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一些对于CEC和集成火控的澄清(含CEC系统架构和发展历程)-海军版-超级大本营军事论坛

时间:2020-04-24 10:56:34

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一些对于CEC和集成火控的澄清(含CEC系统架构和发展历程)-海军版-超级大本营军事论坛

不时有人提到美国海军的协同接战能力(Cooperative Engagement Capability,CEC),但是多数人都以为它的目的只是让标准防空导弹进行A射B导、超水平线作战。

实际上,所谓「A射B导」、「超地平线接战」只是CEC的其中一个效益;甚至就连「A射B导」也不算是很精确的用语,只能算是美军定义的「集成火控」(Integrated Fire Control,IFC)的其中一种情境。

前一阵子在网路上阅读了一些约翰·霍普金斯大学应用物理实验室(Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory,APL)关于CEC的文章,包括运作原理、发展过程、APL负责的关键技术等,对于正确理解美国海军CEC有很多帮助。

http://www.jhuapl.edu/techdigest/td/td1604/APLteam.pdf

The Cooperative Engagement Capability

OHNS HOPKINS APL TECHNICAL DIGEST, VOLUME 16, NUMBER 4 (1995)

http://www.jhuapl.edu/techdigest/TD/td2302/Grant.pdf

CEC: Sensor Netting with Integrated Fire Control

Conrad J. Grant

JOHNS HOPKINS APL TECHNICAL DIGEST, VOLUME 23, NUMBERS 2 and 3 (2002)

首先简介下大名鼎鼎的约翰·霍普金斯大学应用物理实验室(以下简称APL);APL是位于美国马里兰州霍华德郡的一个非营利大学附属研究中心,员工4500人。

1942年创建。APL是约翰·霍普金斯大学一个技术研究和开发单位,是美国的一家国防合同商,为美国国防部、美国国家空天总署(NASA)等美国政府机关提供技术服务。

APL并非约翰·霍普金斯大学的学术单位。美国也有其他大学的应用物理实验室是美国国防部的合同商,但最有名的是约翰·霍普金斯大学这个。

APL实力雄厚、人才济济。二次大战以后,美国海军很多重要的防空导弹系统、作战系统等等,APL在研发过程中扮演吃重的角色,从美国海军第一世代防空导弹黄铜骑士(Talos)/小猎犬(Tirrier)/鞑靼(Tartar)以及后来从鞑靼发展的标准(Standard)导弹,提丰(Typhon)舰载防空作战系统含SPG-59电子扫描雷达与提丰导弹,宙斯盾(AEGIS)系统与SPY-1相控阵雷达,1990年代开发的全分佈船舰自卫系统(SSDS),以及这裡介绍的CEC等等。

以下分成10个段落:

Part.1 CEC一般叙述

Part.2 集成火控(IFC)的定义

Part.3 单舰作业 VS 「精确提示」

Part.4 关于「複合追踪与识别」

Part.5 CEC系统架构

Part.6 CEC网路工作

Part.7 CEC与船舰系统集成

Part.8 CEC终节点设备

Part.9 DDS的传输天线

Part.10 CEC的发展与测试

Part1. CEC一般叙述

笼统地说,CEC以实时等级的高品质网路,把多个海上与空中节点的传感器集成在一起运作,形成「单一集成空中图像」(Single Integrated Air Picture,SIAP);以此为基础,把每个节点的火控也纳入CEC网路,整个网路自然就可以做到跨平台的协同交战。

APL文件的叙述提到CEC包含三种主要能力

1.複合追踪与识别(Composite Tracking and Identification)

透过CEC网路,每个节点实时分享雷达信息(附加IFF的敌我识别询答结果),所以单一节点都获得网路裡每一个传感器的信息。然后,每个节点靠本身的软硬件融合这些信息,形成 「单一整合空中图像」(SIAP)。

注意到运算融合是单一节点进行的,每个节点透过实时分享信息以及良好的同步,各自算出来的SIAP图像都必须是一致的,如此才能谈集成火控。理论上,几艘使用旋转雷达的舰艇联合工作也能获得近似宙斯盾舰相控阵的探测效能。而如果CEC网路中有宙斯盾舰加入,其他节点也都分享到相控阵雷达的高品质探测数据。

2.精确提示(Precision Cueing):

有了前面的「複合追踪」 ,每个节点获得了自身传感器尚未确认的目标,提前知道这些目标的哪个方位(称为目标获得,Acqusition),用雷达对该处做小范围、集中功率、长驻留(dwell)时间的精确探测,舰上的作战射控系统也能提前展开作业;如果进一步获得更清晰的目标接触,透过CEC分享回馈给整个战术网路,所有节点都能获得该特定目标的更好接触数据。而美国海军将这种能力定义为精确提示(Precision Cueing)。

3.协同接战(Coordinated Cooperative Engagements)

这个就牵涉到不同节点间的集成火控以及超水平线交战。

虽然美国海军标准二型防空导弹最大射程逐渐延伸到超过100公里的水平,然而自身雷达探测范围永远受制于地球曲率影响,无法探测到水平面以外的目标,因此往往无法发挥标准2的最大有效射程。

有了CEC之后,组成CEC网路的节点散佈范围一旦拓展,整个网路的探测范围也因而增大,自然会延伸到个别节点的

水平线以外。换言之,个别的作战节点透过CEC,就可以得到水平线以外低延迟、高数据刷新率、高精确度的探测,足以支持标准二型防空导弹的火控。

传统上,标准二型的所有火控环节都是由发射舰自己负责,透过CEC网路分享火控等级探测数据之后,其他节点也能为发射舰接手不同的火控阶段,或者发射舰本身传感器不需要接触目标,也能靠CEC网路其他节点传输的信息达成火控。因此大体上,由不同节点合力完成一个火控流程,称为协同接战(Coordinated Cooperative Engagements)。

Part.2 集成火控(IFC)的定义

这裡来定义一下广义的「集成火控」(Integrated Fire Control,IFC)。

所谓「集成火控」,就是武器接战流程中所有的环节步骤,能够由不同的作战平台合力完成。而不同等级的「集成火控」,不同步骤的分工以及组合就越自由、越随机。

/events/10th_ICCRTS/CD/presentations/325.pdf

Future Integrated Fire Control ICCRTS

June

Bonnie Young

Senior System Architect

Northrop Grumman Corporation

依照美国国防部的相关定义和术语,火控流程可以分成以下几个环节。

(1)目标搜索(Object Observation):传感器探测到空中目标

(2)精确追踪与识别(Object Tracking & Identification):

对目标实施追踪与识别,包括测量目标位置、动态、敌我识别、意图分析等。

(3)火控级数据取得(Fire Control Quality Data Attainment):

对于需要接战的目标,保持高精确度与高刷新率的追踪。此外包括接战决策、导引计算、接战控制。还可能包括

传感器本身设置对应工作模式,例如指定或增加操作频宽等。

(4)接战起始(Engagement Initiation):

对特定空中、水上目标下达接战措施。包括威胁评估、交战决策,以及为每个目标分派火控与武器资源等。

(5)导引解算(Guidance Calculation):对于负责拦截指定目标的导弹

(这裡术语用广义的interceptor)提供拦截解算。

(6)接战控制(Engagement Control):

,管理与监视接战作业中所有需要的系统资源,包括传感器、武器控制、通信传输,检验火控品质(FCQ)数据,检视管理支持,以及必要时评估停止交战。

(7)导引中继(Guidance Relay):

透过传感器或通信通道,对于飞行中的防空导弹提供导引,即飞行中目标位置更新(In-Flight Target Updates,IFTUs),或者是目标映射(Target Object Maps,TOMs)。就是导弹飞行中途的上/下链(Up/Down link)传输。

