美国海军AN/BQQ-10声纳系统的发展与启示*

管景崇 胡金华

(海军工程大学 武汉 430033)

美国海军AN/BQQ-10声纳系统的发展与启示*

管景崇 胡金华

(海军工程大学 武汉 430033)

美国海军AN/BQQ-10声纳系统是第一型真正意义上的一体化声纳系统,其发展历史和核心内容显示当前的声纳系统和电子信息设备正在和已经发生重大变革。这种变革不仅体现在技术上的变革,更体现在文化、系统工程等方面的变革,从而为电子信息设备的发展带来十分深远的影响。论文从AN/BQQ-10声纳系统发展背景出发,探讨这种新型系统的核心内容和所带来的变革,总结未来电子信息设备的一些发展方向,以及对发展我国电子信息系统的一些启示。

系统体系; 声纳系统; 一体化

Class Number TN929.3

1 美国AN/BQQ10声纳系统发展背景

美国海军潜艇声纳系统有早期潜艇的AN/BQQ-2声纳系统、洛杉矶级潜艇AN/BQQ-5声纳系统和俄亥俄级潜艇的AN/BQQ-6声纳系统。其声纳系统基本按传统的体系架构实现。

上世纪90年代,由于各国潜艇不断采用低噪声和安静型潜艇,美国海军面临着声学优势缩小的挑战和迫切提高声学性能的需要,但由于冷战的结束,投入费用下降而开发成本却迅速上涨,而且还要在更短的时间内完成技术提升,有限的资源已不能支撑发展的需求,这迫使美国海军需要一种变革来实现技术的进步。

那时主要采用定制的基于专用硬件和软件的计算机系统,而且需要庞大的备品备件库来维持整个寿命周期内的保障。这种方法不具备可持续性。与此同时,商用信息和通信技术工业由于商业和消费者市场的快速打开而得到跨越式发展。因此,美国海军邀请咨询集团MITRE公司主持一项独立的潜艇声纳技术调查来评估关于潜艇声学信号处理的技术开发和发展过程。

在1995年9月,调查组提交结果和建议,一个重要建议是用COTS处理器来替代传统声纳系统,采用APBs(Advanced Processing Builds)来满足不断增加的能力提高需求。与此同时,美国海军水下武器中心正在做一系列近期声纳改进以应付急需的功能短板。这就最终导致ARCI(the Acoustic Rapid COTS Insertion)项目,也是代号为AN/BQQ-10系统的开始。

当然,COTS技术本身并不构成真正意义上的“开放”结构。很多现有系统,即使使用商用硬件和软件,也保留着专用的格式、拓扑或分层,其目的是锁定并排除“第三党”对声纳系统的直接影响。

开放式结构简单地定义为一种分层数据处理结构,采用商用部件和遵照行之有效的标准,允许不同生产商的设备和程序的直接连接或进入。这意味着系统功能和性能的调整能被一个或多个使用者来实现,而不需要改变已有设备、流程和拓扑。

COTS和开放系统结构带来一系列的变化:由于避免专用产品的使用和在系统设计的每一层都消除了“锁定”,计算机系统能定期更新以保证快速的附加操作能力的插入以消除可能出现的危机(如对大学院校或小企业创新的伤害,避免昂贵的中修等),引入新的技术和备件流程,设计和开发代价明显下降。可清楚地看到,真正基于COTS的开放性结构的运转并不在技术方面,而是需要在消费者与供应商间共同承认和响应的一个协调过程和文化转变。

美国ARCI项目制定了加快引入性能更高的信号处理机到现役声纳系统的目标,同时保留与新型弗吉尼亚潜艇的C3I并行开发的关联性。

Lockheed Martin公司为此项目最初的合同商,负责每次更新的全部总成,包括对全部硬件和软件改进的最终集成和测试,也负责配置控制和向美国海军提供各个接口,用于软件和硬件查找故障和维修。

ARCI方法的核心是新的商业模式,它创建的开放架构能保证“best of breed(最佳繁殖)”(包括第三党应用),在固定更新周期内发挥作用。ARCI将来自大小企事业、大学院校和有关研究单位的技能、工程、技术以APB形式综合和实现其能力。

