中国指挥与控制学会会刊 
潜艇作战系统是潜艇的重要组成部分,是潜艇上用于执行警戒、跟踪、通信、导航、目标识别、信息综合处理、战术辅助指挥决策、参数解算及武器控制功能,完成作战任务的各设备、软硬武器及人员的总称。它相当于潜艇的耳朵、眼睛、大脑和剑。研究国外典型潜艇作战系统组成与核心技术,有助于深刻认识潜艇作战系统的概念内涵和掌握国外潜艇作战系统发展现状,为国内研究潜艇作战系统及其关键技术提供借鉴和参考。本文在文献[1]基础上,介绍了美、德、法等国的4型潜艇作战系统有关情况,并对其关键技术进行了分析,总结了对潜艇作战系统发展的启示。
1 国外典型潜艇作战系统简介
潜艇作战系统在国外文献中有着多种称呼。如美AN/BSY-2系统被称为“先进潜艇作战系统(Advanced Submarine Combat System)”[2⇓-4];美AN/BYG-1系统被称为“潜艇作战控制系统(Submarine Combat Control System)”[4⇓-6];德ISUS(Integrated Sensor Underwater System)90系统被称为“潜艇集成作战管理系统(Submarine Integrated Combat Management System)”[7-8];法SUBTICS(Submarine Tactical Integrated Combat System)系统被称为“潜艇战术集成作战系统(Submarine Tactical Integrated Combat System)”[9-10]。虽有多种称呼,但从其表述来看,都体现了作战系统综合和集成的整体思想。
1.1 美AN/BSY-2系统
该系统于1997年7月“海狼级”攻击型核潜艇服役时投入使用,其合同商为洛克希德马丁公司的海上系统和传感器部门。
AN/BSY-2作战系统是一个被设计用来跟踪、监视以及发射所有艇上武器的完全集成系统,它通过CCSMk2(Combat Control System Mark 2)子系统提供包括目标选择、作战系统管理、领航和导航功能。系统具有一个使用光纤技术和Ada语言软件及摩托罗拉32位处理器68030的称为Flexnet的92个处理器节点的灵活体系架构。这些处理器被用于基本处理、输入/输出控制、箱体控制和信号处理,并被分组到四个任务区:声学、指挥控制、武器和显示。其原理框图如图1 所示[2]。
系统计算机磁盘存储容量为4.7 GB,RAM为1.8 GB[2]。总的软件大小是310万行源代码。系统使用战术态势绘图机、传输组、大垂直显示屏和大水平显示屏,11个具有基于标准键盘、跟踪球控制、触摸屏技术和六数据显示人机交互接口的AN/UYQ-70显控台。当其他显示单元故障或系统用于多种使命任务时,显控台可以被重新配置。系统硬件通过具有50Mbit/s的Flexnet本地局域网连接。
声呐系统方面,装备的AN/BQG-5宽孔径阵列被动声呐能够在艇体的每一侧使用三个广泛分开的舰壳阵列,来提高探测能力。AN/BQG-5被与TB-16标准和TB-29细线拖曳阵列声呐集成,还有MIDAS水下探雷及测冰声呐。TB-29由一根825 m长的线缆和915 m长的线阵列组成,该声呐能够提供更远的探测距离,快速定位目标,而不需要潜艇必须机动;多目标跟踪具有更高的精度,并且实质上减少了流噪声条带干扰。该声呐首装美潜艇“奥古斯塔”(SSN-710)。
1.2 美AN/BYG-1系统
AN/BYG-1被指定为整个美海军潜艇力量的基线系统。AN/BYG-1在美“俄亥俄级”巡航导弹核潜艇和“弗吉尼亚级”攻击型核潜艇上已装备使用,也被用于澳大利亚Collins级潜艇。AN/BYG-1在稍作修改后用于“洛杉矶级”和“改进的洛杉矶级”攻击型核潜艇。该系统的出现晚于AN/BSY-2系统。
AN/BYG-1作战控制系统提供对所有作战数据综合处理和评估,及对所有传感器、武器和作战机动的协同作战控制功能。系统的体系结构优势使得其比以往系统具有更低的花费、更高的可靠性、更简单的操作和维护。它是基于CCS Mk 2开发并用于常规和核动力潜艇的潜艇作战系统,结合了声呐、电子支持测量(ESM)、雷达、导航、潜望镜、通信、指挥和武器。CCS Mk 2支持发射和控制“战斧”巡航导弹和Mk48重型鱼雷。