(8)终端照射(Target Illumination):由传感器对防空导弹提供雷达照射,使导弹沿着回波命中目标。这是对于标准二型之类的终端半主动制导,主动雷达制导的导弹在此阶段就靠着本身寻标器拦截目标。

以上是整个火控流程的所有八个环节。而「集成火控」(IFC)定义每个环节是节点本身或其他节点负责,就有多个不同的区分。这个表格把每一种「集成火控」型态中,对于前述八个火控环节是由本身(Local,简称L)或来自远端节点(Remote,简称R)进行表列:

精确提示(Precision Cue,PC):除了(1)「目标搜索」是其他节点提供、(2)「精确追踪与识别」是本身或其他节点提供之外,后面所有决策、解算、发射、制导等全都是节点本身负责。这算是最初阶的集成火控,一个具体场景就是只有近程自卫火力的船舰靠着其他节点信息(如透过CEC网路)的指引来接战。

远隔发射(Launch on Remote,LoR):(1)、(2)是其他节点提供,(3)「火控级数据取得」远端或本身执行,其他后续流程都是本身进行。

远隔接战(Engage on Remote,EoR):前面(1)、(2)、(3)等探测传感环节都由其他节点提供,(4)「接战起始」、(5)「导引解算」、(6)「接战控制」这些下达决策、计算、发射武器等都是节点本身,最后两个关于导引飞行中防空导弹环节(7)「导引中继」以及(8)「终端照射」是本地或远端都可执行。这算是所谓「A射B导」的基本型态,别的平台发现目标、追踪、提供火控级数据,由一艘远方的船舰发射导弹,导弹飞行途中的上/下链(Up/Down link)更新以及终端照射等就视情况由本身或其他节点负责。

前沿传递(Forward Pass,FP):算是更有机、更进阶的「远隔接战」,整个火控流程裡除了下达接战决策、分派资源的(4)「接战起始」是本地节点负责之外,其他所有环节都是视情况由本地或远端节点负责。

远隔发射(Remote Fire,RF):注意到(1)、(2)、(3)、(4)都是远端节点负责,从(5)「导引解算」开始则是视情况由本地或远端节点。这个算是「集成火控」体系的随从节点,其他节点发现目标、精确追踪、下达接战决心并且分配资源之后,被分派到接战的节点根据接战指令来完成交战(从发射导弹开始)

由射手决定(Preferred Shooter Determination,PSD):这是有机程度最高的集成火控;(4)「接战起始」由体系中作战决策(Force Perspective)单位(可能是任何具有指挥决策权的节点)下达,其他每个环节都由任意节点进行,每个节点都可以起始一个追踪或交战流程,决策单位下达决心后,网路裡每个节点都可以依照情况参与分工完成后续的接战与火控。

依照以上的定义,个人认为基本的CEC至少达成了精确提示(PC)、远隔发射(LoR)、远隔接战(EoR)这三个。

至于后面几个更有机至于后面几个更有机、更广泛的程度,或许是等近年美国海军结合CEC等几个基础传输设施并集成之后完成的集成火控防空(Naval Integrated Fire Control-Counter Air,NIFC-CA)才做到。

然而这裡必须强调的是,CEC的根本核心还是複合追踪与识别(Composite Tracking and Identification),就是把多个节点(船舰、预警机)的雷达联合在一起实时同步工作,融合产生单一空中图像(SIAP)。以SIAP为基础,延伸系统的广度到跨节点协同交战,成为所谓的「集成火控」(涵盖所谓「A射B导」),然而这前提必然是先有了SIAP这个「基石」。既然SIAP的融合与同步都没问题,交替火控的基础也就完备了,只要拓展系统应用广度就可达成。

另外,只有配备CEC网路的节点能参与「複合追踪与识别」作业,一同生成SIAP单一空域图像。然而,产出的SIAP信息就能透过传输带宽较低的数据链如JDITS(Link 16)等,单方面地分享给其他作战节点如战斗机等;因此,部分平台虽然没有CEC能力,也不参与CEC「複合追踪与识别」作业,但还是能分享到「複合追踪与识别」作业的数据,例如NIFC-CA的架构就是如此。

Part.3 单舰作业 VS 「精确提示」

透过複合追踪识别产生的单一集成空中图像 ,CEC的单一节点可以预先得知本身传感器还没接触的目标;有了这样的提示,节点本地的搜索雷可以直接朝威胁的小型扇区进行集中的扫描,提前接触目标,而舰上的火控与武器系统也能提前展开作业。这种能力称为精准提示(Precision Cueing)。

这裡必须提一下有CEC或联网作战之前,单一船舰靠本身资源的防空作战流程。在平时,船舰靠着一部长距离对空雷达来搜索整个空域,称为体积搜索(volume search)。平时长距离对空雷达对整个空域体积搜索时,不会使用尖峰功率输出(为了节省能源),所以雷达射频能量分配到周遭空域密度比较低;而为了让较低密度的雷达射频能对目标响应,雷达天线转速必须减慢,相对延长在每个方位停留(dwell)的时间。而这也代表目标刷新率降低。

在平时状况下,一旦有目标接近,单一平台的搜索雷达需要数次接触,才能确认一个目标(而不是虚警);平时广区域搜索雷达转速慢,多转几圈确认一个目标要花费的时间较长。一旦确认一个目标之后,作战系统才会建立追踪,视目标动态(目意)调用舰上系统资源;例如,把雷达切换到精确追踪模式,提高功率与转速,对于迫近的威胁目标能更快更好地响应;有些旋转雷达还有扇区搜索模式,让雷达停留在一个固定扇区范围密集搜索(而不是360度旋转)。建立起够精确、够快速的追踪,之后才谈得上分配作战火控资源进行接战。即使是火控程序,搜索雷达交班给火控雷达也要花一些时间

(火控雷达根据搜索雷达的指引扫描某个扇区、重新捕捉目标)。

所以,如果每艘船舰船舰如果独立作业,从广域搜索、确认目标、建立追踪到接战,每一个环节之间都需要一些反应时间。现代化反舰导弹体积小、雷达回波有限,往往是贴海而来,一般搜索雷达响应确认目标时,距离已经不远,再考虑之后进行接战、分配火力的反应时间,以往一般来说海麻雀等级的点防御防空导弹,大概只有一次拦截机会,万一失手就没有时间进行第二次拦截。

另外,一部旋转雷达虽然能选择不同模式(功率、转速甚至波形等),但执行一种功能时就无法兼顾另一种;例如搜索雷达如果转到精确追踪模式,让雷达停驻在某个扇区,此时就看不到其他的方位;或者提高转速加快目标刷新,此时整体探测距离也会下降(因为雷达波束驻留在同一个方位的时间缩短)。如果是比较大的船舰有多部雷达可以分工,一部份雷达在精确追踪时,长距离雷达仍然专心进行广区域体积搜索;然而较小的船舰可能是用一部多功能雷达分摊好几种功能,就更可能面临切换模式而无法兼顾的问题。

当然,前面说的几种困境,很多是雷达先天性能不足造成的;例如1980年代AN/SPY-1这样的高功率相控阵问世之后,不仅波束精确度高(集中的笔状波束),而且波束切换速度快,能控制波束同时间轮流担任不同工作(搜索/追踪/导弹火控上链),而且四面固定阵不需要旋转就可以扫描所有空域,刷新速率极快。问题是,在1980年代时,只有宙斯盾巡洋舰配备这种雷达。

而CEC把多艘船舰结合在一起运作形成单一空中图像以及「精确提示」,就可以大幅改善问题。在CEC网路裡,单一节点(船舰)根据其他船舰分享的探测数据,因而提前得知威胁的方位(即便本身的雷达还没有确实接触)。透过CEC集成图像的「提示」,单一船舰能提前将雷达资源集中停留(dwell)在特定方位密集扫描,提前有效接触──以往单舰运作的时候,根本不可能这样使用雷达。而部分节点(船舰)的雷达停驻在某些方位时,其他节点的雷达仍然可以做全方位的广区域搜索,所以整个CEC网路不会有方位漏失,以前每艘船舰单打独斗就做不到这点。

