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美国数字化陆战场向网络化、智能化深入发展

导读:美陆军在数字化战场建设规划、“全球信息网络”(GIG)与陆战网等顶层设计的基础上,为进一步适应跨域协同、网络化、无人化的作战模式,开展了战场物联网、卫星通信系统(包括宽带全球卫星WSG-1、“鹰眼2M”战术侦查纳卫星等),以及战术应用(TacApps)软件、MCSS任务指挥软件套件、SitaWare态势感知与指控系列软件等作战软件的开发与部署,从而为美陆军数字化战场向网络化、智能化发展奠定了基础。在构建多维实时的战场空间数据和敌我态势信息获取、处理与服务系统的同时,美陆军未来司令部还开展了未来无人机系统(FUAS)、未来攻击型侦察直升机(FARA)、未来远程突击飞行器(FLRAA)等“未来垂直起降”作战平台,以及“利剑”机器人、ARV重型机器人战斗车与Packbot便携式机器人等无人地面作战装备的研究。近年来更是针对未来复杂环境下的作战任务与需求,开展了“班组X”系列项目的研究与探索,致力于研发和集成无人机、无人地面车辆、先进传感器和机器学习等前沿新技术,以增强作战部队的网络化、智能化作战能力。最终将在各平台与作战部队间建立数字化的指挥控制网络,使陆战场全面实现数字化、一体化。

数字化陆战场及信息网络建设顶层设计

自20世纪80年代起,美军就致力于利用现代信息技术将战场上的各种作战力量通过统一的信息网络连接起来,开展了“数字化战场”的理论与实践研究,并对“数字化战场”建设进行了规划。

20世纪90年代~2010

重点在于将旅与旅以下的现有装备数字化,尤其将各兵种的作战平台数字化,初步建成数字化陆战场。

201021世纪30年代末

将陆战场全面实现数字化、一体化,并分别建成数字化空战场与数字化海战场。

21世纪30年代~50年代

将建成陆、海、空、天一体化的数字化战场;

重点在于构建“保障军事行动的全球信息基础设备”。

为达到“低伤亡”甚至“零伤亡”,美陆军多年来致力于发展无人化装备。一方面将小型、隐身、高速无人装备作为低空、超低空侦察与作战的重要力量;另一方面将利用无人战车、机器人取代坦克、步兵,以执行前沿攻坚与纵深特战等艰巨任务。

陆军的发展路线图

美国陆军十分重视战场网络建设,尤其对“全球信息网络”(GIG)、陆战网的顶层设计格外重视。

“全球信息网格”(GIG)

“全球信息网格”(GIG)是将美军在全球范围内的传感器网、计算机网与武器平台网联为一体的全球性信息化作战空间网,预计在2020年建设完成,但详情未见披露。

GIG能根据每个用户的需求向其推荐信息与作战知识,能以通用作战图像的形式向作战部队提供战场态势信息,为陆、海、空军和海军陆战队官兵提供数据。

具有全球互联、终端对终端的信息传输能力,可应作战人员、决策层和支援人员的需要对作战空间的信息进行收集、处理、贮存和分发。

拥有向所有的行动地点(包括基地、机动平台、部署地点、兵营、哨所等)提供所需作战空间信息的各种能力。

GIG将作为美军未来的数据中枢,是未来战争能否从以武器平台为中心转向以网络为中心的关键,更是网络中心战的“神经中枢”。未来,网络中心战能够通过GIG更有效地利用战场信息和战争资源,从而大幅提高部队的作战能力。

陆战网(LandWarNet)

“陆战网”与海军的“部队网”、空军的“星座网”并称为GIG的军种子网,是为陆军领导人和指挥官指挥统一陆地作战提供信息的企业级网络。“陆战网”采用与其他军种子网同样的标准和框架以及联合体系结构进行建设,以确保能够互联、互通、互操作,最终实现各军兵种间最大限度的态势共享与联合打击。

陆军网高层作战概念图

“陆战网”涵盖美陆军所有网络、基础设施、通信系统和应用系统,将美国陆军的网络集成为一体化网络,组成新型的网络数据链。端到端陆战网现代化战略包括5个高层次的目标:

