基于体系系统工程视角的美军NIFC-CA 系统分析研究*

2023-07-31胡京林刘兴科明宝印卢伊松王应洋

火力与指挥控制 2023年6期

胡京林，刘兴科，明宝印，卢伊松，王应洋

（1.解放军93184 部队，北京 100071；2.空军工程大学，西安 710038）

0 引言

美海军综合火控——制空（naval integrated fire control-counter air，NIFC-CA）是一种新型网络化分布式远程空中火力防御控制装备体系，国内文献也译为海军一体化防空火控系统［1］。NIFC-CA 建设初衷是解决美海军超地平线拦截问题，经过多年发展，其在作战任务上渐进扩展，在体系能力上阶梯提升，在组成系统上牵引发展，降低了研发风险和经费投入，能够快速生成装备体系作战能力，具有极高的研究和借鉴价值。

近年来国内诸多研究机构和学者开展了一系列有关NIFC-CA 体系的研究，取得大量成果。文献［2］介绍了NIFC-CA 体系的提出动因、发展概况等基本情况。文献［3-4］细致梳理了NIFC-CA 体系的组成系统及体系运行流程。文献［5-7］对NIFC-CA的协同指挥控制模式和协同预警探测机制进行深入剖析。文献［8］则研判了NIFC-CA 的未来发展，并提出相应的潜在对抗手段措施。总体上，目前有关NIFC-CA 体系的研究主要集中于其组成系统、运行流程和作战运用等方面。而作为典型体系系统工程，NIFC-CA 在体系系统工程方面也颇具研究价值，目前尚未发现国内相关研究。

本文主要从美军体系系统工程角度研究NIFCCA 组成系统解耦和体系构建关键设计，并探析了纵横结合组织管理结构和联合开发机制等创新管理措施，深入了解其在体系系统工程方面的优势。

1 美军体系系统工程发展简介

20 世纪90 年代前，美军一直采用以平台系统为中心的武器装备发展战略，成功开发出一大批先进武器系统。随着90 年代初作战环境变化，导致装备发展需求复杂多样，该战略使得美军大型复杂武器装备开发项目大量出现，在平衡成本、控制进度、提高效率等方面暴露出诸多问题［9］。进而美军提出武器装备体系概念，旨在将单个系统集成为装备体系，从现有系统中寻找解决能力差距的方案［10］。该体系对应英文中的System of Systems（SoS），与传统体系概念不同，特指在功能上相互支持、性能上相互协调的多种武器装备系统、平台作为组成系统，按一定结构综合而成的更高层次的武器装备系统，以完成特定使命任务［11-12］。武器装备体系通过整合改进已有系统形成体系能力，显著缩短了从装备研发到形成作战能力的时间，具有技术风险可控、经费投入较小和人员训练容易等优点［13-14］。在此基础上，美军先后发布《体系的系统工程指南》和《海军体系系统工程指南草案》等体系系统工程指南［15-16］。

在武器装备体系理论研究指导下，美军各军兵种开展了一系列军种内及跨军种武器装备体系系统工程项目，大致包含火力打击和通信指挥控制两类体系项目。火力打击类体系项目的组成系统一般涵盖探测感知、通信网络、指挥控制、火力打击等多种类型武器装备，能够形成一条完整的杀伤链，如美陆军弹道导弹防御体系（BMDS）、NIFC-CA。通信指挥控制类体系项目通常侧重通过开发一些“连接件”或对组成系统相关模块通用化改造，用以克服现有系统间的异构性，形成以网络为中心的作战能力，如陆军作战指挥体系（ABCS）、空军分布式通用地面站体系（DCGS）。目前美军在武器装备体系的开发管理方面已渐趋成熟。其中，NIFC-CA 便是一个典型的武器装备体系系统工程项目。

2 NIFC-CA 体系架构与项目实施

NIFC-CA 体系项目最早源自20 世纪90 年代美海军舰队因地球曲率和地形遮挡等原因而无法及时探测拦截敌超地平线巡航导弹的问题［16］。2002年，NIFC-CA 体系项目正式作为一个基于能力的采办研发项目执行，旨在通过联合“宙斯盾”、E-2D 预警机、CEC 等多系统形成对抗超地平线巡航导弹、战斗机和反舰巡航导弹的体系防御能力，同时减少各系统更改需求并确保新开发系统支持该体系能力。经过多年开发建设，该体系目前已具备初始作战能力［19］。

2.1 NIFC-CA 体系组成及运用

2.1.1 NIFC-CA 体系系统工程组成系统

NIFC-CA 体系系统工程项目主要包括5 个组成系统，分别为E-2D 预警机、联合对地攻击巡航导弹防御用网络传感器系统（JLENS）、协同交战能力（CEC）系统、宙斯盾系统（AEGIS）和标准-6 导弹（SM-6），如下页图1 所示。

图1 NIFC-CA 体系项目中海上杀伤链的组成系统Fig.1 The composition systems of the kill chain from sea in NIFC-CA system project