最早的升级(指第Ⅰ～Ⅳ期)主要对TB-23和TB-29拖曳阵处理的改进,以及之后的球阵和高频阵的改进。初始时,Lockheed Martin公司开发主动和被动球阵和高频被动阵的功能。Digital Systems Resources在2003年9月开发拖曳阵功能,the University of Texas Applied Research Laboratory开发了高频主动阵功能,Johns Hopkins University主持测试。

ARCI项目的另一方面是功能集成,由Submarine Precision Underwater Mapping and Navigation(PUMA)完成升级。处理改进作为APB02的一部分进入AN/BQQ-10系统高频声纳(ARCI第IV期)和AN/BCS-15 EC-19(SSN-688 only)声纳系统。性能提升包括潜艇在海底测绘和登记地理特征的能力,包括类似雷的检测,并用三维显示。此能力允许潜艇指导隐蔽的战场准备和雷场警戒和规避。

ARCI的关键技术是多用途可迁移的中间件(Multi-Purpose Transportable Middleware,MTM),保证以前系统软件能移植和重用使已有软件投资最大化。MTM最早由DSR开发,是一个免注册的软件版本,它允许不同应用软件模块间传输的高速数据能在ARCI声纳系统中运行,而与硬件和网络拓扑无关。这种无关性允许硬件与其关联的驱动器被更新时而大量复杂的应用代码不受影响。

DSR也开发了与ARCI关联的多用途处理器。信号处理器从最早每块板320 Mflop的性能扩展到每个机箱超过40 Gflop。计算机硬件已经在ARCI项目周期内多次升级。

最早技术基线为quad i860卡,SHARC处理器和单独设计的信号条件器,以及公用显示工作站的HP744处理器。然而,这个结构的问题很快被发现:用户卡被证明是失败的,编程困难,操作系统与外围驱动连接受限等。从这个失败中得到的教训是当使用的硬件和软件部件越主流,测试出现的问题越少,供应商也越容易解决问题。后来,取消用户VME卡被认为可以减小系统成本,提高可靠性和使软件编程更容易更快。

从2000年起,主流COTS处理器用于处理复杂的信号处理应用。从那时起,技术插入过程主要集中在将声纳系统的其余部分转换到有主流操作系统的主流COTS处理器上。

为达到最大化,ARCI系统网络采用千兆以太网(最早是采用ATM标准),坚持采用最商业化做法和提供最宽容的硬件与设备驱动器。然而网络和机箱外壳的升级使系统网络结构更加灵活,也使机箱外壳更容易在未来技术插入中升级。

ARCI连续获得基于软件的技术插入的订货,如2008年Fiscal连续进行中高频主动系统、要害自动检测、跟踪和定位算法改进,和目标声学状态估计的改进工作。2009年和2010年主要改进在自动系统操作以减少工作负担和人为性,并继续改进浅海反潜的声学性能。下一步主要改进在宽孔径、低成本共形阵LCCA、SSN688洛杉矶级潜艇球阵信号处理、接触跟随和跟踪,精密自动化、测距工具,搜索空间减小工具,环境预测和监测,以及主动系统等方面。

ARCI的目标是在军用水声系统中快速运用现成的商业元件。据国外专家评估,该计划的实施能在大幅度提高反潜兵器效能的同时将其成本降至现在的十分之一。

ARCI将传统的集中式声学系统转变为联邦式(federated)系统,能实现模块在线升级,即“即插即用”。ARCI的工作方式为软件每一年升级一次,硬件每两年升级一次,带来的好处是成本的大大下降,技术性能的动态提升。目前,ARCI有两项主要内容:APB(Advanced Processing Builds先进的处理库)和TI(技术插入)。APB针对于算法升级,TI针对硬件升级。美国海军规定每年进行一次APB升级,每两年进行一次TI升级。APB以2000年为基准,设置不同的版本,2000年的APB称为APB00。每次升级都进行专门部门的测试和评估,完成测试和评估后才能正式交付使用。实际上,由于软件可靠性等原因,并不能做到每年一次。