可操作性陆战网

建立单一、安全、基于标准的网络环境;

注重坚持传输性、安全性和通用性标准,成为硬件中立者。

显著改善的网络安全态势

将软件与监控工具标准化,并发展其使用的战术、技术和程序;

将使用云计算理念的薄客户端替代保密网络,将零客户端替代非保密网络。

实现效能的同时提高作战有效性

建立与国防部联合信息环境同步的陆军企业架构,整合数据中心,并简化采购、承包和信息确保认证的过程。

能与联合伙伴协同工作

遵守共同作战环境,旨在确定应用程序与软件必须符合的参数;

通过互联网协议传输所有数据,简化并促进新功能与现有系统和软件的集成。

发展专业信息技术力量以支持远征陆军

提高网络操作专业人员的技术水平;

解决信息技术管理与网络安全需求的迅速变化和重叠问题。

“陆战网”能够将陆军作战行动纳入联合作战框架,将其部署后,美陆军可在全球任何地点进入网络,并通过网络进行信息接收、存储、处理和传输,从而实现网络化、一体化作战,并大幅提高其网络中心作战能力。

构建未来战场网络通信与软件系统

美陆军在战场物联网、卫星通信系统以及作战软件等未来战场网络通信与软件系统的构建方面已经取得了长足的进展。

战场物联网

为了在跨域协同、无人化、网络化战场环境下利用战场物联网保持并增强陆军的优势,美陆军研究实验室于2017年成立了“战场物联网合作研究联盟”(IoBT CRA),旨在对陆军未来作战想定下的战场物联网开展研究。

而战场物联网的建立旨在将作战人员与装甲、无线电、武器等方面的智能技术有效联系起来,为其提供感官感知、态势理解、战场预测及风险评估等能力,并研究战场上自主代理与作战人员之间的协同作战能力。

三大研究领域

研发目标驱动的异构战场物联网,包括其组成及自适应能力;

研发自主战场物联网,以实现智能服务;

分布式异步事物处理与分析。

最新研究进展

2018年开始战场物联网演变的智能目标驱动网络研究,以交付搭建统一任务指挥网所需技术,研究周期约10年;

目前正研究利用智慧城市物联网为未来城市战中的战场物联网提供能力补充,并研发出一种新型通信协议远程广域网LoRaWAN),据称可在距离超过10公里的物联网设备中进行数据传输,并且在密集城市基础设施中亦具有可靠性。

先进软件系统

随着软件技术的飞速发展与装备信息化程度的不断提高,战场应用软件已成为陆军战场信息系统装备建设中不可或缺的重要组成部分。在军事需求的推动下,美陆军的战场应用软件发展迅速。

2017年起,美陆军指挥所计算环境中开始使用战术态势感知软件SitaWare,以使得其未来指挥所、指挥网、战术地面报告系统与陆军全球指挥控制系统具备互操作性。

2019~2025年间,美陆军还计划通过软件迭代和硬件模块化的综合集成方式,将联合作战指挥平台、未来指挥所、指挥网、陆军全球指挥控制系统、战术位置报告系统等多个任务系统整合成一个简单、直观并且具有互操作性的战场信息系统。

美陆军一直致力于开发与部署各种战场应用软件,其美陆军通信电子研发工程中心的战术应用(TacApps)软件、莱昂纳多DRS子公司的MCSS任务指挥软件套件与丹麦Systematic公司开发的SitaWare态势感知与指控系列软件等软件较具代表性。

TacApps战术综合应用软件

能够跨层级战场协同,跨指挥所、车载平台和徒步士兵网络环境运行;

能够实现苛刻战场环境下不同层级指挥官与作战人员之间的互通、互操作能力,消除“烟囱式”壁垒。

MCSS任务指挥应用软件

为陆军提供一种指控、态势感知、电子战系统综合集成的单一作战管理工作站能力,使各级作战单元能够通过战场网络近实时实现信息交互。

SitaWare态势感知应用软件

以通用开放式架构为基础融合海、陆、空与联合作战中心各情报侦察系统提供的空中、地面与海上图像,以及联合态势图;