研究与实际测试显示,透过CEC网路的「精确提示」以及精,单一节点(船舰)的雷达直接对特定扇区进行高功率集中扫描,更快且更远地捕捉到目标,提前启动防空武器的火控接战作业。都说ESSM之类的近程防空导弹射程比早期型号相对增加,但如果船舰平台不能更早探测到目标并展开交战程序、提前发射,ESSM多出来的射程也是白费。而CEC「精确提示」就达到了这样的效果,让传感、火控资源相对较差的第二线船舰,也更有机会充分发挥ESSM的最大有效射程;一旦提前了第一次拦截,万一失手就还有时间第二次发射。这就是CEC透过分享与融合情资带来的加成效益。

必须再次强调的是,「精确提示」完全没有牵扯到「A射B导」,这算是最基础的「集成火控」,单一船舰只是透过CEC网路的提示而提前了本舰的火控交战程序。然而对于多数只有中近程防空导弹的船舰而言,这却是最实用的功能,有效提高船舰自卫防空作战的成功率。

Part.4 关于「複合追踪与识别」

谈一下CEC体制的「複合追踪与识别」(Composite Tracking and Identification)。CEC最根本、最核心的事情,就是复合追踪识别,产生实时且高精确度的单一空中态势图像。

如同前面所提,CEC网路裡,每个节点分享各自雷达(附带敌我识别器对应每个目标的询答结果)的数据,数据刷新率是微秒(ms)等级。每个节点都部署相同的运算单元(软硬件都相同),自力处理融合所有雷达数据,每个节点都自己生成一致而同步的「单一整合空中图像」(Single Integrated Air Picture,SIAP)。换而言之,CEC能让许多个原本独立作业的舰载雷达,一起追踪同一个空域裡的同一批目标。

而美国海军之所以要开发「複合追踪与识别」,主要是冷战期间实际操作经验,如果要提高舰队对于整个空域的监视品质,就必须克服几个问题:

1.个别船舰的雷达因为大气条件影响、地形遮蔽、海面杂波、敌方电子干扰等因素而受到干扰,有时候无法有效探测目标。而当船舰靠近海岸时,沿岸地形的杂波干扰又极为明显,沿岸又常有大量民间海上与航空交通,造成进一步的识别困扰。因此,如果联合多艘船舰的雷达一起工作,少部分船舰本身雷达即便因为地貌遮蔽或自然、人为干扰而暂时无法探测到某些目标,也能透过其他没受影响的船舰,对同一批目标达成稳定而清晰的追踪。

2.先天上,雷达波束水平宽度大,横向误差较大;不过电磁波的径向(测距)则是准确得多,而且还可以透过脉冲压缩处理技术来改善。因此,如果让多部雷达联合起来集成工作,处理同一个空域、同一批目标的接触数据,透过多部雷达利用三角定位等演算法,透过多个节点准确的径向测距反算目标方位,就比节点本身雷达判断水平方位准确得多。理论上,参与CEC网路的节点数量越多,正确率就越高,更容易排除某些有问题的感测数据。

「複合追踪与识别」并不是简单到把每个节点后处理完毕的「追踪数据」(Tracked data)集成在一起就了事,首先融合时所有节点的时间与空间座标系都必须统一,否则处理同一个目标时极可能误认为「好几个目标」;然后,每个节点的雷达能力以及设置(例如探测阀值)不同,部分节点可能没探测到(或者后端已经过滤掉)某些真实目标,而也有可能一些追踪数据是虚警。所以,CEC「複合追踪与识别」作业中,每个节点之间分享的是比较初级的「接触数据」,而不是后处理完毕的「追踪数据」,而这也是CEC对于传输频宽要求很高的原因,因为要实时分享的数据量颇大。

关于CEC网路如何达成统一空间座标,CEC系统使用的是类似敌我识别询答或民航机「二次雷达」(基本上也是询答)的体制,各节点被询问后就回报座标等参数。CEC关键的传输设备:高指向性的C波段传输相控阵在定位作业中扮演重要角色,每个平台的通信波束指向可以提供相对方位,而波束收发所需的时间就可以计算距离,其他细节应该也包括电磁波三角定位等。GPS的绝对座标系应该也会被引进CEC的定位中,然而CEC的体制不需要每个节点的绝对座标就可以同步空间座标;CEC是在1990年代初期发展的,当时GPS刚刚才在战场上应用,而且CEC的体制肯定也要应付GPS失效或被干扰的情况,所以GPS定位并非CEC的必须。

为了确保「複合追踪与识别」网路的品质,CEC网路只让舰队中最好的传感器参与,包括宙斯盾舰的AN/SPY-1相控阵雷达、AN/SPS-48三座标雷达、E-2C/D预警机上的雷达等。在2000年代初,期美国海军也曾打算把发展中的AN/SLY-2先进集成电子战系统(Advanced Integrated Electronic Warfare,AIEWS)纳入CEC网路(先前美国海军的AN/SLQ-32电子战系统的ESM精确度就不符合CEC的要求),不过AIEWS在2002年遭到取消 。

这裡附带一提:俄罗斯也有一个精神类似「複合追踪与识别」的系统,就是音乐台雷达。音乐台独特之处不仅是结合主动探测与被动截收(被动就包含利用大气效应达成超水平线探测),还有雷达本身专属的数据链,让多艘拥有音乐台的船舰进行协同追踪。一般而言,由于电磁波方位误差较大,被动截收的精确度较差,单舰光靠被动定位很难达到火控指引的水平;然而如果有多艘船舰一起进行作业,透过三角运算等,就可以提高精确度到足以指引武器的程度。当然,CEC牵涉到的是防空作战,所有作业所需的数据刷新率以及精确度要求都比反舰导弹高得多,进行「A射B导」等集成火控行为的複杂性也比较高。

Part.5 CEC系统架构

APL这些文件对于美国海军CEC系统架构有具体的叙述。APL负责发展CEC早期的概念验证以及关键技术,最早的概念演示版(Baseline 1)基本上就是APL这些文件的叙述。而由APL转移核心技术、承包商负责实作与完善细节的CEC正式服役版(Baseline 2)自然把系统、硬件等进一步改善优化,不过核心原理和架构基本上还是跟APL最初规划的相同。APL开始发展CEC的时候,已经知道同步传输跟处理这麽庞大的雷达数据,需要有专门研製的全新基础射频传输系统,以及专门设计的演算法和软件;不仅是传输的数据量,数据运算处理能力的要求也十分严苛。

每个节点部署的CEC硬件设备称为「 协同接战传输处理组件」(Cooperative Engagement Transmission Processing Set,CETPS)。

CETPS又分为两个主要系统与五个次要系统,主要系统是「数据分布系统」(Data Distribution System,DDS)以及「协同交战处理器」(Cooperative Engagement Processor,CEP),五个次要系统则分别为数据分配、指挥/显示支援、传感器协同、交战决策、交战执行。

数据分布系统(DDS):是CEC网路的数据传输基础设施,性能要求非常严格,具备高有效功率、高传输频宽(5M bps以上)、实时(Real time)传输等,能接收距离9米到30海里以外的单元所传来的数据,传输速率5M bps以上,远高于原有的Link 11/16。一般数据链的基础射频传输设备完全无法满足这样的需求;1995年CEC还在早期概念演示阶段时,曾经测试以Link16数据链来传输CEC的数据,结果显示无论刷新速率、传输和融合后的数据精确度都不符合要求,能容纳的CEC网路成员数量也极其有限。所以APL设计DDS时,新发展了C波段高功率相控阵收发天线。就跟相控阵雷达一样,CEC的相控阵传输天线使用高能量、高集中的笔状波束狭窄波束,具备能量集中、指向性高的特性,敌方很难在其他方位探测到,也很难进入旁瓣进行干扰;就算遇到干扰,CEC的阵列也能集中能量「烧穿」敌方干扰信号。 

