艦艇導(dǎo)彈武控系統(tǒng)分析*

王輝

(中國人民解放軍92941部隊93分隊，遼寧葫蘆島 125001)

0 引言

武控系統(tǒng)是艦艇導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的指揮、控制、信息處理和交換中心，在艦艇導(dǎo)彈武器系統(tǒng)中起著重要的作用，通過它可將武器系統(tǒng)中其他各分系統(tǒng)連接成統(tǒng)一的整體，對敵方目標(biāo)實施快速、有效的打擊。

大型艦艇導(dǎo)彈武控系統(tǒng)軟件是以用例驅(qū)動、以體系結(jié)構(gòu)為中心、以迭代和增量開發(fā)為特點的軍用大型嵌入式強實時軟件，由其控制的導(dǎo)彈武器系統(tǒng)可有效防御反擊從四面同時襲擊的敵方大量導(dǎo)彈［1－2］。

1 組成和工作原理

武控系統(tǒng)包括武控計算機機柜、顯示控制設(shè)備、通信變換接口裝置、數(shù)據(jù)存儲器和訓(xùn)練測試輔助控制臺、目標(biāo)照射制導(dǎo)控制臺等。它是導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的指揮和控制中心，負(fù)責(zé)建立戰(zhàn)術(shù)原則，顯示并處理來自艦上各傳感器的信息，作出威脅判斷和火力分配，具體實施對武器系統(tǒng)的目標(biāo)分配、導(dǎo)彈發(fā)射和導(dǎo)彈制導(dǎo)協(xié)調(diào)，同時完成整個導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的監(jiān)視、自動故障檢測和維護(hù)等功能［3］。

艦艇導(dǎo)彈武控系統(tǒng)的工作是從多功能相控陣?yán)走_(dá)開始的，雷達(dá)在全空域搜索跟蹤到目標(biāo)后，同時把目標(biāo)數(shù)據(jù)送給艦指揮決策分系統(tǒng)和武控系統(tǒng)，艦指揮決策分系統(tǒng)對目標(biāo)作出敵我識別和威脅評估，分配攔截武器，并把結(jié)果數(shù)據(jù)送給武控系統(tǒng)。武控系統(tǒng)根據(jù)目標(biāo)數(shù)據(jù)執(zhí)行諸元計算、攔截可行判斷、火力分配發(fā)射控制。導(dǎo)彈飛行前段采用慣性導(dǎo)航方式，武控系統(tǒng)通過制導(dǎo)雷達(dá)給導(dǎo)彈發(fā)送修正指令，進(jìn)入末段后導(dǎo)彈導(dǎo)引頭頭自動尋的，引炸后，武控系統(tǒng)立即作出殺傷效果判斷，決定是否需要再次攔截。在整個作戰(zhàn)過程中，武控系統(tǒng)測試輔助控制臺不斷監(jiān)視著全導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)情況，一旦發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，立即采取措施。

2 功能性能需求

武控系統(tǒng)的功能性能需求特點:

(1)反應(yīng)速度快

自雷達(dá)搜索捕獲目標(biāo)到發(fā)射導(dǎo)彈攔截目標(biāo)前，武控系統(tǒng)須完成對目標(biāo)的識別、威脅評定、火力分配、發(fā)射決策、發(fā)射控制等一系列程序，但系統(tǒng)攔截反應(yīng)時間只允許在十幾秒以內(nèi)。

(2)火力密集

需具備同時攔截十批以上目標(biāo)，同時制導(dǎo)20批以上導(dǎo)彈的能力?？梢钥刂撇煌涑痰姆揽諏?dǎo)彈武器攔截飛機和反艦導(dǎo)彈，組成遠(yuǎn)、中、近有相互重合覆蓋區(qū)域的防御圈。武控系統(tǒng)同時攔截目標(biāo)的能力受導(dǎo)彈導(dǎo)引頭工作方式、射控通道數(shù)量、導(dǎo)彈射速等諸多條件的影響。

