美軍JTRS對海軍通信裝備發(fā)展的啟示＊

(海司通信部 北京 100841)

1 概述

1.1 JTRS發(fā)展背景

1991年海灣戰(zhàn)爭結(jié)束后,美國國防部(DoD)意識到現(xiàn)役通信系統(tǒng)單一功能的硬件設(shè)計已無法充分利用或適應(yīng)商業(yè)技術(shù)快速變化,特別是在謀取與維持信息優(yōu)勢以及在滿足作戰(zhàn)單元與作戰(zhàn)平臺快速移動方面,現(xiàn)役系統(tǒng)難以滿足部隊所需的通信功能實體與靈活性。有鑒于此,DoD于1997年正式批準了聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電通信系統(tǒng)(Joint Tactical Radio Systems,以下簡稱JTRS)計劃并發(fā)布了JTRS研制任務(wù)需求信息(MNS)[1]。同年10月,為了便于JTRS標準化開發(fā)與研制,DoD成立了聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)計劃辦公室(JPO)。JPO依據(jù)MNS要求并經(jīng)過多次修改與完善,于2003年發(fā)布了JTRS聯(lián)合作戰(zhàn)需求文件[2](JORD)3.2版。

JT RS是一種軟件可編程、且硬件可配置的數(shù)字無線通信系統(tǒng)。在互操作性、靈活性與適應(yīng)性方面,她可滿足部隊指揮員與平臺不斷變化的作戰(zhàn)任務(wù)要求。JTRS可在2MHz～2GHz頻譜范圍工作,除了支持與現(xiàn)役幾十種基于硬件設(shè)計的電臺波形互通外,其新研制或增加波形可支持Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)(包括無線路由與網(wǎng)關(guān)功能)應(yīng)用。隨著美軍向信息化轉(zhuǎn)型,JTRS已納入到其網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)(NCO)的體系中,并成為支撐美軍聯(lián)合作戰(zhàn)設(shè)想2020[3]和NCO體系的重要戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)。

1.2 JT RS發(fā)展歷程

在JT RS納入JPO管理之前,美空軍ROME實驗室在1993年～1995年先后實施了Speakeasy(I、II期)[4];同期,美海軍也提出了可編程模塊化通信系統(tǒng)PMCS計劃。Speakeasy與PMCS均屬于多頻段、多模式與多功能電臺(即一種軟件定義無線電技術(shù)或SDR),且兩者均成功地示范了十多種與美軍現(xiàn)役電臺互通的波形。Speakeasy與PMCS的成功實施,為后續(xù)JT RS的開發(fā)工作奠定了基礎(chǔ)。

為了統(tǒng)一陸軍、空軍與海軍聯(lián)合開發(fā)SDR的進程,DoD于1996年要求三軍將后續(xù)SDR系統(tǒng)研制或演示系統(tǒng)合并,并統(tǒng)一納入JPO管理,即正式命名為JT RS計劃。JT RS計劃主要包括三個階段：第一階段(1997年～1998年)為體系結(jié)構(gòu)定義階段,主要對需求、波形和技術(shù)基礎(chǔ)進行分析,并形成基礎(chǔ)體系結(jié)構(gòu)定義報告(ADR)。第二階段(1999年～2003年)為體系結(jié)構(gòu)開發(fā)和驗證階段(即著名的Step 2A與Step 2A),形成并完善軟件通信體系結(jié)構(gòu)(SCA)標準。第三階段(2005年以后)為各軍種測試、采購與裝備階段,開始著手裝備部隊并最終取代各軍兵種現(xiàn)役的不同電臺或基于硬件設(shè)計的通信裝備。

1.3 JT RS的體系結(jié)構(gòu)

借助于SDR的可擴展性和靈活性,JTRS可以方便而完整地集成進全球信息柵格GIG[5],并在整個頻域范圍內(nèi)為相關(guān)作戰(zhàn)人員提供縱橫交錯的網(wǎng)絡(luò)連接能力和全新的通信服務(wù),使作戰(zhàn)人員能夠及時地獲得與戰(zhàn)斗直接相關(guān)的各種重要戰(zhàn)術(shù)信息,派生出全新的作戰(zhàn)模式,支撐未來全新作戰(zhàn)概念與系統(tǒng)(如：未來戰(zhàn)斗系統(tǒng)FCS[6],戰(zhàn)術(shù)級作戰(zhàn)人員信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)WIN-T,自動數(shù)字網(wǎng)系統(tǒng)ADNS等)。

JT RS的硬件體系架構(gòu)如圖1所示。

圖1 JT RS的硬件體系架構(gòu)

