美海軍“聯合航跡管理”（JTM）架構

“聯合航跡管理”（Joint Track Architecture，簡稱JTM）是美艦隊實現作戰協同的重要保證，其項目目標是為一系列聯合單元定義一個能夠進行航跡管理的通用架構。這種通用化架構可以管理各類航跡、接收各種數據源輸入，整合全局跟蹤圖，並將選定數據傳播到其他JTM節點，實現探測數據共享，為後續打擊作戰做好鋪墊。

因此，JTM對未來作戰系統的快速更新及形成戰鬥力具備十分重要的意義。就此，本文針對JTM架構相關技術進行簡要介紹，並詳細闡述其功能和技術挑戰。

文章僅供學習參考，觀點不代表本機構立場。

淺談美海軍“聯合航跡管理”（JTM）架構

海軍目前是美國第一大軍種，其作戰艦隊在歷次戰爭中都起到了關鍵作用，其典型作戰任務包括區域防空、戰術反導、對地打擊等。但是，由於艦隊雷達等傳感器在探測距離和分辨精度的侷限性，理論上單一軍艦難以單獨完美地執行上述作戰任務，其作戰樣式需要與其它探測器以及相關作戰平臺進行作戰協同，將探測到的目標數據整合，以支撐進行防空反導作戰。

“聯合航跡管理”（Joint Track Architecture，簡稱JTM）是美艦隊實現作戰協同的重要保證，其項目目標是為一系列聯合單元定義一個能夠進行航跡管理的通用架構，可對各類航跡進行管理，可接收來自各種數據源的航跡相關數據輸入，對這些數據進行整合以形成全局跟蹤圖，並通過網絡將選定數據傳播到其他JTM節點，實現探測數據共享，併為後續打擊作戰做好鋪墊。這種通用化架構

1. JTM架構簡介

目前，美國海軍依靠各種作戰系統為其水面艦艇提供能力。艦船上部署有高級作戰指揮系統（Advanced Combat Direction System）、艦船自防禦系統（SSDS）和宙斯盾作戰系統，而DDG1000和瀕海戰鬥艦已經開發了新的作戰系統。雖然這些作戰系統具有一些重疊的功能，但它們是獨立開發的，每個系統都有一套獨特的要求和系統架構，並且通常由不同的開發商開發。因此，很難重新使用或修改為先前或並行作戰系統而開發的代碼。此外，以往的作戰系統傾向於定義其架構以使得系統內的組件緊密耦合。這種耦合也會妨礙重新使用現有功能的能力，並且限制了在不影響作戰系統多個組件的情況下進行單獨更改的能力。

近年來，海軍越來越關注將開放式架構(OA)原則應用於未來作戰系統開發，例如使用非專有硬件和商業操作系統。現有的水面作戰系統已開始在其系統開發中應用這些開放式架構原則。

SSDS的設計就考慮到了開放式架構設計，“宙斯盾”系統也已經開始在最近的基線中實施開放式架構。儘管開放式架構原則的應用可以給每個單獨的作戰系統帶來益處，但是它們獨特的架構依然限制了多個作戰系統之間的作戰能力。因此，人們越來越關注開發可用於海軍和聯合平臺的標準架構和通用功能。

JTM是一種旨在在作戰系統內進行航跡管理的設計架構。

JTM架構由聯合架構工作組(JAWG)開發，該工作組由來自陸軍、海軍、空軍、海軍陸戰隊、導彈防禦局(MDA)和聯合單一綜合空圖系統工程組織的各個組織代表組成，其構成包括架構、跟蹤管理、作戰識別和外部通信等多個團隊。經過數月時間，JAWG及其相關小組召開會議並開發了定義JTM架構的產品。

2. JTM 架構規則

架構團隊開發了一系列“質量特徵”以及用於實現這些質量特徵的架構規則。質量特徵是一種非功能性需求，通常在軟件和系統工程共同體中被稱為“性能”。舉例而言，在規則相關文件中，“質量特徵”的定義包括可用性、可擴展性、可承受性和可重用性。

為實現質量特徵，JAWG開發了一組架構規則。這些架構規則定義了一組在開發JTM架構時應用的設計原則。這些設計原則融合了以往海軍作戰系統開發工作的經驗和教訓，包括可應用於任何系統架構的基本設計準則。下面將重點介紹幾個對解決體系工程複雜性特別重要的規則。

