美军JTRS对海军通信装备发展的启示＊

(海司通信部 北京 100841)

1 概述

1.1 JTRS发展背景

1991年海湾战争结束后,美国国防部(DoD)意识到现役通信系统单一功能的硬件设计已无法充分利用或适应商业技术快速变化,特别是在谋取与维持信息优势以及在满足作战单元与作战平台快速移动方面,现役系统难以满足部队所需的通信功能实体与灵活性。有鉴于此,DoD于1997年正式批准了联合战术无线电通信系统(Joint Tactical Radio Systems,以下简称JTRS)计划并发布了JTRS研制任务需求信息(MNS)[1]。同年10月,为了便于JTRS标准化开发与研制,DoD成立了联合战术无线电系统计划办公室(JPO)。JPO依据MNS要求并经过多次修改与完善,于2003年发布了JTRS联合作战需求文件[2](JORD)3.2版。

JT RS是一种软件可编程、且硬件可配置的数字无线通信系统。在互操作性、灵活性与适应性方面,她可满足部队指挥员与平台不断变化的作战任务要求。JTRS可在2MHz～2GHz频谱范围工作,除了支持与现役几十种基于硬件设计的电台波形互通外,其新研制或增加波形可支持Ad Hoc网络(包括无线路由与网关功能)应用。随着美军向信息化转型,JTRS已纳入到其网络中心战(NCO)的体系中,并成为支撑美军联合作战设想2020[3]和NCO体系的重要战术网络通信系统。

1.2 JT RS发展历程

在JT RS纳入JPO管理之前,美空军ROME实验室在1993年～1995年先后实施了Speakeasy(I、II期)[4];同期,美海军也提出了可编程模块化通信系统PMCS计划。Speakeasy与PMCS均属于多频段、多模式与多功能电台(即一种软件定义无线电技术或SDR),且两者均成功地示范了十多种与美军现役电台互通的波形。Speakeasy与PMCS的成功实施,为后续JT RS的开发工作奠定了基础。

为了统一陆军、空军与海军联合开发SDR的进程,DoD于1996年要求三军将后续SDR系统研制或演示系统合并,并统一纳入JPO管理,即正式命名为JT RS计划。JT RS计划主要包括三个阶段：第一阶段(1997年～1998年)为体系结构定义阶段,主要对需求、波形和技术基础进行分析,并形成基础体系结构定义报告(ADR)。第二阶段(1999年～2003年)为体系结构开发和验证阶段(即著名的Step 2A与Step 2A),形成并完善软件通信体系结构(SCA)标准。第三阶段(2005年以后)为各军种测试、采购与装备阶段,开始着手装备部队并最终取代各军兵种现役的不同电台或基于硬件设计的通信装备。

1.3 JT RS的体系结构

借助于SDR的可扩展性和灵活性,JTRS可以方便而完整地集成进全球信息栅格GIG[5],并在整个频域范围内为相关作战人员提供纵横交错的网络连接能力和全新的通信服务,使作战人员能够及时地获得与战斗直接相关的各种重要战术信息,派生出全新的作战模式,支撑未来全新作战概念与系统(如：未来战斗系统FCS[6],战术级作战人员信息网络系统WIN-T,自动数字网系统ADNS等)。

JT RS的硬件体系架构如图1所示。

图1 JT RS的硬件体系架构

从图1中可以看到JTRS的硬件体系架构主要由五大功能模块组成[7],分别是宽带射频前端模块、多速率波形处理模块(Modem)、信息安全模块、可编程信息处理模块、可编程多功能接口模块。

JT RS基于SCA标准的软件体系架构如图2所示。

图2 JT RS基于SCA标准的软件体系架构

该软件体系结构由操作环境和应用组件组成。操作环境包括核心框架、CORBA中间件、嵌入式实时操作系统以及网络接口层和板级支持包等,构成了通用软件平台。SCA是软件体系结构的核心内容。所有应用采用组件设计形式,组件间通信由CORBA提供的逻辑“软件总线”来完成,根据特定的功能,定制符合用户需求的通信波形,而不同的波形在平台上可以实现动态地加卸载。

2 JTRS主要能力、应用及发展趋势

2.1 JTRS主要能力

未来随着JTRS应用全面展开与部署,使其成为美军战斗单位在战术与战役层面上获取信息优势的有力通信装备。

JTRS能够提供良好的多频段、多功能和多模式能力。基于SDR技术,JTRS能够有效覆盖从2MHz～2GHz的主要战术通信频段。通过更新软件,可以实时改变系统的功能和工作模式,以适应战场环境及任务的变化。

JTRS能够提供良好的网络通信能力和战术互操作能力。实际作战过程中,作战单位可利用JTRS的通用宽带组网波形[8]组成统一的分布式移动战术信息网络,并与其它信息网络对接,保证作战单位能够在战场中任何地方随时共享并获取相关任务信息。

JTRS能够提供良好的扩展能力。基于开放式体系架构,JTRS能够方便而完整地实现由新作战概念派生出的全新服务和系统。同时,新增的系统功能和服务不会对系统原有能力造成影响。有效减少通信装备的种类和数量,减轻作战人员负担。