從圖1中可以看到JTRS的硬件體系架構(gòu)主要由五大功能模塊組成[7],分別是寬帶射頻前端模塊、多速率波形處理模塊(Modem)、信息安全模塊、可編程信息處理模塊、可編程多功能接口模塊。

JT RS基于SCA標準的軟件體系架構(gòu)如圖2所示。

圖2 JT RS基于SCA標準的軟件體系架構(gòu)

該軟件體系結(jié)構(gòu)由操作環(huán)境和應(yīng)用組件組成。操作環(huán)境包括核心框架、CORBA中間件、嵌入式實時操作系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)接口層和板級支持包等,構(gòu)成了通用軟件平臺。SCA是軟件體系結(jié)構(gòu)的核心內(nèi)容。所有應(yīng)用采用組件設(shè)計形式,組件間通信由CORBA提供的邏輯“軟件總線”來完成,根據(jù)特定的功能,定制符合用戶需求的通信波形,而不同的波形在平臺上可以實現(xiàn)動態(tài)地加卸載。

2 JTRS主要能力、應(yīng)用及發(fā)展趨勢

2.1 JTRS主要能力

未來隨著JTRS應(yīng)用全面展開與部署,使其成為美軍戰(zhàn)斗單位在戰(zhàn)術(shù)與戰(zhàn)役層面上獲取信息優(yōu)勢的有力通信裝備。

JTRS能夠提供良好的多頻段、多功能和多模式能力?；赟DR技術(shù),JTRS能夠有效覆蓋從2MHz～2GHz的主要戰(zhàn)術(shù)通信頻段。通過更新軟件,可以實時改變系統(tǒng)的功能和工作模式,以適應(yīng)戰(zhàn)場環(huán)境及任務(wù)的變化。

JTRS能夠提供良好的網(wǎng)絡(luò)通信能力和戰(zhàn)術(shù)互操作能力。實際作戰(zhàn)過程中,作戰(zhàn)單位可利用JTRS的通用寬帶組網(wǎng)波形[8]組成統(tǒng)一的分布式移動戰(zhàn)術(shù)信息網(wǎng)絡(luò),并與其它信息網(wǎng)絡(luò)對接,保證作戰(zhàn)單位能夠在戰(zhàn)場中任何地方隨時共享并獲取相關(guān)任務(wù)信息。

JTRS能夠提供良好的擴展能力?；陂_放式體系架構(gòu),JTRS能夠方便而完整地實現(xiàn)由新作戰(zhàn)概念派生出的全新服務(wù)和系統(tǒng)。同時,新增的系統(tǒng)功能和服務(wù)不會對系統(tǒng)原有能力造成影響。有效減少通信裝備的種類和數(shù)量,減輕作戰(zhàn)人員負擔。

2.2 JTRS在美海軍中的應(yīng)用

在以NCO思想為代表的軍事改革浪潮推動下,美軍正積極推動其作戰(zhàn)模式的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型。JTRS以其開放式的體系架構(gòu),良好的可擴展性和互操作性,受到各軍兵種的重視,并在各軍兵種作戰(zhàn)轉(zhuǎn)型中扮演了重要角色。

美國海軍于2002年提出了“21世紀海上力量”的新戰(zhàn)略[9],這也是海軍轉(zhuǎn)型的總體構(gòu)想,具體包括“海上打擊”、“海上盾牌”和“海上基地”三個主要組成部分,完整地描述了海軍未來全新的作戰(zhàn)觀念。根據(jù)海軍的構(gòu)想,FORCE net將成為實現(xiàn)“海上打擊”、“海上盾牌”和“海上基地”概念的核心網(wǎng)絡(luò)與分布式系統(tǒng)。借助于JT RS支撐,FORCE net將有效實現(xiàn)與其它各軍兵種信息系統(tǒng)的互聯(lián)互通,將空前增強海軍獲取、共享與利用信息的能力,使海軍轉(zhuǎn)型成一支依靠信息優(yōu)勢、決策優(yōu)勢和協(xié)同作戰(zhàn)能力的高效能作戰(zhàn)部隊。

