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航空联合试验使能体系架构框架(JTEA)

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杨廷梧

(中国飞行试验研究院飞行试验测试航空科技重点实验室,陕西西安  710089

 

摘要:随着信息技术和网络技术的飞速发展,现代战争的形态也发生了很大的变化,出现了C4ISR、空地一体化、海空一体化、全球信息格栅(GIG)等以网络为中心的大武器系统,现有试验与评估方式已无法满足大武器系统试验与评估需求。在这一背景下,分析了国外的应对措施,我国航空武器装备试验体系存在的问题,依据“试验即作战与训练”和“作战即网络”新要求,探索性地构建了航空联合试验体系架构框架,详细介绍了体系架构主要内容和技术重点、难点,并为航空武器装备的研制和运用能力的提升提供了强有力的支撑。

关键词:航空武器装备;联合试验;使能体系架构;软件框架

中图分类号:V11TP39  

文献标识码:A  

文章编号:10008829201904000106

doi10.19708/j.ckjs.2019.04.001

 

 

为了能更好地理解航空联合试验使能体系的内容,首先要了解两个名词,即软件架构和框架。这两个词主要是为了解决复杂软件系统问题而出现的。软件架构是一系列的抽象模式,用于指导大型软件系统各个方面的设计;软件框架是一个基本概念上的结构,用于解决或者处理复杂问题。

软件架构(Software Architecture),主要是关于软件如何设计的重要策略,软件架构决策涉及到如何将软件系统分解成不同部分、各部分之间的静态关系和动态交互关系等,即“从整体到局部”。这些架构决策最终体现在开发的软件系统之中。

软件框架(Software Framework),是一种特殊的软件,不能提供完整无缺的解决方案,而是为构建解决方案提供良好的基础,即“先通用后专用”。框架是半成品,即系统或子系统的半成品,框架中的服务最终被应用系统直接调用。

本文所介绍的联合试验使能体系架构框架,包括了这两方面的内容。

1  需求背景

随着信息技术和网络技术的飞速发展,现代战争的形态也发生了很大的变化,网络战正在成为高技术战争的一种日益重要的作战样式,现代作战系统中,一体化作战网络成为军工武器研制的必然趋势。而随着C4ISRCommandControlCommunicationComputerIntelligenceSurveillanceReconnaissance)、空地一体化、海空一体化、全球信息格栅(Global Information GridGIG)等以网络为中心的大武器系统(System of SystemSoS)的出现,现有试验与评估方式已无法满足大武器系统试验与评估需求(如图1所示)。目前,这类复杂武器系统的试验与评估理论与方法,还处于研究探索之中。

图1 多兵种联合作战模式

这种空地一体战、空海一体战等多兵种联合作战模式的变化,不仅对各国军事发展产生了深远影响,也对武器装备系统的试验能力提出了更高的要求。

 

 国外的应对方法

美国对于试验与评估非常重视。美国国防部专门为试验与评估设立了多种持续投资计划,这些计划中比较典型的有三个,如图2所示。这三类计划相辅相成,缺一不可,具有很强的逻辑相关性。

图2  美国国防部针对试验与评估设立的投资计划

第一,试验与评价/科学与试验(Test Evaluation/Science and Technology,T&E/S&T)计划。它主要是针对未来新型武器装备试验与评估所需要的科学试验方法研究进行投资的,比如CTM、MBSE等试验与评估新方法。

第二,试验与评价核心投资计划(Central Test and Evaluation Investment Program,CTEIP)。新型试验与评估方法必然需要新的测试技术,即核心技术,如iNET、TENA等核心技术。

 

第三,联合任务环境试验能力(Joint Mission Environment Test Capability,JMETC)计划。新型试验方法,要求满足试验要求的试验环境,比如基于分布式LVC-DE的试验环境等试验测试基础设施。

