美軍通用自動測試系統技術「五步走」發展策略取得重大進展——美海軍eCASS系統進入批產階段

原標題：美軍通用自動測試系統技術「五步走」發展策略取得重大進展——美海軍eCASS系統進入批產階段

本文來源：空天防務觀察

現代戰爭是是多層次、全方位、全縱深、快節奏的立體戰爭，眾多的高技術裝備、複雜的作戰方式、日益提升的戰鬥強度對保障能力提出了更高的需求，對於通常在遠離本土區域作戰的航母編隊來說更是如此。在艦上相對比較狹小的空間內使用的通用自動測試系統，能夠同時滿足艦上多種裝備電子產品的故障診斷需求，在保障艦載機等航母作戰裝備的戰備完好性方面發揮著重要作用，因而受到以美國為首的西方軍事強國的高度重視。

2017年2月中旬，美海軍與洛馬公司簽署一份價值1.66億美元的四年期合同，委託洛馬公司建造63套電子綜合自動化保障系統（eCASS）大批量生產設備，這標誌著eCASS系統開始進入批產階段。eCASS使海軍維修人員可以在艦上/岸上使用該系統對海軍多種飛機電子部件進行故障檢查與維修，使飛機快速高效地恢復作戰狀態。eCASS能為750多種航空電子部件以及航母、其他艦船或海濱維修基地的大量電子設備提供保障，從而大幅減少部署所需測試設備總量，預期每年可以節省超過10億美元，同時將能極大地提高作戰飛機的戰備完好性。eCASS進入批產標誌著美軍發展通用自動測試系統技術的「五步走」策略已獲得成功實施。

作為武器裝備的重要保障設備，自動測試系統（ATS）經歷了從專用型向通用型發展的過程。早期的軍用自動測試系統是針對具體武器型號開發的，且不同系統間互不兼容，不具有互操作性，導致專用測試系統數量快速繁殖，維護保障費用高昂，美國僅上世紀80年代用于軍用自動測試系統的開支就超過510億美元。為此，美軍自20世紀80年代中期開始研製針對多種武器平台和系統、由可重用公共測試資源組成的通用自動測試系統，形成了5大系列標準測試系統。美國防部（DoD）在ATS系列產品方面雖然已經取得了一些成效，但仍然面臨著ATS領域裡存在的傳統問題。隨著這些系統的老化，過時問題和滿足先進電子需求等問題變得越來越突出。此外，各軍種ATS系統間缺乏互操作性，無法適應多兵種聯合作戰和網路化作戰的要求。於是，DoD成立了集中統一的ATS管理機構，並制訂了一項「五步走」策略來發展下一代自動測試系統，力圖從長遠考慮，徹底解決ATS出現的問題，使其ATS能夠緊跟武器裝備體系發展的新需求，永不落伍。

一、成立集中統一的ATS管理機構，面向體系作戰規劃ATS的長遠發展

為了最大程度地減少專用ATS的使用，以減少重複投資和ATS自身的長期保障費用，1994年，美國防部成立了集中統一的ATS執行機構——ATS執行局（ATS EA）（現改稱ATS執行理事會），並為ATS的發展制定了四項目標：降低國防部ATS的總擁有費用；通過具有軍種互操作性的ATS，為作戰部隊實現體系化的聯合作戰提供更大的靈活性；縮小後勤保障規模；提高測試質量。為了實現上述目標，國防部ATS執行局制定了一項「五步走」的ATS發展策略，即：①使用國防部指定的標準ATS產品族（圖1），包括：海軍/海軍陸戰隊航空部分 ——「綜合自動保障系統」(CASS)產品族（中繼級、基地級）；海軍陸戰隊地面部分——「第三梯隊」 測試系統(TETS)（中繼級、基地級）和虛擬儀器攜帶型設備修理/測試儀(VIPER/T)(基層級)；陸軍——「綜合測試設備系列」(IFTE)（中繼級、基地級）；海軍、空軍——「聯合軍種電子對抗系統測試設備 」(JSECST)（基層級）；2007年9月11月DoD ATS管理委員會批准通用基地級自動測試系統（VDATS）作為美空軍首套自動測試設備系列，使VDATS成為DoD ATS家族的一名新成員；②為ATS定義一種技術體系架構；③各軍種聯合開發與引進下一代測試技術（NxTest）；④各軍種共同投資NxTest技術的演示驗證；⑤各軍種將各自原有的ATS現代化。近幾年來，美國防部一直堅持按此五步策略來發展其通用自動測試系統（IATS），使其緊跟時代步伐，不致過時淘汰。美國防部2015年1月發布的防務採辦頂層文件DoDI5000.02最新版規定，國防部外場和大修基地使用的所有自動測試設備（ATE）硬體和軟體，都應當使用指定的國防部自動測試系統族，以盡量減少專用ATE。