目前,不仅美国潜艇上完成基于ARCI的升级,而且在英国、法国等潜艇声纳系统都相继采用这种技术,成为潜艇声纳系统的潮流。如Thales公司研发的S-Cube声纳系统是TSM 2233声纳系统的一体化系统版,采用最新的COTS硬件并引入开放系统架构,具有更优的性能、最大的灵活性、增强的寿命支持和易于升级等优点。

2 开放式系统结构定义及优点

AN/BQQ10声纳系统与传统意义上的声纳系统有着较大的区别,是一种有着先进管理理念的动态发展的声纳系统。其体现在两个特征:COTS和开放式系统结构。

开放式系统结构是与商业流行技术(COTS)紧密相关的一个概念。关于开放式系统或开放式系统结构的定义目前还没有统一的标准。在计算机领域,开放式系统结构的定义是由国际标准化组织规定的,即开放系统互连(OSI)规程,但目前的开放式系统结构有更广泛的含义。

按MIL-STD-2036军用标准,开放式系统结构应该被定义为设计方法,利用这种设计方法,可按非专利标准设计硬件和软件,允许有多个制造商的部件和系统接口。

SECNAVINST 5200·32A采纳的IEEE的开放式系统的定义是,开放系统即完全执行接口、服务和支援格式的开放式规范的系统,能适当地管理使用的部件,跨接的大量部件变化要最小,能与本地和远距离系统上的其它部件互操作,并能以便于用户移植的形式与其它用户交互。

从上述几种定义可以看出,开放式系统有三个含义。

1) 采用商用标准硬件和软件及接口,使系统内的多个不同来源的部件可相互接口,支持相互可操作。

2) 支持系统功能和能力的扩充。

3) 支持软件的可移植性。

开放式系统结构不仅涉及计算机体系结构,而且还涉及网络体系结构和应用体系结构。随着时间的推移和技术的发展,开放式系统结构的含义和特点也在发生变化。将报道的80年代中后期研制的新一代潜艇指控系统和作战系统的开放式系统结构和现在正研制的NSSN C3I系统的开放式系统结构相比,NSSN C3I系统的开放程序有了很大提高,这主要原因是NSSN C3I系统更多地采用了COTS设备。采用开放式系统结构能达到以下目的:

1) 互操作性。两台或多台,相同或不相同的计算机系统应用和它们软件的交换能力,以及使用已交换信息的能力。

2) 兼容性。多种应用在它们工作中的相互协调的总能力,即使原来没有设计这样做。

3) 可移植性。应用硬件或软件组件能够容易地从一种硬件或软件环境转移到另一种环境中的能力。

4) 可重用性。在产生的另一种应用中,重用某种应用设计源代码部分的能力。

5) 可维性。通过取消应用代码部分接口的唯一性,改进维持应用能力的性能。

6) 可塑性。配置应用能力,允许从微机到大型计算机都能在平台上运行。

7) 与卖主无关。不同卖主都能竞争提供接口是兼容的硬件和软件。

8) 改善用户生产率。通过简化的功能复制实现,以满足不同计算机卖的主配置要求。

9) 改善技术引进。在实际运用后,其效果十分明显。据报道,相比于传统的系统,ARCI可在18个月内使处理能力提高了七倍;在10年的寿命周期,总成本下降了五倍,包括过程费用大约为原来的1/60,更新费用和软件加载的费用等都有所下降。

3 ARCI的几个核心

1) 多用途软件中间件MTM。由DSR研发,可自由注册,允许不同应用软件模块在ARCI声纳系统中应用,而不考虑硬件和网络拓扑。这也使硬件及其对应的驱动器更换而不会影响到复杂应用代码应用,也保证以前系统软件的移植和重用,使已有软件投资最大化。

2) 为ARCI研制的多用途处理器(Multi-purpose processor,MPP)。最早的MPP采用专门芯片,但后来发现当使用的硬件和软件部件越主流,测试时的问题越少,供应商也越容易解决问题,因而采用商用芯片。