协同交战处理器(CEP):CEC在节点上的后端处理单元,负责处理经由DDS传来的数据,这包括转换不同节点传感数据的时空座标(含消除各节点相对运动),并对各传感器数据进行精确度加权和过滤;例如,阀值设定有问题或者受严重干扰的节点,传来的数据会遭到排除。

CEP还可以设置複合识别准则(Composite Identification Doctrines),经由网路控制单元(Net Control Unit,NCU)的显控台输入,传送至所有的CEC节点,成为接下来各节点进行「複合追踪与识别」运算时的共同处理准则。这些准是针对一系列参数而设定的判断逻辑,例如目标速度、目标位置相对于允许接战区域的边界、排除民航机的敌我识别询答参数等等。

APL在1990年代设计的第一代CEC Baselne 1概念演示系统中,CEP的处理单元由30个商规Motorola 68040处理器,透过APL专门发展的信息传输架构组织而成,并安装在加固机柜中。每个Motorola 68040处理器执行以下子功能之中至少一项,例如追踪过滤(track filtering)、数据的发散(divergence)与收敛(convergence )测试、目标闸锁定(gridlock)、传感器介接(sensor interfacing)、协同接战支持(cooperative engagement support)、数据分配介面(DDS interfacing)所需的管理等等。当时CEP使用铯原子钟(cesium clock),加上豪秒级(ms)的DDS同步程序,使每个CEC节点的时序维持在同步。

Part.6 CEC网路工作

依照APL的文件,CEC是一种全分布(distributed)的网路,每个节点的地位都是相等的,网路的组成也是有机的,不存在一些特殊、无法替换功能的节点。

当一群作战节点要起始CEC联网时,任一个节点上的操作人员透过网路控制单元(NCU)下达「联网起始」(net start)指令。此一CEC节点的DDS就开始搜索其他CEC节点的DDS,开始组建一个网路,中间的程序类似敌我识别器(IFF)的询答;首先,DDS的阵列天线对周遭广域空间发出询问(interrogations),其他分佈在空间中的CEC节点的DDS收到其他(一个或多个)DDS的询问讯号之后,以循序(reciprocal)方式依序对每个DDS进行。因此,各节点DDS之间的询答沟通像是水花涟漪般逐步扩展,由近而远逐步确认每个CEC节点的身份并加入CEC网路。

整个网路完成「联网起始」程序后,每个CEC节点都会得知网路内所有节点的位置,这包含DDS之间的直接联繫,或透过其他节点中继的接联繫。一旦CEC网路裡每个节点都知道彼此位置(也就是形成全局单一座标),就可以展开目标闸锁定对齐程序(gridlock alignment process),开始分享与处理各节点的雷达数据。每个CEC节点透过DDS接收到其他节点的雷达数据,节点上的CEP就会透过DDS将数据转发到其他节点;同时,节点本身的CEP进行闸锁定(gridlocks ,把其他节点传来的传感数据转换到节点本身的座标),并将新数据集成到节点本身作战系统执行的目标追踪程序(tracking process)中。因此,节点本身的雷达后端处理系统就能结合来自CEC的数据,提供先期精确提示(Precision Cue,PC)。CEC网路工作时,每个CEC节点透过各自的DDS,随时与其他节点保持同步与通信,分享传感数据并随时回报彼此位置,传输频率是微秒级(ms)。DDS之间的通信波束都是高精确度、高频宽且经过加密。CEF网路中,每个节点需要精确地统一时序,才能在透过广泛频宽(spread-spectrum)波形分享探测数据的情况下,在各节点上同步执行相同的独立处理程序。

每个CEC网路能自动让新节点加入或者让现有节点离开,过程不需要人工介入操作。一旦现有节点未经协议突然离线,所有节点的DDS都会获得通知,然后自动调整CEC网路的联网与处理排程,其馀正常节点就能绕过失效节点而继续工作。而当一个新节点要加入一个已经在工作的CEC网路时,也是透过DDS间的答询程序。任何时刻,任一个CEC节点都可以自动为其他节点提供中继转发。

CEC本身的运作高度自动化,并与节点(船舰)本身各项子系统密切互动,但CEC系统并不需要设置任何专门操作人员来维持运作;操作人员对于CEC节点只有少数操作,都与改变节点状态有关,包括启动CEC联网(net start)、关闭CEC(net shutdown)、加入现有CEC网路(net entry),以及离开目前的CEC网路(terminal signoff);这些指令都是是在网路控制单元(NCU)的人机介面下达,把节点状态改变告知整个CEC网路。另外,如有必要,人员也可以根据实际状况,在NCU介面对CEC网路设置或更改接战准则( engagement doctrine),例如一些避免误击或敌我识别的设置。CEC运作的历史信息也能在舰上作战系统现有的显控台存取,包括CEC网路中有哪些传感器在工作、追踪运作历史、可以选择设置的准则等等。

CEC作业的设置如网路控制状态(Net control status)、准则(doctrine)、远隔接战状态(remote engagement status)、本地端雷达活动查询(local radar activity requests )等,通常需要紧密地跟节点(船舰)本身单位的战斗管理、决策、武器系统互动,例如将CEC的数据输入本地传感器、火控系统作为先期指引。

由于CEC网路的运作占用大量传输频宽以及运算能力,因此在APL发展阶段(Baseline 1),每个CEC网路最多只能容纳24个成员 ,主要是受到通信传输的频宽制约。随著软硬件的进步,CEC网路的成员数量有可能进一步提高;而基于CEC网路进一步扩大应用范围,例如透过其他更高层级系统(后来的NIFC-CA),把CEC网路生成的单一空中态势图像等宝贵情资分享给非CEC网路的节点,例如前沿的战斗机获得CEC网路集团先期指引以及火控支援等,都可以间接扩大CEC网路的效益范围。

Part.7 CEC与船舰系统集成

CEC运作时,确保数据传输尽可能达到真时是个重要任务,这也会影响到CEC与船舰既有系统的集成。

(左边是CEC与宙斯盾集成,右边是CEC与SSDS、ACDS集成)

从APL发展的第一代CEC Baseline1的系统架构,可以发现与宙斯盾系统结合时,透过专属的接口跟宙斯盾的子系统直接连结,包括AN/SPY-1B相控阵雷达、SPS-49长程对空雷达、指挥决策系统(C&D)、宙斯盾显示系统(ACD)、敌我识别器(IFF)等。以当时的计算机技术和观念,这样与宙斯盾系统的紧密耦合显然有所必要;当时宙斯盾系统还是半分佈式,如果只透过宙斯盾的中枢──指挥决策系统(C&D)来与CEC接口,则C&D恐怕需要更动相当多的软硬件。此外,宙斯盾系统庞大,尤其是核心的AN/SPY-1B相控阵回传的数据量远大于其他形式的雷达;为了达到实时处理,CEC自然必须直接连结AN/SPY-1B。而提康德罗加级的SPS-49雷达是旧型的模拟式雷达,主要作为一个备援,没有与宙斯盾的指挥决策系统集成,所以CEC自然需要专门为SPS-49设计一个接口。第一代CEC Baseline1还来不及开发介面与宙斯盾系统的武器控制系统(WCS)连线,后来可能有开发出来。

当然,随着日后宙斯盾系统以及CEC本身逐渐演进(宙斯盾Baseline 7就转型成分佈式架构、主要运算单元都改成商规现成组件),加上计算机硬件能力与技术的升级,CEC与宙斯盾的耦合关係也应该也逐渐简化。