圖1 美國防部指定的ATS產品族

二、構建和完善ATS開放式技術體系架構

2004年，美國防部和各軍種採辦執行部門簽署了一份「聯合協議備忘錄」，提出了「在整個國防部範圍內實施一項ATS採辦和研發（R&D）計劃」的ATS政策。DoD授權ATS執行理事會（ATS ED）來落實該計劃。

ED成立了自動測試系統管理委員會（AMB），來協調各軍種間的工作。此外，ED和AMB還建立了若干技術綜合產品組（IPT）（其中包括NxTest IPT）來解決ATS採辦和研發環境下的具體問題。在NxTest IPT之下成立了ATS架構工作組（FWG），負責定義ATS開放式技術體系架構以及對框架持續做出評估，並與工業界和標準組織合作開發和演示驗證相關的規範和標準，以滿足ATS架構要求。

構建DoD ATS開放式技術體系架構是DoD ATS「五步」策略的核心工作。該架構建立在行業範圍內公認的標準和規範基礎上。通過在ATS的採辦中採用和遵守架構中定義的要素和相應的標準，可以產生美軍各軍種和聯盟夥伴可互操作且能支持其各自特殊要求和策略的通用測試系統。該架構1996年開始制定，並隨著測試技術的發展而不斷更新。美國防部2015年3月公布的最新ATS架構包括25個關鍵元素，其中有13ATS採辦和現代化項目中。

三、各軍種聯合開發和演示驗證下一代ATS（NxTest）技術

美陸軍、空軍、海軍和海軍陸戰隊使用的自動測試設備基本上配備於上世紀90年代初，面臨現代化改進或更新。基於這種共同的現狀，1996年，在美國防部支持下，各軍種聯合起來，由海軍（NAVAIR PMA260）主持，組成NxTest綜合產品組（IPT），合作開發供下一代ATS使用的技術，統稱NxTest。從1996－2003年，為NxTest計劃的技術演示驗證階段，2001-2004年為原理樣機設計階段，2004－2008年，為系統級演示驗證（ARGCS）階段。

NxTest是基於新興技術和商用標準的一類新型ATS。它具有下述幾個關鍵特徵：其軟、硬體建立在商用ATS開放系統體系結構基礎上；滿足DoD聯合技術體系結構（JTA）要求和NxTest IPT新提出的要求；適度地應用已有的測試程序；運用新技術，大幅度減少需要保障的硬體數量（減少70%）；降低過時淘汰風險。新系統將依靠當代具有更高精確度、更方便使用的新技術，採用可互換虛擬儀器結構，以降低系統單位成本，增加作戰適應性。

為了降低NxTest具體實現中的風險，量化新技術的效益，DoD對NxTest新技術進行了系統級演示驗證。NxTest第一個系統級演示驗證項目是國防部長辦公室2004至2008財年期間投資的名為「靈活快速全球作戰保障」（ARGCS）的先期概念技術演示驗證（ACTD）項目，它不僅對構成NxTest系統網路中心診斷能力的一些新技術進行演示驗證，還對DoD ATS架構中的一些要素標準（如CTI and ATML）進行了實際演示驗證，助其成熟。

ARGCS由美國諾斯羅普·格魯曼公司為主承包商，項目投資是2670萬美元。該系統將美海軍的CASS、陸軍的IFTE、海軍陸戰隊的TETS和電子設備標準測試系統JSECST測試標準統一，開發一種在空軍、陸軍、海軍陸戰隊和海軍間通用的、規模可擴／剪裁的通用測試平台，能夠滿足測試系統內部各組件間、不同測試系統之間、測試系統與外部環境間信息的共享與無縫交互。驗證平台鏈接的主戰裝備有F-15戰鬥機、海軍陸戰隊輕型裝甲車、陸軍的M-1主戰坦克、「阿帕奇」直升機、「帕拉丁」火炮、海軍的F/A-18和E-2C飛機等，它的目標是實現不同武器平台測試系統之間的互聯、互通、互操作，是實現橫向測試集成的典型範例。ARGCS採用了並行模擬測試、可編程串列匯流排測試、合成儀器、通用測試介面、可變尺寸模塊化組裝等先進技術，ARGCS還可支持多種應用軟體運行環境，支持ATML語言編程。 圖2示出ARGCS ACTD要素。