2007年,洛克希德-馬丁公司率先將JT RS的相關(guān)技術(shù)應(yīng)用在潛艇綜合通信系統(tǒng)的設(shè)計中,推出了通用潛艇無線電報房CSRR。同年,CSRR先后成功地集成在弗吉尼亞級攻擊核潛艇(SSBN 736)、海狼級(SSN 22)和俄亥俄級(SSGN 726)等水下作戰(zhàn)平臺上,并完成了包括系泊及海上實際操作的多項測試和評估,實現(xiàn)了美海軍歷史上的第一個自動化報房。實際測試證明,CSRR在不同的潛艇平臺具有良好的通用性與開放性,提高了潛艇通信系統(tǒng)的自動化程度,同時為潛艇擴展新的通信能力和業(yè)務(wù)提供了可擴展空間。現(xiàn)在,洛克希德-馬丁公司在CSRR系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,將相關(guān)技術(shù)進一步推廣,提出了適用于水面及其它不同艦艇平臺的通用無線電報房CRR[10]系統(tǒng)應(yīng)用與技術(shù)視圖(如圖3所示)。

圖3 通用無線電報房(CRR)技術(shù)框圖

2.3 JT RS的主要發(fā)展趨勢

JT RS的精髓在于其采用開放式的體系架構(gòu),能夠迅速地通過軟件升級的方式集成新的波形和通信功能。未來隨著“網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)”思想的貫徹和逐步推進,必然使得JT RS不斷向前發(fā)展,以滿足美軍未來對通信的需求。

1)開放的體系架構(gòu)

在未來JT RS發(fā)展過程中,SCA的架構(gòu)仍需要進行調(diào)整,以適應(yīng)未來更廣泛的部署環(huán)境。當前SCA的架構(gòu)主要面向通用處理器環(huán)境,未來SCA將著眼于在更廣泛的操作環(huán)境內(nèi)為通信體系架構(gòu)提供一種更加抽象和通用的描述方法,使得整個JT RS具有更加開放的體系架構(gòu),對新功能和應(yīng)用的支持更加迅捷。

2)更完整的通信頻譜覆蓋及更靈活的帶寬能力

實現(xiàn)更完整的通信頻譜覆蓋及更靈活的帶寬能力是JT RS的核心目標之一。目前,美國Harris公司生產(chǎn)的AN/PRC-117G電臺已經(jīng)實現(xiàn)了從2MHz～2GHz的通信頻段覆蓋能力。未來結(jié)合MEMS技術(shù)的發(fā)展,可在一塊芯片上生產(chǎn)小型的、可調(diào)的、高性能的無源元件,將徹底改變RF信號處理的具體實現(xiàn)方法。使得射頻處理模塊可以實現(xiàn)可變的接收帶寬,對射頻信號的覆蓋范圍進一步向上擴展至Ku頻段甚至更高,在真正意義上實現(xiàn)可編程的射頻處理能力。同時隨著各種新材料和相關(guān)新技術(shù)的使用,將實現(xiàn)更加高效的寬帶天線,以減少JTRS的天線種類。

3)更強大的運算處理能力

為適應(yīng)未來各種更加復(fù)雜的波形和應(yīng)用,JTRS的硬件平臺必須具有更強大的運算處理能力。未來隨著DSP技術(shù)和其它通用處理器技術(shù)的不斷發(fā)展,JTRS硬件平臺將集成更高速的數(shù)據(jù)存儲器及通信接口、功能更為強大的各種處理器,形成復(fù)雜的“云”技術(shù)架構(gòu),為JT RS提供更強大的運算處理能力,以支持其進一步擴展全新的波形和通信功能。

4)強大的通信組網(wǎng)能力

在NCO思想的指導下,為更好地支持未來戰(zhàn)場上各種不同功能信息網(wǎng)絡(luò)的互操作性和不同通信應(yīng)用的需求,JTRS需要更強大的通信組網(wǎng)能力。未來JT RS將通過擴展更加高速組網(wǎng)波形和完善并豐富其網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的的方式向著網(wǎng)絡(luò)寬帶化和組網(wǎng)智能化的方向發(fā)展。

5)小型化和低功耗

JTRS作為戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)其終端設(shè)備必須跟隨作戰(zhàn)人員或相關(guān)作戰(zhàn)平臺在戰(zhàn)場范圍內(nèi)進行機動,這對終端設(shè)備本身的尺寸、重量和功耗提出了更高的要求。未來,JTRS終端設(shè)備將向著結(jié)構(gòu)更加緊湊小巧、重量更輕、功耗更低的方向發(fā)展。

3 JTRS對我海軍發(fā)展的啟示

JTRS本質(zhì)上是NCO思想在戰(zhàn)術(shù)無線通信領(lǐng)域內(nèi)的具體表現(xiàn)形式。在NCO指導下,JT RS已經(jīng)對美軍各軍兵種的作戰(zhàn)模式和通信裝備的發(fā)展思路產(chǎn)生了深遠的影響,同時,JT RS及潛在應(yīng)用,也必將對我海軍作戰(zhàn)模式轉(zhuǎn)型與通信裝備發(fā)展帶來了一定的啟示作用。