在前两个技术插入的硬件基线中,去掉了大多数通用VME卡,以提高显示性能。去掉通用VME卡,可以减少系统成本,提高系统可靠性,使软件编程更容易更快。代码采用高级语言(C语言),简化代码,使编程者有更多时间用于写更好的代码,找问题,而不是去处理与硬件接口的细节。显示系统将VME调整为商用工作站。对高端计算机工作站进行比较后,选择了惠普工作站和UX操作系统,并可利用其丰富的标准色彩和图形库。

2000年起,主流COTS处理器的性能已能满足复杂的信号处理应用。因此,ARCI的技术插入重点转移到将声纳系统其余部件采用带主流操作系统的主流COTS处理器,并将VME卡变为运行Linux操作系统的Compaq八通道奔3服务器。之后,两种服务器统一硬件基线,使得软件开发更为容易,因为数据传输更为简单。

3) 操作员共性的考虑。操作人员包括舰队声纳兵和技师,工业部门代表,大学学者等,需要在一开始就考虑整个开发过程的流程,以告诉操作员如何查看和处理与新功能有关的数据。

4) 机柜结构统一设计。采用商用机架的机箱结构需求满足冲击、振动等要求。

5) 服务支持。在系统中设计嵌入式备份,使系统管理功能能在大多数信号处理硬件失效时能自动重构,而不影响工作能力。

6) 维修免操作周期MFOP。MFOP是一项在可预期的工作周期内提高可靠性和保障性的工作,以消除正在工作中的维修问题。

4 ARCI带来的变革

4.1 技术能力的变革

水声信号数字处理设备与水声基阵系统在很大程度上决定着舰艇水声系统的能力。据美国海军研究办公室(Office of Naval Research,ONR)的专家评估,由于水声基阵的改进能力耗尽,发展水声系统的主要潜力正是在于完善水声信息处理设备与处理方法。计算设备的积极发展为完善信号处理设备和推广更有效的新型软件创造了必要的前提条件。美国国防部在国防分析研究所(Institute for Defence Analysis)的审查的基础上得出结论,必须采取一系列节省资金的紧急措施,包括:

· 停止从零开始为国防部研制电子计算机的做法;

· 通过允许在军用系统中使用现成商用成品配件和软件的COTS构想;

· 在军用计算系统的研制中采用“开放式上层建筑”原则,以便在现有系统中使用新的结构元素,包括按商业标准制造的。

实现方法是在反潜平台和水声处理系统上采用民用现成(COTS)部件的开放式结构系统。重大的变化正在发生:使用寿命和更换周期长达几十年、采用军用规范的专用硬件和软件正被硬件/软件更新周期只有一、二年的采用民用现成部件的开放式结构系统所取代。这种方法正在潜艇作战系统上成功采用,在其它反潜系统上也能得到应用。

ARCI开发过程是一个建设/测试/再建设(Build/Test/Build sequence)的过程。与旧系统相比,新系统能够通过可记录的操作性事件来系统更新。因此,竞争性系统能够在实际环境中利用实际数据进行测试和评判。

4.2 文化变革

ARCI带来的另一个变革是文化上的变革,需要在各类大小合同商、学校实验室和政府部门间达到一致,涉及到使用者、合同商、研究者等间的竞争与合作机制,知识产权保护,数据和设计信息开放,代码开放和共享,合同管理等一系列问题。

图1 审查组组成

ARCI改变“基本合同商”(prime contractor)到“基本系统集成商”(prime system integrator)的管理机制,提供一种竞争性的解决方案,即通过“同等审查”(peer review)来选择最佳的解决方案。同等审查需要成立审查组,审查组包括用户代表、算法开发者、评估人员等。一个重要变化是非传统技术部门的参与并在参与中获得好处。

