艦載信息戰系統一體化體系結構研究*

周瑞巖

(91404部隊91分隊　秦皇島　066001)

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艦載信息戰系統一體化體系結構研究*

周瑞巖

(91404部隊91分隊秦皇島066001)

為了在信息化戰爭中獲取信息優勢,在概括信息戰系統需求和發展趨勢的基礎上,結合當前體系結構研究現狀,提出了艦載信息戰系統的硬件體系結構和軟件體系結構,該體系結構符合信息戰系統一體化的需求,具有綜合化、信息化和網絡化的特點,產生增強作戰效能、減輕指戰員負擔、易于維護等優勢,使艦船能夠適應日益惡化的海戰環境。

信息戰系統; 一體化; 體系結構

Class NumberTP302.1

1　引言

21世紀的戰爭是信息化戰爭,爭奪制信息權、確保信息優勢將成為實現作戰空間所有其它聯合作戰能力的關鍵。要提高打贏未來信息化戰爭的能力,就必須以大力開發利用信息資源為核心,通過信息資源量的積累,激發信息資源需求,進而改進和完善信息利用手段。信息戰系統就是實現這一目的的有效手段,而信息戰系統體系結構是信息戰系統性能的基本要素,決定著信息戰系統的作戰性能。

隨著海戰環境日益惡化,艦船受到了來自空中、水面、水下和岸上等多層次多方位的多維威脅和縱深飽和攻擊[1～6],這對艦船電子裝備提出了更高的要求。要在惡劣的現代戰爭環境下擁有制信息權以提供強有力的防衛和進攻能力,就必須把不同類型、不同頻段、不同用途以及不同平臺的雷達、電子戰設備和各種手段有機地結合起來,進行綜合控制、綜合管理、綜合運用,構成一個綜合性的一體化作戰體系,提高武器系統的整體效能。信息戰系統一體化,就是為了適應現代戰爭環境需要,將各種有源和無源傳感器有機結合,以擴展在日趨復雜的電磁環境下獲取信息的數量和質量,提高對威脅目標識別的可信度,為進攻和防御提供所需的精確信息。

2　研究現狀

2.1信息系統一體化的必要性

現代海軍裝備集成了眾多復雜電子系統,艦載通信、導彈、雷達、電子戰等裝備通常集搜索、跟蹤、制導于一體,具有電路高度集成化、工作自動化、傳輸信息多樣化和各種軟件高度密集的現代電子設備特征。但是在復雜的戰術環境中,信號的密度大,干擾強,對目標的可觀測性低,僅僅依靠單一類型的信息戰裝備來對目標進行識別已經無法滿足要求,必須綜合利用各種有源以及無源探測器在內的各種傳感器提供的觀測數據,通過信息融合的方法來實現對目標的識別。例如,對于同一目標,一部雷達可以獲取目標的數據是視線方向上較窄,而寬度上與距離成正比的狹長區域。在一體化信息戰系統中,兩部以上雷達在準確了解傳感器位置且觀測同步的時候,能將目標區域限定在僅與雷達距離分辨力相關,而與距離無關的狹小區域,從而降低對目標定位的不確定性。再如,雷達只能給出的是目標的位置、速度等信息,而電子戰支援能給出目標輻射源的屬性信息。在一體化信息戰系統中,通過信息融合,給目標貼上了帶有某種屬性的“標簽”,或者說給輻射源賦予了精確的位置坐標,實現了對輻射源目標較全面了解。通過雷達目標航跡與電子戰支援的融合和對目標攜帶輻射源的識別,進而達到對目標平臺身份估計的目的。

通過對艦載電子設備一體化,可使艦載電子戰系統與防御系統或艦隊防御體系實現集成與融合,提高艦載裝備系統的整體效能。可以說,未來海戰軍事行動的關鍵取決于信息控制權和快速反應能力。艦載雷達與電子戰等裝備一體化可使艦載傳感器互為補充,獲取精確、融合的目標信息,為取得信息優勢和快速準確決策提供強有力的支撐。一體化信息戰系統發展的重點將是“綜合化”、“信息化”和“網絡化”,從而大幅度提升戰斗機的戰場態勢感知能力、指揮控制能力、目標打擊能力、作戰協同能力以及平臺生存能力等,使每一艦船在遂行“以網絡為中心”的作戰中發揮出更強的體系對抗能力。