提高指挥机构与前线部队的态势感知、指挥控制与作战管理能力。

据《塑造陆军网络(2025-2040)》称,美陆军将加强网络空间安全和弹性列入未来发展重点,未来将使其未来战场网络具备自我保护、自我修复、远程数据备份甚至必要的“自毁”能力,从而对可能影响网络运行连续性、弹性与安全性的所有武器系统形成防御能力。

卫星通信系统

卫星是美陆军不断发展的多域战概念的重要组成部分,在此仅以以下几种典型卫星项目为例对美陆军的卫星研究情况进行简要分析。

(一)宽带全球卫星WSG-1

美国陆军一直致力于其全球卫星通信星座与卫星终端的研究,旨在使士兵使用便携设备快速连接到全球通信。宽带全球卫星WSG-1首次发射于2007年,其运行速度是原有的国防卫星通信系统(DSCS)的12倍,能以2.1~3.6Gb/s的速度发送数据、图像和视频,在通信容量、连接性与灵活性上均取得了巨大突破。

全球快速响应信息程序(GRRIP)和移动战术指挥通信(T2C2)是WSG-1服务于小型便携卫星通信终端具有代表性的两个应用实例。

GRRIP被用于阿富汗,采用L波段卫星通信频段;

T2C2为可充气型,可快速搭建或拆卸,主要包括精简版(1.2米卫星终端,可让士兵在战场上在大约10分钟内建立通信)和重型版(2.4米卫星终端)。添加了Ka和X波段,可承受极端天气条件甚至在空投条件下也可运行,并提供灵活、稳健、不间断的高带宽网络通信与任务指挥能力,支持诸如whiteboard、聊天、视频和视频电话会议等通信系统以及需要大量数据吞吐的互联网协议电话。

自2015起,美陆军已经开始使用地面天线发射接收可充气式卫星通信天线(能够快速在严酷环境下投入使用并连接到WSG-1),并于2018年为其第82空降师第三旅部战斗队配备了T2C2系统。

(二)“鹰眼2M”(Kestrel Eye IIM)战术侦查纳卫星等典型小卫星项目

美陆军开展了“鹰眼2M”卫星、被称为“战术空间支持平台”(TSSV)的小型实验卫星等小卫星项目。

图表1:近期陆军小卫星项目内容

卫星

研究内容

研究目标

2M技术验证光学遥感卫星(仅重50kg

201710月通过Kaber微型卫星发射适配器从国际空间站成功部署入轨,直接受前线作战部队的指挥,以获取战场实时情报。

演示验证利用低成本光电成像纳卫星向地面部队提供持久的作战能力,有望使其在数分钟内获取1.5米分辨率的卫星图像,无需中转。

战术空间支持平台”(TSSV)小型实验卫星(由达因技术公司研究)

2018年底起为美国陆军航天与导弹防御司令部/陆军部队战略司令部研制、测试、集成和验证两颗小型实验卫星。

两颗卫星将装载“下一代战术空间支援有效载荷”,其可在近地轨道运行至少两年,最长可持续运行五年。

GunsmokeLonestarPolaris三种小卫星传感器有效载荷

20198月起在“鹰眼”卫星研究的基础上,对三种不同的小卫星传感器有效载荷进行研究。

在近地轨道(LEO)商业平台上演示验证精确定位、导航和授时(PNT)等能力。

此外,美陆军正寻求研发可大幅增加带宽且价格低廉的微型光学通信(激光)卫星。美陆军对绝密的国家情报卫星、小型卫星、商业卫星星座等开展了大量的研究与探索,以能够尽快实现积极迅速地向前线部队提供支援。

美陆军还致力于在LEO部署一种强大、持久的天基传感器层(由美国空间发展局开发),并将其视为多域战的“关键推动者”和“美国防部的首要任务之一”;美陆军还在发展一种“深度空间概念”,旨在为陆军本身、联合部队和外国伙伴的多域作战提供支持。

未来智能化、网络化作战平台研究

在“多域战”的指导思想下,美陆军更加强调数字化战场网络对陆、海、空、天等传统作战力量的融合、催化与赋能作用。尤其美军大力推行的国防大战略——“第三次抵消战略”的成果在未来陆战场上将更加体现为地面机器人、空中蜂群式无人机等技术在先进战场网络支持下所具备的强大战斗力。

