美国国防部(DoD)在2018年《美国国防战略报告(NDS)》中明确表示:“在过去的十五年中,我们对推迟的战前预备、采购和现代化的要求也不断增长,不能再被忽视。我们将有针对性并按部就班地增加人员和平台,以满足关键的能力和容量需求。”考虑到这点,国会将2018财年的国防预算增加到7000亿美元,比去年增加了1080亿美元。

本文将介绍预算会花在哪些领域,以及设计人员可能会实现哪些技术创新来弥合当前与未来的技术沟壑。

AI、大数据和机器人技术至关重要,但需相当的财力

研发支出显着增长主要在于NDS中提出的优先技术,以缩小高级计算、人工智能(AI)以及自主和机器人领域的技术差距。NDS中提到的用于实现关键防御能力现代化、现成商业(COTS)供应商可以很好支持的优先技术包括:

• 网络防御以及网络性能不断融入全方位军事行动方面的新投资;

• 对C4ISR(指挥、控制、通信、计算机、情报及监视与侦察)的投资,以开发可复原、可生存的联合网络和信息生态系统;

• 先进的自主系统、AI和机器学习。

对军用嵌入式COTS电子方案的开发商而言,这笔额外支出可提供快速恢复能力、致命性和预备技术支持。国防和航空航天系统和平台的设计人员希望不断引进先进技术,为战士提供战场上的绝对优势。这些技术包括传感器、计算、网络、机电系统等。

然而,先进技术本身还不够。它还需要有足够的经费、可靠和可持续。战士的生命取决于技术,而历史已经证明,如果作战人员不相信他们使用的技术,便会舍弃它们。

在高级计算方面增加支出将改善利用大数据分析的能力,使作战人员能够立即读取对他们至关重要的任何信息。读取信息需要使用云计算技术,使任何设备(无论作战人员在何处)在任何需要的时间都能读取数据。除此之外,将用于AI的机器学习(ML)功能带入网络边缘,需要高得多的本地处理能力,以提供实时数据并解决云本身的延迟和带宽限制。

对AI和ML的投资将增强破坏敌方诸如情报、监视、侦察(ISR)和电子战(EW)等战场应用的能力。支持这些新功能将需要在异构高性能嵌入式计算(HPEC)技术方面取得进展。

在半自主和全自主无人平台上使用的嵌入式系统,无论是地面、空中还是海上,都需要开发低功耗、超小外形(USFF)处理、网络、全运动视频和数据存储方案。例如,据估计,一辆完全自主的汽车需要50至100倍于当今先进驾驶辅助系统的计算能力。

DNS中描述的总体投资策略是将这些先进技术引入战场,为作战人员提供压制敌方的战略和战术优势,使战斗力倍增。也就是说,仅部署新技术是不够的,还要保证这些技术以保全作战人员的方式进入战场,在敌方试图阻止或中断其计划的行动时,作战人员能够生存。

确保现场行动的有效性:全球定位系统

新技术会提供战士能够依赖的新能力。因此,它们还必须具备所需的防御措施,以确保其网络和计算环境免受敌方的攻击,从而保持行动效率。

全球定位系统(GPS)是战士依赖先进技术的一个例子。 在二十世纪七十年代中期作为国防部针对前苏联的第二次抵消(Second Offset)战略的一部分引入时,由于能够提供准确的位置、导航和定时(PNT)数据,GPS在战场上优势明显。 这项技术对“战斧”导弹等精确制导武器的应用至关重要。我们很清楚,多年来对GPS的依赖已成为一个软肋。在GPS不能使用的环境中,所有依赖它的武器都会失效。为应对这一弱点和由此产生的威胁,必须提供有保证的PNT(A-PNT)方案,即使在无法使用GPS的环境中也能够工作。经济合算、基于精准COTS的A-PNT新技术为不能使用GPS的环境提供了低成本的实用方案。

AI和自主器具快速恢复能力

开发基于AI的新技术实现了在战场上具有显著优势的人机协同方案。利用AI、自主和机器人技术,可以实现独立行动的机器,这些机器可以是独立的个体,也可以与行动中的其它机器(例如无人机群)配合,或是在作战人员-机器接口中使用(机器本身具有可增强作战人员战斗力的自主能力)。

自主地面作战“骡子”便是一个例子,它能够减轻作战人员背负电池、充电器、弹药等的负担。通过减轻作战人员背包的重量,这些小型自主载具将显著提高作战人员的战斗力。

同样,使用自主飞行器来运送物资或定位简易爆炸装置将减少作战人员受伤的风险并提高杀伤力。另一方面,随着这些新方案的普及,敌方将竭尽全力摧毁它们。例如,对付学习机的一种策略是用假信息来扰乱它,使它产生不正确的答案。

DNS的另一个关键目标是提高快速恢复的能力,这将确保部署的系统稳固、可靠,能够在严酷的环境中生存,并且能够防止敌方攻击其漏洞。

自主器具,如地雷探测器,可以使作战人员免受伤害,但这种自主性需要值得信赖。为此,系统需要具有快速恢复或自我恢复能力,以确保其可靠且不易被禁用。

机器可以是手动、半自主的或完全自主操控的。自主水平越高,机器就越需要自我恢复的能力。若一台机器是完全手动操作的,战士可以提供复原能力。若是半自主系统,操作者和机器分担恢复能力;若是完全自主的系统,恢复能力则完全取决于机器中内置的专家系统。

