美國國防部（DoD）在2018年《美國國防戰(zhàn)略報告（NDS）》中明確表示：“在過去的十五年中，我們對推遲的戰(zhàn)前預備、采購和現(xiàn)代化的要求也不斷增長，不能再被忽視。我們將有針對性并按部就班地增加人員和平臺，以滿足關鍵的能力和容量需求。”考慮到這點，國會將2018財年的國防預算增加到7000億美元，比去年增加了1080億美元。

本文將介紹預算會花在哪些領域，以及設計人員可能會實現(xiàn)哪些技術創(chuàng)新來彌合當前與未來的技術溝壑。

AI、大數(shù)據(jù)和機器人技術至關重要，但需相當?shù)呢斄?/p>

研發(fā)支出顯著增長主要在于NDS中提出的優(yōu)先技術，以縮小高級計算、人工智能（AI）以及自主和機器人領域的技術差距。NDS中提到的用于實現(xiàn)關鍵防御能力現(xiàn)代化、現(xiàn)成商業(yè)（COTS）供應商可以很好支持的優(yōu)先技術包括：

? 網(wǎng)絡防御以及網(wǎng)絡性能不斷融入全方位軍事行動方面的新投資；

? 對C4ISR（指揮、控制、通信、計算機、情報及監(jiān)視與偵察）的投資，以開發(fā)可復原、可生存的聯(lián)合網(wǎng)絡和信息生態(tài)系統(tǒng)；

? 先進的自主系統(tǒng)、AI和機器學習。

對軍用嵌入式COTS電子方案的開發(fā)商而言，這筆額外支出可提供快速恢復能力、致命性和預備技術支持。國防和航空航天系統(tǒng)和平臺的設計人員希望不斷引進先進技術，為戰(zhàn)士提供戰(zhàn)場上的絕對優(yōu)勢。這些技術包括傳感器、計算、網(wǎng)絡、機電系統(tǒng)等。

然而，先進技術本身還不夠。它還需要有足夠的經(jīng)費、可靠和可持續(xù)。戰(zhàn)士的生命取決于技術，而歷史已經(jīng)證明，如果作戰(zhàn)人員不相信他們使用的技術，便會舍棄它們。

在高級計算方面增加支出將改善利用大數(shù)據(jù)分析的能力，使作戰(zhàn)人員能夠立即讀取對他們至關重要的任何信息。讀取信息需要使用云計算技術，使任何設備（無論作戰(zhàn)人員在何處）在任何需要的時間都能讀取數(shù)據(jù)。除此之外，將用于AI的機器學習（ML）功能帶入網(wǎng)絡邊緣，需要高得多的本地處理能力，以提供實時數(shù)據(jù)并解決云本身的延遲和帶寬限制。

對AI和ML的投資將增強破壞敵方諸如情報、監(jiān)視、偵察（ISR）和電子戰(zhàn)（EW）等戰(zhàn)場應用的能力。支持這些新功能將需要在異構高性能嵌入式計算（HPEC）技術方面取得進展。

在半自主和全自主無人平臺上使用的嵌入式系統(tǒng)，無論是地面、空中還是海上，都需要開發(fā)低功耗、超小外形（USFF）處理、網(wǎng)絡、全運動視頻和數(shù)據(jù)存儲方案。例如，據(jù)估計，一輛完全自主的汽車需要50至100倍于當今先進駕駛輔助系統(tǒng)的計算能力。

DNS中描述的總體投資策略是將這些先進技術引入戰(zhàn)場，為作戰(zhàn)人員提供壓制敵方的戰(zhàn)略和戰(zhàn)術優(yōu)勢，使戰(zhàn)斗力倍增。也就是說，僅部署新技術是不夠的，還要保證這些技術以保全作戰(zhàn)人員的方式進入戰(zhàn)場，在敵方試圖阻止或中斷其計劃的行動時，作戰(zhàn)人員能夠生存。

確?，F(xiàn)場行動的有效性：全球定位系統(tǒng)

新技術會提供戰(zhàn)士能夠依賴的新能力。因此，它們還必須具備所需的防御措施，以確保其網(wǎng)絡和計算環(huán)境免受敵方的攻擊，從而保持行動效率。

全球定位系統(tǒng)（GPS）是戰(zhàn)士依賴先進技術的一個例子。 在二十世紀七十年代中期作為國防部針對前蘇聯(lián)的第二次抵消（Second Offset）戰(zhàn)略的一部分引入時，由于能夠提供準確的位置、導航和定時（PNT）數(shù)據(jù)，GPS在戰(zhàn)場上優(yōu)勢明顯。 這項技術對“戰(zhàn)斧”導彈等精確制導武器的應用至關重要。我們很清楚，多年來對GPS的依賴已成為一個軟肋。在GPS不能使用的環(huán)境中，所有依賴它的武器都會失效。