1990年代发展的船舰自卫系统(Ship Self-Defense System,SSDS)是美国海军第一种分佈式作战系统,此外还有基于NTDS改良而来的先进作战指挥系统(Advanced Combat Direction System,ACDS) Block 1。CEC与SSDS、ACDS Block 1集成的方式就简单得多,只有单一接口(使用数据总线或LAN区域网路),并不需要和底下的子系统专门对街。这不仅是因为SSDS的全分佈架构更容易横向扩充新设备,而且SSDS、ACDS搭配的传感器通常都是一般的SPS-48、49或SPQ-9等旋转雷达,数据量远低于宙斯盾的相控阵,因此直接对接CEC的必要性不大。

Part.8 CEC终端节点设备

CEC的节点设备「 协同接战传输处理组件」(CETPS)分成舰载版与机载版两种。

(由左而右:工程发展阶段的AN/USG-1,正式服役的AN/USG-2,机载的AN/USG-3,随著技术进步发射天线与后端机柜都在缩小

其中,工程发展(EMD)阶段(CEC Baseline1)的舰载版为AN/USG-1,正式服役的版本(CEC Baseline 2)则为AN/USG-2。

CETPS的机载版型号是AN/USG-3,称为协同作战空中通用装备套件(CES),装备于E-2C鹰眼2000(Hawkeye 2000)以降的型号。

最早的AN/USG-1舰载终端全系统总重约9393磅,很大一部份重量来自于C波段无源相控阵传输天线。AN/USG-1后端有四个机柜,包括与传输天线有关的高功率放大器机柜(High Power Amplify Cabinet)、低功率放大器(Low Power Amplify Cabinet)、信号处理机柜(Signal Processing Cabinet),以及处理数据的协同作战处理(CEP)机柜,另外附带一个数据纪录器(Data recorders)。AN/USG-1的CEP运算处理单元都有专属的机柜,硬件上并未与船舰上原有的系统集成,因此早期几艘安装CEC Baseline1进行测试的船舰,都是加上一堆额外的计算机柜和人机介面。

正式服役AN/USG-2(V)由于使用许多更先进的硬体设备 ,例如改用C波段固态有源相控阵传输天线取代原本的无源相控传输天线 ,再也不需要下甲板的真空管发射机。此外,后端运算处理设备也大幅精简,例如採用新成熟的专门应用集成电路技术(Application-specific integrated circuit technology),使得电路机板组件数量减少一半以上,并引进新的商规Motorola Power PC处理器来提高CEP运算能力。相较于AN/USG-1后端四个机柜,AN/USG-2(V)的后端处理只须要一个机柜,全系统重量大幅减至2353磅。

(最早的机载版CEC是装在一架海关P-3B预警机上)

技术最困难的是机载的AN/USG-3,功能与AN/USG-2类似,但全系统体积重量必须缩小到E-2预警机能搭载的程度。这必须等到微波集成电路(MicroWave Integrated Circuit,MMIC)技术足够成熟,製作出够轻够小的固态有源相控阵天线,才能实现上机。最早的CEC原型机载设备的首次引进了单晶片(Monolithic)技术的MMIC固态有源收/发阵列,整个机载设备的重量还是有3000磅(1360kg),E-2C仍然载不动,所以在1994年先装在一架海关的P-3B预警机(使用与E-2C相同的APS-138雷达)进行测试。到了2000年代初期,机载版的USG-3的重量大概降到683磅(310kg)左右,勉强可以安装在E-2C上,第一种搭载CEC的E-2C型号称为鹰眼2000,在2000年起交付。之后主承包商雷松公司仍继续为USG-3减重。

AM/USG-3的DDS传输天线位安装在E-2C机腹,直径1.37m,称为固态相控阵天线(名为末端发射阵列,End Fire Array,EFA) 。除了EFA天线之外,AN/USG-3还包括信号处理器(Signal processor) 、数据处理器(Data processor)、网路控制处理器(Net control processor) 以及CEP处理组,全系统重525磅(238.13kg)。

除了以上三种基本型号之外,CEC系统日后陆续推出几个不同型号的终端设备终端设备:

AN/USG-4:用于美国海军陆战队的CTN平台终端

AN/USG-5:用于美国陆军联合陆攻巡航导弹防御联网感测(Joint Land Attack Cruise Missile Defense Elevated Netted Sensor System,JLENS)平台

AN/USG-9:用于美国海军陆战队通用航空指挥管制系统(USMC Common Aviation Command and Control System)。

之后美国透过海外军售管道(FMS)向盟国出口若干CEC设备,型号包括AN/USG-6、7、8、10等。

Part.9 DDS的传输天线

http://www.jhuapl.edu/techdigest/TD/td2302/Moore.pdf

A Low-Cost Cooperative Engagement Capability

Array Antenna

Craig R. Moore, Mark H. Luesse, and Kenneth W. O’Haver

JOHNS HOPKINS APL TECHNICAL DIGEST, VOLUME 23, NUMBERS 2 and 3 (2002)

(由左而右:第一代无源相控阵列天线,第二代的SBAA固态有源天线,第三代的LCPA低成本平面阵列天线)

(康德罗加级巡洋舰圣乔治角号(USS Cape St. George CG-71)的CEC Baseline1设备,使用第一代无源相控传输天线)

在最初工程发展阶段,APL为CEC Baseline 1设计了圆柱状的C波段无源相位阵列收发天线,是在1980年代后期开始发展,在1990年代初持续改进。圆柱阵列直径44吋(111.76cm)、高14吋(35.56cm),由1000个辐射单元构成,每个单元使用负二极管(positive intrinsic negative diode)移相器,而为天线提供射频能量的真空管发射机则为于下甲板,透过桅杆内的导波管传输能量。CEC Baseline 1在1996年达到初始作战能力(IOC)时,AN/USG-1就是採用这种收发天线。

在1990年代中期,APL为CEC正式服役版(Baseline 2)发展舰载有源口径(Shipboard Active Aperture ,SBAA),这是一种固态相控阵天线,取代了Baseline 1的无源相控阵天线系统。SBAA使用圆锥形阵列,阵列上的收发(T/R)组件由砷化镓(Gallium Arsenide, GaAs)半导体单晶片微波集成电路(Monolithic Microwave Integrated Circuit,MMIC) 製作,再也不需要第一代无源相控阵的下甲板集中发射机。光是SBAA天线系统,就使CEC Baseline2重量比Baseline 1减轻了4000磅。CEC Baseline 2的AN/USG-2终端设备(含SBAA天线)在1997年通过初始作战测试评估(Initial operational Test and Evaluation),2001年通过作战评估(Operational Evaluation),随后进入初期小批量生产(Low-Rate Initial Production,LRIP)。而SBAA也成为美国海军使用的第一种舰载固态有源阵列射频系统。

USS Kearsarge (LHD-3) 两栖攻击舰上的SBAA有源传输天线

SBAA阵列的性能与可靠度都让人满意,然而价格过于昂贵;如果接下来所有柏克Flight 2/2A导弹驱逐舰都要加装CEC的话,购置与维护成本将十分可观。因此,APL在1998年开始研究如何降低SBAA天线系统的整体成本。几经研究之后,APL航空系统部门(Air Defense Systems Department )展开了低成本平面阵列天线(Low Cost Planner Array,LCPA)项目,利用更新的商规MMIC技术以及新的系统架构,并改用四个平面阵列来取代原本SBAA的圆锥阵列。此外,APL也计算过天线性能与成本的分佈,尤其是T/R组件单位功率和数量的最佳化。LCPA每个T/R组件的发射功率比先前SBAA更低,这也有助于降低成本。

LCPA的每个平面阵列由若干个直线排列的线性可抽换模块(Line Replaceable Unit,LRU )构成。LRU是构成天线阵列的基本硬件,又称为次阵列结构砖(Subarray Architecture Tile);每个LRU封装了若干数量的T/R组件以及必要的辅助电路、元件以及散热冷板等,可轻易更换,整个装置可靠度高。