2.2體系結構研究的必要性

體系結構是指“一個被定義領域的組成部件的結構、它們的相互關系,以及指導它們設計和不斷演進的原則與指南”。體系結構設計近來得到了迅速發展和廣泛的應用,它是有效規劃系統整體結構的科學方法[7～8]。它代表了系統最早的一組決策,這種決策對系統開發、設計、運行、維護等階段有很強的指導作用。體系結構已成為捕獲系統需求、構建大型復雜信息系統的主要工具。體系結構是一種重要的系統頂層設計方法,它把部件、部件之間的關系、部件與環境的關系組成一體進行系統設計,能夠提高系統開發效率,滿足系統之間可集成和互操作,保證系統設計質量和節省使用、維護費用。

為實現以數據為中心的體系結構開發策略,更好地支持面向不同目的、不同層級決策者需求的體系結構描述開發,增強體系結構描述的靈活性、可演化性,提出了基于元模型的體系結構表現方法。文獻[8]介紹了C4ISR體系結構的發展歷程和體系結構設計方法,并對綜合電子信息系統存在的問題進行了探討,給出了指揮信息系統體系結構的發展趨勢。作戰信息鏈將軍事信息系統的多個方面以及傳感器和武器平臺“統一”起來,鏈成一體,成為戰場各種信息的獲取、處理、控制、傳輸平臺,以達到在戰場上“制信息權”的目的。

3　體系結構

3.1硬件體系結構

為了充分綜合利用所有硬件資源,盡可能實現資源共享,按照信息獲取、管理、處理、顯控等功能,將信息戰系統分為信息獲取、信息處理、信息管理、信息顯控等四個部分。這四部分通過信息總線相連,如圖1所示。

信息獲取部分利用各種途徑獲取外部信息,主要的獲取手段包括:射頻信號、光電信號、水聲信號、內部狀態信號、數據鏈和其他信號。對于大部分信號,具有專門的信息預處理單元,針對該信號進行必要的預先處理。例如射頻信號預處理單元根據指控系統發來的指令,利用軟件無線電技術實現射頻信號的綜合處理,使用同一孔徑在不同的時間實現雷達信號的發射與接收、無源偵察和有源干擾等功能,并實現頻譜的統一管理和分配。再如,數據鏈從預警機或其他數據源獲取戰場態勢、對方的目標屬性等信息送給信息處理部分進行戰術決策,還可以獲得沒有完全處理的射頻信息送給本艦的射頻信息預處理進行目標更加精確的定位。

信息管理部分存儲艦船執行作戰使命所需的各種當前和歷史信息,并通過適當的人機接口和信息總線與其他部分進行交互。例如地形數據庫保存著艦船所在區域及使命區域的海底地形等信息,航跡數據庫保存艦船的時間、位置等航線狀態參數。

信息處理部分綜合處理采集到的全部信息,完成信號處理、數據處理、圖像處理等工作,為信息綜合顯示控制提供服務,并將處理的信息存儲在信息管理部分。

圖1　硬件體系結構

信息顯控部分實現人機交互接口,為指戰員提供可理解的信息處理結果,包括:戰場態勢信息、對手狀態特點信息、本艦狀態信息等。融合后的信息或是傳送到顯示器,或是提供聲光告警。信息顯控部分還能接收來自指戰員輸入的戰術指令等信息,實現對本艦航行、武器的控制,完成電子戰、硬武器殺傷等使命。

3.2軟件體系結構

一體化信息戰系統采用開放式軟件體系結構,采用分層策略,層與層之間通過標準接口進行訪問,實現應用軟件與硬件的相互隔離,有利于軟硬件的升級換代。具體來說,該軟件體系結構分為三層,由下至上依次為:模塊支持層、操作系統層、應用層,如圖2所示。

