美國海軍規定每年進行一次APB升級,每兩年進行一次TI升級。APB以2000年為基準,設置不同的版本,2000年的APB稱為APB00。每次升級都進行專門部門的測試和評估,完成測試和評估后才能正式交付使用。實際上,由于軟件可靠性等原因,并不能做到每年一次。

目前,不僅美國潛艇上完成基于ARCI的升級,而且在英國、法國等潛艇聲納系統都相繼采用這種技術,成為潛艇聲納系統的潮流。如Thales公司研發的S-Cube聲納系統是TSM 2233聲納系統的一體化系統版,采用最新的COTS硬件并引入開放系統架構,具有更優的性能、最大的靈活性、增強的壽命支持和易于升級等優點。

2 開放式系統結構定義及優點

AN/BQQ10聲納系統與傳統意義上的聲納系統有著較大的區別,是一種有著先進管理理念的動態發展的聲納系統。其體現在兩個特征:COTS和開放式系統結構。

開放式系統結構是與商業流行技術(COTS)緊密相關的一個概念。關于開放式系統或開放式系統結構的定義目前還沒有統一的標準。在計算機領域,開放式系統結構的定義是由國際標準化組織規定的,即開放系統互連(OSI)規程,但目前的開放式系統結構有更廣泛的含義。

按MIL-STD-2036軍用標準,開放式系統結構應該被定義為設計方法,利用這種設計方法,可按非專利標準設計硬件和軟件,允許有多個制造商的部件和系統接口。

SECNAVINST 5200·32A采納的IEEE的開放式系統的定義是,開放系統即完全執行接口、服務和支援格式的開放式規范的系統,能適當地管理使用的部件,跨接的大量部件變化要最小,能與本地和遠距離系統上的其它部件互操作,并能以便于用戶移植的形式與其它用戶交互。

從上述幾種定義可以看出,開放式系統有三個含義。

1) 采用商用標準硬件和軟件及接口,使系統內的多個不同來源的部件可相互接口,支持相互可操作。

2) 支持系統功能和能力的擴充。

3) 支持軟件的可移植性。

開放式系統結構不僅涉及計算機體系結構,而且還涉及網絡體系結構和應用體系結構。隨著時間的推移和技術的發展,開放式系統結構的含義和特點也在發生變化。將報道的80年代中后期研制的新一代潛艇指控系統和作戰系統的開放式系統結構和現在正研制的NSSN C3I系統的開放式系統結構相比,NSSN C3I系統的開放程序有了很大提高,這主要原因是NSSN C3I系統更多地采用了COTS設備。采用開放式系統結構能達到以下目的:

1) 互操作性。兩臺或多臺,相同或不相同的計算機系統應用和它們軟件的交換能力,以及使用已交換信息的能力。

2) 兼容性。多種應用在它們工作中的相互協調的總能力,即使原來沒有設計這樣做。

3) 可移植性。應用硬件或軟件組件能夠容易地從一種硬件或軟件環境轉移到另一種環境中的能力。

4) 可重用性。在產生的另一種應用中,重用某種應用設計源代碼部分的能力。

5) 可維性。通過取消應用代碼部分接口的唯一性,改進維持應用能力的性能。

6) 可塑性。配置應用能力,允許從微機到大型計算機都能在平臺上運行。

7) 與賣主無關。不同賣主都能競爭提供接口是兼容的硬件和軟件。

8) 改善用戶生產率。通過簡化的功能復制實現,以滿足不同計算機賣的主配置要求。

9) 改善技術引進。在實際運用后,其效果十分明顯。據報道,相比于傳統的系統,ARCI可在18個月內使處理能力提高了七倍;在10年的壽命周期,總成本下降了五倍,包括過程費用大約為原來的1/60,更新費用和軟件加載的費用等都有所下降。

3 ARCI的幾個核心

1) 多用途軟件中間件MTM。由DSR研發,可自由注冊,允許不同應用軟件模塊在ARCI聲納系統中應用,而不考慮硬件和網絡拓撲。這也使硬件及其對應的驅動器更換而不會影響到復雜應用代碼應用,也保證以前系統軟件的移植和重用,使已有軟件投資最大化。

2) 為ARCI研制的多用途處理器(Multi-purpose processor,MPP)。最早的MPP采用專門芯片,但后來發現當使用的硬件和軟件部件越主流,測試時的問題越少,供應商也越容易解決問題,因而采用商用芯片。

在前兩個技術插入的硬件基線中,去掉了大多數通用VME卡,以提高顯示性能。去掉通用VME卡,可以減少系統成本,提高系統可靠性,使軟件編程更容易更快。代碼采用高級語言(C語言),簡化代碼,使編程者有更多時間用于寫更好的代碼,找問題,而不是去處理與硬件接口的細節。顯示系統將VME調整為商用工作站。對高端計算機工作站進行比較后,選擇了惠普工作站和UX操作系統,并可利用其豐富的標準色彩和圖形庫。

