隨著大國(guó)競(jìng)爭(zhēng)，對(duì)美國(guó)及其合作伙伴的威脅已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)極其復(fù)雜的階段，美國(guó)將在多個(gè)領(lǐng)域面臨近乎同等的挑戰(zhàn)：遠(yuǎn)程導(dǎo)彈、反介入和區(qū)域拒止、遠(yuǎn)程目標(biāo)、指揮和控制（C2）、電子戰(zhàn)（EW）和網(wǎng)絡(luò)，僅舉幾例。

諾斯羅普·格魯曼任務(wù)系統(tǒng)公司機(jī)載多功能傳感器部門(mén)副總裁兼總經(jīng)理 Roshan Roeder 表示：“在戰(zhàn)場(chǎng)上保持領(lǐng)先需要對(duì)我們的平臺(tái)和系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、建造和采購(gòu)方式進(jìn)行創(chuàng)新?！?“我們正在實(shí)現(xiàn)在硬件構(gòu)建之前驗(yàn)證設(shè)計(jì)的數(shù)字能力，而不是我們過(guò)去使用的漫長(zhǎng)的設(shè)計(jì)-構(gòu)建-原型-測(cè)試周期，并且我們正在實(shí)施基于寬帶多功能構(gòu)建塊的產(chǎn)品線以加速我們的向作戰(zhàn)人員的整體交付。”

“快速、集體地觀察、定向、決策和行動(dòng)（OODA）以應(yīng)對(duì)高級(jí)威脅、光譜敏捷性和多功能傳感器的使用是未來(lái)的方式和必要性。在整個(gè)電磁頻譜中使用綜合能力會(huì)降低對(duì)手拒絕作戰(zhàn)的能力，并提高態(tài)勢(shì)感知的可靠性和及時(shí)性。這種多功能能力使我們的系統(tǒng)能夠利用自適應(yīng)方法和人工智能以前所未有的方式應(yīng)對(duì)不斷變化的作戰(zhàn)環(huán)境?！?/p>

多功能傳感器在電子戰(zhàn)、目標(biāo)定位和 C2 中的作用

什么是多功能傳感器，它如何適應(yīng)上述未來(lái)的戰(zhàn)場(chǎng)和威脅環(huán)境？

多功能傳感器是一個(gè)集成系統(tǒng)，它將射頻 （RF） 頻譜中的多種功能（包括通信、雷達(dá)、電子戰(zhàn)以及情報(bào)、監(jiān)視和偵察 （ISR））整合到一個(gè)傳感器中。

這與多光譜傳感器不同，在多光譜傳感器中，兩個(gè)或多個(gè)物理上不同的系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)都在其特定的光譜部分進(jìn)行感應(yīng)，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)融合在一起以創(chuàng)建更準(zhǔn)確的目標(biāo)圖像。將多功能傳感器想象為具有語(yǔ)音、文本、攝像頭和導(dǎo)航等多種功能的智能手機(jī)；多功能傳感器包含多種功能以滿足不同的用戶，數(shù)據(jù)產(chǎn)品必須具有高可靠性和安全性。

“根據(jù)要求，我們可以為更大的平臺(tái)和不同的多功能傳感器提供更高功率的多功能傳感器，這些傳感器的尺寸、重量和功率要求更小，更適合更小的自主能力，”Roeder 解釋說(shuō)。“為了更加靈活和創(chuàng)新，我們?cè)谝唤M全是傳感器的構(gòu)建塊上構(gòu)建了我們的多功能傳感器，從而減少了單個(gè)傳感器所需的孔徑數(shù)量和功率?！?/p>

“此外，通過(guò)使用開(kāi)放系統(tǒng)架構(gòu)和軟件定義的網(wǎng)絡(luò)，我們能夠輕松地使傳感器適應(yīng)特定的多任務(wù)需求，并以與服務(wù)相關(guān)的速度創(chuàng)建可操作的數(shù)據(jù)。”

多功能傳感器特別適合支持未來(lái)的聯(lián)合全域指揮與控制 （JADC2） 和多域作戰(zhàn) （MDO），以連接所有五個(gè)作戰(zhàn)域。這是因?yàn)樵诙鄠€(gè)頻率上運(yùn)行的多個(gè)傳感器為指揮官提供了一組更高可信度的可操作數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以改善目標(biāo)和精確火力的 OODA 循環(huán)。這是國(guó)防部制定其基于獲得和保持決策優(yōu)勢(shì)能力的聯(lián)合作戰(zhàn)概念所必需的。