3.1 JTRS對我海軍通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的啟示

JTRS主要功能,尤其是其網(wǎng)絡(luò)化能力(包括未來寬帶網(wǎng)絡(luò)化波形WNW嵌入)及在動態(tài)環(huán)境下快速展開特性,對我海軍綜合電子信息系統(tǒng),特別是通信網(wǎng)絡(luò)的一體化技術(shù)發(fā)展產(chǎn)生一定影響,即未來海戰(zhàn)場通信網(wǎng)絡(luò)必須滿足以下幾個方面的發(fā)展要求：

1)各種不同通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有良好的互操作性,并能夠形成一個綜合性通信網(wǎng)絡(luò);

2)通信系統(tǒng)應(yīng)能夠具有良好的擴展能力,適應(yīng)未來對通信的新需求,并能夠迅速地對各種新業(yè)務(wù)和新應(yīng)用進行集成;

3)通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有一體化綜合管理能力,可以實現(xiàn)異構(gòu)、復(fù)雜、龐大通信網(wǎng)絡(luò)自組織管理和高效運行;

4)通信與信息安全應(yīng)進行一體化考慮,實現(xiàn)對所有信息源的共享,滿足不同層次人員對信息的不同需求;

5)海軍通信系統(tǒng)應(yīng)能夠提供與主要民用通信系統(tǒng)的接入能力,以支持海軍未來諸如護航、維和等多元化使命任務(wù)能力。

最終實現(xiàn)整個通信網(wǎng)絡(luò)互連互通、無縫覆蓋,使每個用戶無論何時、何地,都能通過通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)端到端的連接,并獲取需要的任何信息,使其成為一個理想的一體化通信網(wǎng)。

3.2 JT RS對我海軍通信裝備發(fā)展的啟示

JT RS采用基于SCA的SDR體系架構(gòu),使相關(guān)通信技術(shù)裝備具有良好的通用性、可擴展性和互操作性,為我海軍通信裝備的發(fā)展提供了一條可供借鑒的思路。

1)采用SDR技術(shù),可促進海軍通信裝備向模塊化、標準化和系列化方向發(fā)展

目前,海軍通信裝備模塊化程度不高,裝備的研制缺乏標準約束,導致裝備功能、體系結(jié)構(gòu)及接口相對獨立,使裝備的系列化發(fā)展面臨巨大挑戰(zhàn)。同時給通信系統(tǒng)的綜合集成帶來較大的技術(shù)風險,導致通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

借助于SDR技術(shù)可以有效實現(xiàn)通信裝備的模塊化設(shè)計,對原本相對獨立裝備的硬軟件按照標準進行模塊化劃分和統(tǒng)一接口設(shè)計。在通信系統(tǒng)中打破原有功能與裝備綁定的“煙囪式”模式,采用標準模塊集成的方法,在不同的應(yīng)用需求下,通信系統(tǒng)可以調(diào)配各種所需的模塊并更新相關(guān)軟件,以近“實時”的方式實現(xiàn)所需通信功能,從而極大地提高通信系統(tǒng)的靈活性、擴展性和生存能力。同時采用標準的模塊化設(shè)計后,可以統(tǒng)一裝備制式,有效減少裝備種類和數(shù)量,減少對裝備維護及后勤儲備的難度及成本,有利于系列化通信裝備演進過程中的平滑過渡。

更重要的是,在模塊化的基礎(chǔ)上必須重視標準的制定和使用。以標準引導和約束通信技術(shù)裝備的發(fā)展,以裝備和技術(shù)的發(fā)展促進新標準的制定。全面推動裝備向模塊化、標準化和系列化方向發(fā)展。

2)采用SDR技術(shù),可提升海軍通信技術(shù)裝備新技術(shù)應(yīng)用能力

由于非標準化裝備體制特點,導致在海軍現(xiàn)行裝備體制中引入新的技術(shù)體制具有較大的困難和技術(shù)風險。往往是引入一種新的技術(shù)體制,就要新研一套設(shè)備。而較長的設(shè)備研發(fā)周期會明顯延緩新技術(shù)應(yīng)用于系統(tǒng)的時間進度。同時新技術(shù)體制的應(yīng)用還會面臨與現(xiàn)有裝備的兼容性問題,制約了海軍通信裝備對新技術(shù)的應(yīng)用能力。

