?? 佐帕罕对祖拉体育:一些對于CEC和集成火控的澄清(含CEC系統架構和發展歷程)-海軍版-超級大本營軍事論壇-最具影響力軍事論壇 - 祖拉的世界|上古卷轴阿祖拉被口爆

一些對于CEC和集成火控的澄清(含CEC系統架構和發展歷程)-海軍版-超級大本營軍事論壇-最具影響力軍事論壇 - ?

不時有人提到美國海軍的協同接戰能力(Cooperative Engagement Capability,CEC),但是多數人都以為它的目的只是讓標準防空導彈進行A射B導、超水平線作戰。

實際上,所謂「A射B導」、「超地平線接戰」只是CEC的其中一個效益;甚至就連「A射B導」也不算是很精確的用語,只能算是美軍定義的「集成火控」(Integrated Fire Control,IFC)的其中一種情境。

前一陣子在網路上閱讀了一些約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室(Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory,APL)關于CEC的文章,包括運作原理、發展過程、APL負責的關鍵技術等,對于正確理解美國海軍CEC有很多幫助。

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

The Cooperative Engagement Capability

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

//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)

首先簡介下大名鼎鼎的約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室(以下簡稱APL);APL是位于美國馬里蘭州霍華德郡的一個非營利大學附屬研究中心,員工4500人。

1942年創建。APL是約翰·霍普金斯大學一個技術研究和開發單位,是美國的一家國防合同商,為美國國防部、美國國家空天總署(NASA)等美國政府機關提供技術服務。

APL并非約翰·霍普金斯大學的學術單位。美國也有其他大學的應用物理實驗室是美國國防部的合同商,但最有名的是約翰·霍普金斯大學這個。

APL實力雄厚、人才濟濟。二次大戰以后,美國海軍很多重要的防空導彈系統、作戰系統等等,APL在研發過程中扮演吃重的角色,從美國海軍第一世代防空導彈黃銅騎士(Talos)/小獵犬(Tirrier)/韃靼(Tartar)以及后來從韃靼發展的標準(Standard)導彈,提豐(Typhon)艦載防空作戰系統含SPG-59電子掃描雷達與提豐導彈,宙斯盾(AEGIS)系統與SPY-1相控陣雷達,1990年代開發的全分佈船艦自衛系統(SSDS),以及這裡介紹的CEC等等。

以下分成10個段落:

Part.1 CEC一般敘述

Part.2 集成火控(IFC)的定義

Part.3 單艦作業 VS 「精確提示」

Part.4 關于「複合追蹤與識別」

Part.5 CEC系統架構

Part.6 CEC網路工作

Part.7 CEC與船艦系統集成

Part.8 CEC終節點設備

Part.9 DDS的傳輸天線

Part.10 CEC的發展與測試

Part1. CEC一般敘述

籠統地說,CEC以實時等級的高品質網路,把多個海上與空中節點的傳感器集成在一起運作,形成「單一集成空中圖像」(Single Integrated Air Picture,SIAP);以此為基礎,把每個節點的火控也納入CEC網路,整個網路自然就可以做到跨平臺的協同交戰。

APL文件的敘述提到CEC包含三種主要能力

1.複合追蹤與識別(Composite Tracking and Identification)

透過CEC網路,每個節點實時分享雷達信息(附加IFF的敵我識別詢答結果),所以單一節點都獲得網路裡每一個傳感器的信息。然后,每個節點靠本身的軟硬件融合這些信息,形成 「單一整合空中圖像」(SIAP)。

注意到運算融合是單一節點進行的,每個節點透過實時分享信息以及良好的同步,各自算出來的SIAP圖像都必須是一致的,如此才能談集成火控。理論上,幾艘使用旋轉雷達的艦艇聯合工作也能獲得近似宙斯盾艦相控陣的探測效能。而如果CEC網路中有宙斯盾艦加入,其他節點也都分享到相控陣雷達的高品質探測數據。

2.精確提示(Precision Cueing):

有了前面的「複合追蹤」 ,每個節點獲得了自身傳感器尚未確認的目標,提前知道這些目標的哪個方位(稱為目標獲得,Acqusition),用雷達對該處做小范圍、集中功率、長駐留(dwell)時間的精確探測,艦上的作戰射控系統也能提前展開作業;如果進一步獲得更清晰的目標接觸,透過CEC分享回饋給整個戰術網路,所有節點都能獲得該特定目標的更好接觸數據。而美國海軍將這種能力定義為精確提示(Precision Cueing)。

3.協同接戰(Coordinated Cooperative Engagements)

這個就牽涉到不同節點間的集成火控以及超水平線交戰。

雖然美國海軍標準二型防空導彈最大射程逐漸延伸到超過100公里的水平,然而自身雷達探測范圍永遠受制于地球曲率影響,無法探測到水平面以外的目標,因此往往無法發揮標準2的最大有效射程。

有了CEC之后,組成CEC網路的節點散佈范圍一旦拓展,整個網路的探測范圍也因而增大,自然會延伸到個別節點的

水平線以外?;謊災?,個別的作戰節點透過CEC,就可以得到水平線以外低延遲、高數據刷新率、高精確度的探測,足以支持標準二型防空導彈的火控。

傳統上,標準二型的所有火控環節都是由發射艦自己負責,透過CEC網路分享火控等級探測數據之后,其他節點也能為發射艦接手不同的火控階段,或者發射艦本身傳感器不需要接觸目標,也能靠CEC網路其他節點傳輸的信息達成火控。因此大體上,由不同節點合力完成一個火控流程,稱為協同接戰(Coordinated Cooperative Engagements)。

Part.2 集成火控(IFC)的定義

這裡來定義一下廣義的「集成火控」(Integrated Fire Control,IFC)。

所謂「集成火控」,就是武器接戰流程中所有的環節步驟,能夠由不同的作戰平臺合力完成。而不同等級的「集成火控」,不同步驟的分工以及組合就越自由、越隨機。

//www.dodccrp.org/events/10th_ICCRTS/CD/presentations/325.pdf

Future Integrated Fire Control ICCRTS 2005

June 2005

Bonnie Young

Senior System Architect

Northrop Grumman Corporation

依照美國國防部的相關定義和術語,火控流程可以分成以下幾個環節。

(1)目標搜索(Object Observation):傳感器探測到空中目標

(2)精確追蹤與識別(Object Tracking & Identification):

對目標實施追蹤與識別,包括測量目標位置、動態、敵我識別、意圖分析等。

(3)火控級數據取得(Fire Control Quality Data Attainment):

對于需要接戰的目標,保持高精確度與高刷新率的追蹤。此外包括接戰決策、導引計算、接戰控制?;箍贍馨?/p>

傳感器本身設置對應工作模式,例如指定或增加操作頻寬等。

(4)接戰起始(Engagement Initiation):

對特定空中、水上目標下達接戰措施。包括威脅評估、交戰決策,以及為每個目標分派火控與武器資源等。

(5)導引解算(Guidance Calculation):對于負責攔截指定目標的導彈

(這裡術語用廣義的interceptor)提供攔截解算。

(6)接戰控制(Engagement Control):

,管理與監視接戰作業中所有需要的系統資源,包括傳感器、武器控制、通信傳輸,檢驗火控品質(FCQ)數據,檢視管理支持,以及必要時評估停止交戰。

(7)導引中繼(Guidance Relay):

透過傳感器或通信通道,對于飛行中的防空導彈提供導引,即飛行中目標位置更新(In-Flight Target Updates,IFTUs),或者是目標映射(Target Object Maps,TOMs)。就是導彈飛行中途的上/下鏈(Up/Down link)傳輸。

(8)終端照射(Target Illumination):由傳感器對防空導彈提供雷達照射,使導彈沿著回波命中目標。這是對于標準二型之類的終端半主動制導,主動雷達制導的導彈在此階段就靠著本身尋標器攔截目標。

以上是整個火控流程的所有八個環節。而「集成火控」(IFC)定義每個環節是節點本身或其他節點負責,就有多個不同的區分。這個表格把每一種「集成火控」型態中,對于前述八個火控環節是由本身(Local,簡稱L)或來自遠端節點(Remote,簡稱R)進行表列:

精確提示(Precision Cue,PC):除了(1)「目標搜索」是其他節點提供、(2)「精確追蹤與識別」是本身或其他節點提供之外,后面所有決策、解算、發射、制導等全都是節點本身負責。這算是最初階的集成火控,一個具體場景就是只有近程自衛火力的船艦靠著其他節點信息(如透過CEC網路)的指引來接戰。

遠隔發射(Launch on Remote,LoR):(1)、(2)是其他節點提供,(3)「火控級數據取得」遠端或本身執行,其他后續流程都是本身進行。

遠隔接戰(Engage on Remote,EoR):前面(1)、(2)、(3)等探測傳感環節都由其他節點提供,(4)「接戰起始」、(5)「導引解算」、(6)「接戰控制」這些下達決策、計算、發射武器等都是節點本身,最后兩個關于導引飛行中防空導彈環節(7)「導引中繼」以及(8)「終端照射」是本地或遠端都可執行。這算是所謂「A射B導」的基本型態,別的平臺發現目標、追蹤、提供火控級數據,由一艘遠方的船艦發射導彈,導彈飛行途中的上/下鏈(Up/Down link)更新以及終端照射等就視情況由本身或其他節點負責。

前沿傳遞(Forward Pass,FP):算是更有機、更進階的「遠隔接戰」,整個火控流程裡除了下達接戰決策、分派資源的(4)「接戰起始」是本地節點負責之外,其他所有環節都是視情況由本地或遠端節點負責。

遠隔發射(Remote Fire,RF):注意到(1)、(2)、(3)、(4)都是遠端節點負責,從(5)「導引解算」開始則是視情況由本地或遠端節點。這個算是「集成火控」體系的隨從節點,其他節點發現目標、精確追蹤、下達接戰決心并且分配資源之后,被分派到接戰的節點根據接戰指令來完成交戰(從發射導彈開始)

由射手決定(Preferred Shooter Determination,PSD):這是有機程度最高的集成火控;(4)「接戰起始」由體系中作戰決策(Force Perspective)單位(可能是任何具有指揮決策權的節點)下達,其他每個環節都由任意節點進行,每個節點都可以起始一個追蹤或交戰流程,決策單位下達決心后,網路裡每個節點都可以依照情況參與分工完成后續的接戰與火控。

依照以上的定義,個人認為基本的CEC至少達成了精確提示(PC)、遠隔發射(LoR)、遠隔接戰(EoR)這三個。

至于后面幾個更有機至于后面幾個更有機、更廣泛的程度,或許是等近年美國海軍結合CEC等幾個基礎傳輸設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。

然而這裡必須強調的是,CEC的根本核心還是複合追蹤與識別(Composite Tracking and Identification),就是把多個節點(船艦、預警機)的雷達聯合在一起實時同步工作,融合產生單一空中圖像(SIAP)。以SIAP為基礎,延伸系統的廣度到跨節點協同交戰,成為所謂的「集成火控」(涵蓋所謂「A射B導」),然而這前提必然是先有了SIAP這個「基石」。既然SIAP的融合與同步都沒問題,交替火控的基礎也就完備了,只要拓展系統應用廣度就可達成。

另外,只有配備CEC網路的節點能參與「複合追蹤與識別」作業,一同生成SIAP單一空域圖像。然而,產出的SIAP信息就能透過傳輸帶寬較低的數據鏈如JDITS(Link 16)等,單方面地分享給其他作戰節點如戰斗機等;因此,部分平臺雖然沒有CEC能力,也不參與CEC「複合追蹤與識別」作業,但還是能分享到「複合追蹤與識別」作業的數據,例如NIFC-CA的架構就是如此。

Part.3 單艦作業 VS 「精確提示」

透過複合追蹤識別產生的單一集成空中圖像 ,CEC的單一節點可以預先得知本身傳感器還沒接觸的目標;有了這樣的提示,節點本地的搜索雷可以直接朝威脅的小型扇區進行集中的掃描,提前接觸目標,而艦上的火控與武器系統也能提前展開作業。這種能力稱為精準提示(Precision Cueing)。

這裡必須提一下有CEC或聯網作戰之前,單一船艦靠本身資源的防空作戰流程。在平時,船艦靠著一部長距離對空雷達來搜索整個空域,稱為體積搜索(volume search)。平時長距離對空雷達對整個空域體積搜索時,不會使用尖峰功率輸出(為了節省能源),所以雷達射頻能量分配到周遭空域密度比較低;而為了讓較低密度的雷達射頻能對目標響應,雷達天線轉速必須減慢,相對延長在每個方位停留(dwell)的時間。而這也代表目標刷新率降低。

在平時狀況下,一旦有目標接近,單一平臺的搜索雷達需要數次接觸,才能確認一個目標(而不是虛警);平時廣區域搜索雷達轉速慢,多轉幾圈確認一個目標要花費的時間較長。一旦確認一個目標之后,作戰系統才會建立追蹤,視目標動態(目意)調用艦上系統資源;例如,把雷達切換到精確追蹤模式,提高功率與轉速,對于迫近的威脅目標能更快更好地響應;有些旋轉雷達還有扇區搜索模式,讓雷達停留在一個固定扇區范圍密集搜索(而不是360度旋轉)。建立起夠精確、夠快速的追蹤,之后才談得上分配作戰火控資源進行接戰。即使是火控程序,搜索雷達交班給火控雷達也要花一些時間

(火控雷達根據搜索雷達的指引掃描某個扇區、重新捕捉目標)。

所以,如果每艘船艦船艦如果獨立作業,從廣域搜索、確認目標、建立追蹤到接戰,每一個環節之間都需要一些反應時間。現代化反艦導彈體積小、雷達回波有限,往往是貼海而來,一般搜索雷達響應確認目標時,距離已經不遠,再考慮之后進行接戰、分配火力的反應時間,以往一般來說海麻雀等級的點防御防空導彈,大概只有一次攔截機會,萬一失手就沒有時間進行第二次攔截。

另外,一部旋轉雷達雖然能選擇不同模式(功率、轉速甚至波形等),但執行一種功能時就無法兼顧另一種;例如搜索雷達如果轉到精確追蹤模式,讓雷達停駐在某個扇區,此時就看不到其他的方位;或者提高轉速加快目標刷新,此時整體探測距離也會下降(因為雷達波束駐留在同一個方位的時間縮短)。如果是比較大的船艦有多部雷達可以分工,一部份雷達在精確追蹤時,長距離雷達仍然專心進行廣區域體積搜索;然而較小的船艦可能是用一部多功能雷達分攤好幾種功能,就更可能面臨切換模式而無法兼顧的問題。

當然,前面說的幾種困境,很多是雷達先天性能不足造成的;例如1980年代AN/SPY-1這樣的高功率相控陣問世之后,不僅波束精確度高(集中的筆狀波束),而且波束切換速度快,能控制波束同時間輪流擔任不同工作(搜索/追蹤/導彈火控上鏈),而且四面固定陣不需要旋轉就可以掃描所有空域,刷新速率極快。問題是,在1980年代時,只有宙斯盾巡洋艦配備這種雷達。

而CEC把多艘船艦結合在一起運作形成單一空中圖像以及「精確提示」,就可以大幅改善問題。在CEC網路裡,單一節點(船艦)根據其他船艦分享的探測數據,因而提前得知威脅的方位(即便本身的雷達還沒有確實接觸)。透過CEC集成圖像的「提示」,單一船艦能提前將雷達資源集中停留(dwell)在特定方位密集掃描,提前有效接觸──以往單艦運作的時候,根本不可能這樣使用雷達。而部分節點(船艦)的雷達停駐在某些方位時,其他節點的雷達仍然可以做全方位的廣區域搜索,所以整個CEC網路不會有方位漏失,以前每艘船艦單打獨斗就做不到這點。