E-2D 预警机具备战场管理、态势感知和多传感器数据融合能力，旨在从自身和其他侦察监视系统的传感器中提取威胁数据，形成统一战场态势图，为体系提供超视距威胁目标探测能力［18-19］。JLENS 主要由系留浮空飞艇、雷达及机动式系泊站、通信处理设备等组成，旨在通过新型雷达等高性能传感器，对来袭巡航导弹进行超地平线探测、跟踪和识别，并为防空系统提供及时告警［20-21］。CEC 主要由协同交战处理机和数据分发系统组成，旨在将体系内的传感器和武器系统组成分布式信息系统，产生火控级精度的复合跟踪，实现武器平台间信息共享及威胁目标协同打击［22-23］。AEGIS 是以大型无源相控阵雷达为主要标志的水面舰艇综合作战与指控系统，通过NIFC-CA 拓展了武器交战空间，具备了超地平线远程交战能力［24-25］。SM-6 主要用于打击各型飞机、无人机、弹道导弹、巡航导弹以及反舰导弹等［26-27］。

NIFC-CA 体系系统工程利用CEC 网络将E-2D 和JLENS 的探测传感器连接到AEGIS 系统中，使其引导控制SM-6 导弹的范围扩展到超地平线。当NIFC-CA 应对来袭目标时，由E-2D 预警机和JLENS 通过CEC 数据链为“宙斯盾”防空系统提供地平线外目标信息，再由“宙斯盾”发射SM-6 导弹拦截目标，拦截过程中E-2D 预警机不断向“宙斯盾”提供拦截目标高精度实时数据，直至SM-6 导弹击中目标［28-29］。由于技术原因，JLENS 系统项目已于2012 年被取消，但该系统缺失不影响NIFC-CA体系功能发挥［30］。

2.1.2 组成系统解耦与体系构建

[5] 欧阳振华,张广辉,秦洪岩,等.瓦斯煤层冲击危险性改进型综合指数评价方法及应用[J].煤炭科学技术,2018,46(10):30-36.

NIFC-CA 体系运用的关键挑战在于如何分解并整合重组紧密集成的单系统功能，将体系功能分布在各组成系统上。典型的分解整合便是宙斯盾中武器控制系统与探测预警传感器的解耦。首先NIFC-CA 体系系统工程将宙斯盾武器控制系统的目标信息标准化，使其只需目标数据以及数据误差限等数据质量信息，不再依赖于特定传感器的类型和性能等，解除了宙斯盾与传感器间的接口硬耦合，允许多种传感器接入体系。其次在CEC 中设计了最佳传感器筛选策略，将传感器的选择和管理功能分配给CEC，由CEC 根据宙斯盾对不同目标信息的质量要求，灵活匹配可用传感器，通过体系构建支持宙斯盾和传感器解耦设计，确保宙斯盾对目标信息精度和时间等要求得到满足。

为支持导弹超地平线打击，NIFC-CA 体系系统工程牵引SM-6 导弹发展主动导引技术，解除导弹和军舰之间的紧耦合。通过使导弹能够在拦截末端主动制导并独立寻找目标，将导弹拦截范围从军舰雷达照射范围扩展到导弹最大运动范围，支持体系应对更多威胁［31］。

整个体系系统工程通过诸多与上述类似的系统解耦与体系构建设计，将5 个组成系统的单系统功能解耦重组，构成了包含探测预警、指挥控制、火力打击及通信协同等的完整体系功能，使得NIFC-CA 具备极强的伸缩性和鲁棒性，促进了体系要素的持续创新和多样性发展，进一步提高体系作战能力［32］。

2.2 NIFC-CA 体系系统工程管理实施

从工程管理角度看，NIFC-CA 体系系统工程的5 个组成系统自身均为独立发展的系统，在能力需求、发展阶段、研发团队、经费预算等方面具有极大差异，且与NIFC-CA 体系目标也不尽相同。若将这些项目集中到NIFC-CA 项目中，将使得体系项目的沟通协调、研发风险及经费规模急剧增长，进而不可避免地导致项目失败［33-34］。因此，美军在项目管理结构、研发机制和经费管理等方面实施了一系列创新举措。

2.2.1 纵横结合管理组织结构

随着美海军逐渐固化其对NIFC-CA 发展的程序化方法，一套创新的纵横结合式体系项目开发管理组织结构在2006 年得以确立，如图2 所示［15］。

图2 NIFC-CA 体系项目组架构Fig.2 NIFC-CA SoS project architeture

NIFC-CA 体系项目实现高效研发和管理的关键在于3 个体系级工作组和5 个组成系统产品团队的纵横综合关系。横向主要指体系级管理者，包括美海军海上系统司令部的综合武器系统第7 项目执行办公室（PEO IWS-7D），即NIFC-CA 项目办公室，及其建立的跨组织的系统工程集成与测试（SEI&T）领导团队和技术顾问团队，主要负责体系需求分析、性能评估和体系综合及测试。纵向主要指系统级管理者，包括5 个组成系统各自的产品团队，在实际运行中并不隶属于体系项目，具有独立性［35］。组成系统产品团队会沟通并接受NIFC-CA项目对其系统的功能要求，并将其融入组成系统的发展规划。