(APL制作的LCPA的T/R组件原型)

由于1990年代末期以来商业电子技术的快速进步,使得单晶片微波集成电路(MMIC)成本迅速降低;这很大一部份归功于此时期民间手机技术进展快速,带动了MMIC的发展,在军事射频领域的应用也因而受惠。在1990年代,美国国防部使用的T/R组件(例如SBAA天线)成本高昂,每个可能高达1000甚至10000美元;等到APL研製LCPA阵列时,由于技术进步且发射功率降低,每个T/R模块的成本大约只有80美元。初步估计,引进LCPA阵列技术之后,美国海军光是採购舰载CEC设备的项目,就比原来节省约6亿美元。

依照美国海军CEC项目主管办公室(CEC Program Office) PMS 465的资料,APL在1998年秋季将LCPA的概念转移CEC设计代理商(Design Agent)雷松(Raytheon)公司,随后雷松以LCPA为基础

,为CEC发展平板阵列天线组(Planar Array Antenna Assembly,PAAA),从起装舰。第一线作战舰艇(如柏克级导弹驱逐舰)使用的四面平面阵的PAAA,而针对某些船舰的桅杆构型,雷松也发展圆柱状LCPA阵列,天线由技术相同的LRU单元构成。

伯克级导弹驱逐舰USS_Benfold_(DDG-65)桅杆顶上的PAAAP平板阵面。

在代,美国继续为CEC开发新的通用阵列模块(Common Array Block,CAB),以氮化镓(GaN)MMIC技术製作的T/R组件取代原本PAAA的砷化镓T/R组件,性能、功率、可靠度都更上一层楼。CAB最早的版本是供海军陆战队车辆使用的CAB-E(E为远征部队),第二种为CAB-S舰载版;代重启建造的伯克级导弹驱逐舰从DDG-118起,就会以CAB-S取代原本的PAAA阵列天线。

Part.10 CEC的发展与测试

在1993年9月,CEC系统部署在经过新战场威胁(New Threat Upgrade,NTU)升级的基德号(USS Kidd DDG-993)导弹驱逐舰上进行发展测试(Development Testing,DT);在这系列测试中,基德号在近岸环境下,跟诺福克(Norfolk, Virginia)基地的舰队作战指挥支援处( Fleet Combat Direction Support Site)附近的其他CEC站点测试协同传输作业。

DT的主要目标包括三项:

1.展示各单元子系统能共同运作,根据节点本身与远端雷达和IFF信息,形成一个清晰详细的複合追踪与识别图像(composite track and identification picture),提高态势感知意识(situation awareness)。

2.验证CEC的精确度与刷新率足以支持协同检查精确提示(coordinatedprosecution of precision-cued)以及协同接战(cooperative engagements),以提高个别分立系统的表现。

3.模拟未来巡航导弹威胁、充满电子干扰的战场环境下,仍能展现前述CEC项目的能力,显着提高舰队的防卫与生存能力。

CEC Baseline 1发展测试/作战测试(DT/OT)阶段

CEC在1994到1995年的测试项目,涵盖了发展测试IIA(Development Testing,DT-IIA)以及作战测试第一阶段(Operational Testing,OT-1)等。DT-IIA是评估CEC系统的设计与表现,OT-1则是针对整个舰队作战行动进行评估。

在1994年4月,由艾森豪号(USS Eisenhower CVN-69)率领的航母战斗群各舰艇都安装了AM/USG-2 Baseline1设备,包括艾森豪号、提康德罗加级导弹巡洋舰的安齐奥号(USS Anzio CG-68)与圣乔治角号(USS Cape St. George CG-71),黄蜂级两栖攻击舰的黄蜂号(USS Wasp LHD-1),再加上先前已经进行发展测试(DT)的基德号导弹驱逐舰,总共有五艘。黄蜂号是在美国国会指定下,部署当时正在开发的船舰自卫系统(SSDS)并结合CEC。此外,美国国会也指定一架属于海关的P-3B AEW预警机(搭载与E-2C预警机相同的APS-138雷达)加装CEC机载设备样机,参与这项集成测试;当时CEC机载系统的体积重量仍然过大,而且尚未与机载雷达完成集成,因此这架参与测试的P-3B主要充当中继传输站。 这是美国海军首次动用一整个航母战斗群编队进行一项测试

在1994年初,这支配备CEC的航母战斗群与P-3B预警机在诺福克近海的维吉尼亚角(Virginia Capes,VACAPES) 进行非作战性的CEC基本能力测试,完成的项目包括:

1.验证每个CEC节点将分享的雷达数据,各自生成同步的複合追踪与複合追踪与识别图像(composite track and identification picture)。这项测试是在民间航空交通密集繁忙、且有相当数量军事航空机活动(来自航空母舰或陆地航空基地)的美国东部外海,同时依照情况施予严重的电子反制措施(Electronic CounterMeasures,ECM)。在测试中,这支战斗群的CEC网路能在电子干扰环境下继续追踪空中目标。

2.验证在複杂电磁环境中(包含刻意施予的强烈电子干扰),CEC的DDS系统能够自动而可靠地维持各项网路传输活动;这些联网活动包含起始联网(net start)、各单元加入网路(unit net entry)

、在电子干扰之下进行各节点起始时间同步( initial time sync in jamming)、直接寻获新联网单元( directed acquisition of new units)、CEC网路扩张后自动扩展新的连结路径(automatic addition of new connectivity paths )、部分节点断线后自动重组连线路径(rerouting around lost paths)等等。

在1994年6月,艾森豪号的航母编队在靠近波多黎各的大西洋舰队武器测试中心(Atlantic Fleet Weapons Test Facility,AFWTF)进行了CEC的第一次实际接战测试项目。在这项测试中,BQM-74E靶机从AFWTF升空向东飞行出海,然后向西迴转,朝向这支航母编队所在的海域以及低高度飞行飞行,模拟水平线以外飞来的掠海反舰导弹。此项测试包含两个情境:

第一个情境符合先前提到的精确提示(Precision Cue,PC):

由搭载CEC以及SSDS的黄蜂号(USS Wasp LHD-1)两栖突击舰进行防空自卫作战,对抗两架模拟低空巡航反舰导弹的BQM-74靶机。

透过CEC接收到来自宙斯盾巡洋舰以及基德导弹驱逐舰的目标提示,黄蜂号的SSDS防空系统提前开始作业,海麻雀导弹系 统的MK-91射控雷达、发射器都已经指向目标即将来袭方位;黄蜂号的搜索雷达一探测到两架把机,便立刻发射RIM-7P++海麻雀防空导弹, 并在导弹的最大射程附近将两架BQM-74击落。

第二个情境符合前面说的远隔接战(Engage on Remote,EoR):

基德号导弹驱逐舰经由CEC得到另外两艘宙斯盾巡洋舰提供的目标参数,发射标准二型防空导弹拦截BQM-74靶机;在标准二型防空导弹飞行期间,基德号完全使用CEC传来的宙斯盾舰雷达参数实施导引,在飞行中途实施上链更新,并在终端启动舰上MK-74照射雷达实施照射,最后击落BQM-74靶机;整个过程中,基德号完全没有使用自己的SPS-48E长程搜 索雷达追踪目标。这个远隔接战情境是模拟NTU舰在雷达受到强烈电 子干扰且无法克服时,完全仰赖友舰透过CEC网路传来的传感数据,发射导弹完成 远隔接战。

联合特遣武力95(JTF-95)

完成前述AFWTF的实战测试后,艾森豪号的航母编队随即开始准备另一项大规模的CEC能力展示,称为联合特遣武力95(Joint Task Force-95,JTF-95),美国国防部也从此开始定期举行大规模联合特遣武力演习(Joint Task Force Exercise,JTFEX)。除了艾森豪号航母编队的五艘船舰以及搭载CEC传输设备的P-3B预警机之外,美国陆军与空军单位也加入了演习,以展示CEC网路追踪战区弹道导弹并为地面防空导弹提供指引的能力。