面对复杂武器系统比如C4ISR系统的试验与评估,该如何进行试验和评估?显然传统的试验与鉴定模式(即独立试验模式)已无法满足其要求。美国20世纪90年代与我国现在的状况一样,试验设施与测试系统相互独立,地理上分散,管理上分割,根本上无法开展这种大型武器系统(SoS)的试验。正因为如此,CTEIP投资了FI2010工程计划,开始了试验与训练使能体系架构(Test and Training Enabling ArchitectureTENA)的研究,如图3所示。TENA的目的是要将所有美国国土上(包括各军兵种、工业部门与相关的大学)的试验设施、测试系统、仿真资源以及与国防试验相关的重点实验室,通过公共体系架构与公共基础设施连在一起,形成一个有效的、统一的整体。当需要执行试验任务,可以随时从统一的资源池中选择该任务所需的一切资源,在较短的时间内形成所谓的“逻辑靶场”,用以完成所指定的试验任务。从图3可以看出,TENA是以中间件、TENA仓库和逻辑试验场数据档案库为公共基础设施,链接靶场资源应用程序、TENA 工具、TENA实用程序和非TENA系统。

图3  TENA架构概览

TENA架构是一种通用架构,为试验和训练试验场低成本的互操作性、可重用和可组合提供了一种有效的技术途径,可以连接试验场、训练场、实验室和各种建模与仿真资源,构建试验任务所需的联合试验环境;TENA又是一种灵活架构,可根据试验任务的需要,实现试验资源的随意组合和重复使用。

TENA架构构建的联合任务试验环境,既可以用于单一复杂武器系统的试验与评估,也可以用于大型武器复杂武器系统的试验与评估;既可以用于真实试验,也可以用于虚拟试验。

经过不断地改进和完善升级,TENA成功地应用于“千年挑战2002”、“联合国家训练能力”、20052007年的大型联合演习。尤其在2016年太平洋阿拉斯加联合军事演习中,取得了巨大成功。

FI2010工程计划是一项长期发展的任务。美国计划到2025年将美国所有国土上的包括卫星、飞机、海上所有的设备全部连在一起。

 

我国试验评估存在的问题

按照美国对试验与评估阶段的划分,一般分为三个阶段:第一阶段叫独立试验模式,第二个阶段叫联合试验与评估,第三阶段叫试验与训练一体化模式。我国试验技术还处于第一阶段,正在向第二阶段转型。由于联合作战这种战争模式已广泛应用,对于试验评估来说,尤其是对于航空武器装备试验与评估来说,我们面临着许多难题。以航空为例,主要存在以下问题。

3.1  复杂体系试验问题

1)航空武器装备性能试验要求突出复杂环境和近似实战条件的考核,现有能力无法完全支撑。

 

现有装备试验多为简单背景下的指标验证,存在验证不充分问题,要突出复杂环境和近似实战条件下的考核,需要被试飞机、配试飞机以及试验设施和测试设备(雷达、经纬仪、引导系统、遥测等)等多类、多型设备设施具有高效的信息共享能力、有效的组网能力、统一协同的指挥控制能力,现有能力无法完全支撑。

2)新型航空武器装备及装备体系复杂、先进,完全依靠真实试验已难以满足要求。

试验对象从单机向多机协同方向转变,联合试验条件、复杂对抗、复杂自然环境的试验环境完全依靠真实试验已难于满足要求,需要构建真实—虚拟—构造分布式(Live-Virtual-Constructive Distributed Environment)联合试验环境,以满足体系试验与评估的需要。

 

3.2  未来试验需求问题

未来的联合作战、试验/训练一体化发展模式,要求航空武器装备具有一体化试验创新平台。目前我国已开始着手推进联合作战、试验训练一体化模式,这就要求在试验全过程中具有统一协调、统一控制和统一管理的互操作能力。应尽快开展面向一体化试验- 训练作战需求的联合使能体系架构研究,为航空装备研制提供体系协同的联合试验平台,以促进基于体系作战节点的装备能力提升。

 

3.3  试验需求问题

这几年新型号测试参数大幅增多,使得传统体系架构变得异常复杂;试验测试系统中各设备来自于不同的制造商,无法实现有效的管理和控制。如波音公司空客300到空客380的测量参数已经增加到4万个,这么大的参数量需要同步进行采集,对于测试系统来说要求非常高。首先,传统的测试系统构架已无法胜任新型机种的测试任务;其次,海量参数测量同步性是新型航空武器装备试验的首要条件。