“多功能傳感器的美妙之處在于它是一個(gè)單一系統(tǒng)，可以進(jìn)行雷達(dá)傳感、電子戰(zhàn)和通信——所有這些都是決策優(yōu)勢(shì)所需的能力，”Roeder 說(shuō)，并補(bǔ)充說(shuō)這些傳感器可以具有被動(dòng)和主動(dòng)兩種功能一個(gè)系統(tǒng)中的能力。與手機(jī)上的不同應(yīng)用程序類似，多功能傳感器通過(guò)為響應(yīng)者提供一組集中的信息以更好地了解態(tài)勢(shì)，從而提供支持各種任務(wù)的信息。

更進(jìn)一步，可以有兩個(gè)、三個(gè)或更多個(gè)多功能傳感器，這些傳感器具有這些類型的能力，分布在整個(gè)威脅環(huán)境中。這將為多域環(huán)境中的指揮和控制提供 Roeder 所說(shuō)的“前所未有的態(tài)勢(shì)感知”。

多功能傳感器提供多種功能，可以無(wú)縫適應(yīng)任務(wù)需求。圖片由諾斯羅普·格魯曼公司提供。

一種新型多功能傳感器，可應(yīng)對(duì)復(fù)雜的新興威脅

2021 年年中，諾斯羅普·格魯曼公司向空軍研究實(shí)驗(yàn)室 （AFRL） 和國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局 （DARPA） 交付了有史以來(lái)最先進(jìn)的多功能傳感器之一進(jìn)行測(cè)試。它被稱為商業(yè)時(shí)間尺度上的陣列集成和驗(yàn)證 （ACT-IV） 系統(tǒng)，它基于先進(jìn)的多功能數(shù)字有源電子掃描陣列 （AESA）。

該公司稱 ACT-IV 系統(tǒng)是 AESA 性能的突破，標(biāo)志著美國(guó)向數(shù)字可重編程多功能射頻 （RF） 系統(tǒng)過(guò)渡的一個(gè)重要里程碑。ACT-IV 是首批基于數(shù)字 AESA 的多功能系統(tǒng)之一，該系統(tǒng)使用 DARPA Arrays at Commercial Timescales 計(jì)劃開(kāi)發(fā)的半導(dǎo)體器件。

“ACT 的細(xì)節(jié)令人興奮，但好處才是最重要的，”Roshan 說(shuō)。“ACT 技術(shù)支持靈活的多功能系統(tǒng)，我們使用基于 ACT 的通用構(gòu)建塊，支持向作戰(zhàn)人員快速部署新能力?！?/p>

這些新孔徑基于常見(jiàn)的構(gòu)建模塊，一側(cè)是射頻能量，另一側(cè)是光纖上的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。數(shù)字構(gòu)建模塊允許孔徑瞬間從 AESA 雷達(dá)轉(zhuǎn)換為無(wú)源 ESM 接收器、數(shù)據(jù)鏈和“SIGINT”機(jī)器。

多個(gè)軟件定義的孔徑陣列可以大規(guī)模提供所有這些功能，或者同時(shí)在構(gòu)建塊或構(gòu)建塊組級(jí)別提供所有這些功能。這對(duì)作戰(zhàn)人員、裝備人員和采購(gòu)方的平臺(tái)尺寸、重量和功率 （SWAP） 減少、物流簡(jiǎn)化以及總體擁有成本產(chǎn)生了巨大影響。諾斯羅普·格魯曼公司正在使用這些構(gòu)建模塊來(lái)開(kāi)發(fā)整個(gè)射頻頻譜的產(chǎn)品線，以支持陸地、海洋和空中的各種平臺(tái)。

在開(kāi)放式架構(gòu)中使用數(shù)字工程設(shè)計(jì)多功能傳感器

多功能傳感器的一個(gè)關(guān)鍵概念是，它們是針對(duì)開(kāi)放式架構(gòu)環(huán)境進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)的，這有助于多功能傳感器開(kāi)發(fā)的構(gòu)建塊性質(zhì)。這使得在不同傳感器之間共享數(shù)據(jù)變得更加容易，并且由于其開(kāi)放系統(tǒng)，隨著新產(chǎn)品甚至另一家公司的產(chǎn)品隨著時(shí)間的推移而增強(qiáng)傳感器的能力。

“開(kāi)放式架構(gòu)是我們進(jìn)行開(kāi)發(fā)工作的前提，”Roeder 說(shuō)?！拔覀兊募軜?gòu)讓我們能夠采用一些我們最好的產(chǎn)品，并通過(guò)第三方處理、功能模式/波形和網(wǎng)絡(luò)功能來(lái)增強(qiáng)它們，以消除對(duì)供應(yīng)商鎖定的任何擔(dān)憂。這使我們能夠創(chuàng)建一個(gè)傳感器，可能超出現(xiàn)在的要求，利用第三方功能在該多功能傳感器上啟用不同的功能?！?/p>