采用SDR技術(shù)后,可加快新技術(shù)體制轉(zhuǎn)化為新通信能力的進程,改善技術(shù)升級過程中的兼容性問題,全面提高通信裝備的新技術(shù)應(yīng)用能力。在該模式下,對新技術(shù)的應(yīng)用將主要通過擴展標準模塊和更新相關(guān)軟件的方式進行。研發(fā)工作主要集中于符合相關(guān)標準下的軟件開發(fā),較原先獨立裝備的研發(fā)周期大大縮短。此外,研發(fā)工作在統(tǒng)一標準的約束下開展,可以實現(xiàn)高效的分工合作,有效降低新技術(shù)體制與現(xiàn)行技術(shù)體制之間的兼容性風險。

3)采用SDR技術(shù),可簡化艦載通信系統(tǒng)工作流程,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性及可靠性

在海軍艦載通信系統(tǒng)中,通信控制管理子系統(tǒng)主要解決不同通信裝備的接口差異和集成使用問題。然而不同艦艇上通信裝備的差異導致艦載通信控制管理子系統(tǒng)需要重新設(shè)計,甚至重新研制。雖然已就控制管理子系統(tǒng)的通用化設(shè)計進行了大量研究工作,但并不能完全解決由通信裝備的多樣化帶來的固有矛盾。因而極大地制約了整個通信系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。同時也使通信系統(tǒng)工作流程繁瑣復(fù)雜,人工干預(yù)環(huán)節(jié)多,自動化程度有限。

利用SDR技術(shù),可以使以往獨立的通信設(shè)備演化為若干標準的硬、軟件功能模塊,并集成為模塊化可配置的艦載通信系統(tǒng)。艦載通信綜合管理控制子系統(tǒng)對通信系統(tǒng)內(nèi)的各標準化硬、軟件功能模塊視為標準化的系統(tǒng)資源進行統(tǒng)一管理和配置。雖然在不同艦艇上通信系統(tǒng)的具體配置有所不同,但整個艦載通信系統(tǒng)的體系架構(gòu)可以保持良好的一致性,實現(xiàn)艦載通信綜合管理控制子系統(tǒng)及管理策略的通用化。更重要的是,利用SDR技術(shù)可以大大簡化艦載通信系統(tǒng)的工作流程,衍生出新的系統(tǒng)功能;減少人工干預(yù)環(huán)節(jié),降低操作復(fù)雜性,提高通信系統(tǒng)自動化程度;簡化通信信號流和信息流路徑,進一步提高艦載通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性。

4 結(jié)語

未來全新的網(wǎng)絡(luò)化和信息化的作戰(zhàn)模式勢必要求我海軍未來的通信技術(shù)裝備必須具有應(yīng)對各種不同通信環(huán)境、執(zhí)行多變作戰(zhàn)任務(wù)和即時適應(yīng)全新通信功能的能力。根據(jù)美軍研發(fā)并使用JTRS的相關(guān)經(jīng)驗,采用SDR技術(shù),可以提高我海軍通信裝備應(yīng)用新技術(shù)的能力,提高通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性,促進我海軍通信裝備向著模塊化、標準化和系列化的方向發(fā)展,促使海軍通信技術(shù)裝備的發(fā)展走上可持續(xù)性發(fā)展道路。

[1]Mission Need Statement(M NS)for the Joint Tactical Radio(JTR)of 21[D].JPO,1997

[2]D.Bauman.JOINT TACTICAL RADIO SYSTEM OPERATIONALREQUIREMENTSDOCUMENT[D].JPO,Ed.,Version 3.2,2003

[3]H.H.Shelton.Joint Vision 2020[D].US Govermment,2000

[4]P.G.Cook,W.Bonser.Architectural Overview of the SPEAKeasy System[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,1999,17(4)：650～661

[5]N.Browne,Schiavone.Joint Tacitcal Radio System-Connecting the GIG to the Tactical Edge[D].presented at MILCOM,2006

[6]Future Combat System Challenges and Prospects for Success[D].US Government,2005

[7]Stephens,Salisbury,Richardson.JT RS Infrastructure Architecture and Standards[D].presented at M ILCOM,2006

[8]Joint Tactical radio System(JTRS)Wideband Networking Waveform(WNW)Functional Description Document(FDD)[D].JPO,V.2.21,2001

[9]Gordon.England,Vern.Clark,J.L.Jones.Naval Transformation Roadmap[D].US.Navy,2002

[10]Lockheed.Martin.Corporation.CommonRadio Room(CRR)[DB/OL].2009