(3)編隊防空能力強［4］

要求實施全天候、全空域作戰(zhàn)，能為整個艦艇編隊提供有效的區(qū)域防空。與數(shù)據(jù)鏈有鏈接，使武控系統(tǒng)信息來源擴(kuò)大。當(dāng)前和未來的編隊防空作戰(zhàn)需要先進(jìn)的公共戰(zhàn)斗管理/指揮、控制、通信、計算機和情報體系結(jié)構(gòu)。武控系統(tǒng)的編隊作戰(zhàn)能力包括單獨的綜合空中態(tài)勢圖像;進(jìn)行集中計劃制定和分散執(zhí)行的能力;快速作戰(zhàn)評估;采用“六度自由”的建模能力來優(yōu)化部隊的部署;以及提供制定分布式協(xié)作計劃的功能等。

(4)抗干擾性能好

可在嚴(yán)重的電子干擾(包括無源干擾和有源干擾)、海雜波和惡劣環(huán)境下正常工作。

(5)適應(yīng)垂直發(fā)射和多彈共架發(fā)射［5－6］

功能類似與美國MK-41和MK-57的多彈共架垂直發(fā)射系統(tǒng)，是海軍重點發(fā)展并形成戰(zhàn)斗力的艦面武器標(biāo)準(zhǔn)裝備，其優(yōu)勢主要在于以下幾個方面:開放式結(jié)構(gòu)，易于新導(dǎo)彈上艦;具有發(fā)射大、重型導(dǎo)彈能力;大量采用電子模塊等。其作戰(zhàn)效能的充分發(fā)揮依賴武控系統(tǒng)的相關(guān)適應(yīng)性設(shè)計。

(6)通用武控［7－8］

通用武控也可稱為水面艦艇多用途導(dǎo)彈武控，是指可選配不同跟蹤制導(dǎo)傳感器，具有對多種類型、不同型號艦艇導(dǎo)彈控制能力的武控系統(tǒng)。如既可以控制遠(yuǎn)程區(qū)域防空導(dǎo)彈，又可控制近程點對點導(dǎo)彈，甚至可以控制不同口徑艦炮?，F(xiàn)役水面艦艇上裝配的武控系統(tǒng)，只能控制單一型號的艦艇武器，而且往往在不同艦型上裝配同一型號導(dǎo)彈的武控系統(tǒng)的技術(shù)狀態(tài)也不相同，造成艦艇武控系統(tǒng)型號繁多，標(biāo)準(zhǔn)化程度低，技術(shù)水平參差不齊，給部隊的使用和維修保障帶來困難。研制裝備通用武控系統(tǒng)不僅提高標(biāo)準(zhǔn)化程度，同時能夠減少科研單位技術(shù)人員的低水平重復(fù)勞動，利于集中主要技術(shù)力量開發(fā)新技術(shù)，實現(xiàn)武器裝備的系列化發(fā)展。

實現(xiàn)通用武控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)有:系統(tǒng)分布式體系結(jié)構(gòu)設(shè)計、應(yīng)用強實時的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、軟件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、不同型號武器接口標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，以及標(biāo)準(zhǔn)人機界面設(shè)計、積極采用商用流行產(chǎn)品(及其標(biāo)準(zhǔn)等。

(7)系統(tǒng)可靠性高

能在無后勤保障的情況下在海上連續(xù)可靠地長時間工作。

3 武控系統(tǒng)軟件分析

3．1 武控系統(tǒng)軟件特點

實時性是武控軟件的關(guān)鍵特征之一，作為導(dǎo)彈武器的嵌入式指揮控制軟件，必須滿足系統(tǒng)對軟件處理的定時需求。實時性可由重復(fù)率和響應(yīng)時間2項指標(biāo)來描述。重復(fù)率指對特定功能所要求的重復(fù)計算率，武控系統(tǒng)軟件的重復(fù)率主要受雷達(dá)數(shù)據(jù)的采樣周期影響，其基本周期為0.05～1 s。除了周期性的數(shù)據(jù)驅(qū)動外，武控系統(tǒng)還必須對各種異步事件做出響應(yīng)，如系統(tǒng)對導(dǎo)彈離架事件的響應(yīng)時間應(yīng)該在微秒級［9］。