2.2 JTRS在美海军中的应用

在以NCO思想为代表的军事改革浪潮推动下,美军正积极推动其作战模式的战略转型。JTRS以其开放式的体系架构,良好的可扩展性和互操作性,受到各军兵种的重视,并在各军兵种作战转型中扮演了重要角色。

美国海军于2002年提出了“21世纪海上力量”的新战略[9],这也是海军转型的总体构想,具体包括“海上打击”、“海上盾牌”和“海上基地”三个主要组成部分,完整地描述了海军未来全新的作战观念。根据海军的构想,FORCE net将成为实现“海上打击”、“海上盾牌”和“海上基地”概念的核心网络与分布式系统。借助于JT RS支撑,FORCE net将有效实现与其它各军兵种信息系统的互联互通,将空前增强海军获取、共享与利用信息的能力,使海军转型成一支依靠信息优势、决策优势和协同作战能力的高效能作战部队。

2007年,洛克希德-马丁公司率先将JT RS的相关技术应用在潜艇综合通信系统的设计中,推出了通用潜艇无线电报房CSRR。同年,CSRR先后成功地集成在弗吉尼亚级攻击核潜艇(SSBN 736)、海狼级(SSN 22)和俄亥俄级(SSGN 726)等水下作战平台上,并完成了包括系泊及海上实际操作的多项测试和评估,实现了美海军历史上的第一个自动化报房。实际测试证明,CSRR在不同的潜艇平台具有良好的通用性与开放性,提高了潜艇通信系统的自动化程度,同时为潜艇扩展新的通信能力和业务提供了可扩展空间。现在,洛克希德-马丁公司在CSRR系统的基础上,将相关技术进一步推广,提出了适用于水面及其它不同舰艇平台的通用无线电报房CRR[10]系统应用与技术视图(如图3所示)。

图3 通用无线电报房(CRR)技术框图

2.3 JT RS的主要发展趋势

JT RS的精髓在于其采用开放式的体系架构,能够迅速地通过软件升级的方式集成新的波形和通信功能。未来随着“网络中心战”思想的贯彻和逐步推进,必然使得JT RS不断向前发展,以满足美军未来对通信的需求。

1)开放的体系架构

在未来JT RS发展过程中,SCA的架构仍需要进行调整,以适应未来更广泛的部署环境。当前SCA的架构主要面向通用处理器环境,未来SCA将着眼于在更广泛的操作环境内为通信体系架构提供一种更加抽象和通用的描述方法,使得整个JT RS具有更加开放的体系架构,对新功能和应用的支持更加迅捷。

2)更完整的通信频谱覆盖及更灵活的带宽能力

实现更完整的通信频谱覆盖及更灵活的带宽能力是JT RS的核心目标之一。目前,美国Harris公司生产的AN/PRC-117G电台已经实现了从2MHz～2GHz的通信频段覆盖能力。未来结合MEMS技术的发展,可在一块芯片上生产小型的、可调的、高性能的无源元件,将彻底改变RF信号处理的具体实现方法。使得射频处理模块可以实现可变的接收带宽,对射频信号的覆盖范围进一步向上扩展至Ku频段甚至更高,在真正意义上实现可编程的射频处理能力。同时随着各种新材料和相关新技术的使用,将实现更加高效的宽带天线,以减少JTRS的天线种类。

3)更强大的运算处理能力

为适应未来各种更加复杂的波形和应用,JTRS的硬件平台必须具有更强大的运算处理能力。未来随着DSP技术和其它通用处理器技术的不断发展,JTRS硬件平台将集成更高速的数据存储器及通信接口、功能更为强大的各种处理器,形成复杂的“云”技术架构,为JT RS提供更强大的运算处理能力,以支持其进一步扩展全新的波形和通信功能。

4)强大的通信组网能力

在NCO思想的指导下,为更好地支持未来战场上各种不同功能信息网络的互操作性和不同通信应用的需求,JTRS需要更强大的通信组网能力。未来JT RS将通过扩展更加高速组网波形和完善并丰富其网络协议栈的的方式向着网络宽带化和组网智能化的方向发展。

5)小型化和低功耗

JTRS作为战术通信系统其终端设备必须跟随作战人员或相关作战平台在战场范围内进行机动,这对终端设备本身的尺寸、重量和功耗提出了更高的要求。未来,JTRS终端设备将向着结构更加紧凑小巧、重量更轻、功耗更低的方向发展。

3 JTRS对我海军发展的启示

JTRS本质上是NCO思想在战术无线通信领域内的具体表现形式。在NCO指导下,JT RS已经对美军各军兵种的作战模式和通信装备的发展思路产生了深远的影响,同时,JT RS及潜在应用,也必将对我海军作战模式转型与通信装备发展带来了一定的启示作用。

3.1 JTRS对我海军通信网络技术发展的启示

JTRS主要功能,尤其是其网络化能力(包括未来宽带网络化波形WNW嵌入)及在动态环境下快速展开特性,对我海军综合电子信息系统,特别是通信网络的一体化技术发展产生一定影响,即未来海战场通信网络必须满足以下几个方面的发展要求：