为此,美陆军大力开展了对“未来垂直起降平台”、无人战车与地面机器人等的研究与部署。

美陆军“未来垂直起降”作战平台

2018年7月起,美陆军未来司令部致力于“未来垂直起降”计划的研究,主要包括未来无人机系统(FUAS)、未来攻击型侦察直升机(FARA)、未来远程突击飞行器(FLRAA)等项目,包括轻型、中型和重型3类和5种能力集中设计的直升机。针对不同“未来垂直起降”平台,美陆军亦提出了不同的要求。

FARA轻型隐身攻击侦察机

2020年发布概念图)

将采用具有单发、串列双座、可重构大屏显示器等的自主化模块化驾驶舱,以及开放式架构,能携带载荷;

能搭建安全的通信网络,以控制辅助无人机,具备人工智能,至少在部分时间能实现无人驾驶;

时速达到378公里,航程达到245公里以上。

未来无人机系统(FUAS

2020年启动)

将装备先进的航空电子设备、通信、导航和软件系统;

将利用通用和可扩展的控制接口以及即插即用的高级有效载荷,优化各种环境中空地机动单元的无人值守组合。

未来远程突击飞行器

FLRAA

至少能在35℃的高温环境中,搭载12名成员飞到超过1800米的高度,在不加油的情况下航程应超过3200公里,甚至可达到约4500公里;

应该能以最快约463公里/小时的速度飞行,最终目标巡航速度应达到约519公里/小时。

由美军对“未来垂直起降系统”的要求可以看出,该系统将主要用于完成“多域战”任务,需要具备整体态势感知与决策、综合任务装备、任务系统体系架构演示、模块化开放系统架构、有人-无人协同、综合防御和网络威胁下的生存能力、任务的自适应能力、精确打击能力等。

据美国陆军的规划,FARA旨在填补目前AH-64E阿帕奇攻击直升机与“影子”无人机之间的关键战斗力缺口,并计划于2023年进行该型直升机的飞行测试;FUAS将逐渐在旅级层面取代RQ-7B“影子”无人机;FLRAA将用于取代UH-60“黑鹰”直升机。

地面无人作战平台建设

在此仅对“利剑”机器人、ARV重型机器人战斗车与Packbot便携式机器人等较具代表性的地面无人作战平台的主要特性进行简单梳理。

利剑机器人

最多可安装7个不同类高清摄像头和红外摄像头,为士兵提供彩色、黑白、红外或夜视画面,以便从安全距离识别和引爆可疑物;

能够通过无线或者光纤网络遥控指挥完成移动、监视和射击等所有动作,并安装了“模块化先进武器机器人纠错系统”。

重型机器人战斗车辆ARV

安装了可伸缩套管天线杆,其上还固定了激光测距仪传感器和摄像机,可由操作员在数千米以外进行遥控,利用太空无线电导航系统进行导航,或根据车载计算机电子存储器中的预定路线,进行独立转移与自动避障;

未来还将具有自主与遥控行驶的能力。

PackBot便携式机器人

配备了广角驱动摄像机与4台高分辨率相机,10个完全集成的HazMat/CBRN传感器,集成了频率2.4GHz/4.9GHz的数字网状无线电组件、双向音频模块等多种通信系统,及6个有效载荷端口;

能通过导航穿过通道,实时传输视频、音频与传感器数据。

由此可以看出,美陆军的无人地面作战平台目前能够通过遥控完成移动、监视与射击等动作,甚至具有实时通信能力等。据称美国还将对无人地面作战平台的自主驾驶能力进行进一步研究。

未来作战模式探索——“班组X”系列项目

美国国防高级研究计划局(DARPA)正在开展“班组X核心技术”、“班组X实验”与“X班”计划,通过研发和集成无人机、无人地面车辆、先进传感器和机器学习等前沿新技术,增强班组的网络化、智能化作战能力。

“X班组”概念展示图

“班组X核心技术”(SXCT)项目。旨在研发可集成至用户友好型系统的新技术,在增强班组人员态势感知能力和作战能力的同时不会带来身体与认知的负荷,其最终目标是确保士兵及海军陆战队队员较潜在对手具有显著的战术优势。

