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第四代預警機發展研究
來源:新聞中心
發布時間:2021年02月24日 編輯:中國電子科學研究院專家曹晨

第四代預警機發展研究

        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、智能化與網絡化協同運用等普遍性特點的同時,具備機身與電子深度融合、有人平臺與無人平臺協同運用、微波與光學探測互為補充、集中式單平臺與分布式多平臺共同發展等四類趨勢,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標與實施方法,以及未來裝備發展的相關建議。

  關鍵詞: 網絡信息體系;預警機;智能蒙皮;體系貢獻度;指揮控制

  

引 言

  預警機自1945年首次服役以來,迄今歷經75年發展,可以分為三代[1]。

  第一代預警機定位為空中雷達站,主要用于低空補盲,技術上雷達采用普通脈沖體制,雷達情報通過摩爾斯電碼和話音下傳至艦載或地面指揮所,發展時期為20世紀40年代至20世紀70年代;

  第二代預警機定位為空中指揮所,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高質量情報后,通過數據鏈與其他作戰單元進行協同,發展時期為20世紀70年代至21世紀初;

  第三代預警機定位為空中戰場管理中心[2],是作戰體系中的核心與樞紐性節點,在各型作戰平臺管理、平臺傳感器管理和信息火力協同等方面發揮更多作用,技術上具有網絡化、一體化、軟件化和智能化等特點,發展時期為21世紀初至今。

  第四代預警機將在網絡信息體系中設計與運用,同時服從各類武器裝備發展具有的無人化、智能化與網絡化協同等普遍性趨勢。但與前三代預警機發展過程中世界各軍事強國均有比較明確的規劃布局相比,目前對2030年后預警機裝備并沒有給出全面展望、系統規劃與清晰定義,總體認識失之片面與零星。以美軍為例:

  • 一是在2017年“多疆域指揮控制”計劃[3]中提出,“E-3預警機(AWACS)任務可能會分解,這意味著該任務將由數量更多、尺寸更小的平臺執行,但可能仍將會有某種空中的中心節點,協調有人駕駛飛機和無人駕駛飛機的功能”;
  • 二是在2018年在“先進戰場管理系統(ABMS)”計劃[4]中提出,“將ABMS作為E-8C的后續項目,無人機、預警機、F-35等ISR/指控/打擊平臺被連接成簇,利用多平臺形成的‘面’偵察指揮網絡替代E-8C的‘點’偵察指揮系統,并將各傳感器節點信息繪制成統一的戰場圖景”;
  • 三是在2019年《大國競爭時代的美國空軍》[5]及2019年《2030飛機清冊》[5]中設想將現有“預警機和E-8C等ISR和BMC2大型平臺的功能廣泛分布于多個平臺和武器系統上,取而代之的是數量更多的小型ISR和BMC2平臺,其中還有一些是無人機,可以執行分布式網絡化作戰”,并提出發展穿透式情報監視偵察飛機(P-ISR),如表1所示,但此型飛機的定位與主要能力描述不多。再以俄羅斯為例,其報道比較多的、正在努力發展的A-100預警機[6],于2017年底首飛,可以歸為第三代,對其未來設想則知之甚少。

表1《2030年飛機清冊》提出的部分機型發展清單[5]

  

  有鑒于此,可以認為現階段各軍事強國對預警機裝備的未來裝備發展尚在探索之中,從一定程度上看,也可以認為我國在預警機裝備發展上正在失去強國參照,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]為基礎,系統分析第四代預警機的裝備定位與技術特征,希望為國內開展前瞻性技術布局、裝備改進與研制提供參考。

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為什么能夠持續存在。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爭中仍然能夠保持。

        1)空基優勢。只要探測感知與指揮控制平臺以電磁波為主要手段,絕大部分頻段的電磁波僅能在視距內進行傳輸的問題就必須克服??栈脚_所擁有的大視距特點,即使是在未來戰場上,也仍將使得它相對于地基平臺在低空目標探測上具有優勢。

