舰载信息战系统一体化体系结构研究*

周瑞岩

(91404部队91分队　秦皇岛　066001)



舰载信息战系统一体化体系结构研究*

周瑞岩

(91404部队91分队秦皇岛066001)

为了在信息化战争中获取信息优势,在概括信息战系统需求和发展趋势的基础上,结合当前体系结构研究现状,提出了舰载信息战系统的硬件体系结构和软件体系结构,该体系结构符合信息战系统一体化的需求,具有综合化、信息化和网络化的特点,产生增强作战效能、减轻指战员负担、易于维护等优势,使舰船能够适应日益恶化的海战环境。

信息战系统; 一体化; 体系结构

Class NumberTP302.1

1　引言

21世纪的战争是信息化战争,争夺制信息权、确保信息优势将成为实现作战空间所有其它联合作战能力的关键。要提高打赢未来信息化战争的能力,就必须以大力开发利用信息资源为核心,通过信息资源量的积累,激发信息资源需求,进而改进和完善信息利用手段。信息战系统就是实现这一目的的有效手段,而信息战系统体系结构是信息战系统性能的基本要素,决定着信息战系统的作战性能。

随着海战环境日益恶化,舰船受到了来自空中、水面、水下和岸上等多层次多方位的多维威胁和纵深饱和攻击[1～6],这对舰船电子装备提出了更高的要求。要在恶劣的现代战争环境下拥有制信息权以提供强有力的防卫和进攻能力,就必须把不同类型、不同频段、不同用途以及不同平台的雷达、电子战设备和各种手段有机地结合起来,进行综合控制、综合管理、综合运用,构成一个综合性的一体化作战体系,提高武器系统的整体效能。信息战系统一体化,就是为了适应现代战争环境需要,将各种有源和无源传感器有机结合,以扩展在日趋复杂的电磁环境下获取信息的数量和质量,提高对威胁目标识别的可信度,为进攻和防御提供所需的精确信息。

2　研究现状

2.1信息系统一体化的必要性

现代海军装备集成了众多复杂电子系统,舰载通信、导弹、雷达、电子战等装备通常集搜索、跟踪、制导于一体,具有电路高度集成化、工作自动化、传输信息多样化和各种软件高度密集的现代电子设备特征。但是在复杂的战术环境中,信号的密度大,干扰强,对目标的可观测性低,仅仅依靠单一类型的信息战装备来对目标进行识别已经无法满足要求,必须综合利用各种有源以及无源探测器在内的各种传感器提供的观测数据,通过信息融合的方法来实现对目标的识别。例如,对于同一目标,一部雷达可以获取目标的数据是视线方向上较窄,而宽度上与距离成正比的狭长区域。在一体化信息战系统中,两部以上雷达在准确了解传感器位置且观测同步的时候,能将目标区域限定在仅与雷达距离分辨力相关,而与距离无关的狭小区域,从而降低对目标定位的不确定性。再如,雷达只能给出的是目标的位置、速度等信息,而电子战支援能给出目标辐射源的属性信息。在一体化信息战系统中,通过信息融合,给目标贴上了带有某种属性的“标签”,或者说给辐射源赋予了精确的位置坐标,实现了对辐射源目标较全面了解。通过雷达目标航迹与电子战支援的融合和对目标携带辐射源的识别,进而达到对目标平台身份估计的目的。

通过对舰载电子设备一体化,可使舰载电子战系统与防御系统或舰队防御体系实现集成与融合,提高舰载装备系统的整体效能。可以说,未来海战军事行动的关键取决于信息控制权和快速反应能力。舰载雷达与电子战等装备一体化可使舰载传感器互为补充,获取精确、融合的目标信息,为取得信息优势和快速准确决策提供强有力的支撑。一体化信息战系统发展的重点将是“综合化”、“信息化”和“网络化”,从而大幅度提升战斗机的战场态势感知能力、指挥控制能力、目标打击能力、作战协同能力以及平台生存能力等,使每一舰船在遂行“以网络为中心”的作战中发挥出更强的体系对抗能力。

