第四代預警機發(fā)展研究
摘 要:第四代預警機在服從各類武器裝備共同具有的無人化、智能(néng)化與網絡化協同運用等普遍性特點的同時(shí),具備機身與電子深度融合、有人平台與無人平台協同運用、微波與光學(xué)探測互爲補充、集中式單平台與分布式多平台共同發(fā)展等四類趨勢,并在總體技術架構上具備“蒙皮化傳感器+網絡化運行環境+智能(néng)化應用服務”的典型特征。此外,文中給出了第四代預警機的體系貢獻度評價指标與實施方法,以及未來裝備發(fā)展的相關建議。
關鍵詞: 網絡信息體系;預警機;智能(néng)蒙皮;體系貢獻度;指揮控制
引 言
預警機自1945年首次服役以來,迄今曆經(jīng)75年發(fā)展,可以分爲三代[1]。
第一代預警機定位爲空中雷達站,主要用于低空補盲,技術上雷達采用普通脈沖體制,雷達情報通過(guò)摩爾斯電碼和話音下傳至艦載或地面(miàn)指揮所,發(fā)展時(shí)期爲20世紀40年代至20世紀70年代;
第二代預警機定位爲空中指揮所,技術上雷達采用脈沖多普勒和有源相控陣體制,并基于多傳感器配置與數據融合形成(chéng)高質量情報後(hòu),通過(guò)數據鏈與其他作戰單元進(jìn)行協同,發(fā)展時(shí)期爲20世紀70年代至21世紀初;
第三代預警機定位爲空中戰場管理中心[2],是作戰體系中的核心與樞紐性節點,在各型作戰平台管理、平台傳感器管理和信息火力協同等方面(miàn)發(fā)揮更多作用,技術上具有網絡化、一體化、軟件化和智能(néng)化等特點,發(fā)展時(shí)期爲21世紀初至今。
第四代預警機將(jiāng)在網絡信息體系中設計與運用,同時(shí)服從各類武器裝備發(fā)展具有的無人化、智能(néng)化與網絡化協同等普遍性趨勢。但與前三代預警機發(fā)展過(guò)程中世界各軍事(shì)強國(guó)均有比較明确的規劃布局相比,目前對(duì)2030年後(hòu)預警機裝備并沒(méi)有給出全面(miàn)展望、系統規劃與清晰定義,總體認識失之片面(miàn)與零星。以美軍爲例:
表1《2030年飛機清冊》提出的部分機型發(fā)展清單[5]
有鑒于此,可以認爲現階段各軍事(shì)強國(guó)對(duì)預警機裝備的未來裝備發(fā)展尚在探索之中,從一定程度上看,也可以認爲我國(guó)在預警機裝備發(fā)展上正在失去強國(guó)參照,需要更加自主地定義未來。本文以網絡信息體系條件下空中作戰裝備具備的普遍性[7]爲基礎,系統分析第四代預警機的裝備定位與技術特征,希望爲國(guó)内開(kāi)展前瞻性技術布局、裝備改進(jìn)與研制提供參考。
1 裝備定位
在回答第四代預警機裝備定位之前,應該首先回答預警機裝備爲什麼(me)能(néng)夠持續存在。其理由在于“偵、控、打、評”打擊鏈的永恒性,以及預警機自誕生以來的三個優勢在未來戰争中仍然能(néng)夠保持。
1)空基優勢。隻要探測感知與指揮控制平台以電磁波爲主要手段,絕大部分頻段的電磁波僅能(néng)在視距内進(jìn)行傳輸的問題就(jiù)必須克服。空基平台所擁有的大視距特點,即使是在未來戰場上,也仍將(jiāng)使得它相對(duì)于地基平台在低空目标探測上具有優勢。
2)運動優勢。預警機相對(duì)于固定式探測感知平台,可以利用機動性擴大覆蓋範圍和生存力;在網絡信息條件下,機動性也將(jiāng)爲分布式和網絡化協同運用提供支持,例如機載雷達的多基地應用或電子偵察系統的多基協同與運動定位中,機動性可以優化陣位和拓展工作模式,從而提高探測距離和精度。