研究與實際測試顯示,透過CEC網路的「精確提示」以及精,單一節點(船艦)的雷達直接對特定扇區進行高功率集中掃描,更快且更遠地捕捉到目標,提前啟動防空武器的火控接戰作業。都說ESSM之類的近程防空導彈射程比早期型號相對增加,但如果船艦平臺不能更早探測到目標并展開交戰程序、提前發射,ESSM多出來的射程也是白費。而CEC「精確提示」就達到了這樣的效果,讓傳感、火控資源相對較差的第二線船艦,也更有機會充分發揮ESSM的最大有效射程;一旦提前了第一次攔截,萬一失手就還有時間第二次發射。這就是CEC透過分享與融合情資帶來的加成效益。

必須再次強調的是,「精確提示」完全沒有牽扯到「A射B導」,這算是最基礎的「集成火控」,單一船艦只是透過CEC網路的提示而提前了本艦的火控交戰程序。然而對于多數只有中近程防空導彈的船艦而言,這卻是最實用的功能,有效提高船艦自衛防空作戰的成功率。

Part.4 關于「複合追蹤與識別」

談一下CEC體制的「複合追蹤與識別」(Composite Tracking and Identification)。CEC最根本、最核心的事情,就是復合追蹤識別,產生實時且高精確度的單一空中態勢圖像。

如同前面所提,CEC網路裡,每個節點分享各自雷達(附帶敵我識別器對應每個目標的詢答結果)的數據,數據刷新率是微秒(ms)等級。每個節點都部署相同的運算單元(軟硬件都相同),自力處理融合所有雷達數據,每個節點都自己生成一致而同步的「單一整合空中圖像」(Single Integrated Air Picture,SIAP)?;歡災?,CEC能讓許多個原本獨立作業的艦載雷達,一起追蹤同一個空域裡的同一批目標。

而美國海軍之所以要開發「複合追蹤與識別」,主要是冷戰期間實際操作經驗,如果要提高艦隊對于整個空域的監視品質,就必須克服幾個問題:

1.個別船艦的雷達因為大氣條件影響、地形遮蔽、海面雜波、敵方電子干擾等因素而受到干擾,有時候無法有效探測目標。而當船艦靠近海岸時,沿岸地形的雜波干擾又極為明顯,沿岸又常有大量民間海上與航空交通,造成進一步的識別困擾。因此,如果聯合多艘船艦的雷達一起工作,少部分船艦本身雷達即便因為地貌遮蔽或自然、人為干擾而暫時無法探測到某些目標,也能透過其他沒受影響的船艦,對同一批目標達成穩定而清晰的追蹤。

2.先天上,雷達波束水平寬度大,橫向誤差較大;不過電磁波的徑向(測距)則是準確得多,而且還可以透過脈沖壓縮處理技術來改善。因此,如果讓多部雷達聯合起來集成工作,處理同一個空域、同一批目標的接觸數據,透過多部雷達利用三角定位等演算法,透過多個節點準確的徑向測距反算目標方位,就比節點本身雷達判斷水平方位準確得多。理論上,參與CEC網路的節點數量越多,正確率就越高,更容易排除某些有問題的感測數據。

「複合追蹤與識別」并不是簡單到把每個節點后處理完畢的「追蹤數據」(Tracked data)集成在一起就了事,首先融合時所有節點的時間與空間座標系都必須統一,否則處理同一個目標時極可能誤認為「好幾個目標」;然后,每個節點的雷達能力以及設置(例如探測閥值)不同,部分節點可能沒探測到(或者后端已經過濾掉)某些真實目標,而也有可能一些追蹤數據是虛警。所以,CEC「複合追蹤與識別」作業中,每個節點之間分享的是比較初級的「接觸數據」,而不是后處理完畢的「追蹤數據」,而這也是CEC對于傳輸頻寬要求很高的原因,因為要實時分享的數據量頗大。

關于CEC網路如何達成統一空間座標,CEC系統使用的是類似敵我識別詢答或民航機「二次雷達」(基本上也是詢答)的體制,各節點被詢問后就回報座標等參數。CEC關鍵的傳輸設備:高指向性的C波段傳輸相控陣在定位作業中扮演重要角色,每個平臺的通信波束指向可以提供相對方位,而波束收發所需的時間就可以計算距離,其他細節應該也包括電磁波三角定位等。GPS的絕對座標系應該也會被引進CEC的定位中,然而CEC的體制不需要每個節點的絕對座標就可以同步空間座標;CEC是在1990年代初期發展的,當時GPS剛剛才在戰場上應用,而且CEC的體制肯定也要應付GPS失效或被干擾的情況,所以GPS定位并非CEC的必須。

為了確?!稈}合追蹤與識別」網路的品質,CEC網路只讓艦隊中最好的傳感器參與,包括宙斯盾艦的AN/SPY-1相控陣雷達、AN/SPS-48三座標雷達、E-2C/D預警機上的雷達等。在2000年代初,期美國海軍也曾打算把發展中的AN/SLY-2先進集成電子戰系統(Advanced Integrated Electronic Warfare,AIEWS)納入CEC網路(先前美國海軍的AN/SLQ-32電子戰系統的ESM精確度就不符合CEC的要求),不過AIEWS在2002年遭到取消 。

這裡附帶一提:俄羅斯也有一個精神類似「複合追蹤與識別」的系統,就是音樂臺雷達。音樂臺獨特之處不僅是結合主動探測與被動截收(被動就包含利用大氣效應達成超水平線探測),還有雷達本身專屬的數據鏈,讓多艘擁有音樂臺的船艦進行協同追蹤。一般而言,由于電磁波方位誤差較大,被動截收的精確度較差,單艦光靠被動定位很難達到火控指引的水平;然而如果有多艘船艦一起進行作業,透過三角運算等,就可以提高精確度到足以指引武器的程度。當然,CEC牽涉到的是防空作戰,所有作業所需的數據刷新率以及精確度要求都比反艦導彈高得多,進行「A射B導」等集成火控行為的複雜性也比較高。

Part.5 CEC系統架構

APL這些文件對于美國海軍CEC系統架構有具體的敘述。APL負責發展CEC早期的概念驗證以及關鍵技術,最早的概念演示版(Baseline 1)基本上就是APL這些文件的敘述。而由APL轉移核心技術、承包商負責實作與完善細節的CEC正式服役版(Baseline 2)自然把系統、硬件等進一步改善優化,不過核心原理和架構基本上還是跟APL最初規劃的相同。APL開始發展CEC的時候,已經知道同步傳輸跟處理這麼龐大的雷達數據,需要有專門研製的全新基礎射頻傳輸系統,以及專門設計的演算法和軟件;不僅是傳輸的數據量,數據運算處理能力的要求也十分嚴苛。

每個節點部署的CEC硬件設備稱為「 協同接戰傳輸處理組件」(Cooperative Engagement Transmission Processing Set,CETPS)。

CETPS又分為兩個主要系統與五個次要系統,主要系統是「數據分布系統」(Data Distribution System,DDS)以及「協同交戰處理器」(Cooperative Engagement Processor,CEP),五個次要系統則分別為數據分配、指揮/顯示支援、傳感器協同、交戰決策、交戰執行。

數據分布系統(DDS):是CEC網路的數據傳輸基礎設施,性能要求非常嚴格,具備高有效功率、高傳輸頻寬(5M bps以上)、實時(Real time)傳輸等,能接收距離9米到30海里以外的單元所傳來的數據,傳輸速率5M bps以上,遠高于原有的Link 11/16。一般數據鏈的基礎射頻傳輸設備完全無法滿足這樣的需求;1995年CEC還在早期概念演示階段時,曾經測試以Link16數據鏈來傳輸CEC的數據,結果顯示無論刷新速率、傳輸和融合后的數據精確度都不符合要求,能容納的CEC網路成員數量也極其有限。所以APL設計DDS時,新發展了C波段高功率相控陣收發天線。就跟相控陣雷達一樣,CEC的相控陣傳輸天線使用高能量、高集中的筆狀波束狹窄波束,具備能量集中、指向性高的特性,敵方很難在其他方位探測到,也很難進入旁瓣進行干擾;就算遇到干擾,CEC的陣列也能集中能量「燒穿」敵方干擾信號。 

