美军部队网实施战略分析＊

周立军 邓建球 赵 媛

(海军航空工程学院基础实验部1) 烟台 264001)(海军航空工程学院兵器科学与技术系2) 烟台 264001)

1 引言

网络中心战是信息时代军事革命最重要的硕果之一,由美国海军作战部长杰伊◦约翰逊于1997年4月首次提出,为了尽快实现“从平台中心战向网络中心战的根本性转变”的目的,美国海军于1999年提出“部队网”(FORCEnet)概念,其发展目标是在2015年至2020年实现完全的网络化,即保证恶劣条件下的决策能力[1]。部队网是美国海军实现网络中心战和全球信息栅格(GIG)的关键,不仅对美军实现“21世纪海上力量”(Sea Power 21)的新构想至关重要,也是“海上打击”、“海上盾牌”、“海上基地”三种核心作战概念和“海上试验”、“海上企业”、“海上勇士”三个支持倡议的实现手段,代表着美国海军未来电子信息系统的发展趋势。

2 部队网的定义与能力

2.1 部队网的定义

美海军作战部长和战略研究小组提出并由海军陆战队司令官认可的部队网定义如下：

部队网是信息时代海战的作战构想和体系框架,它将人员、传感器、网络、指挥与控制、平台和武器集成起来,形成一种网络化、分布式的作战力量,灵活应对从海底到太空、从海上到陆地的各种冲突[2～3]。

从以上定义可以看出,在部队网内构想出来了两个不同的要素和两项截然不同的任务：一个要素的任务是定义和实现作战构想;另一个要素的任务是设计和打造使这种作战构想能发挥作用的体系结构框架,与之一起的还有全球作战概念和21世纪海上力量支柱的海上打击、海上盾牌和海上基地。

2.2 部队网的能力

2003年5月,美海军作战部长在递交国会的部队网报告中指出,部队网应具有如下能力：

1)远程、多级传感器和武器信息;

2)分布式、协同指挥和控制;

3)动态、多路径和生存能力强的网络;

4)自适应的自动决策辅助;

5)以人为中心的集成;

6)信息武器[4]。

为了使部队网能提供上述能力,部队网自身应具有如下能力：

1)通用作战和战术图

提供任务计划、作战管理同步化;提供通用定位、导航、定时和环境信息;集成和分发传感器信息;跟踪并促进时敏性目标的交战;跟踪并促进非时敏性目标的交战。

2)情报、监视和侦察

执行传感器管理和信息处理;检测和识别目标(包括固定的陆地目标、移动的陆地目标、空中和导弹目标、水上目标、水下目标、水雷);提供提示和瞄准信息;评估交战结果。

3)通信和数据网

提供通信基础设施;提供网络保护;提供网络同步化;提供信息传递[5]。

以上这些任务能力包构成“部队网海军能力支柱”。这种能力支柱将提供可实现基于知识作战的信息,支持迅速、精确地做出决策。它的功能包括：将大量不同的、广为分散的传感器进行集成;共享和处理传感器数据,并可在任何时间和地点为决策提供相关信息的传送手段,同时通过这些手段将决策付诸实施。

3 关键技术和面临的挑战

3.1 可靠的宽带移动通信

目前,美国海军的移动平台通信和个人通信在连通性的方面难以保持畅通,数据传输速率也很低。大多数舰艇只具备卫星通信能力,且获得的数据传输速率不超过100kb/s,但大型舰船(如航空母舰)的数据传输速率能达到每秒数兆比特。小型舰艇的卫星通信连通率往往在80%左右,天线阻挡可能是最主要的限制因素,但也可能与机动过程中的电磁干扰(EMI)和追踪有关。潜艇和离车部队的数据传输速率和联通性问题更严重。未来部队网网络中心环境的军事行动需要更高的数据传输速率(预计舰队对每艘大型舰艇传输速率的需求高达50Mb/s)和更稳固的连通性[3,6]。同时保持与卫星、传感器节点、空中中继站以及其他舰船的连接将对天线提出更高的要求,而且当网络节点和用户不断移动时,要保持因特网类(如基于IP)的网络正常运行也将在技术上面临巨大的挑战。

部队网实现整个网络中心行动构想所必须解决的关键通信技术难题包括：

1)通信链路和天线孔径。舰船上的环境对射频天线孔径不利,这使得它成为未来优先改造的重点。天线孔径的改进主要包括：(1)在不同功能(雷达、通信等)之间和不同的频率上共用天线孔径;(2)利用多(或捷变)天线射束,实现与多个独立节点的通信高频段运行将使孔径大小一定的发送和接收天线具备更高的性能,但是由于射束宽度变窄,这将加大定向和跟踪的难度。在大气环境允许的情况下,应该研究无人机中继站或卫星与舰船之间通信的光频率以提高带宽。在解决因大气而引发的失真问题上,可变镜面是一种可行的技术方案,但尚未找到可有效解决海洋环境大气散射问题的办法。

2)军事环境中的网络服务质量和资源管理。在军事通信中,高优先级业务必须优于低优先级业务,否则超载的低优先级业务难免会侵占高优先级的信息资源。IPv4过渡到IPv6将是一种解决办法,但是对于不断变化的军事任务来说,要实现网络基础设施的重新配置,还有很多工作要做。为了对随时间变化的需求进行响应,需要监控从网络层到链路层的基础设施,监控应尽可能自动地进行,特别是需要快速响应的时候。