这项概念展示工作首先在诺福克外海的维吉尼亚角(VACAPES) 进行,投入了艾森豪号的编队、一个美国陆军爱国者(Patriot)防空导弹单位以及一个海军陆战队的TPS-59电子扫描雷达单位(已经集成到CEC网路)。在维吉尼亚角的初步集成测试中,模拟战区弹道导弹的靶弹发射升空后不久,艾森豪号战斗群的宙斯盾巡洋舰安奇奥号很快就以SPY-1相控阵雷达探测到目标,以DDS将目标信息传递给其他CEC节点,以及位于陆地上的舰队作战指挥系统辅助活动(Fleet Combat Direction Systems Support Activity,FCDSSA)的战斗系统。在若干秒钟之后,CEC网路其他节点如圣乔治角号导弹巡洋舰

、基德号导弹驱逐舰、黄蜂号两栖突击舰以及FCDSSA的雷达,都依照安奇奥号的指引,顺利追踪到弹道导弹靶。这枚靶弹飞行全程裡,这个CEC网路始终保持追踪,同时维持更新複合态势图像,直到靶弹落海。这项测试成功展现了CEC用于反弹道导弹任务的潜力。

在1994年10月,艾森豪号航母编队部署到地中海,准备进行JTF-95的正式演习,包括英国、义大利、加拿大、荷兰都派出观察员。1995年3月,JTF-95演习在南亚得里亚海(义大利半岛与巴尔干半岛之间)正式展开,投入单位包括艾森豪号航母编队的五艘船舰、搭载CEC的P-3B预警机、部署在德国的美军爱国者防空导弹单位等。在JTF-95演习中,艾森豪号航空母舰把CEC网路产生的集成空域追踪数据传输给位于德国的爱国者导弹系统阵地 ;依照APL最初规划,艾森豪号航母与爱国者导弹阵地是透过Inmarsat卫星数据链传输,但最后执行时似乎是透过P-3B来中继,并使用类似Link-16等级

的数据链来传输数据。总共有31枚模拟的战术弹道导弹由北非发射,艾森豪号的航母战斗群侦测到飞行中的弹道导弹轨迹,进而计算出导弹落点,然后将雷达追踪数据经由数据链,传给1450公里外的爱国者导弹阵地实施拦截(此时这些弹道导弹尚未进入爱国者导弹的雷达侦测范围)。此外, 航母战斗群也根据导弹轨迹计算出发射地点,并立刻传给在空中 待命的F/A-18战斗机,攻击敌方弹道导弹阵地。

除了展示CEC在反弹道导弹任务的能力之外,JTF-95演习中也有一个CEC示范科目 :一艘搭载CEC的宙斯盾舰先发射标准二型防空导弹,然后由另一艘宙斯盾舰 导引,称为超前导引(Forward Pass)。在这项测试中,两艘宙斯盾巡洋舰 都保持在彼此的水平线以外,靠着P-3B预警机作为CEC空中传输中继 。在这项演习中,这架P-3B已经装载初期设计的传输介面,能将机载APS-138预警

雷达以及敌我识别器的数据输入CEC网路中,这是机载CEC系统 第一次进行完整的功能测试。

CEC Baseline 1形成初始作战能力(IOC):山顶测试

在 1996年1月,CEC Baseline 1进行初始作战能力(IOC)之前的测试评估,在夏威夷太平洋导弹靶场(PMRF)进行。参与这项测试的包括安装AN/USG-2 Baseline1设备的提康德罗加级导弹巡洋舰伊利湖号(USS Lake Erie CG-70),以及安装在夏威夷考艾岛(Kauai)Kokee山顶(标高3800英尺) 、用来模拟E-2D空中预警机的地面雷达。这座山顶雷达就是美国海军与麻省理工学院(MIT)林肯实验室合作的雷 达监控技术实验雷达 ( Radar Surveillance Technology Experimental Radar, RSTER,后来成为E-2D预警机的APY-9固态UHF雷达的基础 ),另外加上一套舰载MK-74防空导弹火控系统及SPG-51 X波段照射雷达,用来模拟预警机额外加装X波段照射器;这个雷达站设施也装置CEC设备来与整套雷达设施透过CEC终端 来与伊利湖号连结。这就是山顶(Mountain Top)测试。

四架BQM-74E次音速靶机从考艾岛发射升空, 其中一架在15000英尺的高度飞行,另外三架则以50英尺的低高度,以将近一马赫的速率飞行,模拟低飞的巡航导弹。当时这四架全部都还在伊利湖号的水平线以外 ,舰上的SPY-1相控阵雷达无法直接探测。考艾岛山顶的RSTER雷达发现这些低飞靶机之后,透过CEC将数据实时传送给伊利湖号 ,伊利湖号射四枚修改过的标准2 Block 3IIIA防空导弹;藉由CEC传来的山顶雷达数据 ,伊利湖号为四枚SM-2实施中途上链更新。标准二型导弹接近目标后,由山顶雷达站的 MK-74火控雷达接手终端照射工作,成功地击落四架靶机。这是美国海军首次成功完成

超水平线防空接战,伊利湖号本身的雷达完全没有接触目标,也没有参与终端导引照射。 此次实验拦截距离是过去标准二型拦截距离的三倍,刷新当时美国海军拦截大气层内 目标的距离纪录。完成这项测试后,CEC于1996年 达成初始战斗能力(IOC)。

CEC正式版本 (Baseline 2)的发展与测试

在1997年夏季,黄蜂号(USS Wasp LHD-1)两栖突击舰装载CEC正式版本(Baseline 2)的AN/USG-2终端设备在维吉尼亚角(VACAPES)测试场进行初始作战测试评估(Initial Operations Test and Evaluation,IOT&E),舰上安装的新系统包括先进作战系统(Advanced Combat Direction System ,ACDS)。在这项测试中,黄蜂号透过CEC 与Link 16数据链,与位于维吉尼亚州瓦勒普斯岛(Wallops Island, Virginia) 的陆基宙斯盾作战系统中心(Aegis Combat System Center)的宙斯盾武器系统 (Aegis WeaponSystem,AWS),以及位于维吉尼亚州的舰队战斗指挥支援活动

(Fleet Combat Direction Support Activity, Dam Neck, Virginia) 的ACDS陆基测试系统进行协同作业。这项测试中显示虽然CEC本身工作正常 ,但如果同时透过频宽较低的Link 16数据链来分享数据时,会发生一些交互操作的问题。

在1998年,肯尼迪号(USS John F. Kennedy CV-67)航空母舰以及提康德罗加级导弹巡洋舰顺化号(USS Hue City CG-66)与维克斯堡号(USS Vicksburg CG-69)安装了AN/USG-2 Baseline2的原型设备。顺化号与维克斯堡号原订在1998年夏季进行AN/USG-2 Baseline2的作战测试评估(OPEVAL ),但在这麽短时间内显然无法与这些船舰上的宙斯盾系统完成集成工作,因此美国海军主管战区水面作战的计画办公室(Program Executive Officer for Theater Surface Combatants,PEO(TSC))决定把CEC的OPEVAL推迟到2001年。

接下来,美国海军在柏克级导弹驱逐舰的奥斯汀号(USS Oscar Austin DDG-79)、梅森号(USS Mason DDG-87)、马斯丁号(USS Mustin DDG-89)以及黄蜂级两栖突击舰的硫磺岛号(USS Iwo Jima LHD-7)上安装CEC设备。