協同交戰處理器(CEP):CEC在節點上的后端處理單元,負責處理經由DDS傳來的數據,這包括轉換不同節點傳感數據的時空座標(含消除各節點相對運動),并對各傳感器數據進行精確度加權和過濾;例如,閥值設定有問題或者受嚴重干擾的節點,傳來的數據會遭到排除。

CEP還可以設置複合識別準則(Composite Identification Doctrines),經由網路控制單元(Net Control Unit,NCU)的顯控臺輸入,傳送至所有的CEC節點,成為接下來各節點進行「複合追蹤與識別」運算時的共同處理準則。這些準是針對一系列參數而設定的判斷邏輯,例如目標速度、目標位置相對于允許接戰區域的邊界、排除民航機的敵我識別詢答參數等等。

APL在1990年代設計的第一代CEC Baselne 1概念演示系統中,CEP的處理單元由30個商規Motorola 68040處理器,透過APL專門發展的信息傳輸架構組織而成,并安裝在加固機柜中。每個Motorola 68040處理器執行以下子功能之中至少一項,例如追蹤過濾(track filtering)、數據的發散(divergence)與收斂(convergence )測試、目標閘鎖定(gridlock)、傳感器介接(sensor interfacing)、協同接戰支持(cooperative engagement support)、數據分配介面(DDS interfacing)所需的管理等等。當時CEP使用銫原子鐘(cesium clock),加上豪秒級(ms)的DDS同步程序,使每個CEC節點的時序維持在同步。

Part.6 CEC網路工作

依照APL的文件,CEC是一種全分布(distributed)的網路,每個節點的地位都是相等的,網路的組成也是有機的,不存在一些特殊、無法替換功能的節點。

當一群作戰節點要起始CEC聯網時,任一個節點上的操作人員透過網路控制單元(NCU)下達「聯網起始」(net start)指令。此一CEC節點的DDS就開始搜索其他CEC節點的DDS,開始組建一個網路,中間的程序類似敵我識別器(IFF)的詢答;首先,DDS的陣列天線對周遭廣域空間發出詢問(interrogations),其他分佈在空間中的CEC節點的DDS收到其他(一個或多個)DDS的詢問訊號之后,以循序(reciprocal)方式依序對每個DDS進行。因此,各節點DDS之間的詢答溝通像是水花漣漪般逐步擴展,由近而遠逐步確認每個CEC節點的身份并加入CEC網路。

整個網路完成「聯網起始」程序后,每個CEC節點都會得知網路內所有節點的位置,這包含DDS之間的直接聯繫,或透過其他節點中繼的接聯繫。一旦CEC網路裡每個節點都知道彼此位置(也就是形成全局單一座標),就可以展開目標閘鎖定對齊程序(gridlock alignment process),開始分享與處理各節點的雷達數據。每個CEC節點透過DDS接收到其他節點的雷達數據,節點上的CEP就會透過DDS將數據轉發到其他節點;同時,節點本身的CEP進行閘鎖定(gridlocks ,把其他節點傳來的傳感數據轉換到節點本身的座標),并將新數據集成到節點本身作戰系統執行的目標追蹤程序(tracking process)中。因此,節點本身的雷達后端處理系統就能結合來自CEC的數據,提供先期精確提示(Precision Cue,PC)。CEC網路工作時,每個CEC節點透過各自的DDS,隨時與其他節點保持同步與通信,分享傳感數據并隨時回報彼此位置,傳輸頻率是微秒級(ms)。DDS之間的通信波束都是高精確度、高頻寬且經過加密。CEF網路中,每個節點需要精確地統一時序,才能在透過廣泛頻寬(spread-spectrum)波形分享探測數據的情況下,在各節點上同步執行相同的獨立處理程序。

每個CEC網路能自動讓新節點加入或者讓現有節點離開,過程不需要人工介入操作。一旦現有節點未經協議突然離線,所有節點的DDS都會獲得通知,然后自動調整CEC網路的聯網與處理排程,其馀正常節點就能繞過失效節點而繼續工作。而當一個新節點要加入一個已經在工作的CEC網路時,也是透過DDS間的答詢程序。任何時刻,任一個CEC節點都可以自動為其他節點提供中繼轉發。

CEC本身的運作高度自動化,并與節點(船艦)本身各項子系統密切互動,但CEC系統并不需要設置任何專門操作人員來維持運作;操作人員對于CEC節點只有少數操作,都與改變節點狀態有關,包括啟動CEC聯網(net start)、關閉CEC(net shutdown)、加入現有CEC網路(net entry),以及離開目前的CEC網路(terminal signoff);這些指令都是是在網路控制單元(NCU)的人機介面下達,把節點狀態改變告知整個CEC網路。另外,如有必要,人員也可以根據實際狀況,在NCU介面對CEC網路設置或更改接戰準則( engagement doctrine),例如一些避免誤擊或敵我識別的設置。CEC運作的歷史信息也能在艦上作戰系統現有的顯控臺存取,包括CEC網路中有哪些傳感器在工作、追蹤運作歷史、可以選擇設置的準則等等。

CEC作業的設置如網路控制狀態(Net control status)、準則(doctrine)、遠隔接戰狀態(remote engagement status)、本地端雷達活動查詢(local radar activity requests )等,通常需要緊密地跟節點(船艦)本身單位的戰斗管理、決策、武器系統互動,例如將CEC的數據輸入本地傳感器、火控系統作為先期指引。

由于CEC網路的運作占用大量傳輸頻寬以及運算能力,因此在APL發展階段(Baseline 1),每個CEC網路最多只能容納24個成員 ,主要是受到通信傳輸的頻寬制約。隨著軟硬件的進步,CEC網路的成員數量有可能進一步提高;而基于CEC網路進一步擴大應用范圍,例如透過其他更高層級系統(后來的NIFC-CA),把CEC網路生成的單一空中態勢圖像等寶貴情資分享給非CEC網路的節點,例如前沿的戰斗機獲得CEC網路集團先期指引以及火控支援等,都可以間接擴大CEC網路的效益范圍。

Part.7 CEC與船艦系統集成

CEC運作時,確保數據傳輸盡可能達到真時是個重要任務,這也會影響到CEC與船艦既有系統的集成。

(左邊是CEC與宙斯盾集成,右邊是CEC與SSDS、ACDS集成)

從APL發展的第一代CEC Baseline1的系統架構,可以發現與宙斯盾系統結合時,透過專屬的接口跟宙斯盾的子系統直接連結,包括AN/SPY-1B相控陣雷達、SPS-49長程對空雷達、指揮決策系統(C&D)、宙斯盾顯示系統(ACD)、敵我識別器(IFF)等。以當時的計算機技術和觀念,這樣與宙斯盾系統的緊密耦合顯然有所必要;當時宙斯盾系統還是半分佈式,如果只透過宙斯盾的中樞──指揮決策系統(C&D)來與CEC接口,則C&D恐怕需要更動相當多的軟硬件。此外,宙斯盾系統龐大,尤其是核心的AN/SPY-1B相控陣回傳的數據量遠大于其他形式的雷達;為了達到實時處理,CEC自然必須直接連結AN/SPY-1B。而提康德羅加級的SPS-49雷達是舊型的模擬式雷達,主要作為一個備援,沒有與宙斯盾的指揮決策系統集成,所以CEC自然需要專門為SPS-49設計一個接口。第一代CEC Baseline1還來不及開發介面與宙斯盾系統的武器控制系統(WCS)連線,后來可能有開發出來。

當然,隨著日后宙斯盾系統以及CEC本身逐漸演進(宙斯盾Baseline 7就轉型成分佈式架構、主要運算單元都改成商規現成組件),加上計算機硬件能力與技術的升級,CEC與宙斯盾的耦合關係也應該也逐漸簡化。