圖2　軟件體系結構

模塊支持層是可以共享的資源所在層,這些可共享的資源包括計算機設備、存儲設備、傳感器、各種儀器、分布式系統、基礎網絡、現有武器裝備等。該層對于操作系統層來說是透明的,通過服務向操作系統層提供共享資源能力和接口,通過支持共享協議實現本地設備的訪問。這樣,模塊支持層封裝了基礎硬件的細節并提供對底層資源的通用的技術上獨立的訪問。

操作系統層充分利用模塊支持層的資源,為應用層提供安全性、信息發現、資源管理、數據管理、通信、故障診斷和可移植性等多種基礎服務。它主要包含以下兩項:操作系統和通用系統管理。操作系統為支持實時應用執行和相關資源管理提供需要的服務,控制著處理單元及其相關資源的行為。 通用系統管理為使用操作系統服務提供保證,功能主要包括:系統容錯行為、系統安全策略、系統初始化與重構[9～10]。

應用層提供軍事應用的開發工具和執行環境,包括遠程調用方法、任務并行機制、消息傳輸模型以及工作流系統。該層包含指揮員和軍事專家,由他們下達命令、制定具體作戰方案和實施指揮決策。面向具體的軍事行動和作戰任務,包括計劃制定、目標識別、威脅評估、態勢、輔助決策等。

4　一體化信息戰系統的特點和優勢

4.1一體化信息戰系統的技術特點

一體化信息戰系統是由各種艦載信息采集設備(傳感器/數據鏈)、信息處理設備、信息管理和顯示控制設備以及相應軟件組成的網絡,其主要技術特點是:

1) 系統高度綜合化。一體化信息戰系統的綜合化,首先體現在系統結構的綜合上,即運用先進的計算機和電子技術,將系統中傳統的雷達、通信、導航、電子戰、敵我識別、武器火控等分系統及傳感器綜合設計在一起,構成一個多頻譜、多手段、自適應的綜合一體化信息戰系統;其次體現在系統功能的綜合上,即系統的功能按層次劃分,采用多種傳感器的綜合及信息處理、融合、顯示技術和輔助決策技術,使指戰員獲得全面的戰場態勢,把精力集中在高層的戰術決策上。

2) 系統高度信息化。從提高艦船的信息搜集、信息傳輸、信息處理和信息應用等能力出發,不斷應用當代電子信息技術的最新研究成果,使實現高度綜合化的信息系統的整體作戰效能能夠得到充分的發揮。新型數據鏈通信系統、綜合核心處理機、高速數據總線以及高度綜合的顯示系統,不僅提高了艦船內外信息的獲取、處理和傳輸能力,而且大大增強了艦船內外信息的交互、利用和共享能力。

3) 系統的網絡化。利用電子系統中的有關設備(傳感器、數據鏈、協議、接口等),實現艦船與作戰空間戰場信息網絡的有機連接,以更高的效率、在更大的范圍共享作戰空間內各參戰平臺的硬件資源和信息資源,從而大幅度提升戰斗機的戰場態勢感知能力、指揮控制能力、目標打擊能力、作戰協同能力以及平臺生存能力等,使每一艦船在遂行“以網絡為中心”的作戰中發揮出更強的體系對抗能力。

4.2一體化信息戰系統的優勢

一體化信息戰系統的這些特點給艦艇帶來了下列優勢:

1) 艦船的作戰能力提升。綜合化、信息化的一體化信息戰系統大大提升了艦船的態勢感知、多目標攻擊、電子戰和協同作戰等能力。

2) 指戰員的工作負擔減輕。艦船一體化信息戰系統通過信息顯控會自動提示指戰員,并生成多種備選對策、輔助指戰員進行決策,大大減輕了指戰員的心理壓力和工作負擔,為指戰員提供了更加舒適的工作環境。

3) 艦船的使用維護方便。艦船一體化信息戰系統具有高度的模塊化結構和自檢測功能,可實現故障的快速定位和隔離,維護人員只需更換故障模塊即可排除故障。這樣就大大方便了系統的維護,提高了艦船的可維修性和再次出動能力。