系统监视功能高度自动化,提供监视大量的接触目标和同时交战多个威胁目标的能力。系统处理和评估结果以图画和自然语言的形式在通用显控台上呈现给系统操作员,高度自动化处理能够将操作员从不关心的任务中解放,并允许他们管理异常情况来获得对环境的必要战术认知。相比以往系统,减少了对基本编辑任务的人力需求。当操作员任务紧张时,系统提供目标的提示处理功能,包括指挥决策辅助、战术选择显示、交战/规避建议、武器选择等模块。此外,系统提供对性能监视、故障定位、作战数据记录、重构、作战训练保障的支持。
作战数据总线以1Mbit/s的串行速率在每个双总线上以MIL-STD-1553B格式提供其他设备之间的通信。数据在总线上广播,从每个计算机同时传输到其他所有计算机,以使所有计算机在相同时间接收数据。总线的每一半具有提供所有需要的系统通信能力。总线可以采用铜线和光纤两种形式。
水下监视子系统提供声学探测、跟踪和定位、记录、分析、分类、声音、声呐数据处理和支持功能。数据源包括舷侧阵列声呐、圆柱形阵列声呐、被动测距声呐、截获阵列、拖曳阵列、水雷和障碍物探测声呐、自噪声监视声呐。开放式体系结构允许选择多种类的声呐来满足需求。
一些现代化ESM组件可以用于系统集成。通过使用传感器接口单元和接口设计语言(基于CORBA标准),国有的ESM组件或许可以被集成到核心作战系统,但作战系统对其中的敏感或秘密信息不具备可见性。传感器接口单元设计也被用于雷达组件,任何雷达都可以被集成,不会暴露国家秘密或敏感的数据。同样,凭借高速骨干网络,雷达扫描信息能够在多功能通用显控台显示,减少了专用硬件需求和传统系统中的点对点连接建立。
1.3 德ISUS 90系统
1999年ISUS 90系统首次交付给以色列海军适配Dolphin级潜艇。ISUS 90系统和它的早期产品正在10多个海军的数个级别潜艇中应用。其合同商为阿特拉斯电子公司。
ISUS系统设计用于具有500-2000吨排水量的潜艇,这样的潜艇内部空间非常珍贵。系统采用分布式体系结构,支持软件驱动多功能显示和网络化连接以控制声呐、雷达、光学、光电和ESM。ISUS具备自动探测、跟踪和分析声信号功能,并且能够使用声呐或被动ESM信息用于进行交互式目标分类和目标运动分析(TMA)。其作战管理系统的模块化概念如图2 所示[8]。
来自其他平台传感器的数据能够被分层分发在通用显控台上,用于增强态势感知,内部数据库可以用于威胁分析。
ISUS 90系统通常集成一个CSU90声呐套件。一般地,声呐套件包括一个艇艏圆柱形主/被动水听器阵列(半径大约2.8 m)、两个舷侧阵列(典型地六个宽带噪声被动测距阵列)、一个分布式截获探测和测距阵列、一个水雷规避阵列、一个宽带换能器阵列和一个拖曳阵列声呐。具体的配置可由用户定制,形成不同的总体能力。几乎在所有升级和新建的系统中,现有系统的线性舷侧阵列正在被平板式阵列替换,该声呐能够自动跟踪8个目标。
ISUS 90具有现代的集成系统特点,对于天线、处理器、总线系统和多功能通用显控台,每个都可以用商用货架产品和开放式体系结构设计来进行升级。多功能通用显控台被设计用来满足在所有新潜艇中减少人力配备的作战需求,使用2个高分辨率20英寸平面彩色显示器和商用组件,以及基于Windows操作系统的用户友好的人机接口。
开放式体系结构和模块化设计允许潜在的增长和创建高度的灵活性,用于平台技术升级和系统升级。模块化允许系统灵活配置与安装以满足用户需要。
ISUS也监视和控制武器和火力控制系统,当下达命令时能够辅助制定和分配火力解决方案。
1.4 法SUBTICS系统
9个海军客户(法、印等)在新艇或改装应用中订购了40多套SUBTICS指挥系统。其合同商为索菲亚科技园国际水下防御系统部门。SUBTICS已完成大量海试,通过几次成功的武器发射和试验演示了其性能和集成能力。SUBTICS是一个能够有效使用和广泛集成传感器和武器的作战系统,支持潜艇在海上更加广泛地使用及联合作战,支持反潜战、反水面舰艇战到情报收集、对陆攻击和特种作战。