2000年起,主流COTS處理器的性能已能滿足復雜的信號處理應用。因此,ARCI的技術插入重點轉移到將聲納系統其余部件采用帶主流操作系統的主流COTS處理器,并將VME卡變為運行Linux操作系統的Compaq八通道奔3服務器。之后,兩種服務器統一硬件基線,使得軟件開發更為容易,因為數據傳輸更為簡單。

3) 操作員共性的考慮。操作人員包括艦隊聲納兵和技師,工業部門代表,大學學者等,需要在一開始就考慮整個開發過程的流程,以告訴操作員如何查看和處理與新功能有關的數據。

4) 機柜結構統一設計。采用商用機架的機箱結構需求滿足沖擊、振動等要求。

5) 服務支持。在系統中設計嵌入式備份,使系統管理功能能在大多數信號處理硬件失效時能自動重構,而不影響工作能力。

6) 維修免操作周期MFOP。MFOP是一項在可預期的工作周期內提高可靠性和保障性的工作,以消除正在工作中的維修問題。

4 ARCI帶來的變革

4.1 技術能力的變革

水聲信號數字處理設備與水聲基陣系統在很大程度上決定著艦艇水聲系統的能力。據美國海軍研究辦公室(Office of Naval Research,ONR)的專家評估,由于水聲基陣的改進能力耗盡,發展水聲系統的主要潛力正是在于完善水聲信息處理設備與處理方法。計算設備的積極發展為完善信號處理設備和推廣更有效的新型軟件創造了必要的前提條件。美國國防部在國防分析研究所(Institute for Defence Analysis)的審查的基礎上得出結論,必須采取一系列節省資金的緊急措施,包括:

· 停止從零開始為國防部研制電子計算機的做法;

· 通過允許在軍用系統中使用現成商用成品配件和軟件的COTS構想;

· 在軍用計算系統的研制中采用“開放式上層建筑”原則,以便在現有系統中使用新的結構元素,包括按商業標準制造的。

實現方法是在反潛平臺和水聲處理系統上采用民用現成(COTS)部件的開放式結構系統。重大的變化正在發生:使用壽命和更換周期長達幾十年、采用軍用規范的專用硬件和軟件正被硬件/軟件更新周期只有一、二年的采用民用現成部件的開放式結構系統所取代。這種方法正在潛艇作戰系統上成功采用,在其它反潛系統上也能得到應用。

ARCI開發過程是一個建設/測試/再建設(Build/Test/Build sequence)的過程。與舊系統相比,新系統能夠通過可記錄的操作性事件來系統更新。因此,競爭性系統能夠在實際環境中利用實際數據進行測試和評判。

4.2 文化變革

ARCI帶來的另一個變革是文化上的變革,需要在各類大小合同商、學校實驗室和政府部門間達到一致,涉及到使用者、合同商、研究者等間的競爭與合作機制,知識產權保護,數據和設計信息開放,代碼開放和共享,合同管理等一系列問題。

圖1 審查組組成

ARCI改變“基本合同商”(prime contractor)到“基本系統集成商”(prime system integrator)的管理機制,提供一種競爭性的解決方案,即通過“同等審查”(peer review)來選擇最佳的解決方案。同等審查需要成立審查組,審查組包括用戶代表、算法開發者、評估人員等。一個重要變化是非傳統技術部門的參與并在參與中獲得好處。

4.3 系統工程變革

在ARCI中,系統工程過程和結構需要對不同的角色進行指導和同步,特別是要控制核心界面和制定標準,確保硬件和軟件相互可操作性。軟件開發是由不同創新性合同商、大學研究實驗室、政府實驗室等經過競爭和合作方式完成,并由軟件APB集成者處進行統一綜合。硬件和軟件系統和部件被移交到基本系統集成商,作為一個更新包被安裝到潛艇。沒有單個合同商能完全完成整個過程,而傳統的基本合同商可以。在整個開發周期中,實現螺旋式開發。

圖2 系統工程流程圖

在整個過程中,面臨著各個參與者錯綜復雜的關系,需要一個強的領導力。對各種不同的參與者有一個強大的約束。如何能實現這種變化,部分源于合同機制,部分源于領導力。后者包括最上層的命令和中間執行層出色的執行者。

4.4 用戶的直接參與

用戶在開發過程中會起到更大的作用。用戶除提供操作便捷性、布局合理性、訓練需求和保障性等多個方面的反饋之外,還將更深入地參與海上測試和評判等工作,將在開發者與艦隊間起到通信連接。