3)集成(chéng)優勢。早期的預警機僅在飛機上集成(chéng)雷達和簡單通信系統,此後(hòu)随著(zhe)功能(néng)拓展和技術水平提升,雷達、電子偵察、通信偵察等多類傳感器以及短波、超短波、衛星通信等各類數據鏈系統均在飛機上集成(chéng),使得預警機既能(néng)執行多種(zhǒng)作戰任務(比如偵察、預警、指揮等),也能(néng)夠鏈接體系内多種(zhǒng)作戰要素,從而構成(chéng)體系作戰能(néng)力的重要依托。
預警機裝備的三個基本優勢,將(jiāng)使其在網絡體系條件下繼續生存與發(fā)展。與其他空中作戰裝備類似,其作用將(jiāng)以無人化、智能(néng)化、網絡化和分布式形态實現,此處不再對(duì)此展開(kāi)論述。但第三代預警機所擁有的戰場管理能(néng)力,在第四代預警機上將(jiāng)與探測感知分離,從而使得第四代預警機主要執行探測感知任務。而之所以存在這(zhè)種(zhǒng)分離,主要因爲第三代預警機具備的戰場管理能(néng)力是在有人條件下實現的,而未來網絡信息體系條件下,分布式與網絡化作戰要求管理的作戰平台類型、數量和作戰任務越來越豐富,對(duì)戰場管理的能(néng)力要求進(jìn)一步提升;但由于無人化與智能(néng)化發(fā)展速度的不平衡,無人化在一定程度上領先于智能(néng)化,基于人的戰場管理能(néng)力在一段時(shí)間内難以通過(guò)智能(néng)化技術在無人平台上與探測感知同步實施,因此網絡體系條件下,第四代預警機的戰場管理能(néng)力和探測感知能(néng)力在無人化的單平台上難以同時(shí)滿足。随著(zhe)人工智能(néng)技術的進(jìn)一步發(fā)展,也許在第五代預警機上重新實現兩(liǎng)者的結合更爲現實。
在第四代預警機將(jiāng)戰場管理任務從自身中剝離的同時(shí),探測感知任務也將(jiāng)在分布式節點之間進(jìn)一步分離。這(zhè)種(zhǒng)分離有兩(liǎng)種(zhǒng)含義:1)原來集中在一個大平台上實現的探測感知任務將(jiāng)分散到各個不同平台上實現;2)探測感知任務内部的細分,例如發(fā)現、跟蹤和識别,也可能(néng)由不同平台來完成(chéng)。
網絡信息體系條件下分離必然導緻共享,正是通過(guò)共享,才能(néng)使各個分離的平台與任務能(néng)夠整體發(fā)揮作用,從而構成(chéng)“偵、控、打、評”殺傷鏈的一環以及殺傷網[8]的功能(néng)節點,即“能(néng)力湧現”;另一方面(miàn),通過(guò)共享,每一個節點被(bèi)賦予超出自身之外的能(néng)力,自身在網絡中找到定位并實現價值提升,即“體系賦能(néng)”。因此,分離與共享構成(chéng)網絡信息條件下第四代預警機裝備定位的主題。
2 主要特征
雖然從裝備定位上看,預警機將(jiāng)作爲網絡信息體系中執行探測感知任務的空中主要節點存在,似乎與第一代預警機類似,但正如“否定之否定”規律所揭示的,第四代不是向(xiàng)第一代簡單地回歸與重複,而是随著(zhe)作戰樣(yàng)式的演進(jìn)與技術的發(fā)展,呈現出有時(shí)代特色的四個總體特征。而這(zhè)四個方面(miàn)的總體特征,又應該服務于解決預警機對(duì)新型作戰樣(yàng)式、新型目标威脅、複雜對(duì)抗環境和輕小平台安裝等幾類基本需求的适應性問題;因這(zhè)些需求性問題對(duì)于空中作戰裝備具備普遍性,限于篇幅,本文僅針對(duì)第四代預警機的總體特征進(jìn)行論述。
2.1 機(體)、電(子)融合
