陳義平
(江蘇自動化研究所,連云港222006)
指控系統(tǒng)是根據(jù)分配的任務(wù),指揮員對所屬部隊實施作戰(zhàn)指揮與控制所必需的設(shè)備、軟件和人員的總稱[1]。潛艇指控系統(tǒng)是潛艇作戰(zhàn)指揮和武器控制系統(tǒng)的簡稱[2],承擔著作戰(zhàn)情報處理、輔助指揮決策和武器綜合控制等重要使命,是潛艇作戰(zhàn)的情報中心、指揮中心、控制中心。作為潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的核心,潛艇指控系統(tǒng)在作戰(zhàn)過程中起著承前啟后、協(xié)調(diào)全局的關(guān)鍵作用,是指揮員把握戰(zhàn)場態(tài)勢、進行戰(zhàn)術(shù)決策、綜合控制軟硬武器的關(guān)鍵部位。其功能、性能對于能否充分發(fā)揮潛艇傳感器和武器能力、減輕指揮員負擔、縮短反應(yīng)時間、圓滿完成各種作戰(zhàn)任務(wù)具有重要影響[2]。
國外潛艇指控系統(tǒng)經(jīng)過幾十年的發(fā)展,具有較高的設(shè)計水平,因此,分析國外先進潛艇指控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢,借鑒國外經(jīng)驗,對進一步提高潛艇指控系統(tǒng)的發(fā)展具有重要意義。
從世界范圍來看,潛艇指控系統(tǒng)一般是在潛艇火控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。自20紀80年代起,潛艇指控系統(tǒng)開始普遍裝備于新研或現(xiàn)代化改造的潛艇,典型系統(tǒng)有美國的CCS MK1/MK2(Combat Control System Mark1/2)、德國的ISUS 83 (Integrated Sensor Underwater System 83)、俄羅斯的 MBY-110Э等[3]。這些系統(tǒng)雖然名稱各異,但內(nèi)涵基本相同,均已具備C2(Command and Control)系統(tǒng)的主要特征并與當時潛艇的作戰(zhàn)任務(wù)和配備的傳感器、武器相適應(yīng)。受計算機及通信接口技術(shù)限制,大多信息處理能力有限,系統(tǒng)升級比較困難。
隨著潛艇新作戰(zhàn)需求的出現(xiàn)、傳感器和武器的發(fā)展、計算機和通信技術(shù)的進步,自20世紀90年代起,國外海軍競相發(fā)展先進的潛艇指控系統(tǒng),在功能和性能上有了較大的發(fā)展,出現(xiàn)了以美國的AN/BYG-1作戰(zhàn)控制系統(tǒng)、英國的ACMS作戰(zhàn)管理系統(tǒng) (Astute Combat Management System)、俄羅斯的litiy綜合自動化控制系統(tǒng)、德國的ISUS 90等為代表的典型系統(tǒng)[2-4]。這些系統(tǒng)盡管名稱各異,但內(nèi)涵基本相同,并在不同程度上具備了C3I(Command Control Communication Intelligence)系統(tǒng)的基本特征,逐步采用開放式體系結(jié)構(gòu)和商用貨架產(chǎn)品 (Commercial-Off-The-Shelf,COTS)技術(shù),提高了系統(tǒng)的靈活性、擴展性和適應(yīng)性。
分析國外潛艇指控系統(tǒng)發(fā)展歷程,大致可將其發(fā)展歸納為3種模式:第一種模式以美國為代表,其特點是功能綜合性較強,涵蓋情報、指揮、密碼保密、武器控制、通信控制等功能,指控系統(tǒng)與其他系統(tǒng)在物理上相互獨立,在信息上則充分共享,可按需使用聲納等傳感器的數(shù)據(jù)、特征乃至陣元域信號信息。第二種模式以法國為代表,其指控系統(tǒng)與其他系統(tǒng)高度集成,系統(tǒng)間沒有清晰的物理界線,顯控和處理設(shè)備在不同的任務(wù)狀態(tài)下可以歸屬于不同的系統(tǒng),資源共用特點明顯。第三種模式以俄羅斯為代表,指控系統(tǒng)實現(xiàn)了作戰(zhàn)指揮、武器控制和潛艇操縱控制的高度綜合,但與聲納等傳感器獨立發(fā)展、耦合度較低,指控系統(tǒng)對傳感器信息的利用以數(shù)據(jù)信息為主。下面簡介不同模式下的典型系統(tǒng)。