在1999年,提康德罗加级导弹巡洋舰顺化号与维克斯堡号进行CEC首次海上发展测试作业,测试中暴露出不少问题,这主要是由于系统开发阶段获得的时程与资金都较为有限。此后,之后美国海军提高了开发CEC的优先程度。在1999年,肯尼迪号航空母舰加装先进战斗指挥系统Block 1(Advanced Combat Direction System Block 1,ACDS Block 1)以及CEC终端,和顺化号、维克斯堡号进行CEC在航母战斗群之间的第一次实际海上测试;结果肯尼迪号与顺化号、维克斯堡号上的宙斯盾Baseline 6软件透过CEC连结运作时,发生了许多问题,导致两艘宙斯盾巡洋舰退出了当时的部署任务,测试以失败收场。随后美国重新规划CEC与宙斯盾系统的研发集成工作,增加更多战斗系统的集成工作,随后并衍生出分散工程平台(Distributed Engineering Plant,DEP)计画,将许多美国海军现有的软体开发工作进行连结,并进行更多和岸基系统之间的连结测试工作。在1999财年,美国追加3000万美元在DEP等项目,并修正CEC在航母战斗群之间交联运作时发生的问题;此外在1999财年中,CEC与宙斯盾Baseline 6.1的集成工作也获得了额外的研发资金,用来解决与其他战斗群连结时的问题,而美国海军也为宙斯盾Bbaseline 6.3、7、7.1集成CEC的开发工作投入更多资金,增加许多宙斯盾武器系统(AWS)软体与CEC的集成测试工作,不过这些额外的测试并不影响当时柏克级加装CEC的进度。

在2001年2月27日到3月,搭载CEC Baseline 2设备的肯尼迪号航母战斗群在波多黎各测试场( Puerto Rico Operations Area)以及维吉尼亚角(VACAPES)测试场的水域,进行CEC的技术评估(TECHEVAL)作业,评估期间战斗群模拟遭到来自海上、陆地的多重攻击,同时也包括强烈的电子干扰。这项评估相当成功,肯尼迪号的战斗群靠着CEC网路在高强度战场环境下持续快速、低空、小型目标保持良好的追踪,CEC网路本身始终保持良好的可靠度与稳定性,且CEC的集成态势图像(SIAP)经常保持在几近完美的状态。

完成技术评估之后,接着肯尼迪号战斗群在2001年4月到5月进行CEC Baseline 2的作战评估(OPEVAL),这是当时美国海军所进行过规模最大、最为複杂、测试最广泛严苛的作战测试。在为期18天的海上作战测试评估中,动用了肯尼迪号战斗群在内10艘船舰、飞机198个作战架次、43架次无人机飞行,战斗群并发射29枚导弹。演习中联合作战指挥官(COTF)以各种手段打击这支航母编队,包括以飞机发射高空俯冲反舰巡航导弹、地面发射导弹、掠海反舰导弹、电子干扰等等。在全部的演习情境中,CEC作战网路显着提高战斗群的交战空间,各舰持续追踪目标时也远比以往(单舰个别运作)更为容易。

在1998到2001年间,CEC系统历经的测试强度、深度、广度堪称前所未有,而CEC也禁得起考验,证实能在威胁与压力程度最高的环境下,显着水面战斗群的作战效率与存活率。OPEVAL完成时,联合作战指挥官总结,CEC Baseline 2能有效且适应作战需求;这样複杂的系统能获得无条件的验收通过,在美国海军武器系统发展史上堪称罕见。

其他

至于E-2C与机载CEC的组合则在1999年达成初始作战能力(IOC)。2000年起陆续交机的E-2C最新规格──鹰眼2000(Hawkeye 2000)装备AN/USG-3终端设备。USG-3在2000年代初期由尼米兹号(USS Nimitz CVN-68)航母上的VAW-117预警机中队展开测试。

在5月8日,美国成功进行标准六型(SM-6)防空导弹搭配E-2D空中预警机进行的协同接战(CEC)测试,由一架E-2D透过CEC为另一个平台发射的一枚SM-6进行导控,成功击落了从陆地上飞来的巡航导弹靶。

最初CEC是美国海军本身的感测器联往作战需求,但这些成就随 后获得其他军种的重视。美国海军陆战队的AN/TPS-59预警雷达 就是第一种集成入CEC作战网路的地面单位。美国海军陆战 队单位也曾展示藉由CEC的先期指引信息,发射鹰式防空导弹( Homing All the Way Killer Missile, HAWK)、 先进中程空对空导弹(AMRAAM)、復仇者防空导弹等等。

来点题外话:之前pop3一篇博文提到中国海军的“海军装备综合集成”也涵盖了CEC的能力

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其中一段:

"中国海军的综合集成具有接收天基、空基、陆基、水面及水下各作战节点探测器所探测到的目标信息,即时形成作战综合态势,实时决策,指挥各作战节点统一执行作战行动"

这段很明显就是谈集成综合战场态势图像,也就是美国CEC的根基;而且提到的不只是空中,还包括水面及水下。

"如作战时有敌机、潜艇及反舰导弹同时来袭,则由所有的作战节点上报、汇集目标信息,由计算机形成综合作战态势及作战方案并分配下发打击指令,各作战节点按指令协同反潜、防空以及组织分配最佳火力方案拦截来袭反舰导弹。"

这一段提到的是整个网路体系发现敌情时的上下汇报、作战方案生成等等。对照美国海军,这些似乎已经超过了CEC本身的范围,CEC的重点是复合追踪识别并产生单一战场态势图像;而根据CEC等信息来源进行必要的决策与方案生成,应该是其他战场情报管理系统的工作。

"这些系列且在不断发展中,如将指挥控制指令直接下发至所辖作战节点的作战台位上,而深度的发展则是对作战集团中任意舰艇上的武器进行统一的直接火力控制。"

前一句的工作似乎包含美国CEC的「精确提示」(Precision Cue,PC),上级节点直接把作战方案送到下级节点的作战台位,既然方案都帮下级节点生成好,自然等于预先提示了目标的方位以及其他参数。对于056这样只有短程自卫防空武器的船舰,这种能力可以把作战资源的效益最大化。当然,这一段叙述的能力已经超过美国CEC本身的工作范围,涵盖了战场情报的进一步组织运用(美方定义的「精确提示」只是单一节点获得CEC的目标提示,后续接战仍然只是节点自己的事情。)

每一家的系统设计不会百分之百相同,例如CEC网路进行「复合追踪识别」时是一个去中心化的分布式网路,而且只有某些最重要的节点(如宙斯盾、大型舰舰、预警机等)参与这个联合运算作业,产生的单一战场图像透过其他战场情报与数据设施(例如后来上层建构的NIFC-CA)分享给其他作战平台来使用。

而中国海军系统集成产生单一战场态势图像的过程,整个体系似乎有很多上下级之分;不过很明显可以看出,pop3叙述的“海军装备综合集成”涵盖范围超过了美国CEC的工作,CEC只是生成单一战场图像以及支持集成火控的基础设施,更广泛的综合战场决策活动、工作分配是CEC层级以上的活动,例如把CEC网路生成的单一态势图像单向分享给非CEC网路的节点来使用。

一个大系统完成后,横向应用扩展以及纵向深度发展自然都是不断持续,例如美国基于CEC发展出NIFC-CA,中国这边也是一样。不过,CEC这样的关键基础服务本身的能力,例如「单一战场态势图像」的品质(刷新率、精确度、稳定性)就会决定了一些系统上限;例如,如果在网路里联合工作的传感器质量不高,或者网路本身的传输运算不够,就算生成某种程度的综合战场态势,精确度跟刷新率还是不足以支持对防空导弹的集成火控工作;例如万一CEC网路是由两部SPS-49雷达构成,这样品质的战区态势图像肯定做不到集成火控。

一些对于CEC和集成火控的澄清(含CEC系统架构和发展历程)-海军版-超级大本营军事论坛-最具影响力军事论坛 - ?

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