自主系统需要快速恢复能力和安全性

为了能够放心地依赖完全自主系统,需要对提供快速恢复能力和安全性的技术进行投资。

快速恢复能力应用的一个例子是有人或无人驾驶军用飞机安全认证航空系统。为了在国内空域安全飞行,这些平台越来越需要由全球各个航空管理部门(例如美国的FAA、加拿大的运输委员会和欧洲及英国的EASA)认可的特定设计保证等级(DAL)的DO-254硬件和DO-178软件认证。虽然安全认证是在平台级处理的,但用于构建航空电子子系统的电子模块有全面的数据支持。根据历史经验,安全认证子系统模块需要昂贵的定制设计,往往需要花费数年的时间、投入数百万美元进行设计开发。

近年来,价格实惠、通过DO-254认证的新一代COTS板已经上市,这极大地加快了集成安全认证应用的进程,降低了成本。这些COTS模块的首选处理器架构一直是Power Architecture系列器件,因为英特尔处理器仅支持达到DAL C等级的DO-254。

随着恩智浦将重心从新型Power Architecture处理器的开发转向基于Arm的处理器,安全认证系统设计人员也越来越多地转向基于Arm的方案。Arm处理器支持达到最严苛及最重要的DAL A级别的D0-254,同时还具有极低的功耗。VPX3-1703 3U OpenVPX是基于Arm的单板计算机(SBC)的一个很好的例子(图1),专为DO-254安全认证航空电子设备应用而设计。

011ednc20180420 图1:VPX3-1703是为DO-254安全认证航空电子设备设计的基于ARM的3U OpenVPX单板计算机。

快速恢复能力和可信系统的概念不仅指安全(safety),还指数据和硬件防护(security)。COTS系统的防篡改技术、网络安全以及静止数据和动态数据保护目前已取得极大的进步。

例如,数据传输系统(DTS1)网络附加存储(NAS)设备支持经济合算的双层加密(图2)。DTS1也很容易集成到以网络为中心的系统中。

012ednc20180420 图2:现场安全性至关重要,因此DTS1 NAS支持经济实惠的双层加密。

为技术尖兵而设计

现在操控此类设备的作战人员都是数字达人——他们可以说是手握现代技术出生,因而对他们有相当高的期望。

作战人员期望获得的技术等同或超过他们的家中已有的技术(如iPhone X)和社交网络服务,以便在战场上能够实时共享信息。今天的所有互联网资源,无论是谷歌搜索还是Siri或Alexa提问,只需数年即可为作战人员所用。我们越来越多地向作战人员提供可靠的网络桌面计算、移动平台和社交媒体功能来实现“网络中心战”,网络本身已成为行动能力的关键组成部分。

这种技术也可用来解决战前预备的问题,近年来在这一领域的军事经费投入略显不足。高级计算可用于训练和任务规划,并利用为游戏行业开发的技术来提供复杂、逼真的场景和体验。

通过在实际部署的平台中进行训练程序,作战人员可以在操作时进行训练,而不需要专门的培训场地。可以虚拟完成真实的模拟,例如,提供在途中针对某特定任务进行训练的能力。

借助开放系统控制成本

前面讨论的许多技术将受益于使用开放系统,从而降低设计风险并大大缩短部署时间。开放系统的使用也大大降低了成本。竞争使价格降低,还提供了昂贵专有方案的替代方法。

从技术插入可以看到开放系统带来的另一个好处。在以不同速度进展的不同实体之间,开放系统定义了一个接口,使新技术可以快速插入。开放系统接口,如OpenVPX系统架构,作为一种差异化功能,支持使用发展不同步的技术。

例如,在主战坦克中用来处理弹道解算的火控计算机算法变化的速度非常缓慢,每年的变化很小。相比之下,运行这些算法的底层处理技术的进步则要快得多。另一方面,以EW为例,帮助识别电磁频谱噪声中特定信号的复杂算法的开发速度比所部署系统中运行它们的处理器要快得多。

结果是最先进的EW算法要等着处理器带宽跟上,才能投入使用。有了开放标准接口,所部署平台上的处理技术和算法就可以以不同的速度进步。

创新伴随漏洞

每一个新机会和技术的飞跃,可能都会伴随漏洞出现。一方面,应对DoD寻求的新技术进行投资,以实现新的功能并提升杀伤力;另一方面,技术提供商还必须投资修补缺陷。

使用基于COTS的开放系统提供了一种合算的方法,可以将这些功能迅速提供给作战人员,并且风险最小。为了使作战人员能够利用高级计算、AI、自主和机器人的强大优势,必须对COTS方案进行设计和包装,以满足战场的环境和使用要求。设备必须可靠并且可在极端环境条件下工作。技术也必须进行设计和包装,以确保操作安全。不需要繁琐的安全注意事项,但必须确保操作安全。系统设计人员需要设计和包装下一代COTS方案,以消除敌方侵入或攻击漏洞,例如网络安全和逆向工程防范,防止物理侵入引起运行中断。

这些新技术必须在开发和运行期间确保防御系统和关键信息的安全。

另一个非常重要的领域是测试,必须确保所部署的COTS方案可靠并在整个使用寿命期间实现无错操作。

总结

国防部和作战人员需要依赖可靠且经过证明的资源,国会已提供资金来实现这一目标。要实现所有这些新技术,就全靠设计师和创新者了。当然,对于昂贵的封闭式专有系统架构,COTS方法是一种经过验证的替代方案,它加快了部署速度,并确保关键技术在整个使用周期内可用。技术人员将如何在拥有更多技术尖兵的下一代战场上打造并应用这种方法,让我们拭目以待。

《EDN电子技术设计》2018年5月刊版权所有,原文标题《国防开支为系统技术打开创新的大门》,转载请注明来源及链接。

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