(1)美國 “弗吉尼亞”級潛艇指控系統(tǒng)
“弗吉尼亞”級潛艇C3I系統(tǒng)是世界上綜合化程度最高的潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng),它將全艇4類23個子系統(tǒng)/設(shè)備綜合成一個全分布的處理系統(tǒng),如圖1所示。AN/BYG-1指控系統(tǒng)作為其C3I系統(tǒng)的兩個核心子系統(tǒng)之一,主要由艇長指揮桌、雙人指揮工作臺、指控顯控臺、數(shù)據(jù)處理機柜、巡航導(dǎo)彈控制機柜、情報處理機柜、武器發(fā)射控制機柜等組成[5],其主要功能包括傳感器數(shù)據(jù)處理與早期威脅預(yù)警分析、傳感器信息融合與目標識別、目標運動分析、軟硬武器的預(yù)裝定/發(fā)射和控制、對外通信和交互控制、綜合防御與秘密監(jiān)視等。
圖1 “弗吉尼亞”級潛艇C3I系統(tǒng)示意圖Fig.1 Virginia-Class submarine C3I system
(2)法國 “鲉魚”級潛艇指控系統(tǒng)
“鲉魚”級潛 艇 SUBTICS (Submarine Tactics Integration Combat System)系統(tǒng)是歐洲最典型的潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng),設(shè)計基于先進的武器和傳感器,其模塊化構(gòu)造使得系統(tǒng)很容易被更新和改造,因此被廣泛應(yīng)用于阿古斯塔90B、214等型潛艇。作為SUBTICS系統(tǒng)的核心,“鲉魚”級潛艇指控系統(tǒng) (Com-mand and Weapon Control System,CWCS)主要由多功能顯控臺、綜合處理機柜、本地發(fā)射監(jiān)視設(shè)備、魚雷和導(dǎo)彈接口設(shè)備、發(fā)射管控制機柜、方位時間記錄儀、視頻分配設(shè)備等設(shè)備組成,其主要功能包括目標跟蹤分析與定位處理、目標運動分析、目標分類/識別和航跡管理、綜合導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理、態(tài)勢評估與指揮決策、交戰(zhàn)與發(fā)射控制等。
圖2 “鲉魚”級潛艇指控系統(tǒng) (CWCS)示意圖Fig.2 Scorpene-Class submarine command and weapon control system
(3)俄羅斯 “阿穆爾”級潛艇指控系統(tǒng)
俄羅斯最新的 “阿穆爾”級潛艇指控系統(tǒng)(Litiy)基于俄羅斯的控制理論,將情報處理、作戰(zhàn)決策、武器控制、本艇操艇控制以及動力系統(tǒng)控制等功能進行了綜合,艇員只需通過一組多功能控制臺便可操控艇上的所有系統(tǒng),對全艇進行管理,如圖3所示。該系統(tǒng)主要包括多功能控制臺和本地控制機柜,其主要功能包括收集本艇和外部信息,求解目標運動要素;使用導(dǎo)彈和魚雷進行反艦和反潛攻擊;使用水聲對抗器材等進行綜合防御;控制潛艇的操縱,保證航行安全。
圖3 “阿穆爾”級潛艇指控系統(tǒng)示意圖Fig.3 Amur-Class submarine integration automatization control system
通過對國外潛艇指控系統(tǒng)進行深入分析,可歸納總結(jié)出以下功能和技術(shù)發(fā)展趨勢:
(1)發(fā)展協(xié)同作戰(zhàn)指揮控制功能,提高協(xié)同作戰(zhàn)能力
潛艇融入體系作戰(zhàn),對增強攻擊能力和提高生存能力都有重要意義,例如美軍潛艇大力發(fā)展和應(yīng)用數(shù)據(jù)鏈、衛(wèi)星通信、長波、水聲通信及中繼浮標等通信手段,構(gòu)建了支持潛艇與外部平臺的多維、立體通信體系,指控系統(tǒng)通過接收和處理上級指揮系統(tǒng)和協(xié)同兵力的情報、目標指示及協(xié)同指令信息,可融入航母編隊或海上聯(lián)合編隊,執(zhí)行協(xié)同探測、協(xié)同反潛以及遠程協(xié)同對海/對陸打擊等任務(wù),并具備接入海上聯(lián)合指揮情報系統(tǒng)(Joint Maritime Command Information System,JMCIS)的能力;同時,弗吉尼亞級潛艇在設(shè)計時就考慮了信息戰(zhàn)要求,定位為水下戰(zhàn)指揮中心,其指控系統(tǒng)可對自身探測的傳感器數(shù)據(jù),來自海底信息柵格 (水聲探測網(wǎng))、水下無人平臺 (Unmanned Underwater Vehicle,UUV)、空天信息柵格 (岸基、衛(wèi)星、飛機、水面艦艇)等外部平臺的目標信息進行多源信息融合與識別處理,生成大范圍戰(zhàn)場態(tài)勢,并具備對UUV的任務(wù)規(guī)劃、任務(wù)管控、指揮引導(dǎo)和探測信息處理能力,保證潛艇能與其他平臺共享信息,實現(xiàn)與其他兵力的戰(zhàn)術(shù)協(xié)同。美軍潛艇正在發(fā)展的對外通連能力如圖4所示。
(2)依托超視距信息保障,提高遠程精確打擊能力
國外先進潛艇指控系統(tǒng),均能夠在外部平臺情報和超視距目標指示信息保障下,對海上和陸上目標實施遠程精確打擊。例如美國 “弗吉尼亞”、英國 “機敏”級潛艇指控系統(tǒng)均能接收上級規(guī)劃信息或自主進行任務(wù)規(guī)劃,控制 “戰(zhàn)斧”導(dǎo)彈實施對海、對陸遠程精確打擊;俄羅斯 “奧斯卡”級潛艇指控系統(tǒng)能通過衛(wèi)星通信,直接接收、處理來自偵察衛(wèi)星和遠程預(yù)警機的原始信息,生成大范圍態(tài)勢信息,并進行任務(wù)規(guī)劃,控制發(fā)射巡航導(dǎo)彈攻擊美航母編隊等遠程海上活動目標,如圖5所示;以色列 “海豚”級潛艇上裝備的ISUS 90指控系統(tǒng),能控制潛射反艦導(dǎo)彈攻擊遠程海上活動目標;美國改裝后的 “俄亥俄”級潛艇最多可裝載154枚 “戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈,可多管齊射,具有超強的遠程飽和攻擊能力。
圖4 美國潛艇正在發(fā)展的水下通連能力示意圖Fig.4 The developing communication capability of american submarine
圖5 “奧斯卡”級潛艇作戰(zhàn)示意圖Fig.5 Oscar-Class submarine combat vision
(3)發(fā)展對空主動防御功能,提高對空綜合防御能力
國外從20世紀60年代末開始研制潛空導(dǎo)彈,發(fā)展?jié)撏罩鲃臃烙δ埽顬榈湫褪堑聡?、挪威?003年開始聯(lián)合研制的潛艇交互式防御和攻擊 系 統(tǒng) (Interactive Defense Attack System,IDAS),其作戰(zhàn)過程如圖6所示。指控系統(tǒng)具備對空中目標位置預(yù)估及防空導(dǎo)彈發(fā)控與導(dǎo)引能力,可使?jié)撏Р捎梅磽艉鸵?guī)避相結(jié)合的方法來對抗航空反潛平臺,改變只能被動防御的局面,有效提高潛艇與航空反潛兵力對抗時的生存概率。
(4)采用開放式體系結(jié)構(gòu),提高升級與保障能力