4.3一體化信息戰系統的關鍵技術

綜合一體化信息戰系統是一個復雜而龐大的網絡系統,系統的開發、綜合和研制涉及多個學科和技術領域,其關鍵技術主要包括:

1) 綜合一體化信息戰系統總體設計技術。綜合一體化信息戰系統總體設計主要是根據艦船及其使命任務,對系統進行定義、分析、設計、驗證、評估并反復迭代,最終滿足任務的要求。

2) 一體化信息戰系統綜合技術。一體化信息戰系統綜合是對系統中所有分系統和設備的高度集成,是充分利用系統資源、提高系統性能、降低系統成本、減少安裝空間,減輕指戰員負擔的發展途徑。系統綜合需要重點考慮戰技指標的分配、系統的配置、功能的匹配、結構的選擇、資源的共享、信息的統一調度、容錯和系統重構、系統自監測和維修支持等問題。

3) 傳感器綜合技術。傳感器融合可對多種類、多信息源和多平臺傳感器所獲取的信息自動地進行檢測、相關、估計、分析,以便快速、準確、連續、全面地提供戰場態勢信息。因此,數據融合技術是現代軍事領域的重要技術之一,是實現信息戰一體化的重要保障和核心技術。多傳感器獲取的信息中,其不相關的部分在特征空間中是正交的。通過融合增加目標特征矢量的維數,可以全面獲取反映客觀世界的真實信息,從而為正確判斷客觀世界、了解作戰空間提供依據。

5　結語

艦船采用了高度綜合化的一體化信息戰系統,采集艦船內部和艦船外部的各種數據并對其進行融合處理,形成對戰場環境的正確感知,以及實現對艦船和武器系統的智能化控制,使艦船具有全新的作戰模式。

[1] WANG Sheng, SUN Lechang. Extended Design of a CVE Based on Security Vulnerability Database System[J]. Microelectronics & Computer,2005,22(10):152-155.

[2] United States Computer Emergency Readiness Team(us-CERT). US-CERT Vulnerability Notified Descriptions[R]. 2006.

[3] SANS Institute. SANS Critical Vulnerability Analysis Archive[R]. 2007.

[4] Microsoft Corporation. Microsoft Security Response Center Security Bullet in Severity Rating System[R]. 2002.[5] The Security Content Automation Protocol (SCAP). http://scap.nist.gov[EB/OL]. 2016.

[6] A Complete Guide to the Common Vulnerability Scoring System Version 2.0. http://www.first.org/CVSS/CVSS-guide.html[EB/OL]. 2016.

[7] DoD Architecture Framework Working Group. DoD Architecture Framework Version 1.0[R]. U.S.: Department of Defense, 2003.

[8] C4ISR Architecture Working Group. C4ISR Architecture framework Version 2.0[R]. Department of Defense, 2007.

[9] LI Yi, LI Xinming, CUI Yunfei. Research of Evaluating Model on the Criticality of Software Vulnerability[J]. Computer Science,2011,38(6):169-172.

[10] LIU Zhe, ZHANG Weiqun, XIAO Weina. Method Based on Fuzzy Evaluation Model of Layered Component Testability Evaluation[J]. Computer Science,2011,38(5):113-115.

Shipboard Information Warfare System Integration Architecture

ZHOU Ruiyan

(Unit 91, No. 91404 Troops of PLA, Qinhuangdao066001)

In order to obtain information advantage in information warfare, this paper combines the research of current information warfare architecture with requirements and development trend, and proposes the shipboard information system hardware architecture and software architecture, which meets the demand of information system integration. The architecture includes the characteristics of integration, information and network, which can enhance operational efficiency, reduce the commanders’ burden, have easy maintenance and let shipboard adapt to the deteriorating environment.

information warfare system, integration, architecture

2016年4月5日,

2016年5月25日

國家自然科學青年基金(編號:61502438)資助。

周瑞巖,男,工程師,研究方向:艦艇作戰系統。

TP302.1

10.3969/j.issn.1672-9722.2016.10.016