4.3 系统工程变革

在ARCI中,系统工程过程和结构需要对不同的角色进行指导和同步,特别是要控制核心界面和制定标准,确保硬件和软件相互可操作性。软件开发是由不同创新性合同商、大学研究实验室、政府实验室等经过竞争和合作方式完成,并由软件APB集成者处进行统一综合。硬件和软件系统和部件被移交到基本系统集成商,作为一个更新包被安装到潜艇。没有单个合同商能完全完成整个过程,而传统的基本合同商可以。在整个开发周期中,实现螺旋式开发。

图2 系统工程流程图

在整个过程中,面临着各个参与者错综复杂的关系,需要一个强的领导力。对各种不同的参与者有一个强大的约束。如何能实现这种变化,部分源于合同机制,部分源于领导力。后者包括最上层的命令和中间执行层出色的执行者。

4.4 用户的直接参与

用户在开发过程中会起到更大的作用。用户除提供操作便捷性、布局合理性、训练需求和保障性等多个方面的反馈之外,还将更深入地参与海上测试和评判等工作,将在开发者与舰队间起到通信连接。

5 启示

随着数字信号处理技术、计算机技术以及网络技术的高速发展,电子信息系统也进入一个快速发展的新时期。电子系统体系从最早的分立式声纳体系,到集中式的电子信息体系,现在已进入具有网络化和平台化特征的一体化体系。美国AN/BQQ10声纳系统及其发展对所有电子信息系统都具有深远的意义和影响,从中也可窥见到未来电子信息系统的发展方向。这些发展方向对发展我国海军电子信息系统有着启发性的借鉴。

1) 系统体系向开放、可组合方向发展。硬件设备间的数据传输从最早的模拟数据传输,到数字数据传输,再到目前的网络数据传输,传输能力不断提高,使数据从一节点向另一节点传输不再成为一个瓶颈,从而为网络化设备的实现奠定基础。信号处理算法越来越不依赖硬件,最终实现硬件和软件的分离,甚至各种商用产品(货架产品)进入系统配置,并通过构建独立的软件体系框架,形成平台化设备。因此,电子设备从最早的模拟设备,到数字设备,现在已进入网络化和平台化设备。体系结构成为具有以分布式体系、网络化结构、联合处理和综合显控为特点的开放性架构。主要表现为数据/信息的共享,硬件的共用和软件的重构重用,其实现依赖于模块化设计、高速数据传输网络、标准化高速信号处理机系统、开放的软件体系。

2) 系统工程向综合集成、快速提升的方向发展。这种体制,强化了系统集成和各算法的竞争性参与,而弱化了基础软硬件。强化了系统集成指将硬件和软件系统和部件被移交到基本系统集成商,作为一个更新包被安装到潜艇。强化了算法竞争性参与意味着软件开发是由不同创新性合同商、大学研究实验室、政府实验室等经过竞争和合作方式完成,并由软件APB集成者处进行统一综合。弱化基础软硬件指更多的软硬件将采用市场化采购方式。

3) 系统管理向动态循环、灵活应用方向发展。设备研制周期的大大缩短及其新技术的在线测试与应用,使预研-设计-生产-服务整个过程处于一个不断循环的螺旋式上升的过程,而在这过程中,不同的单位参与并发挥作用。

6 结语

随着数字信号处理技术、计算机技术以及网络技术的高速发展,声纳系统以及其它电子设备也进入一个快速发展的新时期。电子系统体系从最早的分立式体系到集中式体系,现在已进入具有网络化和平台化特征的一体化体系。新型体系的建立为设备的跨越式发展奠定了基础。

电子装备从模拟到数字是一次革命,从数字到一体化是第二次革命。从模拟到数字,不仅大大降低设备规模和成本,更重要的是很多复杂的算法可以通过软件来实现多种功能,使装备的性能大大提高。从数字到一体化,使软件与硬件彻底分离,即软件不再受制于硬件,是第二次革命。而这次革命不仅在声纳装备技术方面的变革,更重要的是在文化、系统工程等方面变革,这种变革将深深影响未来装备的发展,需要我们重视。

[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

管景荣,男,研究方向:水声雷达及电子。胡金华,男,副教授,研究方向:水声雷达及电子。

TN929.3

10.3969/j.issn1672-9730.2014.01.006