 

3.4  试验一体化问题

试验设施各自独立、互不相关,航空装备研制各阶段试验无法有效衔接和同步分析。目前从设计所、各试飞站到试飞院的设计仿真试验、风洞试验、车台试验、地面载荷试验、飞行试验等各研制试验设施之间、试验设施与测试系统之间、测试系统之间等缺乏标准的接口规范与属性描述等,各试验内容、试验信息无法进行相关性、耦合性和同步性分析,试验信息和资源的可重复利用性差,造成了试验资源的极大浪费。

 

联合试验体系架构框架(JTEA

4.1  联合试验体系的概念

目前,联合试验还没有统一的定义。最早是由美国提出的多军种联合作战试验而来,后来简称为联合试验。随着研究的深入,其内涵和外延也发生了变化。通常认为它主要包含两层含义:其一是指被试对象的多样化;其次是指联合任务试验环境能力(Joint Mission Test Environment Capability)。普遍认为是后者。

为实现联合任务试验环境能力,需要构建联合试验体系架构(Joint Test Evaluate ArchitectureJTEA)。通常体系架构也称体系视图。JTEA应包括试验需求体系、分布式LVC联合试验结构体系、技术体系、试验运行体系和试验网络安全体系。联合试验体系的构建借鉴了扩展C4ISR体系概念,一般有如下体系。

1)试验需求体系。

未来的武器装备或装备体系对试验体系提出了哪些要求,需要从无数具体要求中抽象、提炼出更高层次需求,而不是试验具体要求。主要包括:互操作性、可组合性与可重组性,实现各种试验异构系统、多种试验资源的有效共享。

2)分布式LVC联合试验结构体系。

 

它是标准化的、开放式的网络结构体系,以TENA架构为基础,实现全国范围内试验场、试验机构、半物理仿真实验室以及试验理论与方法研究中心有效连接。依据试验任务需要,可灵活建立“逻辑试验场”。

3)技术体系。

它主要包括联合试验流程与试验指南、构建试验网络系统的标准与规范、数据处理分析的准则等。一般要求是尽量采用成熟、商用标准与约定。

4)试验运行体系。

试验运行体系主要包括三个阶段:试验前、试验中与试验后阶段的工作。试验运行体系也称试验执行体系,主要是指“逻辑靶场”运行过程中所需的一切试验要素,有参与者角色、运行过程中五个过程、试验规划、试验执行、分析与总结等过程。

5)试验网络安全体系。

试验网络系统是一个开放系统,在信息化条件下各种攻击和威胁贯穿于信息获取、信息处理和分析、决策全过程,因此试验网络的安全性至关重要。应建立试验网络安全体系,以保障试验网络信息服务与管理。

联合试验使能体系架构(JTEA),以对象模型为公共通信语言,将试验中数据交互转换为对象模型的发布/订阅,并将数据传输统一交由底层通信环境-中间件管理,以实现匿名的订阅/发布机制。

 

 

4.2  联合试验平台

采用通用、统一的架构和标准体系将航空试验资源有效的连接起来,构建覆盖航空装备试验使用范围的基于空基、天基、地基与海基一体化试验网络,统一控制、统一管理,形成规范、灵活、可重用、可重组与可互操作的通用试验平台。

4.3  联合试验的软件框架

对于大系统,尤其是多军种联合作战系统,试验软件系统非常复杂。软件框架,本着先通用后专用的思路,逐步建立包括基于需求想定和模型的试验规划、任务推演、综合评估、并行计算、运行管理和综合监控等软件系统,利用试验网关/中间件将试验所需的实验室资源、虚拟试验平台、空中试验资源、地面试验资源有效连接到一起,开展试验和评估。

 

4.4  联合试验愿景

武器装备战技性能鉴定、作战效能以及装备体系能力评估,已成为提高装备及装备体系作战能力的核心技术,因此应尽快开展试验理论、试验体系和试验核心技术研究以及试验公共基础设施建设,并加大投资力度,统筹规划、分步实施,以推动并实现一下四个转变。

一是推进实现从真实试验向虚-实组合试验方法的转变。由于新型武器装备先进性和复杂性持续增加,真实试验已难于满足试验与评估全部要求,真实试验应逐步向虚-实组合试验方向发展。