1990年代發展的船艦自衛系統(Ship Self-Defense System,SSDS)是美國海軍第一種分佈式作戰系統,此外還有基于NTDS改良而來的先進作戰指揮系統(Advanced Combat Direction System,ACDS) Block 1。CEC與SSDS、ACDS Block 1集成的方式就簡單得多,只有單一接口(使用數據總線或LAN區域網路),并不需要和底下的子系統專門對街。這不僅是因為SSDS的全分佈架構更容易橫向擴充新設備,而且SSDS、ACDS搭配的傳感器通常都是一般的SPS-48、49或SPQ-9等旋轉雷達,數據量遠低于宙斯盾的相控陣,因此直接對接CEC的必要性不大。

Part.8 CEC終端節點設備

CEC的節點設備「 協同接戰傳輸處理組件」(CETPS)分成艦載版與機載版兩種。

(由左而右:工程發展階段的AN/USG-1,正式服役的AN/USG-2,機載的AN/USG-3,隨著技術進步發射天線與后端機柜都在縮小

其中,工程發展(EMD)階段(CEC Baseline1)的艦載版為AN/USG-1,正式服役的版本(CEC Baseline 2)則為AN/USG-2。

CETPS的機載版型號是AN/USG-3,稱為協同作戰空中通用裝備套件(CES),裝備于E-2C鷹眼2000(Hawkeye 2000)以降的型號。

最早的AN/USG-1艦載終端全系統總重約9393磅,很大一部份重量來自于C波段無源相控陣傳輸天線。AN/USG-1后端有四個機柜,包括與傳輸天線有關的高功率放大器機柜(High Power Amplify Cabinet)、低功率放大器(Low Power Amplify Cabinet)、信號處理機柜(Signal Processing Cabinet),以及處理數據的協同作戰處理(CEP)機柜,另外附帶一個數據紀錄器(Data recorders)。AN/USG-1的CEP運算處理單元都有專屬的機柜,硬件上并未與船艦上原有的系統集成,因此早期幾艘安裝CEC Baseline1進行測試的船艦,都是加上一堆額外的計算機柜和人機介面。

正式服役AN/USG-2(V)由于使用許多更先進的硬體設備 ,例如改用C波段固態有源相控陣傳輸天線取代原本的無源相控傳輸天線 ,再也不需要下甲板的真空管發射機。此外,后端運算處理設備也大幅精簡,例如採用新成熟的專門應用集成電路技術(Application-specific integrated circuit technology),使得電路機板組件數量減少一半以上,并引進新的商規Motorola Power PC處理器來提高CEP運算能力。相較于AN/USG-1后端四個機柜,AN/USG-2(V)的后端處理只須要一個機柜,全系統重量大幅減至2353磅。

(最早的機載版CEC是裝在一架海關P-3B預警機上)

技術最困難的是機載的AN/USG-3,功能與AN/USG-2類似,但全系統體積重量必須縮小到E-2預警機能搭載的程度。這必須等到微波集成電路(MicroWave Integrated Circuit,MMIC)技術足夠成熟,製作出夠輕夠小的固態有源相控陣天線,才能實現上機。最早的CEC原型機載設備的首次引進了單晶片(Monolithic)技術的MMIC固態有源收/發陣列,整個機載設備的重量還是有3000磅(1360kg),E-2C仍然載不動,所以在1994年先裝在一架海關的P-3B預警機(使用與E-2C相同的APS-138雷達)進行測試。到了2000年代初期,機載版的USG-3的重量大概降到683磅(310kg)左右,勉強可以安裝在E-2C上,第一種搭載CEC的E-2C型號稱為鷹眼2000,在2000年起交付。之后主承包商雷松公司仍繼續為USG-3減重。

AM/USG-3的DDS傳輸天線位安裝在E-2C機腹,直徑1.37m,稱為固態相控陣天線(名為末端發射陣列,End Fire Array,EFA) 。除了EFA天線之外,AN/USG-3還包括信號處理器(Signal processor) 、數據處理器(Data processor)、網路控制處理器(Net control processor) 以及CEP處理組,全系統重525磅(238.13kg)。

除了以上三種基本型號之外,CEC系統日后陸續推出幾個不同型號的終端設備終端設備:

AN/USG-4:用于美國海軍陸戰隊的CTN平臺終端

AN/USG-5:用于美國陸軍聯合陸攻巡航導彈防御聯網感測(Joint Land Attack Cruise Missile Defense Elevated Netted Sensor System,JLENS)平臺

AN/USG-9:用于美國海軍陸戰隊通用航空指揮管制系統(USMC Common Aviation Command and Control System)。

之后美國透過海外軍售管道(FMS)向盟國出口若干CEC設備,型號包括AN/USG-6、7、8、10等。

Part.9 DDS的傳輸天線

//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:第一代無源相控陣列天線,第二代的SBAA固態有源天線,第三代的LCPA低成本平面陣列天線)

(康德羅加級巡洋艦圣喬治角號(USS Cape St. George CG-71)的CEC Baseline1設備,使用第一代無源相控傳輸天線)

在最初工程發展階段,APL為CEC Baseline 1設計了圓柱狀的C波段無源相位陣列收發天線,是在1980年代后期開始發展,在1990年代初持續改進。圓柱陣列直徑44吋(111.76cm)、高14吋(35.56cm),由1000個輻射單元構成,每個單元使用負二極管(positive intrinsic negative diode)移相器,而為天線提供射頻能量的真空管發射機則為于下甲板,透過桅桿內的導波管傳輸能量。CEC Baseline 1在1996年達到初始作戰能力(IOC)時,AN/USG-1就是採用這種收發天線。

在1990年代中期,APL為CEC正式服役版(Baseline 2)發展艦載有源口徑(Shipboard Active Aperture ,SBAA),這是一種固態相控陣天線,取代了Baseline 1的無源相控陣天線系統。SBAA使用圓錐形陣列,陣列上的收發(T/R)組件由砷化鎵(Gallium Arsenide, GaAs)半導體單晶片微波集成電路(Monolithic Microwave Integrated Circuit,MMIC) 製作,再也不需要第一代無源相控陣的下甲板集中發射機。光是SBAA天線系統,就使CEC Baseline2重量比Baseline 1減輕了4000磅。CEC Baseline 2的AN/USG-2終端設備(含SBAA天線)在1997年通過初始作戰測試評估(Initial operational Test and Evaluation),2001年通過作戰評估(Operational Evaluation),隨后進入初期小批量生產(Low-Rate Initial Production,LRIP)。而SBAA也成為美國海軍使用的第一種艦載固態有源陣列射頻系統。

USS Kearsarge (LHD-3) 兩棲攻擊艦上的SBAA有源傳輸天線

SBAA陣列的性能與可靠度都讓人滿意,然而價格過于昂貴;如果接下來所有柏克Flight 2/2A導彈驅逐艦都要加裝CEC的話,購置與維護成本將十分可觀。因此,APL在1998年開始研究如何降低SBAA天線系統的整體成本。幾經研究之后,APL航空系統部門(Air Defense Systems Department )展開了低成本平面陣列天線(Low Cost Planner Array,LCPA)項目,利用更新的商規MMIC技術以及新的系統架構,并改用四個平面陣列來取代原本SBAA的圓錐陣列。此外,APL也計算過天線性能與成本的分佈,尤其是T/R組件單位功率和數量的最佳化。LCPA每個T/R組件的發射功率比先前SBAA更低,這也有助于降低成本。

LCPA的每個平面陣列由若干個直線排列的線性可抽換??椋↙ine Replaceable Unit,LRU )構成。LRU是構成天線陣列的基本硬件,又稱為次陣列結構磚(Subarray Architecture Tile);每個LRU封裝了若干數量的T/R組件以及必要的輔助電路、元件以及散熱冷板等,可輕易更換,整個裝置可靠度高。

(APL制作的LCPA的T/R組件原型)