        2)運動優勢。預警機相對于固定式探測感知平臺,可以利用機動性擴大覆蓋范圍和生存力;在網絡信息條件下,機動性也將為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)集成優勢。早期的預警機僅在飛機上集成雷達和簡單通信系統,此后隨著功能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,使得預警機既能執行多種作戰任務(比如偵察、預警、指揮等),也能夠鏈接體系內多種作戰要素,從而構成體系作戰能力的重要依托。

  預警機裝備的三個基本優勢,將使其在網絡體系條件下繼續生存與發展。與其他空中作戰裝備類似,其作用將以無人化、智能化、網絡化和分布式形態實現,此處不再對此展開論述。但第三代預警機所擁有的戰場管理能力,在第四代預警機上將與探測感知分離,從而使得第四代預警機主要執行探測感知任務。而之所以存在這種分離,主要因為第三代預警機具備的戰場管理能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臺類型、數量和作戰任務越來越豐富,對戰場管理的能力要求進一步提升;但由于無人化與智能化發展速度的不平衡,無人化在一定程度上領先于智能化,基于人的戰場管理能力在一段時間內難以通過智能化技術在無人平臺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力和探測感知能力在無人化的單平臺上難以同時滿足。隨著人工智能技術的進一步發展,也許在第五代預警機上重新實現兩者的結合更為現實。

  在第四代預警機將戰場管理任務從自身中剝離的同時,探測感知任務也將在分布式節點之間進一步分離。這種分離有兩種含義:1)原來集中在一個大平臺上實現的探測感知任務將分散到各個不同平臺上實現;2)探測感知任務內部的細分,例如發現、跟蹤和識別,也可能由不同平臺來完成。

  網絡信息體系條件下分離必然導致共享,正是通過共享,才能使各個分離的平臺與任務能夠整體發揮作用,從而構成“偵、控、打、評”殺傷鏈的一環以及殺傷網[8]的功能節點,即“能力涌現”;另一方面,通過共享,每一個節點被賦予超出自身之外的能力,自身在網絡中找到定位并實現價值提升,即“體系賦能”。因此,分離與共享構成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,預警機將作為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,第四代不是向第一代簡單地回歸與重復,而是隨著作戰樣式的演進與技術的發展,呈現出有時代特色的四個總體特征。而這四個方面的總體特征,又應該服務于解決預警機對新型作戰樣式、新型目標威脅、復雜對抗環境和輕小平臺安裝等幾類基本需求的適應性問題;因這些需求性問題對于空中作戰裝備具備普遍性,限于篇幅,本文僅針對第四代預警機的總體特征進行論述。

        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臺一體化設計的基礎上,以微波雷達為主的任務載荷將與機體蒙皮實現從一體化集成向深度融合的跨越,而執行不同任務的任務電子系統自身也更加作為一個整體,一體化和多功能程度持續提升。

  這種深度融合的系統我們可以稱為“智能蒙皮”[9],不僅是共形化的輻射單元,更是多功能集成系統。雖然這個概念早在20世紀80年代即由美國空軍提出,且多年來已經取得若干進展[10],但在其與預警機應用的結合中,應該有新的內涵。它以一體化為基礎,以智能化為核心,其具體含義有四點。

        1)更寬頻帶,對于機體更大的新型隱身目標,可能需要進一步降低頻段;而出于抗干擾等需要,需要增加多種頻段,因此第四代預警機探測頻段可能空前增加,而無人平臺可以定制,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,為提高探測性能和適裝性,需要進一步提高單位蒙皮面積的功率密度,并降低重量密度。

         3)更多功能,基于更寬頻段,集成化實現雷達、通信、偵察和干擾等多種功能,并自適應感知外界電磁環境。但需要注意的是,預警機智能蒙皮首先要解決的應該是雷達多頻段探測問題,而不是多功能集成問題,這正是預警機智能蒙皮與其它平臺的不同之處。