支持這些詞的是“能力開(kāi)發(fā)工具包”或 CDK，它已經(jīng)與第三方培訓(xùn)課程一起到位。

構(gòu)建塊結(jié)構(gòu)和開(kāi)放式架構(gòu)打破了供應(yīng)商鎖定，是建立規(guī)模經(jīng)濟(jì)和降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)成本的經(jīng)濟(jì)有效的方法。Roeder 表示，在這方面，諾斯羅普·格魯曼公司還投入了資源來(lái)了解推動(dòng)供應(yīng)基礎(chǔ)成本的因素，并將其數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重點(diǎn)放在幫助第三方綜合多功能傳感器的工程生命周期方面。

公司在這方面努力的關(guān)鍵是數(shù)字工程?！拔覀儗?duì)任務(wù)環(huán)境和威脅的深刻理解使我們能夠利用這種經(jīng)驗(yàn)，準(zhǔn)確地建模和分析電磁頻譜中眾多復(fù)雜的場(chǎng)景，”羅德說(shuō)?！拔覀兊目蛻粽诜窒碓絹?lái)越多的關(guān)于他們需求的信息，因此我們能夠每晚運(yùn)行多達(dá) 100，000 次測(cè)試，以根據(jù)真實(shí)信息和真實(shí)數(shù)據(jù)驗(yàn)證我們系統(tǒng)中的變化。它幫助我們啟用任務(wù)套件，優(yōu)化作戰(zhàn)人員的性能，并了解滿足客戶時(shí)間表和成本要求所需的技術(shù)性能?！?/p>

我和我的（數(shù)字）影子

為了協(xié)助任務(wù)系統(tǒng)的多種配置的快速迭代和評(píng)估工作，例如戰(zhàn)斗機(jī)的多功能傳感器和雷達(dá)系統(tǒng)，諾斯羅普·格魯曼公司開(kāi)發(fā)了它所謂的“數(shù)字陰影”測(cè)試平臺(tái)，也稱為數(shù)字雙胞胎。這是其飛行實(shí)驗(yàn)飛機(jī)試驗(yàn)臺(tái)機(jī)身和子系統(tǒng)的數(shù)字復(fù)制品。

“數(shù)字雙胞胎將用作多光譜集成平臺(tái)，使我們能夠模擬飛機(jī)當(dāng)前和未來(lái)的能力，并選擇虛擬測(cè)試性能，以便我們將預(yù)測(cè)的傳感器性能與實(shí)際性能相關(guān)聯(lián)，”Roeder 解釋說(shuō)?！斑@進(jìn)一步提高了這些數(shù)字表示的保真度和可信度。使用我們的 Digital Shadow 測(cè)試平臺(tái)對(duì)我們來(lái)說(shuō)是一次迭代轉(zhuǎn)換?！?/p>

數(shù)字測(cè)試平臺(tái)是一個(gè)虛擬任務(wù)系統(tǒng)集成實(shí)驗(yàn)室，能夠?qū)?shù)字傳感器表示與其物理設(shè)計(jì)相關(guān)聯(lián)，進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)和性能模型，并利用諾斯羅普·格魯曼公司的大型收集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)庫(kù)。

通過(guò)創(chuàng)建飛機(jī)和機(jī)載任務(wù)系統(tǒng)套件的數(shù)字版本，該公司可以虛擬配置、集成和飛行場(chǎng)景和傳感器組合，從而超出物理測(cè)試臺(tái)的限制，從而增加實(shí)驗(yàn)的廣度和規(guī)?！獪p少時(shí)間線和飛行測(cè)試成本，并最終擴(kuò)展作戰(zhàn)人員的任務(wù)能力，以領(lǐng)先于不斷變化的威脅。

“數(shù)字環(huán)境讓我們能夠探索由多功能系統(tǒng)創(chuàng)建的巨大測(cè)試和性能空間，該系統(tǒng)在許多頻率和許多不同平臺(tái)上針對(duì)多種威脅執(zhí)行多種功能，”Roeder 說(shuō)?！耙粋€(gè)數(shù)字系統(tǒng)可以在更短的時(shí)間內(nèi)完成比人類在飛行中可能完成的更多的測(cè)試。因此，這些數(shù)字雙胞胎是我們未來(lái)作戰(zhàn)部隊(duì)多功能、多領(lǐng)域基礎(chǔ)設(shè)施的必要組成部分?！?/p>

就像手機(jī)已經(jīng)發(fā)展到滿足客戶期望一樣，多域操作也需要傳感器的發(fā)展，以保持頻譜優(yōu)勢(shì)。多功能傳感器可以適應(yīng)任務(wù)需求和場(chǎng)景，并以無(wú)縫集成的方式動(dòng)態(tài)支持 ISR、目標(biāo)定位、通信、電子戰(zhàn)和 C2 要求。這對(duì)于在 MDO 復(fù)雜且日益敏捷的威脅環(huán)境中戰(zhàn)勝新出現(xiàn)的威脅是必要的。
審核編輯：黃飛

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