二是推进常规试验环境向逼真的战场环境转变。试验环境从真实大气环境向复杂电磁环境转变,武器装备设计符合性试验应向作战效能评估转变。

三是开展试验理论、试验体系与试验方法研究,促进试验模式从独立试验模式向联合试验模式转变。试验对象由单一装备逐步转变为多装备协同或联合作战网络,则必须对现有试验设计方法、试验流程和试验系统集成技术与方法进行转型与升级,并开展联合试验指南与操作规程研究。

四是建立联合试验集成环境。统筹规划、分步实施逐步建立基于分布式LVC-DE联合实验环境,即将地理上分散的试验设施与测试系统、虚拟/仿真实验室等资源,采用国防专用网络,通过联合试验使能体系架构形成统一可重用、可灵活组合与可互操作、共享的国防试验公共资源。

联合试验最终目标,是基于JTEA体系架构将地理分散的国防试验设施、被试对象、支持设施/设备等,通过公共基础设施构成空天地一体化试验网络系统。美国一体化试验网络如图4所示。

 

美国空天地一体化试验网络示意图

 

主要研究内容

武器装备试验与评估(T&E)需要在近似战场环境下开展对被试武器装备战术、技术性能、作战使用性能和作战效能影响变化等进行测试、考核与检验。因此,要对不同试验场和试验资源进行统筹规划和信息共享,就需要标准的对象模型、统一的通信机制、通用的系统架构。这是实现联合试验可互操作、可重用与可组合这三个最主要特性的先决条件。

联合试验主要研究内容如下。

5.1  联合试验关键技术

关于联合试验有关技术点比较多,以下介绍一些主要的技术点。

1)联合试验体系架构研究。

如前所述,联合试验体系架构描述了试验的需求、标准与规范、试验执行过程要求和试验系统网络结构等。如图5所示,域特定软件框架(DSSA)用于支撑技术体系和运行体系。DSSA包括公共元模型、公共对象模型、公共基础架构和公共过程模型等通用软件组件。开发相应的JTEA产品线,构建软件系统体系结构,最终组成复杂试验网络。

5  JTEA体系架构示意图

2)试验框架核心服务技术研究。

试验框架核心服务技术研究主要包括有配置管理、运行管理、回调管理、交互管理、时间管理和运行控制等,实现试验资源的调度、试验时间的协同、试验信息的管理、试验设备的控制、试验数据的交互、试验对象的配置、试验任务的运行与试验过程的监控。

3)试验对象模型构建技术研究。

对象模型根据包含元模型的比例可以分为标准对象模型(也称简单对象模型)、复杂对象模型两类。对象模型是可组合和可重用的。标准对象模型主要由元模型组成,复杂对象模型则由标准对象模型、元模型组合而成。构建对象模型一般有两种方法,一种是利用通用的UML语言(Unified Modeling Language);另一种是采用TENA定义的TDL语言(TENA Definition Language)。

构建JTEA对象模型,采用的方法是先建元模型,其次是标准模型,最后利用标准模型构建复杂对象模型。具体做法是把很多试验对象分解出基本的标准对象模型,如:时空位置信息模型、时间编码模型、空间参考模型、试验消息模型、GPS模型、雷达扩展模型、应用管理对象模型、实体和跟踪信息模型等。任何一套装备,或是一套测试系统,都可以由这些标准的对象模型来进行组合。对航空试验来说,典型的复杂对象模型包括有被试飞机、铁鸟台、模拟器、高性能计算中心、飞行仿真系统、航电仿真系统、虚拟测试平台、光电测量系统、遥测系统、数据处理分析系统等。

4JTEA中间件与网关技术研究。

JTEA中间件,由信息管理服务和托管服务组成,是试验资源的所有实例间交换的标准。中间件是逻辑靶场中使用的高性能、低延迟的实时通信基础设施,在试验任务执行期间,用于逻辑靶场中所有对象的通信,它具有实现创建、管理、发布和删除SDO、消息和数据流的功能;同时,它具有支持管理逻辑靶场中的对象服务,支持许多不同的通信策略。