         4)更小截面,在蒙皮具備適度隱身性能的同時,基于對輻射能量的更精確管控,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蒙皮解決硬件的集成問題,以此為基礎,通過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為基于本平臺局域網的各種異構平臺運行提供支持相比,第四代預警機的網絡化運行環境需要更多地為基于跨平臺無線網絡的各種異構平臺運行提供支持,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擬化管理和分布式服務等能力的軟件系統集成為預警機專用和面向云的網絡操作環境(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,可以統一調度網絡內的各類資源,并智能化完成各類功能。因此,第四代預警機總體上將呈現出“蒙皮化傳感器 + 網絡化基礎環境 + 智能化系統應用”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存在于網絡信息體系,是其產品形態的重要特點。從平臺形式來看,第四代預警機將以無人為主;但在其演進過程中,傳感器集中在單個平臺上運用的單體預警機形式和分散在多個平臺上運用的分布式或集群預警機形式將并行存在,反映了第四代預警機發展過程中其產品形態的多樣性。

  兩者將以智能蒙皮為共同技術基礎,但在平臺規模上有較大差異,不能偏廢。其中,單體形式規模比較靈活,其最大起飛重量從數十噸左右一直可以減少到十噸以內,利用無人平臺的通用性優勢,如低成本、高升限和長航時等特點,執行常態化警戒任務,是第四代預警機發展早期的主要形態;集群形式則由于其平臺規模相比集中式平臺顯著減小,其載荷在重量、體積和功耗等方面的要求相對較高,其普及速度將取決于微系統技術的充分發展;同時由于單個平臺上載荷能力有限,分布式協同運用將成為其拓展能力的主要手段。

        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是,在以微波(及米波)為主的同時,采用光電手段(最為典型的波段為紅外,本文特指紅外波段光電探測系統)執行對隱身空氣動力目標的探測任務[12]。相對于傳統的紅外光電探測系統,其在任務能力上可以對低熱輻射目標進行全方位搜索,在信號處理上將傳統的高信噪比成像轉變為低信噪比檢測。

  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,其對低/零功率作戰適應性更好,作用距離更遠,抗干擾能力也更優;相比微波無源系統,其方位分辨能力和精度更好,便于區分密集目標,并改善目標識別性能。此外,由于其載荷對平臺的安裝要求低,相比微波系統而言,在平臺適應性方面更具優勢。光電探測用于預警機,將是第四代預警機在產品形態多樣化上的重要體現,也是對“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,通過擴大探測器譜寬和加大單元能量接收面積,提高能量利用效率;在進一步加大孔徑的同時,引入自由曲面設計技術和離軸多反光學系統,或在低成本平臺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,加大時間積累來換取更多能量;采用恒虛警、檢測前跟蹤、多波段協同和模式識別等先進算法,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,因此受背景影響更為嚴重,傳播路徑損失更大,反雜波問題需要進一步研究解決。

        2)為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,真正實現被動光電系統的“三坐標”能力,為此需要開展多基地協同測距、多波段協同測距與激光協同測距等研究。

        3)為適應更小的無人平臺,需要載荷進一步輕小型化。

        4)相比于微波系統在目標特性方面的認知,光學系統還處在起步階段,需要充分開展基礎研究。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和能力涌現的重要途徑。

  •   從協同效能上看,有人無人協同可以實現探測增程、識別增準、決策增速,創新作戰樣式和提升作戰能力。

  •   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;無人預警機是后發研制的,是裝備增量,通過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最大化的必然需求。

  •   從協同樣式上看,可以分為三類: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。與前兩類協同方式相比,有人預警機之間的協同容易被忽視,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來說更容易實現,可以為有人-無人協同積累技術與經驗,同時也是用好存量的重要措施。通過有人預警機之間的協同,可以充分發揮人在回路優勢,創新實現戰場頻譜統一管控、能量與時間統一調度、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,讓裝備在體系中發揮最大效用。

 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,大致可以分為涌現度、時效性、生存性和集約性四類指標[6]。

涌現度衡量單件裝備能力對殺傷鏈(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性能評價指標。第四代預警機以探測與識別為基本功能,雖然處于殺傷鏈的前端環節(“偵”),但考察其貢獻度,應該從它對控、打和評的作用來衡量,且具體評價可能與工作模式和產品形態有關。