機體與任務電子系統的深度融合是第四代預警機的主要技術特點之一。在第三代預警機任務載荷與平台一體化設計的基礎上,以微波雷達爲主的任務載荷將(jiāng)與機體蒙皮實現從一體化集成(chéng)向(xiàng)深度融合的跨越,而執行不同任務的任務電子系統自身也更加作爲一個整體,一體化和多功能(néng)程度持續提升。
這(zhè)種(zhǒng)深度融合的系統我們可以稱爲“智能(néng)蒙皮”[9],不僅是共形化的輻射單元,更是多功能(néng)集成(chéng)系統。雖然這(zhè)個概念早在20世紀80年代即由美國(guó)空軍提出,且多年來已經(jīng)取得若幹進(jìn)展[10],但在其與預警機應用的結合中,應該有新的内涵。它以一體化爲基礎,以智能(néng)化爲核心,其具體含義有四點。
1)更寬頻帶,對(duì)于機體更大的新型隐身目标,可能(néng)需要進(jìn)一步降低頻段;而出于抗幹擾等需要,需要增加多種(zhǒng)頻段,因此第四代預警機探測頻段可能(néng)空前增加,而無人平台可以定制,即貫徹“傳感器飛機”[11]理念,可以滿足更大孔徑和更多重量的需求。
2)更優密度,爲提高探測性能(néng)和适裝性,需要進(jìn)一步提高單位蒙皮面(miàn)積的功率密度,并降低重量密度。
3)更多功能(néng),基于更寬頻段,集成(chéng)化實現雷達、通信、偵察和幹擾等多種(zhǒng)功能(néng),并自适應感知外界電磁環境。但需要注意的是,預警機智能(néng)蒙皮首先要解決的應該是雷達多頻段探測問題,而不是多功能(néng)集成(chéng)問題,這(zhè)正是預警機智能(néng)蒙皮與其它平台的不同之處。
4)更小截面(miàn),在蒙皮具備适度隐身性能(néng)的同時(shí),基于對(duì)輻射能(néng)量的更精确管控,降低截獲概率,支撐實現穿透式情報監視偵察。第四代預警機基于智能(néng)蒙皮解決硬件的集成(chéng)問題,以此爲基礎,通過(guò)網絡化基礎環境提供下層硬件與上層應用系統之間的接口。
與第三代預警機的操作系統運行環境和中間件主要爲基于本平台局域網的各種(zhǒng)異構平台運行提供支持相比,第四代預警機的網絡化運行環境需要更多地爲基于跨平台無線網絡的各種(zhǒng)異構平台運行提供支持,在借鑒民用基于互聯網環境的網絡操作系統概念的基礎上,將(jiāng)支撐網絡信息體系條件下多鏈組網管理、空中協同節點資源虛拟化管理和分布式服務等能(néng)力的軟件系統集成(chéng)爲預警機專用和面(miàn)向(xiàng)雲的網絡操作環境(圖1),是第四代預警機的重要技術特點。在此基礎上,應用程序在實現彼此間解耦及與下層硬件解耦的同時(shí),可以統一調度網絡内的各類資源,并智能(néng)化完成(chéng)各類功能(néng)。因此,第四代預警機總體上將(jiāng)呈現出“蒙皮化傳感器 + 網絡化基礎環境 + 智能(néng)化系統應用”的技術特征。
圖1 第四代預警機網絡化基礎環境概念
2.2 單(體)、(集)群并重
第四代預警機的單體和集群形式同時(shí)存在于網絡信息體系,是其産品形态的重要特點。從平台形式來看,第四代預警機將(jiāng)以無人爲主;但在其演進(jìn)過(guò)程中,傳感器集中在單個平台上運用的單體預警機形式和分散在多個平台上運用的分布式或集群預警機形式將(jiāng)并行存在,反映了第四代預警機發(fā)展過(guò)程中其産品形态的多樣(yàng)性。