武控軟件具有大規(guī)模復(fù)雜性的特點，系統(tǒng)可能要同時處理的目標(biāo)通道數(shù)達(dá)200個以上，導(dǎo)彈通道數(shù)30個以上，外部數(shù)據(jù)通道20路以上。內(nèi)部高速數(shù)據(jù)總線節(jié)點數(shù)超過10個，預(yù)計的軟件規(guī)模達(dá)數(shù)十萬源代碼行。武控系統(tǒng)工作方式、工作時序和系統(tǒng)邏輯十分復(fù)雜，它不僅取決于系統(tǒng)的輸入輸出要求(如數(shù)據(jù)的性質(zhì)、數(shù)量、時間特性、精度特征、時間頻度、響應(yīng)時間、事件驅(qū)動的對象及時序等)，同時與硬件的配置環(huán)境和時序有密切的關(guān)系，系統(tǒng)協(xié)調(diào)關(guān)系復(fù)雜難度大。能夠攔截超聲速掠海飛行導(dǎo)彈的美國宙斯盾武器系統(tǒng)程序有500萬行計算機編碼，比航天飛機或B-2超隱形轟炸機的計算機程序還多，充分反映了防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)軟件的復(fù)雜程度。

武控軟件具有功能分布式的特點，武控系統(tǒng)軟件的運行平臺，是由多臺高性能計算機互聯(lián)構(gòu)成的分布式處理系統(tǒng)，因此武控系統(tǒng)軟件的開發(fā)首先應(yīng)解決實時分布式系統(tǒng)軟件平臺或框架軟件的開發(fā)，從而為武控系統(tǒng)軟件的開發(fā)提供必要的支持環(huán)境［10］。

由于武控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計采用網(wǎng)絡(luò)和分布式處理方式，所以武控系統(tǒng)軟件具有面向網(wǎng)絡(luò)通信的特點。

武控系統(tǒng)軟件具有需求易變更性，在武控系統(tǒng)軟件全壽命周期里，軟件人員可以分析武控系統(tǒng)現(xiàn)有的需求，預(yù)測可能發(fā)生的變化，但是無法控制軟件需求的變更。復(fù)雜軟件需求的變更是絕對的，武控系統(tǒng)軟件人員可以采用設(shè)計模式為指導(dǎo)，來有效地應(yīng)對需求的變更。設(shè)計模式是一套軟件開發(fā)理論，由Erich Gamma，RichardHelm，RalphJohnson 等人總結(jié)出的一套面向重復(fù)的經(jīng)驗，它可以提高代碼的可重用性，增強系統(tǒng)的可維護(hù)性，以及解決一系列的復(fù)雜問題

武控系統(tǒng)軟件是任務(wù)關(guān)鍵系統(tǒng)，對系統(tǒng)可靠性有很高的要求，必須通過嚴(yán)格的可靠性測試來保障武控系統(tǒng)軟件的可靠性。

3．2 開放式體系結(jié)構(gòu)

采用開放式體系結(jié)構(gòu)是艦艇武控系統(tǒng)軟件的發(fā)展方向。開放式體系結(jié)構(gòu)是一個綜合的策略，提供了一個適宜于開發(fā)聯(lián)合互操作系統(tǒng)的框架，框架采用開放系統(tǒng)設(shè)計原則和體系結(jié)構(gòu)。開放式體系結(jié)構(gòu)是首先在商業(yè)領(lǐng)域開展的基于開放系統(tǒng)的實踐，開放系統(tǒng)體現(xiàn)了降低生命周期成本，減少研制時間，提高互操作性和協(xié)作能力，節(jié)省人才培養(yǎng)開銷等價值。開放系統(tǒng)提供規(guī)范的接口、服務(wù)和數(shù)據(jù)格式，從而使武器系統(tǒng)軟件可以正確地完成移植、互操作等功能。開放式體系結(jié)構(gòu)的主要目標(biāo)是促進(jìn)應(yīng)用程序在多種類和多版本商用產(chǎn)品間實現(xiàn)可移植性開發(fā)，促進(jìn)可移植性主要通過選擇基于廣泛接受的商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的計算產(chǎn)品及使用中間件軟件［11］。