SUBTICS作战管理系统的设计是基于一系列多功能通用显控台和一个位于中心的战术桌(用于提供指挥和战术数据处理系统),以及一个武器控制系统,该武器控制系统能够与声学传感器套件、电子战装备和平台导航系统集成,由单一的指挥中心管理。集成的导航系统联结来自GPS的数据、航行日志、深度测量和舰艇姿态监视系统,它对于平台安全和潜艇参与到任何的网络作战(SUBTICS将接收从链路下载的数据和其他情报数据)是至关重要的。系统完整的软件库和环境信息处理软件能够处理来自潜艇有关环境探测的传感器数据,包括海水密度、温度和潜艇自身的噪声信号。
潜艇控制室标准的SUBTICS配置主要包括6个ColibriMk II商用货架加强的PC工作站(基于一个带有Barco显示的IBM PowerPC)。其中, 2个工作站用于指挥和通信, 2个用于火力控制,剩余的2个用于声呐和目标运动分析。PowerPC工作站配备19英寸光栅扫描显示器,并使用Posix/Unix操作系统,及C语言(应用)和C++语言(图形功能)软件。以太本地局域网提供接口到个体组件、子系统和外部传感器,用于数据交换。SUBTICS系统处理来自声呐、光学、光电、电子支持措施(ESM)、雷达和通信设备的数据,以提供连贯的、融合的战术图像用于作战指挥和决策制定。系统通过跟踪关联、数据融合、综合、轨迹描绘和目标管理帮助确定战术态势,并且辅助“根据地理和战术环境进行战术分析、决策制定、行动管理”。系统也提供对导弹和鱼雷的武器选择和火力控制设备,这些可以根据用户的选择进行裁减。
声呐子系统的组成部分可由用户选择,包括适应实际需要的用于探测、跟踪、目标分析和定位的首选声呐阵列。被动和主动声学阵列的选择包括圆柱形或共形主/被动艇艏阵、分布式阵列系统、截获阵列、舷侧阵列、拖曳阵列和避障声呐。标准套件包括自噪声监测水听器和用于补足潜艇导航输入的加速计。
SUBTICS武器包括如下选择:F17、SUT、TP-617、黑鲨和184 Mod 3鱼雷;SM39(飞鱼)潜射反舰导弹、水雷、诱饵。
2 关键技术分析
1)目标运动分析技术
目标运动分析方法是指利用方位、频率等测量值对目标运动状态进行分析的方法,包括仅有目标方位测量值的纯方位目标运动分析算法、有目标方位和频率测量值的方位频率目标运动分析算法等。德法在目标运动分析方面运用了多传感器数据处理、自动和交互式处理等技术途径用于目标运动分析。德ISUS 90系统中被动声呐信息被传递到目标运动分析算法;系统能够使用声呐或被动ESM信息用于目标运动分析;采用了基于多传感器数据处理的目标运动分析。法SUBTICS系统中2个工作站用于声呐和目标运动分析;通过自动化的目标运动分析算法对兴趣目标接触定位;使用宽带、窄带、DEMON信号(被动截获和测距)和瞬态处理通道进行目标运动分析;目标运动分析模块包括自动和交互式处理功能。
2)目标识别技术
德法在目标识别方面运用了声音和频谱分析处理、人机交互、数据库比对、假设与验证等技术途径用于目标识别。德ISUS 90系统能够使用声呐或被动ESM信息用于进行交互式目标分类;在目标分类解呈现给多功能通用显控台操作员之前,会在系统库中被比较。法SUBTICS系统通过目标特征数据库对兴趣接触进行识别;包含了一个数据库结构用于存储用户的情报数据,来帮助自动目标分类和身份识别;分类和身份识别模块将能够进行声音和频谱分析处理,还有交互式“假设生成和验证”功能。
3)态势综合技术
德法在态势生成方面采用了信息融合、交互式关联与融合、交互式轨迹管理等技术途径用于战术态势综合。德ISUS 90系统中声呐信息将会与来自其他舰艇传感器和信息系统的信息融合,用于得到综合的态势感知。法SUBTICS系统处理来自声呐、光学、光电、电子支持措施(ESM)、雷达和通信套件的数据,以提供连贯的、融合的战术图像用于指挥和决策制定。系统通过跟踪关联、数据融合、综合、轨迹描绘和接触管理帮助确定战术态势,并且帮助根据地理和战术环境进行战术分析、决策制定、行动管理;跟踪管理模块包括交互式关联和融合处理,以及对最具代表性的声学轨迹排序功能;系统通过交互式轨迹管理提供跟踪关联和融合功能;系统使用MQUARIUS CMS和战术数据链提供战术态势感知(跟踪关联、融合、运动分析)功能。
4)系统冗余备份技术