1)各种不同通信网络应具有良好的互操作性,并能够形成一个综合性通信网络;

2)通信系统应能够具有良好的扩展能力,适应未来对通信的新需求,并能够迅速地对各种新业务和新应用进行集成;

3)通信网络应具有一体化综合管理能力,可以实现异构、复杂、庞大通信网络自组织管理和高效运行;

4)通信与信息安全应进行一体化考虑,实现对所有信息源的共享,满足不同层次人员对信息的不同需求;

5)海军通信系统应能够提供与主要民用通信系统的接入能力,以支持海军未来诸如护航、维和等多元化使命任务能力。

最终实现整个通信网络互连互通、无缝覆盖,使每个用户无论何时、何地,都能通过通信网络实现端到端的连接,并获取需要的任何信息,使其成为一个理想的一体化通信网。

3.2 JT RS对我海军通信装备发展的启示

JT RS采用基于SCA的SDR体系架构,使相关通信技术装备具有良好的通用性、可扩展性和互操作性,为我海军通信装备的发展提供了一条可供借鉴的思路。

1)采用SDR技术,可促进海军通信装备向模块化、标准化和系列化方向发展

目前,海军通信装备模块化程度不高,装备的研制缺乏标准约束,导致装备功能、体系结构及接口相对独立,使装备的系列化发展面临巨大挑战。同时给通信系统的综合集成带来较大的技术风险,导致通信系统结构复杂。

借助于SDR技术可以有效实现通信装备的模块化设计,对原本相对独立装备的硬软件按照标准进行模块化划分和统一接口设计。在通信系统中打破原有功能与装备绑定的“烟囱式”模式,采用标准模块集成的方法,在不同的应用需求下,通信系统可以调配各种所需的模块并更新相关软件,以近“实时”的方式实现所需通信功能,从而极大地提高通信系统的灵活性、扩展性和生存能力。同时采用标准的模块化设计后,可以统一装备制式,有效减少装备种类和数量,减少对装备维护及后勤储备的难度及成本,有利于系列化通信装备演进过程中的平滑过渡。

更重要的是,在模块化的基础上必须重视标准的制定和使用。以标准引导和约束通信技术装备的发展,以装备和技术的发展促进新标准的制定。全面推动装备向模块化、标准化和系列化方向发展。

2)采用SDR技术,可提升海军通信技术装备新技术应用能力

由于非标准化装备体制特点,导致在海军现行装备体制中引入新的技术体制具有较大的困难和技术风险。往往是引入一种新的技术体制,就要新研一套设备。而较长的设备研发周期会明显延缓新技术应用于系统的时间进度。同时新技术体制的应用还会面临与现有装备的兼容性问题,制约了海军通信装备对新技术的应用能力。

采用SDR技术后,可加快新技术体制转化为新通信能力的进程,改善技术升级过程中的兼容性问题,全面提高通信装备的新技术应用能力。在该模式下,对新技术的应用将主要通过扩展标准模块和更新相关软件的方式进行。研发工作主要集中于符合相关标准下的软件开发,较原先独立装备的研发周期大大缩短。此外,研发工作在统一标准的约束下开展,可以实现高效的分工合作,有效降低新技术体制与现行技术体制之间的兼容性风险。

3)采用SDR技术,可简化舰载通信系统工作流程,提高系统稳定性及可靠性

在海军舰载通信系统中,通信控制管理子系统主要解决不同通信装备的接口差异和集成使用问题。然而不同舰艇上通信装备的差异导致舰载通信控制管理子系统需要重新设计,甚至重新研制。虽然已就控制管理子系统的通用化设计进行了大量研究工作,但并不能完全解决由通信装备的多样化带来的固有矛盾。因而极大地制约了整个通信系统的可靠性和稳定性。同时也使通信系统工作流程繁琐复杂,人工干预环节多,自动化程度有限。

利用SDR技术,可以使以往独立的通信设备演化为若干标准的硬、软件功能模块,并集成为模块化可配置的舰载通信系统。舰载通信综合管理控制子系统对通信系统内的各标准化硬、软件功能模块视为标准化的系统资源进行统一管理和配置。虽然在不同舰艇上通信系统的具体配置有所不同,但整个舰载通信系统的体系架构可以保持良好的一致性,实现舰载通信综合管理控制子系统及管理策略的通用化。更重要的是,利用SDR技术可以大大简化舰载通信系统的工作流程,衍生出新的系统功能;减少人工干预环节,降低操作复杂性,提高通信系统自动化程度;简化通信信号流和信息流路径,进一步提高舰载通信系统的稳定性及可靠性。

4 结语

未来全新的网络化和信息化的作战模式势必要求我海军未来的通信技术装备必须具有应对各种不同通信环境、执行多变作战任务和即时适应全新通信功能的能力。根据美军研发并使用JTRS的相关经验,采用SDR技术,可以提高我海军通信装备应用新技术的能力,提高通信系统的稳定性和可靠性,促进我海军通信装备向着模块化、标准化和系列化的方向发展,促使海军通信技术装备的发展走上可持续性发展道路。

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