兩(liǎng)者將(jiāng)以智能(néng)蒙皮爲共同技術基礎,但在平台規模上有較大差異,不能(néng)偏廢。其中,單體形式規模比較靈活,其最大起(qǐ)飛重量從數十噸左右一直可以減少到十噸以内,利用無人平台的通用性優勢,如低成(chéng)本、高升限和長(cháng)航時(shí)等特點,執行常态化警戒任務,是第四代預警機發(fā)展早期的主要形态;集群形式則由于其平台規模相比集中式平台顯著減小,其載荷在重量、體積和功耗等方面(miàn)的要求相對(duì)較高,其普及速度將(jiāng)取決于微系統技術的充分發(fā)展;同時(shí)由于單個平台上載荷能(néng)力有限,分布式協同運用將(jiāng)成(chéng)爲其拓展能(néng)力的主要手段。
2.3 微(波)、光(電)互補
第四代預警機在載荷形式上的另一個重要特點可能(néng)是,在以微波(及米波)爲主的同時(shí),采用光電手段(最爲典型的波段爲紅外,本文特指紅外波段光電探測系統)執行對(duì)隐身空氣動力目标的探測任務[12]。相對(duì)于傳統的紅外光電探測系統,其在任務能(néng)力上可以對(duì)低熱輻射目标進(jìn)行全方位搜索,在信号處理上將(jiāng)傳統的高信噪比成(chéng)像轉變爲低信噪比檢測。
微波與光電互補的必要性在于,光電系統由于無源工作,相比于有源微波系統,其對(duì)低/零功率作戰适應性更好(hǎo),作用距離更遠,抗幹擾能(néng)力也更優;相比微波無源系統,其方位分辨能(néng)力和精度更好(hǎo),便于區分密集目标,并改善目标識别性能(néng)。此外,由于其載荷對(duì)平台的安裝要求低,相比微波系統而言,在平台适應性方面(miàn)更具優勢。光電探測用于預警機,將(jiāng)是第四代預警機在産品形态多樣(yàng)化上的重要體現,也是對(duì)“單、群并重”特點的重要支撐。
光電預警探測系統用于機載條件下的預警探測,已初步具備工程應用條件,其主要技術途徑包括:研制預警探測專用器件,通過(guò)擴大探測器譜寬和加大單元能(néng)量接收面(miàn)積,提高能(néng)量利用效率;在進(jìn)一步加大孔徑的同時(shí),引入自由曲面(miàn)設計技術和離軸多反光學(xué)系統,或在低成(chéng)本平台上采用非制冷技術降低裝機代價;借鑒相控陣微波雷達工作模式設計,加大時(shí)間積累來換取更多能(néng)量;采用恒虛警、檢測前跟蹤、多波段協同和模式識别等先進(jìn)算法,降低檢測信噪比(圖2)。
圖2 光電系統用于預警探測的主要技術途徑
光電預警探測系統存在的突出問題有四類。
1)相比傳統的光電成(chéng)像與搜索跟蹤系統,由于其探測距離更遠,且預警機要求下視,因此受背景影響更爲嚴重,傳播路徑損失更大,反雜波問題需要進(jìn)一步研究解決。
2)爲提高情報與信息質量,希望光電預警探測系統提供距離信息,真正實現被(bèi)動光電系統的“三坐标”能(néng)力,爲此需要開(kāi)展多基地協同測距、多波段協同測距與激光協同測距等研究。
3)爲适應更小的無人平台,需要載荷進(jìn)一步輕小型化。
4)相比于微波系統在目标特性方面(miàn)的認知,光學(xué)系統還(hái)處在起(qǐ)步階段,需要充分開(kāi)展基礎研究。2.4 有(人)、無(人)協同
有人無人協同是第四代預警機在作戰運用上的重要特征。未來的預警機必須是編隊作戰的,編隊協同是網絡信息體系條件下實現裝備體系賦能(néng)和能(néng)力湧現的重要途徑。
從協同效能(néng)上看,有人無人協同可以實現探測增程、識别增準、決策增速,創新作戰樣(yàng)式和提升作戰能(néng)力。
從裝備體系構建角度看,有人預警機通常是領先建設的,是裝備存量;無人預警機是後(hòu)發(fā)研制的,是裝備增量,通過(guò)有人預警機與無人預警機協同工作,也是實現現有裝備效能(néng)最大化的必然需求。