2.2体系结构研究的必要性

体系结构是指“一个被定义领域的组成部件的结构、它们的相互关系,以及指导它们设计和不断演进的原则与指南”。体系结构设计近来得到了迅速发展和广泛的应用,它是有效规划系统整体结构的科学方法[7～8]。它代表了系统最早的一组决策,这种决策对系统开发、设计、运行、维护等阶段有很强的指导作用。体系结构已成为捕获系统需求、构建大型复杂信息系统的主要工具。体系结构是一种重要的系统顶层设计方法,它把部件、部件之间的关系、部件与环境的关系组成一体进行系统设计,能够提高系统开发效率,满足系统之间可集成和互操作,保证系统设计质量和节省使用、维护费用。

为实现以数据为中心的体系结构开发策略,更好地支持面向不同目的、不同层级决策者需求的体系结构描述开发,增强体系结构描述的灵活性、可演化性,提出了基于元模型的体系结构表现方法。文献[8]介绍了C4ISR体系结构的发展历程和体系结构设计方法,并对综合电子信息系统存在的问题进行了探讨,给出了指挥信息系统体系结构的发展趋势。作战信息链将军事信息系统的多个方面以及传感器和武器平台“统一”起来,链成一体,成为战场各种信息的获取、处理、控制、传输平台,以达到在战场上“制信息权”的目的。

3　体系结构

3.1硬件体系结构

为了充分综合利用所有硬件资源,尽可能实现资源共享,按照信息获取、管理、处理、显控等功能,将信息战系统分为信息获取、信息处理、信息管理、信息显控等四个部分。这四部分通过信息总线相连,如图1所示。

信息获取部分利用各种途径获取外部信息,主要的获取手段包括:射频信号、光电信号、水声信号、内部状态信号、数据链和其他信号。对于大部分信号,具有专门的信息预处理单元,针对该信号进行必要的预先处理。例如射频信号预处理单元根据指控系统发来的指令,利用软件无线电技术实现射频信号的综合处理,使用同一孔径在不同的时间实现雷达信号的发射与接收、无源侦察和有源干扰等功能,并实现频谱的统一管理和分配。再如,数据链从预警机或其他数据源获取战场态势、对方的目标属性等信息送给信息处理部分进行战术决策,还可以获得没有完全处理的射频信息送给本舰的射频信息预处理进行目标更加精确的定位。

信息管理部分存储舰船执行作战使命所需的各种当前和历史信息,并通过适当的人机接口和信息总线与其他部分进行交互。例如地形数据库保存着舰船所在区域及使命区域的海底地形等信息,航迹数据库保存舰船的时间、位置等航线状态参数。

信息处理部分综合处理采集到的全部信息,完成信号处理、数据处理、图像处理等工作,为信息综合显示控制提供服务,并将处理的信息存储在信息管理部分。

图1　硬件体系结构

信息显控部分实现人机交互接口,为指战员提供可理解的信息处理结果,包括:战场态势信息、对手状态特点信息、本舰状态信息等。融合后的信息或是传送到显示器,或是提供声光告警。信息显控部分还能接收来自指战员输入的战术指令等信息,实现对本舰航行、武器的控制,完成电子战、硬武器杀伤等使命。

3.2软件体系结构

一体化信息战系统采用开放式软件体系结构,采用分层策略,层与层之间通过标准接口进行访问,实现应用软件与硬件的相互隔离,有利于软硬件的升级换代。具体来说,该软件体系结构分为三层,由下至上依次为:模块支持层、操作系统层、应用层,如图2所示。

图2　软件体系结构

模块支持层是可以共享的资源所在层,这些可共享的资源包括计算机设备、存储设备、传感器、各种仪器、分布式系统、基础网络、现有武器装备等。该层对于操作系统层来说是透明的,通过服务向操作系统层提供共享资源能力和接口,通过支持共享协议实现本地设备的访问。这样,模块支持层封装了基础硬件的细节并提供对底层资源的通用的技术上独立的访问。

操作系统层充分利用模块支持层的资源,为应用层提供安全性、信息发现、资源管理、数据管理、通信、故障诊断和可移植性等多种基础服务。它主要包含以下两项:操作系统和通用系统管理。操作系统为支持实时应用执行和相关资源管理提供需要的服务,控制着处理单元及其相关资源的行为。 通用系统管理为使用操作系统服务提供保证,功能主要包括:系统容错行为、系统安全策略、系统初始化与重构[9～10]。

应用层提供军事应用的开发工具和执行环境,包括远程调用方法、任务并行机制、消息传输模型以及工作流系统。该层包含指挥员和军事专家,由他们下达命令、制定具体作战方案和实施指挥决策。面向具体的军事行动和作战任务,包括计划制定、目标识别、威胁评估、态势、辅助决策等。