圖2 ARGCS ACTD要素

ARGCS測試平台演示驗證了有史以來規模可擴充性和重構性最好的測試系統體系結構。該平台將支持工廠、大修基地、中繼級和基層級的所有測試；支持簡單和複雜的系統配置。ARGCS帶來的行業領先的靈活性允許美空軍、陸軍、海軍陸戰隊和海軍，甚至北約部隊和其他聯軍在共享相同核心硬體和軟體模塊的同時，可獨立地購買適合自身情況的系統配置，實現前所未有的跨軍種的互操作性。

四、各軍種落實標準ATS現代化升級的成功範例——eCASS

2007年底，美軍制定了ARGCS轉化策略、轉化計劃和時間表，計劃按照漸進遞增的升級方式在各軍種ATS在冊項目（POR）和國防部標準ATS系列的原始設備製造商（OEM）的產品中逐步納入ARGCS能力，使其成為三軍通用ATS。

美軍已經或即將投入使用的通用ATS典型系統是美空軍的自動測試系統LM-STAR、陸軍的NGATS和海軍的eCASS。其中，eCASS是美軍各軍種引入ARGCS已驗證的新技術和ATS架構標準、落實標準ATS現代化升級的一個成功範例。美海軍現役的「綜合自動化保障系統」（CASS）是美海軍投資12億美元，從1986年開始委託主承包商洛馬公司牽頭研製的。作為系統設備的承包商，泰瑞達公司提供數字測試裝置，安捷倫科技公司提供射頻測試設備，諾斯羅普·格魯曼公司提供光電模塊。CASS於1991年開始生產，1994年開始服役，設計壽命約為20年。表1為CASS和以前使用的25種專用自動測試設備的對比。

表1 CASS與傳統專用測試設備的比較

至今，美海軍航空部隊已使用了713套CASS工作站測試飛機電子設備。美海軍海上系統司令部(NAVSEA)和其他9個國家也在使用CASS。CASS較好地解決了以前自動測試設備存在的問題，並降低了航電系統的擁有費用。CASS測試站的平均故障間隔時間是776小時，可用度是87.9％，遠優於傳統的自動測試設備，並為。但進入21世紀後，CASS陸續出現了老化、技術能力不足、基礎設施耗損等問題，美海軍認為CASS已無法滿足測試需求，需要開發新的系統進行替換。因此，美海軍在2002年完成了最後一批CASS的採購工作後，隨即啟動了CASS現代化改進的論證工作，思路是「使所有的CASS採用相同的體系結構與配置，測試程序集可在所有配置間相互移植，CASS和其他軍種系統相互兼容，能方便地嵌入新測試技術，能方便地通過測試站升級去滿足特定的被測單元測試需求，且確保升級成本最小」。

美海軍委託洛馬公司將CASS升級為eCASS，升級成本為8330萬美元。海軍計劃用下一代eCASS系統代替現有的5種CASS主機系統（混合、射頻、高功率、CNI和光電）。eCASS包括基本型、射頻型、通信/導航/應答識別型、高功率雷達型、光電型、基地型六種型別，其主體是4機櫃核心測試站，見圖5。為滿足未來武器系統測試需求，eCASS引入了新型測試技術，如相位雜訊測量、矢量信號發生器，光纖通道等。eCASS包括CASS原有的ATLAS測試程序環境，並增加了更現代化的LabWindows/CVI測試程序環境。此外，eCASS系統的軟體設計預計基於洛馬公司LM-STAR的標準測試操作和運行時管理器，使其能夠支持F-35飛機的先進航電系統測試。