圖6 潛艇對空主動防御作戰(zhàn)示意圖Fig.6 Submarine air defence combat vision
國外先進的潛艇指控系統(tǒng)廣泛采用了開放式物理體系結(jié)構(gòu)、標準化的商用規(guī)范和接口,以高速局域網(wǎng)連接各系統(tǒng)和設(shè)備,形成了一個資源共享、高效可靠的整體,并大量應(yīng)用COTS技術(shù),以降低綜合開發(fā)風(fēng)險,縮短開發(fā)時間。例如美國“弗吉尼亞”級潛艇指控系統(tǒng)中78%的硬件和76%的軟件編碼均為COTS產(chǎn)品,英國 “機敏”級潛艇指控系統(tǒng)中90%以上的硬件是COTS產(chǎn)品[6]。同時,還非常注重應(yīng)用軟、硬件環(huán)境的通用化設(shè)計。在軟件設(shè)計上,通過層次化體系結(jié)構(gòu)和大量應(yīng)用中間件,提高軟件標準化水平,且不依賴專用硬件運行,使得軟件模塊能夠獨立升級,如圖7所示[6]。在硬件方面,主要采用數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和功能可定義的多功能顯控臺,實現(xiàn)多個系統(tǒng)的信息顯示和處理,例如鲉魚級潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)配置了6臺多功能顯控臺,各臺位功能可根據(jù)系統(tǒng)工作狀態(tài)靈活定義,如表1所示,從而實現(xiàn)了顯控資源共用,也有利于提高系統(tǒng)的任務(wù)可靠性。
表1 不同狀態(tài)下的 “鲉魚”級潛艇共用顯控臺配置示例Tab.1 The Scorpene-Class submarine common Multi-Function Consoles configuration of different state
圖7 “弗吉尼亞”級潛艇指控系統(tǒng)通用操作環(huán)境Fig.7 Virginia-Class submarine CCS common operation environment
(5)增強信息共享程度,提高態(tài)勢生成能力
受水下作戰(zhàn)隱蔽性和環(huán)境復(fù)雜性影響,潛艇獲取信息的手段少、難度大,為盡可能確保生成并保持穩(wěn)定、清晰、連續(xù)的態(tài)勢,國外先進潛艇指控系統(tǒng)除注重發(fā)展其他平臺共享信息的接收處理功能外,大都可綜合處理利用自身水聲傳感器和非聲傳感器探測信息,通過按需使用目標的數(shù)據(jù)級、特征級和信號級信息,提高了態(tài)勢生成、目標運動分析、會聚區(qū)目標定位等能力。例如美國潛艇指控系統(tǒng)實現(xiàn)了與傳感器之間的聲學(xué)、非聲傳探測信息高度共享,其信息處理技術(shù)歷經(jīng) “數(shù) 據(jù)處理數(shù)據(jù)管理信息處理信息管理”4個階段,如圖8所示。
(6)指揮和控制功能一體化設(shè)計,武器使用集成高效
國外潛艇普遍注重了作戰(zhàn)指揮和武器控制功能的一體化設(shè)計,指控系統(tǒng)除完成情報綜合處理、輔助作戰(zhàn)指揮功能外,還具備導(dǎo)彈、魚水雷、水聲對抗器材及UUV綜合發(fā)控能力,作戰(zhàn)指揮與武器控制高度集中。例如 “弗吉尼亞”級潛艇指控系統(tǒng)配置了4臺指控顯控臺,可完成內(nèi)外部情報綜合處理、戰(zhàn)術(shù)評估和戰(zhàn)術(shù)決策、12管垂直發(fā)射巡航導(dǎo)彈及4管水平發(fā)射魚雷的發(fā)控功能。此外,國外潛艇還注重武器發(fā)控設(shè)備的小型化和一體化設(shè)計,實現(xiàn)系統(tǒng)的多用途、通用性。例如 “弗吉尼亞”級潛艇指控系統(tǒng)配置的武器發(fā)射控制機柜,綜合了垂直發(fā)射管和水平發(fā)射管的所有管控、武器接口、專用電源和備架支持等功能,具有高度的集成化和綜合化特征。