由于1990年代末期以來商業電子技術的快速進步,使得單晶片微波集成電路(MMIC)成本迅速降低;這很大一部份歸功于此時期民間手機技術進展快速,帶動了MMIC的發展,在軍事射頻領域的應用也因而受惠。在1990年代,美國國防部使用的T/R組件(例如SBAA天線)成本高昂,每個可能高達1000甚至10000美元;等到APL研製LCPA陣列時,由于技術進步且發射功率降低,每個T/R??櫚某殺敬笤賈揮?0美元。初步估計,引進LCPA陣列技術之后,美國海軍光是採購艦載CEC設備的項目,就比原來節省約6億美元。

依照美國海軍CEC項目主管辦公室(CEC Program Office) PMS 465的資料,APL在1998年秋季將LCPA的概念轉移CEC設計代理商(Design Agent)雷松(Raytheon)公司,隨后雷松以LCPA為基礎

,為CEC發展平板陣列天線組(Planar Array Antenna Assembly,PAAA),從2003年起裝艦。第一線作戰艦艇(如柏克級導彈驅逐艦)使用的四面平面陣的PAAA,而針對某些船艦的桅桿構型,雷松也發展圓柱狀LCPA陣列,天線由技術相同的LRU單元構成。

伯克級導彈驅逐艦USS_Benfold_(DDG-65)桅桿頂上的PAAAP平板陣面。

在2010年代,美國繼續為CEC開發新的通用陣列??椋–ommon Array Block,CAB),以氮化鎵(GaN)MMIC技術製作的T/R組件取代原本PAAA的砷化鎵T/R組件,性能、功率、可靠度都更上一層樓。CAB最早的版本是供海軍陸戰隊車輛使用的CAB-E(E為遠征部隊),第二種為CAB-S艦載版;2010年代重啟建造的伯克級導彈驅逐艦從DDG-118起,就會以CAB-S取代原本的PAAA陣列天線。

Part.10 CEC的發展與測試

在1993年9月,CEC系統部署在經過新戰場威脅(New Threat Upgrade,NTU)升級的基德號(USS Kidd DDG-993)導彈驅逐艦上進行發展測試(Development Testing,DT);在這系列測試中,基德號在近岸環境下,跟諾??耍∟orfolk, Virginia)基地的艦隊作戰指揮支援處( Fleet Combat Direction Support Site)附近的其他CEC站點測試協同傳輸作業。

DT的主要目標包括三項:

1.展示各單元子系統能共同運作,根據節點本身與遠端雷達和IFF信息,形成一個清晰詳細的複合追蹤與識別圖像(composite track and identification picture),提高態勢感知意識(situation awareness)。

2.驗證CEC的精確度與刷新率足以支持協同檢查精確提示(coordinated  prosecution of precision-cued)以及協同接戰(cooperative engagements),以提高個別分立系統的表現。

3.模擬未來巡航導彈威脅、充滿電子干擾的戰場環境下,仍能展現前述CEC項目的能力,顯著提高艦隊的防衛與生存能力。

CEC Baseline 1發展測試/作戰測試(DT/OT)階段

CEC在1994到1995年的測試項目,涵蓋了發展測試IIA(Development Testing,DT-IIA)以及作戰測試第一階段(Operational Testing,OT-1)等。DT-IIA是評估CEC系統的設計與表現,OT-1則是針對整個艦隊作戰行動進行評估。

在1994年4月,由艾森豪號(USS Eisenhower CVN-69)率領的航母戰斗群各艦艇都安裝了AM/USG-2 Baseline1設備,包括艾森豪號、提康德羅加級導彈巡洋艦的安齊奧號(USS Anzio CG-68)與圣喬治角號(USS Cape St. George CG-71),黃蜂級兩棲攻擊艦的黃蜂號(USS Wasp LHD-1),再加上先前已經進行發展測試(DT)的基德號導彈驅逐艦,總共有五艘?;品浜攀竊諉攔嶂付ㄏ?,部署當時正在開發的船艦自衛系統(SSDS)并結合CEC。此外,美國國會也指定一架屬于海關的P-3B AEW預警機(搭載與E-2C預警機相同的APS-138雷達)加裝CEC機載設備樣機,參與這項集成測試;當時CEC機載系統的體積重量仍然過大,而且尚未與機載雷達完成集成,因此這架參與測試的P-3B主要充當中繼傳輸站。 這是美國海軍首次動用一整個航母戰斗群編隊進行一項測試

在1994年初,這支配備CEC的航母戰斗群與P-3B預警機在諾??私5奈嵫墻牽╒irginia Capes,VACAPES) 進行非作戰性的CEC基本能力測試,完成的項目包括:

1.驗證每個CEC節點將分享的雷達數據,各自生成同步的複合追蹤與複合追蹤與識別圖像(composite track and identification picture)。這項測試是在民間航空交通密集繁忙、且有相當數量軍事航空機活動(來自航空母艦或陸地航空基地)的美國東部外海,同時依照情況施予嚴重的電子反制措施(Electronic CounterMeasures,ECM)。在測試中,這支戰斗群的CEC網路能在電子干擾環境下繼續追蹤空中目標。

2.驗證在複雜電磁環境中(包含刻意施予的強烈電子干擾),CEC的DDS系統能夠自動而可靠地維持各項網路傳輸活動;這些聯網活動包含起始聯網(net start)、各單元加入網路(unit net entry)

、在電子干擾之下進行各節點起始時間同步( initial time sync in jamming)、直接尋獲新聯網單元( directed acquisition of new units)、CEC網路擴張后自動擴展新的連結路徑(automatic addition of new connectivity paths )、部分節點斷線后自動重組連線路徑(rerouting around lost paths)等等。

在1994年6月,艾森豪號的航母編隊在靠近波多黎各的大西洋艦隊武器測試中心(Atlantic Fleet Weapons Test Facility,AFWTF)進行了CEC的第一次實際接戰測試項目。在這項測試中,BQM-74E靶機從AFWTF升空向東飛行出海,然后向西迴轉,朝向這支航母編隊所在的海域以及低高度飛行飛行,模擬水平線以外飛來的掠海反艦導彈。此項測試包含兩個情境:

第一個情境符合先前提到的精確提示(Precision Cue,PC):

由搭載CEC以及SSDS的黃蜂號(USS Wasp LHD-1)兩棲突擊艦進行防空自衛作戰,對抗兩架模擬低空巡航反艦導彈的BQM-74靶機。

透過CEC接收到來自宙斯盾巡洋艦以及基德導彈驅逐艦的目標提示,黃蜂號的SSDS防空系統提前開始作業,海麻雀導彈系 統的MK-91射控雷達、發射器都已經指向目標即將來襲方位;黃蜂號的搜索雷達一探測到兩架把機,便立刻發射RIM-7P++海麻雀防空導彈, 并在導彈的最大射程附近將兩架BQM-74擊落。

第二個情境符合前面說的遠隔接戰(Engage on Remote,EoR):

基德號導彈驅逐艦經由CEC得到另外兩艘宙斯盾巡洋艦提供的目標參數,發射標準二型防空導彈攔截BQM-74靶機;在標準二型防空導彈飛行期間,基德號完全使用CEC傳來的宙斯盾艦雷達參數實施導引,在飛行中途實施上鏈更新,并在終端啟動艦上MK-74照射雷達實施照射,最后擊落BQM-74靶機;整個過程中,基德號完全沒有使用自己的SPS-48E長程搜 索雷達追蹤目標。這個遠隔接戰情境是模擬NTU艦在雷達受到強烈電 子干擾且無法克服時,完全仰賴友艦透過CEC網路傳來的傳感數據,發射導彈完成 遠隔接戰。

聯合特遣武力95(JTF-95)

完成前述AFWTF的實戰測試后,艾森豪號的航母編隊隨即開始準備另一項大規模的CEC能力展示,稱為聯合特遣武力95(Joint Task Force-95,JTF-95),美國國防部也從此開始定期舉行大規模聯合特遣武力演習(Joint Task Force Exercise,JTFEX)。除了艾森豪號航母編隊的五艘船艦以及搭載CEC傳輸設備的P-3B預警機之外,美國陸軍與空軍單位也加入了演習,以展示CEC網路追蹤戰區彈道導彈并為地面防空導彈提供指引的能力。