美德法在系统冗余备份方面采用了备件备份、双重作战总线、冗余高速以太网、关键使命功能冗余设计等途径达成系统冗余备份。美AN/BSY-2系统中在不同的组(声学、指挥控制、武器和显示)采用了不同的处理器备份策略,其中在武器组中通过备件方式提供100%的冗余;在剩余的三个组具有多种备份支持选择,第一级别是通过电子置换,第二道防线是通过组中的其他未被正在使用的处理器作为备件。最后,如果无可用空闲处理器,系统将承受降级使用。此外,通过应用多功能显控台,在系统用于多种使命或其他显示单元故障时,通用显控台可重新配置。美AN/BYG-1系统通过双重作战数据总线互连、计算机模块化,传感器数据转换器/处理器2个计算机备份、武器数据转换器/处理器2个计算机备份、多个作战控制显控台每个1个计算机的方法,提供系统硬件冗余,能够忍受任何类型的单一故障,没有战术能力的任何损失。德ISUS 90系统对所有关键使命功能进行了冗余设计。法SUBTICS系统采用了冗余高速以太网络。
3 对潜艇作战系统发展的几点启示
1)潜艇作战系统基线式发展策略值得参考借鉴
美AN/BYG-1系统是一型典型的采用了基线发展策略的潜艇作战系统,它是整个美海军潜艇力量的基线系统。其基线版本广泛部署于“俄亥俄级”巡航导弹核潜艇、“弗吉尼亚级”攻击型核潜艇、“洛杉矶级”和“改进的洛杉矶级”攻击型核潜艇上。这种基于基线不断螺旋向上发展的策略,精简了潜艇作战系统的型号,并在发展过程中不断提高潜艇作战系统集成度、灵活性和适应性,有助于聚焦发展核心能力、持续优化改进系统,值得借鉴和参考。
2)开放式体系结构是潜艇作战系统的重要发展方向
开放式体系结构可以集成多种类声呐、ESM、雷达等传感器,可减少需要特殊配置的专用硬件需求和点对点连接的建立;可轻松集成第三方软件应用;允许潜在的增长和创建高度的灵活性,便于平台技术升级和系统升级;可减少全寿命花费。由于开放式体系结构设计,SUBTICS被设计用来与Thales声呐、WASS鱼雷和火控系统集成,也可适应从其他制造商选择的其他装备。
3)本艇不机动条件下的目标运动要素解算能力/技术应引起充分重视
仅依托潜艇被动声呐方位观测信息的纯方位目标运动要素解算,必须本艇进行有效机动,才能获取目标运动要素的唯一解,而且解算结果收敛需要较长时间。美AN/BSY-2系统中的声呐系统,可以提供更远探测距离,快速定位目标,而不需要潜艇必须机动,多目标跟踪具有更高的精度。这种方法为我们提供了启示,一是潜艇作战系统可配置无须本艇机动对目标定位的声呐,二是尽可能挖掘利用方位以外的其他观测信息,发展基于多种观测信息的目标运动分析算法。
4)增强作战系统基础软硬件核心自主可控能力
作战系统的核心部分、敏感部分都在软件中,软件的价值体现在其所包含的算法、设计和思想之中。从美AN/BSY-2系统可看出,美高度重视其软件代码行数,对软件关注到代码层面足以显现其对核心自主控制能力的重视。其次,作战系统所使用的基础硬件如CPU、GPU、DSP及基础软件如操作系统、数据库、中间件,也应具备核心自主控制能力。
此外,从上述美、德、法典型潜艇作战系统有关情况来看,潜艇作战系统已不是简单地取决于其所配置的传感器和武器,更重要的是其集成技术、集成理念、设计思想、设计方法和功能软件,一型优秀的作战系统是具有广泛适应性的,是能够按需集成管理多种不同类型的传感器和管理控制不同类型的武器。从出口的角度来看作战系统,其更像是出口一种包含设计智慧和软件智慧及一些先进装备在内的集成技术。未来作战系统概念内涵的发展,将有可能更多地以独立于传感器、武器的方向发展,是一种适应未来作战需要的具备集成传感器、武器等要素能力的一种开放式架构,以及一些反映其核心能力的功能软件包和先进装备要素和系统综合运行流程的综合体。
4 结束语
潜艇作战系统是潜艇执行作战任务的重要装备保证,需要集成潜艇上的传感器、指控、武器、通信、导航、人员等形成有机整体,以完成多样化使命任务,达成1+1>2的效果。潜艇作战系统发展将随着计算机技术、网络技术、人工智能技术的发展进一步提高集成能力和开放程度。本文介绍了国外四种典型潜艇作战系统有关情况,并针对其体现的关键技术进行了分析,总结了其对潜艇作战系统发展的启示,可为国内开展相关研究提供借鉴。