2.2.2 体系联合研发管理机制

为有效推动组成系统解耦和体系构建，体系工作组创新提出了性能评估报告、接口工作组（IWG）和技术交流会（TIM）及传感器网络领导组等一系列研发管理机制［37-38］。

性能评估报告机制主要用于分析杀伤链及其性能和时间等关键能力，使体系工作组能够将诸多具体能力分析分配给各个由组成系统团队人员和军方人员联合的小型团队。典型的性能评估报告有控制（containment）性能评估报告和传感器支持质量控制性能评估报告。控制性能评估报告分析了通过CEC 传输信号的传感器所需具备的测量误差，确保传感器能够有效支持SM-6 导弹主动导引头工作。传感器支持质量控制性能评估报告明确了武器控制系统要求的属性和参数，以便CEC 能够适配满足该质量控制要求的传感器。

在杀伤链分析的基础上，接口工作组和技术交流会机制主要为促进关键任务解决和信息交流，使更多组成系统工程师及项目办公室能够参与体系系统工程。宙斯盾/CEC 接口工作组便是一个典型例子，该工作组主要负责设计和定义宙斯盾和CEC间的接口，并定期组织技术交流会，落实宙斯盾对“传感器不可知”和CEC 优化使用传感器设计，实现宙斯盾与传感器的解耦设计。

进一步为支持宙斯盾、CEC 和所有传感器相关团队开展体系架构详细工程设计，体系级工作组又设立了传感器网络领导组（SNLT），与宙斯盾/CEC接口工作组密切合作，承担充实中层架构（信息交换需求、功能分配和作战序列图）任务，并完成了通常不可见的底层集成协议制定（传统上常在一个系统开发团队内完成）。这种领导组机制是NIFC-CA体系系统工程在组织管理上的一种创新，通过设立军方/开发商联合团队，来支持接口两端系统团队的协同工作。

2.3 体系项目经费管理

NIFC-CA 体系项目于2007 年开始接受美国会经费支持。表1 概略汇总了NIFC-CA 体系项目及其组成系统自2006 年—2019 年的经费使用情况，其中，特别列出各组成系统用于NIFC-CA 体系项目使用的经费［39］。

表1 NIFC-CA 体系项目及其组成系统经费概略汇总Table 1 Summary of fund statistics of NIFC-CA SoS project and its composition systems

由表1 可知，NIFC-CA 实际经费仅为SEI&T 使用经费与组成系统中NIFC-CA 相关经费之和，远远小于其组成系统经费总和，而且小于其任一组成系统的经费。显然，相比传统的单一系统独立开发与后期集成的方式，NIFC-CA 体系项目实现体系能力更经济快速，同时，体系项目管理难度和技术风险更低。

值得一提的是，由于NIFC-CA 的良好发展，该体系系统工程管理组织模式已被美军用作装备体系系统工程项目开发重要参考，用于指导其他体系系统工程任务及联合防空反导能力建设等研究。

3 NIFC-CA 项目体系系统工程建设优长分析

3.1 松散耦合体系架构增强NIFC-CA 灵活性和鲁棒性

NIFC-CA 体系系统工程将其组成系统的功能解耦重组，构建松散耦合的体系架构，使NIFC-CA体系在运行时根据所承担的任务，动态选择组成系统进行运用，提高了体系灵活性。同时，体系结构的开放性使NIFC-CA 未来能够纳入更多的传感器、武器和平台，拓展体系架构，增强体系鲁棒性，不断完善体系作战能力。此外，在NIFC-CA 项目发展过程中常出现体系能力需求不是组成系统优先发展需求，甚至与组成系统发展需求矛盾的情况。最典型的情况就是JLENS 项目由于多种原因被叫停，导致NIFC-CA 缺失一个组成系统。但由于NIFC-CA体系采用基于开放系统的松耦合架构，使得该体系具备极强的伸缩性和鲁棒性，避免了单一组成系统失效对整体体系能力发挥的影响。

3.2 纵横结合组织管理促进体系建设与运用

作为典型的共识型体系系统工程，NIFC-CA 项目的组成系统均为大型复杂装备系统，其自身能力需求和发展规划与NIFC-CA 体系不尽相同。NIFCCA 项目建设采用纵横结合的管理方式。体系级和系统级管理者之间不存在隶属关系，主要通过两级协商确定NIFC-CA 体系对组成系统的功能要求，并将其贯彻到组成系统发展建设中。灵活多变的联合研发机制促进了体系与系统以及系统间的交流沟通，使两级管理者对体系和组成系统间的相互关系和依赖性有深入的技术认识，并了解组成系统的发展目标、规划及技术成熟度等。良好的组织管理创新使体系所需功能与组成系统目标能够尽可能调整一致，促进NIFC-CA 体系的研发与运用。