“班组X实验”项目。班组X项目旨在为合成兵种班组设计、开发和验证系统原型。

“X班”计划。旨在增强美陆军步兵班态势感知、网络通信和数据共享的能力,以支持提前预测战术情况。

班组X核心技术”项目重点技术领域

(2015年启动)

精确交战,在保持与步兵武器系统兼容性的同时,精确交战;

非杀伤交战,以班组作战速度破坏敌人无人驾驶平台的指挥、控制和使用;

具有班组感知能力与自主性,以班组作战速度探测潜在威胁,通过与嵌入式无人驾驶空中和地面系统协作,使班组成员能够在GPS拒止环境中实时了解自身及成员的位置。

班组X实验”项目技术与能力突破重点

(2016年启动)

提升多域作战环境(物理、电磁和网络)中的共享态势感知能力;

通过优化利用身体、认知和装备资源来增加班组机动的时间并扩大其机动空间;

通过在以上三个域实现火力和机动同步来塑造战场空间,并主导战场。

“X班”计划

(2017年启动)

将为陆军和海军陆战队提供新一代的信息化、数字化武器装备系统,以及最新的智能手机通讯和易于使用的机器人助手。

“班组X实验”项目的两个合同商分别为洛克希德•马丁公司导弹与火控分部以及CACI公司的BITS系统分部,两家公司通过不同方式增强步兵的作战能力,目前已经进行了相关试验,如下表所示。

图表2:“班组X实验”发展动态

试验时间

试验内容

试验结果

201811

对洛克希德·马丁公司的“变形班组增强频谱态势感知和独立定位”系统进行试验,利用带有传感器系统的自主机器人对敌人位置进行探测,并传输信息海军陆战队,进行武力打击。

利用便携式、一体化自主空中与地面系统探测了来自物理、电磁和网络等多领域的威胁,演示并验证了在通信几近中断情况下班组的通信与协同作战能力。

2019年初

(原计划)

利用小规模作战单元与“班组X核心技术”研发的新型感知工具对CACI公司的BITS系统进行试验。

增强班组的态势感知能力和杀伤力,在无线频段和网络域中针对具体威胁进行探测、定位和攻击。

“班组X”项目的研究将围绕有人/无人编队展开试验与研究,以为陆军和海军陆战队下车作战单元提供自主系统。

美国防高级研究计划局(DARPA)最终要利用无人驾驶地面和空中系统使班组战斗力实现最大化。五角大楼要求利用高级科技技术,为战场上的美军、机器人和武器系统创造一个战场数据网络,以不断提供共享信息,并且不一定要依靠卫星或其他网络,从而避免在未来电子战/赛博空间作战中失去互联、互通、互操作的能力。

总结

美陆军立足于数字化战场建设规划,在对“全球信息网络”(GIG)与陆战网等进行顶层设计的基础上,进一步开展了网络通信、作战软件系统等多方面研究,致力于为未来构建多维实时的战场空间数据和战场态势感知系统。此外,美陆军还针对未来复杂环境下的作战任务与需求,开展了“班组X”系列项目的研究与探索,以研发和集成无人机、无人地面车辆、先进传感器和机器学习等前沿新技术为基础,将进一步增强美陆军步兵班态势感知、网络通信和数据共享的能力,最终使美陆战场全面实现数字化、一体化,并逐步向网络化、智能化的方向发展。

主要参考资料

1.美国陆军升级卫星通信终端.

2.美陆军“战场物联网合作研究联盟”建设情况.

3.美国“X班组核心技术”旨在为步兵班组带来技术进步.

4.解析美陆军正全力打造陆战网.

5.DARPA X班组项目研究进程探析.

6.美国陆军升级卫星通信终端.

7.无人化作战陆续走上陆战场陆战装备迈进“新的时代”.

8.C4ISR Architecture Framework Version 2.0.

9.Annex A Technical Standards Guidance to Land War Net 2020 and Beyond Enterprise Architecture Version 2.0.

10.Tacti-cal applications(TACAPPs)Java Script framework investigation.

11.Squad X Improves Situational Awareness,Coordination for Dismounted Units.

本文来源:高端装备产业研究中心

END

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