從協同樣(yàng)式上看,可以分爲三類:1)有人預警機與無人預警機的協同[13];2)無人預警機之間的協同;3)有人預警機之間的協同。與前兩(liǎng)類協同方式相比,有人預警機之間的協同容易被(bèi)忽視,而從實現協同的技術途徑上看,有人預警機之間的協同相對(duì)來說(shuō)更容易實現,可以爲有人-無人協同積累技術與經(jīng)驗,同時(shí)也是用好(hǎo)存量的重要措施。通過(guò)有人預警機之間的協同,可以充分發(fā)揮人在回路優勢,創新實現戰場頻譜統一管控、能(néng)量與時(shí)間統一調度、不同顆粒度情報共享、分布式指揮控制與射手選擇等裝備功能(néng),讓裝備在體系中發(fā)揮最大效用。
3 體系貢獻度評價方法
網絡信息體系條件下評價預警機裝備的體系貢獻度,大緻可以分爲湧現度、時(shí)效性、生存性和集約性四類指标[6]。
湧現度衡量單件裝備能(néng)力對(duì)殺傷鏈(或殺傷網)各相關環節或要素的影響,其評價基礎是單件裝備的基本功能(néng)性能(néng)評價指标。第四代預警機以探測與識别爲基本功能(néng),雖然處于殺傷鏈的前端環節(“偵”),但考察其貢獻度,應該從它對(duì)控、打和評的作用來衡量,且具體評價可能(néng)與工作模式和産品形态有關。
例如,對(duì)于單體工作的預警機而言,其基本功能(néng)的評價指标在于探測威力、精度、分辨力、可識别目标類型以及識别概率等等。那麼(me),這(zhè)些基本功能(néng)指标一方面(miàn)將(jiāng)殺傷鏈中的特定環節(例如,對(duì)于“偵”的環節,它自身也是網絡化組織的,由很多網絡要素構成(chéng))能(néng)力提升了哪些是需要考察的,另一方面(miàn)這(zhè)些基本功能(néng)指标通過(guò)網絡化組織後(hòu)對(duì)後(hòu)端環節又會(huì)産生何種(zhǒng)影響(如提高了決策準确性、加快了決策時(shí)間、延伸了武器系統的發(fā)射距離等等),也是需要考察的,這(zhè)就(jiù)構成(chéng)了湧現度評價矩陣,這(zhè)個矩陣的一維是基本功能(néng)性能(néng)對(duì)“偵”自身環節整體上的能(néng)力提升,另一維是對(duì)打擊鏈後(hòu)端各環節效能(néng)的影響。而對(duì)于無人集群運用或有人-無人協同運用時(shí),除了按照前述評價方法將(jiāng)集群或協同運用的各類單體作爲一個整體開(kāi)展評價外,也要評價這(zhè)個“整體”内部的各個單元,其單件能(néng)力在通過(guò)集群或協同運用後(hòu)所能(néng)達到的能(néng)力。
時(shí)效性評價可以從兩(liǎng)個方面(miàn)來理解。一是站在湧現度的角度,衡量第四代預警機在體系中帶給“偵、控、打、評”各環節的能(néng)力增量,隻不過(guò)這(zhè)個能(néng)力增量除了從各個環節分别開(kāi)展評價外,對(duì)殺傷鏈作爲一個整體的效能(néng)貢獻,也要做出評價,這(zhè)種(zhǒng)整體效能(néng)貢獻最主要的即是殺傷鏈閉環時(shí)間。在這(zhè)個意義上,時(shí)效性評價可以放在第一類指标“湧現度”中。除了湧現度外,時(shí)效性還(hái)可以指第四代預警機在自身所處的環節(即“偵”)完成(chéng)閉環的速度衡量,可以理解爲殺傷鏈作爲一個整體(大閉環)對(duì)特定環節(小閉環)的時(shí)效性要求。從這(zhè)個指标出發(fā),需要強化小閉環的概念,因爲在複雜對(duì)抗環境下,并不一定是預警機開(kāi)始啓動工作就(jiù)可以形成(chéng)後(hòu)端可用的情報,絕大部分情況下需要調度傳感器的能(néng)量和時(shí)間等資源,在一定的時(shí)間約束下直到形成(chéng)後(hòu)端可用信息爲止。