信息模型/對象模型規則(Information Model/Object Model)為JTM架構提供了關鍵設計結構。它規定所有JTM組件應基於信息模型定義。該模型定義了系統內的所有信息。每個組件根據其唯一產生的信息（即，系統可用的信息）來定義。所有組件都可以訪問系統中生成的所有信息，但信息產生者並不知道哪些組件使用了其信息。

根據組件化規則（Componentization precept）的規定，功能架構是根據產生和使用信息的組件來定義的，這與上述信息模型/對象模型規則一致。JTM文件引用了組件的幾個定義，包括Booch等人的以下內容：“組件是系統中物理存在並可替代的一部分，能夠匹配符合並提供一系列接口的實現”。組件是JTM架構的基本構建模塊，根據它們執行的功能、所需要的信息以及產生的信息進行表徵。上述定義適用於不同大小的組件；該規則的另一方面是每個組件在其自身範圍內具有內聚性，同時與其他組件鬆散耦合。

分層設計的概念是指對架構進行定義，將功能分離成不同的層級，從而將每個層與較低層的知識隔離開來。這個概念的一個常見例子是使用一組庫功能的標準接口來提供網絡服務。應用程序可識別標準接口，但不瞭解底層執行。該設置限制了各層之間的依賴關係。只要標準接口沒有改變，底層執行就可以改變，因此，應用程序不需要任何修改。這些規則在架構中的多個層面都應用了分層設計的概念。

在分層跟蹤數據集成規則下，採用分層跟蹤數據模型提供了一種機制，即在保存各種來源航跡數據的同時，允許更高層級的航跡以某種方式對源數據進行組合。較低層級的跟蹤源被認為是支持源，而較高層級的跟蹤被稱為全局航跡（Global Track）。可通過融合較低層級的跟蹤源或通過從可能用到的數據源進行選擇來創建全局航跡特徵，例如運動狀態或識別。圖1為是航跡數據模型的一個示例。

圖1 航跡數據模型範例

（EW LOB是指電子戰方位線，MTBFT是指虛假航跡間的平均時間）

3. JTM功能描述

JTM架構定義了一種航跡管理能力，用於接收來自各種數據源的航跡相關數據輸入，對這些數據進行整合以形成全局跟蹤圖，並通過網絡將選定數據傳播到其他JTM節點。如前一節所述，JTM架構由其信息設計結構及其功能組件定義。JAWG中多個團隊對JTM架構中的功能進行了定義，這些小組彙集了來自政府、實驗室和行業的各方面專家，在特定功能區域中對JTM架構組件定義。每個組件都是由組件自身提供的功能描述及其輸入和輸出來定義的。這項工作的最終結果是所有JTM組件進行了功能描述。

圖2是JTM子系統情況，對戰術性聯合航跡管理(Tactical JTM)和作戰聯合航跡管理（Operational JTM）進行了闡明。從圖中可看到JTM架構集成了包括傳感器、作戰、通訊等多種系統。本文主要論述的內容為由JAWG所開發的戰術性聯合航跡管理。

圖2 JTM子系統情況，包括指控系統、電子支援、ISR系統等多個部分

4. JTM技術挑戰

JTM的目標是為一系列聯合單元定義一個能夠進行航跡管理的通用架構，這具備很大的挑戰性。這不僅需要跨多個系統執行必要的系統工程，還要考慮到具有不同需求、系統和操作限制的所有潛在用戶。當項目團隊定義各自的組件時，為滿足不同系統可能的要求驅動了架構決策的發展。

下面將介紹一些架構決策的範例。

目前，海軍在戰鬥群中的每艘艦艇或飛機上都裝備“協同作戰能力“（CEC）來提供通用空中航跡圖像，這使得網絡中每艘艦艇或飛機能夠在一個複合航跡圖中查看其他平臺探測到的所有目標。CEC計算機收集數據並形成複合航跡圖後，使用數據分配系統將其連接到網絡。該數據分配系統是一種具有連接和中繼功能，可從每個平臺向網絡中每個單元提供數據的射頻通信系統。複合航跡處理將本地測量（來自自身單元上的傳感器）與遠程測量（來自其他單元）相結合，從而將對目標所有測量結果相關聯，形成一條航跡，從而估計目標位置。這些測量數據形成的航跡集合就形成了複合航跡圖像。