  例如,對于單體工作的預警機而言,其基本功能的評價指標在于探測威力、精度、分辨力、可識別目標類型以及識別概率等等。那么,這些基本功能指標一方面將殺傷鏈中的特定環節(例如,對于“偵”的環節,它自身也是網絡化組織的,由很多網絡要素構成)能力提升了哪些是需要考察的,另一方面這些基本功能指標通過網絡化組織后對后端環節又會產生何種影響(如提高了決策準確性、加快了決策時間、延伸了武器系統的發射距離等等),也是需要考察的,這就構成了涌現度評價矩陣,這個矩陣的一維是基本功能性能對“偵”自身環節整體上的能力提升,另一維是對打擊鏈后端各環節效能的影響。而對于無人集群運用或有人-無人協同運用時,除了按照前述評價方法將集群或協同運用的各類單體作為一個整體開展評價外,也要評價這個“整體”內部的各個單元,其單件能力在通過集群或協同運用后所能達到的能力。

  時效性評價可以從兩個方面來理解。一是站在涌現度的角度,衡量第四代預警機在體系中帶給“偵、控、打、評”各環節的能力增量,只不過這個能力增量除了從各個環節分別開展評價外,對殺傷鏈作為一個整體的效能貢獻,也要做出評價,這種整體效能貢獻最主要的即是殺傷鏈閉環時間。在這個意義上,時效性評價可以放在第一類指標“涌現度”中。除了涌現度外,時效性還可以指第四代預警機在自身所處的環節(即“偵”)完成閉環的速度衡量,可以理解為殺傷鏈作為一個整體(大閉環)對特定環節(小閉環)的時效性要求。從這個指標出發,需要強化小閉環的概念,因為在復雜對抗環境下,并不一定是預警機開始啟動工作就可以形成后端可用的情報,絕大部分情況下需要調度傳感器的能量和時間等資源,在一定的時間約束下直到形成后端可用信息為止。

  第四代預警機的生存力評價將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臺,平臺自身自衛手段較少,主要基于對威脅的及早發現、任務陣位選擇與戰斗機護航來保障自身安全。對于第四代預警機的兩種基本形態而言,集中式無人單平臺的生存力評價可以沿用現有的“被擊中概率”方法,但對于分布式無人平臺或集群,其生存概率的計算應與前者不同,不能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可以向集群中其他個體甚至是集群之外的同類功能平臺轉移的能力,也就是說,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擊中概率以及戰場可存續時間等指標;因為無人集群相比集中式平臺更加允許個體的消失,個體消失后集群功能整體上并不一定消失,而集中式平臺個體消失后,整體功能隨即消失。這正是作戰樣式變革對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個方面開展。1)適裝集約性,主要用來衡量任務能力對平臺資源的利用效率,適應于集中式單平臺和集群平臺兩種產品形態。例如,將預警機探測能力綜合成功率孔徑積來度量(或者選用用戶最關心的指標,如探測距離),將平臺資源指標選用最大起飛重量這個最主要的指標,二者的比值就是每單位重量所能達到的能力;若需要考察子系統的集約性,還可以進一步細分,例如智能蒙皮的功率密度、重量密度比等。2)節點集約性,主要應用于集群平臺,用以在體系范圍內衡量節點是否以最小數量融入體系使得既能貢獻足夠能力,又能維持必要冗余以保障體系生存能力。

結 語

  第四代預警機為適應新的作戰樣式、新的目標威脅、復雜作戰環境和多樣化安裝平臺,將以機身與載荷深度融合、微波與光學互相補充為主要技術形態,以單體和集群并行發展、有人無人協同運用為主要使用方式。預警機的發展也必將對技術的進步產生強大的牽引作用,為此建議:

        1)加強應用于預警機的智能蒙皮概念、形態與關鍵技術研究,針對其寬頻帶、多功能和高性能等特性,集中開展已有科研成果梳理、集成并做好后續布局;

        2)加強光電預警探測技術攻關,特別是針對載荷輕小型化、反雜波、三坐標、“時間頻率相位三同步”等工程問題以及全面建立光學目標特性與識別基礎庫等基礎問題,集全國之力,進一步推進光電系統跨領域發展;

        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臺分布式運用等研究,并重點解決好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,為全面提升預警機裝備體系能力打下基礎。

  

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