5 啟示

隨著數字信號處理技術、計算機技術以及網絡技術的高速發展,電子信息系統也進入一個快速發展的新時期。電子系統體系從最早的分立式聲納體系,到集中式的電子信息體系,現在已進入具有網絡化和平臺化特征的一體化體系。美國AN/BQQ10聲納系統及其發展對所有電子信息系統都具有深遠的意義和影響,從中也可窺見到未來電子信息系統的發展方向。這些發展方向對發展我國海軍電子信息系統有著啟發性的借鑒。

1) 系統體系向開放、可組合方向發展。硬件設備間的數據傳輸從最早的模擬數據傳輸,到數字數據傳輸,再到目前的網絡數據傳輸,傳輸能力不斷提高,使數據從一節點向另一節點傳輸不再成為一個瓶頸,從而為網絡化設備的實現奠定基礎。信號處理算法越來越不依賴硬件,最終實現硬件和軟件的分離,甚至各種商用產品(貨架產品)進入系統配置,并通過構建獨立的軟件體系框架,形成平臺化設備。因此,電子設備從最早的模擬設備,到數字設備,現在已進入網絡化和平臺化設備。體系結構成為具有以分布式體系、網絡化結構、聯合處理和綜合顯控為特點的開放性架構。主要表現為數據/信息的共享,硬件的共用和軟件的重構重用,其實現依賴于模塊化設計、高速數據傳輸網絡、標準化高速信號處理機系統、開放的軟件體系。

2) 系統工程向綜合集成、快速提升的方向發展。這種體制,強化了系統集成和各算法的競爭性參與,而弱化了基礎軟硬件。強化了系統集成指將硬件和軟件系統和部件被移交到基本系統集成商,作為一個更新包被安裝到潛艇。強化了算法競爭性參與意味著軟件開發是由不同創新性合同商、大學研究實驗室、政府實驗室等經過競爭和合作方式完成,并由軟件APB集成者處進行統一綜合。弱化基礎軟硬件指更多的軟硬件將采用市場化采購方式。

3) 系統管理向動態循環、靈活應用方向發展。設備研制周期的大大縮短及其新技術的在線測試與應用,使預研-設計-生產-服務整個過程處于一個不斷循環的螺旋式上升的過程,而在這過程中,不同的單位參與并發揮作用。

6 結語

隨著數字信號處理技術、計算機技術以及網絡技術的高速發展,聲納系統以及其它電子設備也進入一個快速發展的新時期。電子系統體系從最早的分立式體系到集中式體系,現在已進入具有網絡化和平臺化特征的一體化體系。新型體系的建立為設備的跨越式發展奠定了基礎。

電子裝備從模擬到數字是一次革命,從數字到一體化是第二次革命。從模擬到數字,不僅大大降低設備規模和成本,更重要的是很多復雜的算法可以通過軟件來實現多種功能,使裝備的性能大大提高。從數字到一體化,使軟件與硬件徹底分離,即軟件不再受制于硬件,是第二次革命。而這次革命不僅在聲納裝備技術方面的變革,更重要的是在文化、系統工程等方面變革,這種變革將深深影響未來裝備的發展,需要我們重視。

[1] Jane’s Navy International,2013.

[2] Acoustic Rapid COTS Insertion(A-RCI) AN/BQQ-10(V) Sonar System,DOT&E FY2004 Annual Report,2004.

[3] Richard Scott, Open for Business: A New Model for Submarine Sonar, Jane’s Navy International, Mar. 2006.

[4] Capt Gib Kerr, Robert Miller. A Revolutionary Use of COTS in a Submarine Sonar System. The Journal of Defense software Engineering,2004(11).

[5] D. Maiwald, U. Fass, M. Heumann. Sonar Signal Processing Based on COTS Components. 14th European Signal Processing Conference(EUSIPCO 2006), Florence, Italy,2006.

[6] Paul Gosling. Evolutionary Trends in UK Sonar, RUSI Defense Systems,2008,10.

[7] Boudreau, Michael. Acoustic Rapid COTS Insertion: A Case Study in Modular Open Systems Approach for Spiral Development. IEEE International Conference on System of Systems Engineering,2007.

Enlightment on American Navy’s AN/BQQ-10 Sonar System

GUAN Jingchong HU Jinhua

(Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

The AN/BQQ sonar system for US navy is the first integrated sonar system in its actual meaning. Its development history and core content show that current sonar systems and electronics are undergoing or have undergone great innovations. The innovations lie not only in technology, but in culture and system engineering etc., which have brought profound impacts on the development of electronics. In this paper, from the development background of the AN/BQQ sonar system, the core content of the new type sonar system as well as the innovations it has brought forth would be presented, and some development trends for future electronics would be concluded, together with some clues given for developing electronics in China.

system architecture, sonar system, integration

2013年7月8日,

2013年8月29日

管景榮,男,研究方向:水聲雷達及電子。胡金華,男,副教授,研究方向:水聲雷達及電子。

TN929.3

10.3969/j.issn1672-9730.2014.01.006