與CASS相比，eCASS的優勢體現在以下幾個方面：

●成本效益分析表明，研製設計使用壽命為30年的eCASS比零散地對CASS測試站分別開展現代化改進可節約20億美元的費用。

●eCASS和CASS擁有相似的底座和相同的工作環境要求，將節省艦船改造費用。

●eCASS開放的系統體系結構將會降低工程造價成本。

●使用eCASS後，測試站總數可以減少大約三分之一。

●eCSS測試程序集運行要比CASS快，或者和CASS一樣快，增加了相同時間內的測試工作量。

●eCASS將能再利用CASS高功率和光電模塊，再利用CASS設備的電、空氣、冷卻水介面，後勤保障規模不超過CASS。

●用超級電容器取代鉛蓄電池，使備份電源系統壽命周期成本降低75%。

●數字測試單元同軸電纜束變為超薄帶狀電纜防松插座，降低了維護難度。

●當測試站因故障關閉時，計算機和監視器能使用24V應急電源繼續運行。

●每個測試站有兩個獨立的監視器。

●一些現有的輔助設備集成到了測試站內部。

●工作台更加耐用。

●減少了測試站內部電纜數量。

eCASS項目於2010年3月24日進入工程研製，2013年12月16日通過里程碑C審查，洛馬丁公司獲得1.03億美元eCASS初始小批量生產合同，要生產36套eCASS和相關的保障設備。現有的CASS測試站被集成到eCASS測試站中，這是eCASS系統實際部署到艦隊上的關鍵一步。2014年9月開始了CASS TPS向eCASS的移植工作，大約有550套TPS被移植。2015年1月，洛馬公司向美海軍交付第一套生產型eCASS，2017年2月16日，洛馬公司宣布獲得eCASS批產合同。美海軍最終計劃建設341套eCASS測試站。

五、美軍發展ATS技術的經驗教訓及啟示

從美軍ATS技術的發展歷程可以看出，在20世紀60、70年代，美軍各種武器型號獨立發展專用的自動測試設備（ATE），造成ATE品種繁多，價格昂貴，而不同種類的ATE之間雖具有85-95%的通用測試能力卻不具有互操作性，美軍多次為類似的重複設計花冤枉錢；到20世紀80年代中期，美軍開始發展軍種內部通用的ATS產品族，在降低費用和提高軍種內部各武器裝備ATS之間的通用性方面取得了一定的成效，但由於缺乏開放性，仍然面臨著傳統的老化過時問題和難以滿足先進電子發展需求等問題。此外，各軍種ATS系統間缺乏互操作性，無法適應現代多兵種聯合作戰和網路中心戰的要求；於是，到90年代中期以後，美國防部吸取了ATS開發前期各自為政、重複開發、浪費資源的教訓，成立了集中統一的管理機構——國防部ATS執行局。執行局可以站在全軍統一的高度，以大系統的觀念來規劃測試技術設備的發展。首先構建ATS開放式體系框架，並把ATS框架納入武器裝備體系，使其成為國防部聯合技術體系結構（JTA）的一個子域，ATS框架標準在型號採辦中必須強制執行，從而從管理層面上保證測試設備和武器裝備並行論證，同步建設，並且在設計階段便確定武器裝備全壽命各階段的測試和診斷策略，便於武器裝備的設計、研製、試驗、生產和維護使用各階段的測試技術和測試設備實現縱向一體化，從而為武器裝備的全系統、全壽命管理提供保障條件。

集中統一的管理體制既可克服「 多頭、分散、分段」管理的弊端，又在各軍種原有「 測試計劃」的基礎上，充分利用已取得的成果，取長補短，有效地組織各軍種的資源，在更高的層面上啟動統一的「下一代測試計劃」（NxTest）。美國防部ATS執行局還牽頭，並聯合IEEE SCC20標準分會、測試儀器廠商組成的VXI聯盟、PXI聯盟以及測試與診斷聯盟等工業組織通過一系列民用標準構建了ATS技術體系框架，並根據應用要求和相關技術的發展不斷地加以補充、改進和完善。這樣做充分發揮了軍方和工業部門的積極性和各自優勢，不僅可以有效地降低ATS的費用，而且按照通用化、綜合化的要求，促進ATE、TPS及診斷信息的資源共享，實現測試系統互換、互操作的目標。

美軍ATS發展的實踐給我們以下述啟示：

——軍工測試技術的發展必須走體系化、標準化的發展道路；

——集中管理、統一協調是測試技術體系化發展的保證；

——軍方與工業界密切合作，共同促成開放通用航空技術體系的建立。

（中國航空工業發展研究中心張寶珍）

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