第四代預警機的生存力評價將(jiāng)與第三代預警機顯著不同。第三代預警機是典型的集中式高價值平台,平台自身自衛手段較少,主要基于對(duì)威脅的及早發(fā)現、任務陣位選擇與戰鬥機護航來保障自身安全。對(duì)于第四代預警機的兩(liǎng)種(zhǒng)基本形态而言,集中式無人單平台的生存力評價可以沿用現有的“被(bèi)擊中概率”方法,但對(duì)于分布式無人平台或集群,其生存概率的計算應與前者不同,不能(néng)僅僅評價集群中個體的生存概率,更應該衡量每一個體的全部或部分功能(néng)可以向(xiàng)集群中其他個體甚至是集群之外的同類功能(néng)平台轉移的能(néng)力,也就(jiù)是說(shuō),可以考慮在補充引入類似轉移效率等概念的基礎上衡量集群整體的被(bèi)擊中概率以及戰場可存續時(shí)間等指标;因爲無人集群相比集中式平台更加允許個體的消失,個體消失後(hòu)集群功能(néng)整體上并不一定消失,而集中式平台個體消失後(hòu),整體功能(néng)随即消失。這(zhè)正是作戰樣(yàng)式變革對(duì)裝備生存力評價帶來的質變。
第四代預警機的集約性評價可以從兩(liǎng)個方面(miàn)開(kāi)展。1)适裝集約性,主要用來衡量任務能(néng)力對(duì)平台資源的利用效率,适應于集中式單平台和集群平台兩(liǎng)種(zhǒng)産品形态。例如,將(jiāng)預警機探測能(néng)力綜合成(chéng)功率孔徑積來度量(或者選用用戶最關心的指标,如探測距離),將(jiāng)平台資源指标選用最大起(qǐ)飛重量這(zhè)個最主要的指标,二者的比值就(jiù)是每單位重量所能(néng)達到的能(néng)力;若需要考察子系統的集約性,還(hái)可以進(jìn)一步細分,例如智能(néng)蒙皮的功率密度、重量密度比等。2)節點集約性,主要應用于集群平台,用以在體系範圍内衡量節點是否以最小數量融入體系使得既能(néng)貢獻足夠能(néng)力,又能(néng)維持必要冗餘以保障體系生存能(néng)力。
結 語
第四代預警機爲适應新的作戰樣(yàng)式、新的目标威脅、複雜作戰環境和多樣(yàng)化安裝平台,將(jiāng)以機身與載荷深度融合、微波與光學(xué)互相補充爲主要技術形态,以單體和集群并行發(fā)展、有人無人協同運用爲主要使用方式。預警機的發(fā)展也必將(jiāng)對(duì)技術的進(jìn)步産生強大的牽引作用,爲此建議:
1)加強應用于預警機的智能(néng)蒙皮概念、形态與關鍵技術研究,針對(duì)其寬頻帶、多功能(néng)和高性能(néng)等特性,集中開(kāi)展已有科研成(chéng)果梳理、集成(chéng)并做好(hǎo)後(hòu)續布局;
2)加強光電預警探測技術攻關,特别是針對(duì)載荷輕小型化、反雜波、三坐标、“時(shí)間頻率相位三同步”等工程問題以及全面(miàn)建立光學(xué)目标特性與識别基礎庫等基礎問題,集全國(guó)之力,進(jìn)一步推進(jìn)光電系統跨領域發(fā)展;
3)系統性加強有人預警機編隊協同、有人-無人協同以及無人平台分布式運用等研究,并重點解決好(hǎo)具有預警機特色的基礎性運行環境(操作系統)與協同通信網絡等問題,爲全面(miàn)提升預警機裝備體系能(néng)力打下基礎。
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