圖8 美國潛艇指控系統(tǒng)信息處理發(fā)展階段示意圖Fig.8 American submarine Combat Control System information processing development
國內(nèi)潛艇指控系統(tǒng)是在早期的潛艇魚雷射擊指揮儀的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的[2]。至今已先后成功地研制了多型潛艇指控系統(tǒng),經(jīng)歷了機電模擬-數(shù)字、專用-通用加固微機、專用顯控臺-通用顯控臺、單一武器控制-武器綜合控制、火控-指控的轉(zhuǎn)變,在功能、性能和技術(shù)上不斷完善[2]。
早期的潛艇魚雷射擊指揮儀功能和性能有限,通常只能控制魚雷武器攻擊一個目標[2],經(jīng)過幾十年的發(fā)展,新型潛艇指控系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)、單設(shè)備軟硬件性能上與當前國際先進水平比較接近,在功能上實現(xiàn)了內(nèi)、外部信息處理,作戰(zhàn)指揮決策和魚雷、導(dǎo)彈及水聲對抗器材等軟硬武器控制的綜合,但由于受多種因素限制,在控制集成化、信息共享化、資源共用化等方面與國外先進潛艇相比還存在著一定的差距。此外,自 “網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)”以來,信息化作戰(zhàn)給水下戰(zhàn)場帶來的作戰(zhàn)對象體系化、作戰(zhàn)樣式多樣化、打擊目標遠程化、兵器使用綜合化和指揮決策智能化等變化,也對潛艇指控系統(tǒng)提出了新的、更高的要求。
總的看來,由于西方各國在地緣政治、國情/軍情、裝備需求、經(jīng)費支撐、技術(shù)水平與引進能力等方面的差異,其潛艇指控系統(tǒng)雖然整體上具有設(shè)計先進、功能強大等特點,但發(fā)展路線和技術(shù)狀態(tài)并不趨同,這種各具特色、各有側(cè)重的發(fā)展態(tài)勢,對博采眾家之長、研發(fā)適合我國未來需求的潛艇指控系統(tǒng)具有重要借鑒意義。
(1)發(fā)展協(xié)同作戰(zhàn)指控功能,滿足體系作戰(zhàn)要求
潛艇要融入體系并在體系中作戰(zhàn),必須升級信息作戰(zhàn)能力,其中,作為連通內(nèi)外、指揮全艇的指控系統(tǒng),具備協(xié)同作戰(zhàn)指控功能至關(guān)重要。為此,未來潛艇指控系統(tǒng)需發(fā)展參與航母編隊/海上聯(lián)合編隊作戰(zhàn),以及潛艇與UUV協(xié)同作戰(zhàn)等模式下的協(xié)同態(tài)勢生成、作戰(zhàn)資源管控、共享信息分發(fā)、兵力兵器指揮與協(xié)同控制等功能,依托與體系之間自由、健壯的通連能力,通過融入體系來對抗體系,實現(xiàn)由點對面的非對稱作戰(zhàn)向面對面的對稱作戰(zhàn)轉(zhuǎn)化,并以此為基礎(chǔ),發(fā)揮潛艇隱蔽突擊的非對稱作用,達成理想的作戰(zhàn)效果。
(2)應(yīng)用開放式架構(gòu)和共用資源,提升系統(tǒng)維護升級能力
以優(yōu)化系統(tǒng)資源配置,簡化指揮流程,提高信息共享、資源共用水平為目標,未來指控系統(tǒng)應(yīng)具有以下特點:一是需采用開放式體系結(jié)構(gòu)和基于效果的系統(tǒng)設(shè)計方法,實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計向作戰(zhàn)能力牽引的轉(zhuǎn)變;二是需進一步加強作戰(zhàn)功能的集成和綜合設(shè)計,實現(xiàn)指控與傳感器、武器的縱向綜合,實現(xiàn)指控與通信、導(dǎo)航、操艇、平臺監(jiān)控的橫向綜合;三是需構(gòu)建完善的設(shè)計指導(dǎo)體系和科學(xué)的標準和規(guī)范,使系統(tǒng)發(fā)展進入一個有章可循的階段[7-8];四是需借鑒國外指控系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)驗,建立通用操作環(huán)境[6],實現(xiàn)軟件構(gòu)件化、服務(wù)化設(shè)計,支持應(yīng)用軟件與基礎(chǔ)軟硬件的分離[7],提高軟件獨立升級能力、系統(tǒng)間信息共享能力和功能互操作水平;五是需借鑒 “鲉魚”潛艇作戰(zhàn)共用顯控臺和美國朱姆沃爾特級驅(qū)逐艦(DDG-1000)全艦計算環(huán)境[9]的設(shè)計經(jīng)驗,建設(shè)面向服務(wù)的潛艇 “作戰(zhàn)指控中心”,逐步實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、顯控、計算、存儲等信息資源的通用化,提高資源共用水平。
(3)充分利用舷內(nèi)外多源信息,提高態(tài)勢生成能力
適應(yīng)體系化作戰(zhàn)需求,指控系統(tǒng)一方面需充分利用來自岸基指揮所、海上編隊、艦/潛/機等友鄰兵力的外部戰(zhàn)術(shù)信息,能夠?qū)?jīng)過上級系統(tǒng)或友鄰兵力處理、要素比較完整的目標信息進行處理;另一方面,還需充分利用浮標、潛標、UUV、線導(dǎo)武器、水聲探測網(wǎng)等舷外信息資源,能夠?qū)崟r、要素不完整的目標信息進行處理,并克服數(shù)據(jù)傳輸帶寬/次數(shù)有限、數(shù)據(jù)不連續(xù)所造成的處理困難。此外,還需進一步提升指控系統(tǒng)與艇內(nèi)各系統(tǒng)的信息共享水平,運用大數(shù)據(jù)技術(shù),進一步挖掘聲納、雷達、光電等傳感器的信號、特征級信息來提升信息處理效果,并通過運用機器學(xué)習(xí)等人工智能新技術(shù),對傳感器提供的 “更遠的”目標信息進行有效融合、識別和定位,將指控系統(tǒng)信息融合、綜合識別和目標運動分析從單平臺向多平臺拓展、從數(shù)據(jù)級向信息級延伸,提高水下戰(zhàn)場態(tài)勢的清晰度和可信度,使輔助指揮算法能發(fā)揮更好的作用,并進一步縮短系統(tǒng)反應(yīng)時間,提升快速反應(yīng)能力。
(4)完善主被動武器控制功能,提升潛艇打擊與生存能力
適應(yīng)反潛作戰(zhàn)的體系化發(fā)展,針對反潛兵力更為多樣、環(huán)境更為復(fù)雜的特點,指控系統(tǒng)一方面需注重發(fā)展巡航導(dǎo)彈、遠程水中兵器等遠程打擊任務(wù)規(guī)劃與協(xié)同控制能力,實現(xiàn)單/多兵力超視距遠程打擊。另一方面,需注重發(fā)展和應(yīng)用潛射防空導(dǎo)彈等硬殺傷防御武器,具備對攔截目標的位置快速估計、使用決策以及攔截武器的控制導(dǎo)引能力,通過合理利用軟硬防御武器,建立主被動相結(jié)合的綜合防御體系,有效應(yīng)對反潛力量體系化的威脅,提高生存概率。此外,借鑒國外經(jīng)驗,加強共發(fā)射通道的各環(huán)節(jié)功能集成設(shè)計,優(yōu)化發(fā)控流程,減少發(fā)控環(huán)節(jié),提升共通道武器發(fā)控流程標準化水平,縮短反應(yīng)時間,進一步發(fā)揮武器效能。
作為將信息轉(zhuǎn)變?yōu)榭尚袆又R的所在[10],信息時代的潛艇指控系統(tǒng)將發(fā)生質(zhì)的飛躍,實現(xiàn)從單艇到編隊、從 “以平臺為中心”到 “以信息為中心”,從獨立作戰(zhàn)到體系對抗的跨越,使系統(tǒng)具有體系化、知識化、協(xié)同化、智能化、實用化和多能化等特征,具備應(yīng)對信息化條件下戰(zhàn)場復(fù)雜性、動態(tài)性和不確定性的能力,提高了指控裝備的適應(yīng)性、靈活性和敏捷性。