网关用于非JTEA系统即未经改造的遗留试验设施和测试系统等接入JTEA架构时的信息传输,具有协议转换和信息、数据转换与传输功能。其次,为实现靶场应用程序和系统之间互操作、重用和组合功能,网关必须对互联系统双方的信息格式、对象模型、通信方法、时间理解、试验事件理解等都能充分支持和兼容。这也是一般通用意义上的网关所不具有的功能。

5)试验资源管理和数据仓库技术研究。

从试验任务、计划、数据、对象、客户等多个方面进行动态资源管理,支持逻辑试验靶场重组、运行与结束。开展试验资源信息的储存、管理、调用、回放、安全、分析、监视等技术研究,支持更包容、更开放、更高效的数据仓库技术研究。

JTEA数据仓库包含与JTEA所有相关的信息,它是一个大型、统一、安全的数据库之数据库,通过统一接口将不同类别的信息服务于试验全过程。JTEA仓库可能有许多物理数据库,如关系数据库、面向对象数据库、分层数据库以及仓库数据文件。它属于JTEA体系架构的公共基础设施之一。请注意,JTEA数据仓库与逻辑靶场数据档案库不一样。

6)能力试验方法研究。

能力试验方法(CTM)是以LVC-DE分布式试验环境为基础,可用于各种类型的武器装备试验与评估的一种新型试验方法。它不仅适用于单件装备试验,也适合装备体系试验。CTM包括一套完整的试验程序和操作方法,可根据具体试验任务进行剪裁,同时也提供大量分析工具,帮助用户对复杂试验环境进行定义、确定试验指标、设计试验事件与评估试验结果。

借鉴CTM能力试验方法,开展复杂武器系统试验方法研究。按照以下6个阶段,研究试验规程。

①制定试验与鉴定策略。包括能力和体系说明文件、鉴定策略、试验体系对抗背景、细化能力交叉对照表。

②描述试验。建立试验概念,提出任务需求,细化鉴定策略、技术评估。

③规划试验。进行试验设计,完成LVC-DE分析,制定试验规划。

④构建LVC-DE。设计LVC-DE布局,建立/配置LVC-DE组件,集成LVC-DE

⑤管理试验的执行。制定试验事件管理计划,管理试验事件的执行。

⑥鉴定能力。分析数据,鉴定系统对体系的贡献率,鉴定体系作战效能。

5.2  软件系统

JTEA软件系统主要包括四类:靶场应用程序类、公共基础设施类、JTEA工具类和JTEA实用程序类,如图6所示。

 

6  JTEA软件组件及其关系

具体来说主要有中间件/网关、规划、数据采集、记录、存储、回访、分析、处理、浏览与管理等方面的软件。JTEA软件系统以DSSA公共软件组件为基础,开发JTEA软件系统公共基础设施、靶场应用程序、JTEA实用工具和JTEA实用程序等各类软件,支持JTEA体系架构完整、协调的有效运行机制。

 

结束语

航空联合试验使能体系架构框架能够大大提高试验设计的科学性和试验结果的可靠性,有效扩展试验边界,降低试验风险,缩短试验周期,并能够统筹设计、研制、试验鉴定全流程的试验资源,共享试验信息,有效支撑武器装备研制和使用能力提升。

 

 

 

 

作者简介

杨廷梧(1960—),男,工学博士,研究员,中国飞行试验研究院首席技术专家,西安电子科技大学教授/博士生导师,飞行试验测试航空科技重点实验室学术委员会副主任委员,享受国务院政府特殊津贴,国家国防科工局试验测试专家组核心成员,中国航空学会高级会员、陕西航空学会试验与测试技术专业委员会副主任委员、陕西光学学会副理事长、中国计算机测量与控制技术协会常务理事、《测控技术》编委会委员。主要从事飞行试验与测试技术方向研究,获省部级以上科研成果十项和国防发明专利五项,发表学术论文数十篇,著有《复杂武器系统试验理论与方法》(2018)、《航空飞行试验遥测理论与方法》(2017)与《航空飞行试验光电测量理论与方法》(2014)三部专著,均由国防工业出版社出版。

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