為應對這一弱點和由此產(chǎn)生的威脅，必須提供有保證的PNT（A-PNT）方案，即使在無法使用GPS的環(huán)境中也能夠工作。經(jīng)濟合算、基于精準COTS的A-PNT新技術為不能使用GPS的環(huán)境提供了低成本的實用方案。

AI和自主器具快速恢復能力

開發(fā)基于AI的新技術實現(xiàn)了在戰(zhàn)場上具有顯著優(yōu)勢的人機協(xié)同方案。利用AI、自主和機器人技術，可以實現(xiàn)獨立行動的機器，這些機器可以是獨立的個體，也可以與行動中的其它機器（例如無人機群）配合，或是在作戰(zhàn)人員-機器接口中使用（機器本身具有可增強作戰(zhàn)人員戰(zhàn)斗力的自主能力）。

自主地面作戰(zhàn)“騾子”便是一個例子，它能夠減輕作戰(zhàn)人員背負電池、充電器、彈藥等的負擔。通過減輕作戰(zhàn)人員背包的重量，這些小型自主載具將顯著提高作戰(zhàn)人員的戰(zhàn)斗力。

同樣，使用自主飛行器來運送物資或定位簡易爆炸裝置將減少作戰(zhàn)人員受傷的風險并提高殺傷力。另一方面，隨著這些新方案的普及，敵方將竭盡全力摧毀它們。例如，對付學習機的一種策略是用假信息來擾亂它，使它產(chǎn)生不正確的答案。

DNS的另一個關鍵目標是提高快速恢復的能力，這將確保部署的系統(tǒng)穩(wěn)固、可靠，能夠在嚴酷的環(huán)境中生存，并且能夠防止敵方攻擊其漏洞。

自主器具，如地雷探測器，可以使作戰(zhàn)人員免受傷害，但這種自主性需要值得信賴。為此，系統(tǒng)需要具有快速恢復或自我恢復能力，以確保其可靠且不易被禁用。

機器可以是手動、半自主的或完全自主操控的。自主水平越高，機器就越需要自我恢復的能力。若一臺機器是完全手動操作的，戰(zhàn)士可以提供復原能力。若是半自主系統(tǒng)，操作者和機器分擔恢復能力；若是完全自主的系統(tǒng)，恢復能力則完全取決于機器中內(nèi)置的專家系統(tǒng)。

自主系統(tǒng)需要快速恢復能力和安全性

為了能夠放心地依賴完全自主系統(tǒng)，需要對提供快速恢復能力和安全性的技術進行投資。

快速恢復能力應用的一個例子是有人或無人駕駛軍用飛機安全認證航空系統(tǒng)。為了在國內(nèi)空域安全飛行，這些平臺越來越需要由全球各個航空管理部門（例如美國的FAA、加拿大的運輸委員會和歐洲及英國的EASA）認可的特定設計保證等級（DAL）的DO-254硬件和DO-178軟件認證。

雖然安全認證是在平臺級處理的，但用于構建航空電子子系統(tǒng)的電子模塊有全面的數(shù)據(jù)支持。根據(jù)歷史經(jīng)驗，安全認證子系統(tǒng)模塊需要昂貴的定制設計，往往需要花費數(shù)年的時間、投入數(shù)百萬美元進行設計開發(fā)。

近年來，價格實惠、通過DO-254認證的新一代COTS板已經(jīng)上市，這極大地加快了集成安全認證應用的進程，降低了成本。這些COTS模塊的首選處理器架構一直是Power Architecture系列器件，因為英特爾處理器僅支持達到DAL C等級的DO-254。

隨著恩智浦將重心從新型Power Architecture處理器的開發(fā)轉(zhuǎn)向基于Arm的處理器，安全認證系統(tǒng)設計人員也越來越多地轉(zhuǎn)向基于Arm的方案。Arm處理器支持達到最嚴苛及最重要的DAL A級別的D0-254，同時還具有極低的功耗。VPX3-1703 3U OpenVPX是基于Arm的單板計算機（SBC）的一個很好的例子（圖1），專為DO-254安全認證航空電子設備應用而設計。

圖1：VPX3-1703是為DO-254安全認證航空電子設備設計的基于ARM的3U OpenVPX單板計算機。

快速恢復能力和可信系統(tǒng)的概念不僅指安全（safety），還指數(shù)據(jù)和硬件防護（security）。COTS系統(tǒng)的防篡改技術、網(wǎng)絡安全以及靜止數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)保護目前已取得極大的進步。

例如，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)（DTS1）網(wǎng)絡附加存儲（NAS）設備支持經(jīng)濟合算的雙層加密（圖2）。DTS1也很容易集成到以網(wǎng)絡為中心的系統(tǒng)中。