JTM的多重複合跟蹤能力是JTM功能定義的重要方面。

這種複合跟蹤算法應考慮到主機系統中的錯誤預留（Error Budget）以及戰術數字信息鏈路。此外，能夠在單個JTM單元上運行多個複合跟蹤處理也是重點發展方向之一。例如，對於不同類型的傳感器（例如，雷達傳感器和電子支援傳感器），可能存在不同的複合跟蹤處理。該架構允許在單一單元上實體化多個複合跟蹤組件來滿足這種需求，這在圖2中進行了展示。

此外，該架構還能夠通過將每個複合處理都作為一個獨立的支持源的方式，在全局航跡層面集成來自多個複合過程的數據。

當兩個或多個複合過程探測到重疊區域中的跟蹤信號時，在全局航跡層面進行集成來防止重複跟蹤是必不可少的。第二個需求是可允許單個單元或單元組選擇其自己的複合跟蹤方案。JTM架構允許多個不同的複合網絡同時運行，並可在全局航跡層面對不同複合網絡的航跡進行集成。

上一段描述了在不需要共享傳感器測量數據的前提下的多個複合跟蹤網絡上的作戰需求，因此可以在全局航跡層面進行集成。此外，多個不同複合跟蹤網絡運行還需要一種高質量傳感器數據共享能力，能夠在這些網絡之間共享高質量的傳感器測量數據。JTM架構通過引入“橋接”（Bridging）概念來實現這一需求。橋接提供了一種機制，可維護每個網絡上的航跡之間的關係，轉換數據格式並根據需要映射航跡編號。

使用組件架構可允許定製每個單元的功能，允許每個單元僅對其所需的那些組件進行實體化。舉例來說，這種定製只在複合航跡層級操作的組件子集上實現，而忽略了與創建和維護全局航跡相關聯的組件。但是，這些相同的單元仍需要具有評估其複合跟蹤身份的能力，這對於識別潛在的威脅至關重要。各單元對全局航跡相關組件進行實體化，必須在全局航跡層級執行識別功能。為了滿足這兩個要求，定義了作戰識別(ID)組件以允許在複合或全局航跡層級進行實體化。

分層跟蹤數據模型假設可以在複合和全局航跡層級跨網絡共享數據。隨著網絡越來越大，很明顯帶寬限制將阻礙所有數據共享，此時需要通過算法來確定哪些數據應該在受約束的環境中共享。JTM架構通過定義全局數據分發管理器和複合數據分發管理器組件來應對這一挑戰。這些組件中，每一個組件都有責任針對其各自的跟蹤層級確定應傳輸哪些數據。

5. JTM 進展情況

綜合作戰系統計劃執行辦公室(PEO IWS)採用了一種採購作戰系統軟件的產品線(Product Line)方法，為海軍水面單元定義了通用的軟件架構以及構建/維護該軟件架構組件的策略。產品線架構的共享規則類似於為JTM架構所定義的規則，並且產品線架構的航跡管理部分與JTM幾乎相同，類似於是從該架構演變而來。

產品線架構比JTM架構更廣泛，除航跡管理之外還包括作戰系統能力。產品線架構將用於指導在通用資產庫（Common asset library）中共用、可重用的軟件組件的開發。政府將控制通用資產庫以及由數據模型、功能分配和接口定義所指定的組件級架構。該架構將作為未來海軍水面艦艇作戰系統開發的基礎。

6. JTM 架構中的體系工程技術

正如海軍水面平臺各種作戰系統圖上所示，作戰系統能力可通過多種方式實現。JAWG對於定義JTM架構的努力，詮釋了根據各自艦艇的不同系統和要求，跨服務定義公共能力的複雜性。

隨著海軍和聯合工作的推進，重要的是要認識到定義通用能力所固有的複雜性以及徹底瞭解所有潛在用戶的要求和限制的必要性，以便能夠在滿足要求和限制條件下開發的能力。只有在所有相關組織之間開展廣泛合作，才能實現JTM架構定義等工作。為確保對架構的所有方面有一致的理解以及使得系統所有功能得以正確實施，不同組織合作的需求遠遠超出了最初的描述。儘管開發通用架構的工程挑戰巨大，但更大的挑戰是基於這些架構去實現產品化。

鑑於不可能從頭開始不斷開發新的作戰系統，有必要採用一種漸進的方法來開發與現有作戰系統開發工作相協調的通用能力，從而最大限度地減少對這些作戰系統時間表和預算的影響，這對於系統更新換代和快速形成戰鬥力有著重要的意義。

（全文完）

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