開放式體系結(jié)構(gòu)的核心策略是開放體系結(jié)構(gòu)計算環(huán)境。開放體系結(jié)構(gòu)計算環(huán)境可以為武控系統(tǒng)軟件提供一個分布的實時計算環(huán)境，武控系統(tǒng)軟件以一組松耦合的軟件構(gòu)件來實現(xiàn)。開放體系結(jié)構(gòu)計算環(huán)境提供公共的計算環(huán)境，包括應(yīng)用加載、資源管理、應(yīng)用間的通信、容錯、支持實時應(yīng)用的服務(wù)等。開放體系結(jié)構(gòu)計算環(huán)境的基礎(chǔ)資源包括一組計算機、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備、操控軟件、通信接口軟件等，武控系統(tǒng)應(yīng)用軟件裝載到這個環(huán)境中執(zhí)行［12］。

3．3 軟件中間件

中間件軟件和服務(wù)是開放式體系結(jié)構(gòu)的技術(shù)重點，體現(xiàn)了開放體系結(jié)構(gòu)計算環(huán)境的核心競爭能力。軟件中間件將武控系統(tǒng)應(yīng)用層軟件構(gòu)件和底層的異構(gòu)計算機技術(shù)構(gòu)件隔離，促進(jìn)武控系統(tǒng)應(yīng)用隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展平滑演化。武控系統(tǒng)軟件的核心中間件包括適配中間件、分布式中間件和框架中間件3種類型。

適配中間件向上發(fā)布一個標(biāo)準(zhǔn)化的接口，屏蔽底層實現(xiàn)的差別。適配中間件可提供一種使得非標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品符合標(biāo)準(zhǔn)的方法，使應(yīng)用層構(gòu)件的可移植性提高。

分布式中間件在設(shè)計武控系統(tǒng)這樣大的、復(fù)雜實時系統(tǒng)中具有重要價值，目前廣泛使用的采用面向?qū)ο蠓妒降姆植际街虚g件有分布式對象計算、數(shù)據(jù)訂閱分發(fā)、分組－排序(group-ordered)通信、數(shù)據(jù)并發(fā)編組4類。分布式對象計算協(xié)議允許采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄕ{(diào)用交換數(shù)據(jù)，目前廣泛使用的有CORBA(common object request broker architecture)，DCOM(distribute component object model)等分布式對象協(xié)議。遵循OMG(object management group)的數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)(data distribute service，DDS)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)訂閱分發(fā)中間件，支持從匿名服務(wù)器到匿名客戶大容量、實時數(shù)據(jù)分布。分組排序通信中間件對于構(gòu)建通過應(yīng)用復(fù)制支撐無縫容錯的系統(tǒng)非常重要。數(shù)據(jù)分發(fā)分組中間件主要用于信號處理等并發(fā)應(yīng)用［12］。

框架中間件是側(cè)重于重用的軟件實現(xiàn)，框架中間件是可重用、可裁剪以代碼形式提供的環(huán)境，適用于武控系統(tǒng)所有或部分代碼的設(shè)計，如人機接口框架中間件為武控系統(tǒng)各戰(zhàn)位提供統(tǒng)一的人機接口界面設(shè)計和編碼。目前商用的框架中間件對實時和使命關(guān)鍵應(yīng)用的支持有限，武控系統(tǒng)研發(fā)團(tuán)隊需要針對武控系統(tǒng)的戰(zhàn)術(shù)需求和配置開發(fā)專用框架中間件。

4 結(jié)束語

當(dāng)前，武控系統(tǒng)在適應(yīng)新的戰(zhàn)爭形勢的需求牽引下，出現(xiàn)了許多新理論、新技術(shù)。因此跟蹤世界軍事技術(shù)的發(fā)展潮流，總結(jié)我國艦艇武控系統(tǒng)的實踐，研討我國艦艇武控系統(tǒng)在新的歷史時期的發(fā)展思路，有利于促進(jìn)我國海軍武器裝備研制水平的提高。本文提出的基于開放式體系結(jié)構(gòu)的艦載武控系統(tǒng)框架，是搭建艦載武控系統(tǒng)原型系統(tǒng)的一種可行方案。雖然開放式體系結(jié)構(gòu)在民用領(lǐng)域的運用已經(jīng)積累了一定的經(jīng)驗，但在軍事領(lǐng)域的研究還在起步階段，要將理論和實踐相結(jié)合，還需要進(jìn)行更深入的研究與探索。

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