這項概念展示工作首先在諾??送夂5奈嵫墻牽╒ACAPES) 進行,投入了艾森豪號的編隊、一個美國陸軍愛國者(Patriot)防空導彈單位以及一個海軍陸戰隊的TPS-59電子掃描雷達單位(已經集成到CEC網路)。在維吉尼亞角的初步集成測試中,模擬戰區彈道導彈的靶彈發射升空后不久,艾森豪號戰斗群的宙斯盾巡洋艦安奇奧號很快就以SPY-1相控陣雷達探測到目標,以DDS將目標信息傳遞給其他CEC節點,以及位于陸地上的艦隊作戰指揮系統輔助活動(Fleet Combat Direction Systems Support Activity,FCDSSA)的戰斗系統。在若干秒鐘之后,CEC網路其他節點如圣喬治角號導彈巡洋艦

、基德號導彈驅逐艦、黃蜂號兩棲突擊艦以及FCDSSA的雷達,都依照安奇奧號的指引,順利追蹤到彈道導彈靶。這枚靶彈飛行全程裡,這個CEC網路始終保持追蹤,同時維持更新複合態勢圖像,直到靶彈落海。這項測試成功展現了CEC用于反彈道導彈任務的潛力。

在1994年10月,艾森豪號航母編隊部署到地中海,準備進行JTF-95的正式演習,包括英國、義大利、加拿大、荷蘭都派出觀察員。1995年3月,JTF-95演習在南亞得里亞海(義大利半島與巴爾干半島之間)正式展開,投入單位包括艾森豪號航母編隊的五艘船艦、搭載CEC的P-3B預警機、部署在德國的美軍愛國者防空導彈單位等。在JTF-95演習中,艾森豪號航空母艦把CEC網路產生的集成空域追蹤數據傳輸給位于德國的愛國者導彈系統陣地 ;依照APL最初規劃,艾森豪號航母與愛國者導彈陣地是透過Inmarsat衛星數據鏈傳輸,但最后執行時似乎是透過P-3B來中繼,并使用類似Link-16等級

的數據鏈來傳輸數據。總共有31枚模擬的戰術彈道導彈由北非發射,艾森豪號的航母戰斗群偵測到飛行中的彈道導彈軌跡,進而計算出導彈落點,然后將雷達追蹤數據經由數據鏈,傳給1450公里外的愛國者導彈陣地實施攔截(此時這些彈道導彈尚未進入愛國者導彈的雷達偵測范圍)。此外, 航母戰斗群也根據導彈軌跡計算出發射地點,并立刻傳給在空中 待命的F/A-18戰斗機,攻擊敵方彈道導彈陣地。

除了展示CEC在反彈道導彈任務的能力之外,JTF-95演習中也有一個CEC示范科目 :一艘搭載CEC的宙斯盾艦先發射標準二型防空導彈,然后由另一艘宙斯盾艦 導引,稱為超前導引(Forward Pass)。在這項測試中,兩艘宙斯盾巡洋艦 都保持在彼此的水平線以外,靠著P-3B預警機作為CEC空中傳輸中繼 。在這項演習中,這架P-3B已經裝載初期設計的傳輸介面,能將機載APS-138預警

雷達以及敵我識別器的數據輸入CEC網路中,這是機載CEC系統 第一次進行完整的功能測試。

CEC Baseline 1形成初始作戰能力(IOC):山頂測試

在 1996年1月,CEC Baseline 1進行初始作戰能力(IOC)之前的測試評估,在夏威夷太平洋導彈靶?。≒MRF)進行。參與這項測試的包括安裝AN/USG-2 Baseline1設備的提康德羅加級導彈巡洋艦伊利湖號(USS Lake Erie CG-70),以及安裝在夏威夷考艾島(Kauai)Kokee山頂(標高3800英尺) 、用來模擬E-2D空中預警機的地面雷達。這座山頂雷達就是美國海軍與麻省理工學院(MIT)林肯實驗室合作的雷 達監控技術實驗雷達 ( Radar Surveillance Technology Experimental Radar, RSTER,后來成為E-2D預警機的APY-9固態UHF雷達的基礎 ),另外加上一套艦載MK-74防空導彈火控系統及SPG-51 X波段照射雷達,用來模擬預警機額外加裝X波段照射器;這個雷達站設施也裝置CEC設備來與整套雷達設施透過CEC終端 來與伊利湖號連結。這就是山頂(Mountain Top)測試。

四架BQM-74E次音速靶機從考艾島發射升空, 其中一架在15000英尺的高度飛行,另外三架則以50英尺的低高度,以將近一馬赫的速率飛行,模擬低飛的巡航導彈。當時這四架全部都還在伊利湖號的水平線以外 ,艦上的SPY-1相控陣雷達無法直接探測??及荷蕉サ腞STER雷達發現這些低飛靶機之后,透過CEC將數據實時傳送給伊利湖號 ,伊利湖號射四枚修改過的標準2 Block 3IIIA防空導彈;藉由CEC傳來的山頂雷達數據 ,伊利湖號為四枚SM-2實施中途上鏈更新。標準二型導彈接近目標后,由山頂雷達站的 MK-74火控雷達接手終端照射工作,成功地擊落四架靶機。這是美國海軍首次成功完成

超水平線防空接戰,伊利湖號本身的雷達完全沒有接觸目標,也沒有參與終端導引照射。 此次實驗攔截距離是過去標準二型攔截距離的三倍,刷新當時美國海軍攔截大氣層內 目標的距離紀錄。完成這項測試后,CEC于1996年 達成初始戰斗能力(IOC)。

CEC正式版本 (Baseline 2)的發展與測試

在1997年夏季,黃蜂號(USS Wasp LHD-1)兩棲突擊艦裝載CEC正式版本(Baseline 2)的AN/USG-2終端設備在維吉尼亞角(VACAPES)測試場進行初始作戰測試評估(Initial Operations Test and Evaluation,IOT&E),艦上安裝的新系統包括先進作戰系統(Advanced Combat Direction System ,ACDS)。在這項測試中,黃蜂號透過CEC 與Link 16數據鏈,與位于維吉尼亞州瓦勒普斯島(Wallops Island, Virginia) 的陸基宙斯盾作戰系統中心(Aegis Combat System Center)的宙斯盾武器系統 (Aegis WeaponSystem,AWS),以及位于維吉尼亞州的艦隊戰斗指揮支援活動

(Fleet Combat Direction Support Activity, Dam Neck, Virginia) 的ACDS陸基測試系統進行協同作業。這項測試中顯示雖然CEC本身工作正常 ,但如果同時透過頻寬較低的Link 16數據鏈來分享數據時,會發生一些交互操作的問題。

在1998年,肯尼迪號(USS John F. Kennedy CV-67)航空母艦以及提康德羅加級導彈巡洋艦順化號(USS Hue City CG-66)與維克斯堡號(USS Vicksburg CG-69)安裝了AN/USG-2 Baseline2的原型設備。順化號與維克斯堡號原訂在1998年夏季進行AN/USG-2 Baseline2的作戰測試評估(OPEVAL ),但在這麼短時間內顯然無法與這些船艦上的宙斯盾系統完成集成工作,因此美國海軍主管戰區水面作戰的計畫辦公室(Program Executive Officer for Theater Surface Combatants,PEO(TSC))決定把CEC的OPEVAL推遲到2001年。

接下來,美國海軍在柏克級導彈驅逐艦的奧斯汀號(USS Oscar Austin DDG-79)、梅森號(USS Mason DDG-87)、馬斯丁號(USS Mustin DDG-89)以及黃蜂級兩棲突擊艦的硫磺島號(USS Iwo Jima LHD-7)上安裝CEC設備。