4　一体化信息战系统的特点和优势

4.1一体化信息战系统的技术特点

一体化信息战系统是由各种舰载信息采集设备(传感器/数据链)、信息处理设备、信息管理和显示控制设备以及相应软件组成的网络,其主要技术特点是:

1) 系统高度综合化。一体化信息战系统的综合化,首先体现在系统结构的综合上,即运用先进的计算机和电子技术,将系统中传统的雷达、通信、导航、电子战、敌我识别、武器火控等分系统及传感器综合设计在一起,构成一个多频谱、多手段、自适应的综合一体化信息战系统;其次体现在系统功能的综合上,即系统的功能按层次划分,采用多种传感器的综合及信息处理、融合、显示技术和辅助决策技术,使指战员获得全面的战场态势,把精力集中在高层的战术决策上。

2) 系统高度信息化。从提高舰船的信息搜集、信息传输、信息处理和信息应用等能力出发,不断应用当代电子信息技术的最新研究成果,使实现高度综合化的信息系统的整体作战效能能够得到充分的发挥。新型数据链通信系统、综合核心处理机、高速数据总线以及高度综合的显示系统,不仅提高了舰船内外信息的获取、处理和传输能力,而且大大增强了舰船内外信息的交互、利用和共享能力。

3) 系统的网络化。利用电子系统中的有关设备(传感器、数据链、协议、接口等),实现舰船与作战空间战场信息网络的有机连接,以更高的效率、在更大的范围共享作战空间内各参战平台的硬件资源和信息资源,从而大幅度提升战斗机的战场态势感知能力、指挥控制能力、目标打击能力、作战协同能力以及平台生存能力等,使每一舰船在遂行“以网络为中心”的作战中发挥出更强的体系对抗能力。

4.2一体化信息战系统的优势

一体化信息战系统的这些特点给舰艇带来了下列优势:

1) 舰船的作战能力提升。综合化、信息化的一体化信息战系统大大提升了舰船的态势感知、多目标攻击、电子战和协同作战等能力。

2) 指战员的工作负担减轻。舰船一体化信息战系统通过信息显控会自动提示指战员,并生成多种备选对策、辅助指战员进行决策,大大减轻了指战员的心理压力和工作负担,为指战员提供了更加舒适的工作环境。

3) 舰船的使用维护方便。舰船一体化信息战系统具有高度的模块化结构和自检测功能,可实现故障的快速定位和隔离,维护人员只需更换故障模块即可排除故障。这样就大大方便了系统的维护,提高了舰船的可维修性和再次出动能力。

4.3一体化信息战系统的关键技术

综合一体化信息战系统是一个复杂而庞大的网络系统,系统的开发、综合和研制涉及多个学科和技术领域,其关键技术主要包括:

1) 综合一体化信息战系统总体设计技术。综合一体化信息战系统总体设计主要是根据舰船及其使命任务,对系统进行定义、分析、设计、验证、评估并反复迭代,最终满足任务的要求。

2) 一体化信息战系统综合技术。一体化信息战系统综合是对系统中所有分系统和设备的高度集成,是充分利用系统资源、提高系统性能、降低系统成本、减少安装空间,减轻指战员负担的发展途径。系统综合需要重点考虑战技指标的分配、系统的配置、功能的匹配、结构的选择、资源的共享、信息的统一调度、容错和系统重构、系统自监测和维修支持等问题。

3) 传感器综合技术。传感器融合可对多种类、多信息源和多平台传感器所获取的信息自动地进行检测、相关、估计、分析,以便快速、准确、连续、全面地提供战场态势信息。因此,数据融合技术是现代军事领域的重要技术之一,是实现信息战一体化的重要保障和核心技术。多传感器获取的信息中,其不相关的部分在特征空间中是正交的。通过融合增加目标特征矢量的维数,可以全面获取反映客观世界的真实信息,从而为正确判断客观世界、了解作战空间提供依据。

5　结语

舰船采用了高度综合化的一体化信息战系统,采集舰船内部和舰船外部的各种数据并对其进行融合处理,形成对战场环境的正确感知,以及实现对舰船和武器系统的智能化控制,使舰船具有全新的作战模式。

[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

国家自然科学青年基金(编号:61502438)资助。

周瑞岩,男,工程师,研究方向:舰艇作战系统。

TP302.1

10.3969/j.issn.1672-9722.2016.10.016