圖2：現(xiàn)場安全性至關重要，因此DTS1 NAS支持經(jīng)濟實惠的雙層加密。

為技術尖兵而設計

現(xiàn)在操控此類設備的作戰(zhàn)人員都是數(shù)字達人——他們可以說是手握現(xiàn)代技術出生，因而對他們有相當高的期望。

作戰(zhàn)人員期望獲得的技術等同或超過他們的家中已有的技術（如iPhone X）和社交網(wǎng)絡服務，以便在戰(zhàn)場上能夠?qū)崟r共享信息。今天的所有互聯(lián)網(wǎng)資源，無論是谷歌搜索還是Siri或Alexa提問，只需數(shù)年即可為作戰(zhàn)人員所用。我們越來越多地向作戰(zhàn)人員提供可靠的網(wǎng)絡桌面計算、移動平臺和社交媒體功能來實現(xiàn)“網(wǎng)絡中心戰(zhàn)”，網(wǎng)絡本身已成為行動能力的關鍵組成部分。

這種技術也可用來解決戰(zhàn)前預備的問題，近年來在這一領域的軍事經(jīng)費投入略顯不足。高級計算可用于訓練和任務規(guī)劃，并利用為游戲行業(yè)開發(fā)的技術來提供復雜、逼真的場景和體驗。

通過在實際部署的平臺中進行訓練程序，作戰(zhàn)人員可以在操作時進行訓練，而不需要專門的培訓場地。可以虛擬完成真實的模擬，例如，提供在途中針對某特定任務進行訓練的能力。

借助開放系統(tǒng)控制成本

前面討論的許多技術將受益于使用開放系統(tǒng)，從而降低設計風險并大大縮短部署時間。開放系統(tǒng)的使用也大大降低了成本。競爭使價格降低，還提供了昂貴專有方案的替代方法。

從技術插入可以看到開放系統(tǒng)帶來的另一個好處。在以不同速度進展的不同實體之間，開放系統(tǒng)定義了一個接口，使新技術可以快速插入。開放系統(tǒng)接口，如OpenVPX系統(tǒng)架構，作為一種差異化功能，支持使用發(fā)展不同步的技術。

例如，在主戰(zhàn)坦克中用來處理彈道解算的火控計算機算法變化的速度非常緩慢，每年的變化很小。相比之下，運行這些算法的底層處理技術的進步則要快得多。另一方面，以EW為例，幫助識別電磁頻譜噪聲中特定信號的復雜算法的開發(fā)速度比所部署系統(tǒng)中運行它們的處理器要快得多。

結果是最先進的EW算法要等著處理器帶寬跟上，才能投入使用。有了開放標準接口，所部署平臺上的處理技術和算法就可以以不同的速度進步。

創(chuàng)新伴隨漏洞

每一個新機會和技術的飛躍，可能都會伴隨漏洞出現(xiàn)。一方面，應對DoD尋求的新技術進行投資，以實現(xiàn)新的功能并提升殺傷力；另一方面，技術提供商還必須投資修補缺陷。

使用基于COTS的開放系統(tǒng)提供了一種合算的方法，可以將這些功能迅速提供給作戰(zhàn)人員，并且風險最小。為了使作戰(zhàn)人員能夠利用高級計算、AI、自主和機器人的強大優(yōu)勢，必須對COTS方案進行設計和包裝，以滿足戰(zhàn)場的環(huán)境和使用要求。設備必須可靠并且可在極端環(huán)境條件下工作。技術也必須進行設計和包裝，以確保操作安全。不需要繁瑣的安全注意事項，但必須確保操作安全。系統(tǒng)設計人員需要設計和包裝下一代COTS方案，以消除敵方侵入或攻擊漏洞，例如網(wǎng)絡安全和逆向工程防范，防止物理侵入引起運行中斷。

這些新技術必須在開發(fā)和運行期間確保防御系統(tǒng)和關鍵信息的安全。

另一個非常重要的領域是測試，必須確保所部署的COTS方案可靠并在整個使用壽命期間實現(xiàn)無錯操作。

總結

國防部和作戰(zhàn)人員需要依賴可靠且經(jīng)過證明的資源，國會已提供資金來實現(xiàn)這一目標。要實現(xiàn)所有這些新技術，就全靠設計師和創(chuàng)新者了。當然，對于昂貴的封閉式專有系統(tǒng)架構，COTS方法是一種經(jīng)過驗證的替代方案，它加快了部署速度，并確保關鍵技術在整個使用周期內(nèi)可用。技術人員將如何在擁有更多技術尖兵的下一代戰(zhàn)場上打造并應用這種方法，讓我們拭目以待。