在1999年,提康德羅加級導彈巡洋艦順化號與維克斯堡號進行CEC首次海上發展測試作業,測試中暴露出不少問題,這主要是由于系統開發階段獲得的時程與資金都較為有限。此后,之后美國海軍提高了開發CEC的優先程度。在1999年,肯尼迪號航空母艦加裝先進戰斗指揮系統Block 1(Advanced Combat Direction System Block 1,ACDS Block 1)以及CEC終端,和順化號、維克斯堡號進行CEC在航母戰斗群之間的第一次實際海上測試;結果肯尼迪號與順化號、維克斯堡號上的宙斯盾Baseline 6軟件透過CEC連結運作時,發生了許多問題,導致兩艘宙斯盾巡洋艦退出了當時的部署任務,測試以失敗收場。隨后美國重新規劃CEC與宙斯盾系統的研發集成工作,增加更多戰斗系統的集成工作,隨后并衍生出分散工程平臺(Distributed Engineering Plant,DEP)計畫,將許多美國海軍現有的軟體開發工作進行連結,并進行更多和岸基系統之間的連結測試工作。在1999財年,美國追加3000萬美元在DEP等項目,并修正CEC在航母戰斗群之間交聯運作時發生的問題;此外在1999財年中,CEC與宙斯盾Baseline 6.1的集成工作也獲得了額外的研發資金,用來解決與其他戰斗群連結時的問題,而美國海軍也為宙斯盾Bbaseline 6.3、7、7.1集成CEC的開發工作投入更多資金,增加許多宙斯盾武器系統(AWS)軟體與CEC的集成測試工作,不過這些額外的測試并不影響當時柏克級加裝CEC的進度。

在2001年2月27日到3月,搭載CEC Baseline 2設備的肯尼迪號航母戰斗群在波多黎各測試?。?Puerto Rico Operations Area)以及維吉尼亞角(VACAPES)測試場的水域,進行CEC的技術評估(TECHEVAL)作業,評估期間戰斗群模擬遭到來自海上、陸地的多重攻擊,同時也包括強烈的電子干擾。這項評估相當成功,肯尼迪號的戰斗群靠著CEC網路在高強度戰場環境下持續快速、低空、小型目標保持良好的追蹤,CEC網路本身始終保持良好的可靠度與穩定性,且CEC的集成態勢圖像(SIAP)經常保持在幾近完美的狀態。

完成技術評估之后,接著肯尼迪號戰斗群在2001年4月到5月進行CEC Baseline 2的作戰評估(OPEVAL),這是當時美國海軍所進行過規模最大、最為複雜、測試最廣泛嚴苛的作戰測試。在為期18天的海上作戰測試評估中,動用了肯尼迪號戰斗群在內10艘船艦、飛機198個作戰架次、43架次無人機飛行,戰斗群并發射29枚導彈。演習中聯合作戰指揮官(COTF)以各種手段打擊這支航母編隊,包括以飛機發射高空俯沖反艦巡航導彈、地面發射導彈、掠海反艦導彈、電子干擾等等。在全部的演習情境中,CEC作戰網路顯著提高戰斗群的交戰空間,各艦持續追蹤目標時也遠比以往(單艦個別運作)更為容易。

在1998到2001年間,CEC系統歷經的測試強度、深度、廣度堪稱前所未有,而CEC也禁得起考驗,證實能在威脅與壓力程度最高的環境下,顯著水面戰斗群的作戰效率與存活率。OPEVAL完成時,聯合作戰指揮官總結,CEC Baseline 2能有效且適應作戰需求;這樣複雜的系統能獲得無條件的驗收通過,在美國海軍武器系統發展史上堪稱罕見。

其他

至于E-2C與機載CEC的組合則在1999年達成初始作戰能力(IOC)。2000年起陸續交機的E-2C最新規格──鷹眼2000(Hawkeye 2000)裝備AN/USG-3終端設備。USG-3在2000年代初期由尼米茲號(USS Nimitz CVN-68)航母上的VAW-117預警機中隊展開測試。

在2009年5月8日,美國成功進行標準六型(SM-6)防空導彈搭配E-2D空中預警機進行的協同接戰(CEC)測試,由一架E-2D透過CEC為另一個平臺發射的一枚SM-6進行導控,成功擊落了從陸地上飛來的巡航導彈靶。

最初CEC是美國海軍本身的感測器聯往作戰需求,但這些成就隨 后獲得其他軍種的重視。美國海軍陸戰隊的AN/TPS-59預警雷達 就是第一種集成入CEC作戰網路的地面單位。美國海軍陸戰 隊單位也曾展示藉由CEC的先期指引信息,發射鷹式防空導彈( Homing All the Way Killer Missile, HAWK)、 先進中程空對空導彈(AMRAAM)、復仇者防空導彈等等。

來點題外話:之前pop3一篇博文提到中國海軍的“海軍裝備綜合集成”也涵蓋了CEC的能力

https://www.weibo.com/2746348614/GtPdemTND?type=comment&pcfrom=msgbox#_rnd1539209785226

其中一段:

"中國海軍的綜合集成具有接收天基、空基、陸基、水面及水下各作戰節點探測器所探測到的目標信息,即時形成作戰綜合態勢,實時決策,指揮各作戰節點統一執行作戰行動"

這段很明顯就是談集成綜合戰場態勢圖像,也就是美國CEC的根基;而且提到的不只是空中,還包括水面及水下。

"如作戰時有敵機、潛艇及反艦導彈同時來襲,則由所有的作戰節點上報、匯集目標信息,由計算機形成綜合作戰態勢及作戰方案并分配下發打擊指令,各作戰節點按指令協同反潛、防空以及組織分配最佳火力方案攔截來襲反艦導彈。"

這一段提到的是整個網路體系發現敵情時的上下匯報、作戰方案生成等等。對照美國海軍,這些似乎已經超過了CEC本身的范圍,CEC的重點是復合追蹤識別并產生單一戰場態勢圖像;而根據CEC等信息來源進行必要的決策與方案生成,應該是其他戰場情報管理系統的工作。

"這些系列且在不斷發展中,如將指揮控制指令直接下發至所轄作戰節點的作戰臺位上,而深度的發展則是對作戰集團中任意艦艇上的武器進行統一的直接火力控制。"

前一句的工作似乎包含美國CEC的「精確提示」(Precision Cue,PC),上級節點直接把作戰方案送到下級節點的作戰臺位,既然方案都幫下級節點生成好,自然等于預先提示了目標的方位以及其他參數。對于056這樣只有短程自衛防空武器的船艦,這種能力可以把作戰資源的效益最大化。當然,這一段敘述的能力已經超過美國CEC本身的工作范圍,涵蓋了戰場情報的進一步組織運用(美方定義的「精確提示」只是單一節點獲得CEC的目標提示,后續接戰仍然只是節點自己的事情。)

每一家的系統設計不會百分之百相同,例如CEC網路進行「復合追蹤識別」時是一個去中心化的分布式網路,而且只有某些最重要的節點(如宙斯盾、大型艦艦、預警機等)參與這個聯合運算作業,產生的單一戰場圖像透過其他戰場情報與數據設施(例如后來上層建構的NIFC-CA)分享給其他作戰平臺來使用。

而中國海軍系統集成產生單一戰場態勢圖像的過程,整個體系似乎有很多上下級之分;不過很明顯可以看出,pop3敘述的“海軍裝備綜合集成”涵蓋范圍超過了美國CEC的工作,CEC只是生成單一戰場圖像以及支持集成火控的基礎設施,更廣泛的綜合戰場決策活動、工作分配是CEC層級以上的活動,例如把CEC網路生成的單一態勢圖像單向分享給非CEC網路的節點來使用。

一個大系統完成后,橫向應用擴展以及縱向深度發展自然都是不斷持續,例如美國基于CEC發展出NIFC-CA,中國這邊也是一樣。不過,CEC這樣的關鍵基礎服務本身的能力,例如「單一戰場態勢圖像」的品質(刷新率、精確度、穩定性)就會決定了一些系統上限;例如,如果在網路里聯合工作的傳感器質量不高,或者網路本身的傳輸運算不夠,就算生成某種程度的綜合戰場態勢,精確度跟刷新率還是不足以支持對防空導彈的集成火控工作;例如萬一CEC網路是由兩部SPS-49雷達構成,這樣品質的戰區態勢圖像肯定做不到集成火控。

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