3)动态、移动环境中的自动组网。移动的个人和平台为完成所赋予的军事使命,需要连续地保持高数据传输速率和连通性,这无疑是一个重大的技术挑战。商用互联网使用的标准协议适用于固定基础设施,但是当用户,尤其是节点和主机移动时,就需要特殊的协议。

如果仅是主机(如使用手提电脑的用户)移动而路由器保持静止,就可用移动IP来解决,因而不会给已有的路由协议(如OSPF)带来负担或进行设计更改。但如果路由器也在移动就将面临更大的挑战。例如,在与野战部队、船舰和无人机有关的动态战场环境中。如果没有重新设计新的路由协议,系统将无法追踪用户的位置(如他们正在使用哪个路由器),连接超时时,通信中断,这种网络称为自组网(MANET)。目前,该技术尚处于试验阶段。

同样面临挑战的问题还有抗延迟组网技术、网络特有的信息安全保障问题等。

3.2 信息管理

信息管理涉及决定部队网实施及效率的一系列关键问题。信息管理过程包括与数据或信息的收集、存取、处理、分发和表示相关的所有进程,该过程包括技术方面的,也包括政策、规范和条令方面的,其重点是适时地形成正确信息(内容和质量),满足使命要求。

目前,在战场管理环境中出现的问题也将在网络中心环境中频繁出现,包括如下内容。

1)可信：缺少通知用户的元数据,包括信息源、中间处理过程和质量。

2)污染：由冗余路径或不适当的处理而引发的数据损坏,如对不同位置同一目标有多个报告,对含糊目标的双重报告,混淆实际情况。

3)效用：缺少合适的工具供用户处理和应用所接收到的数据和信息。GIG支持任务分配、发布、处理和利用(TPPU)、单一信息处理(OHIO)模式,这意味着将会开发一种通用程序,可为网络节点上的所有用户调用,使用户能正确使用和解释信息;同时表明可用“信息服务”层来补充根据全球信息栅格-全局服务(GIG-ES)而定义的全局服务。

3.3 态势感知和识别

在有特殊用户需求的网络中心环境中,将有大量诸如通用作战图一类的信息。为了提取这些信息,需运用能实现态势和威胁感知的自动化技术。态势和威胁感知需要对战场空间和相关活动事件进行人工推理,以获知部队的相互关系,弄清活动的意义并预测对手的意图。目前还无法实现相关信息(环境和条令)的对象和事件(位置、运动和标识)的机器推理,尤其对军事范畴(空间时间维、大量对象、事件及活动等)中战场空间问题和不确定性数据而言。

为解决态势感知的自动化问题,将需要一种机器推理能力,把通用作战图提供的关于作战空间的信息和有关敌军的信息相结合,在对象、事件和环境之间建立起相互联系。这种关系对于认识态势(如红军部署,蓝军的劣势)和威胁(如红军的路径规划)至关重要[7]。发展该领域的关键技术主要包括：推理引擎(有限空间、有限时间和抽象特性的概率、逻辑等)、知识管理(知识库、来源、获取、建立、确认工具、概率和不确定性表示)、大规模的联系和控制框架、人机协同(交互式的假设管理)、认知建模。

3.4 信息保障

信息源于多个源的综合数据和解释数据,这些源包括传感器、软件和Agent;信息保障涉及到信息的可用性、可靠性、保密性和可信赖性。部队网技术体系结构所定义的通信层和协同层规定着信息保障。通信/网络核心层提供信息传送的基本功能,确保信息的可用性和可靠性,同时负责对信息传输作出响应。协同层则提供信息共享,同时必须确保信息源的互操作性,并提供该信息的密级度和它的来源或可信度[8]。

目前的技术尚不足以为部队网构想提供所需等级的信息保障。网络的信息共享需求必须与涉及信息保护的传统信息保障作用相平衡。这在需要进行可信信息交换的多级独立安全和协同合作条件下,显得尤其困难。特别是目前存在下述技术差距：

1)技术标准、自动网络分析以及能够适应网络中心要求和多级安全及故障预测要求的网络可靠性和安全性监视。

2)在保护等级(包括策略自适应)与维持使命有效性所需的共享之间进行动态平衡。

3)软件系统和网络中心行动相关信息的可信度。

4)入侵检测和确认内部威胁的能力。

3.5 建模和仿真

网络中心行动系统和体系结构决策需要准确的建模和仿真,同时,需要他们支持网络中心行动的测试、评估和验证。目前,仅有少量工具能对非对称威胁的“What if”问题进行分析,但都不能对非正规部队、联合部队和当地居民混居的城市环境进行建模、仿真和分析。主要面临的挑战如下：

1)把建模和仿真扩大到众多传感器、平台和用户上。

2)系统工程设计,包括在配置之前检验大型网络中心系统的手段(如模拟系统生命周期设计及测试的能力和模拟确认)。

3)稳健的“假设”分析,把它作为任务或威胁环境、性能以及可靠性的一个函数,支持网络中心系统配置之间的平衡。

3.6 动态可组性和协同

部队网构想的核心是实现一种能力,即把企业的各组件组合成一种“类似系统”的能力,以适应动态变化的战场态势,实现有效作战。对于作战和作战系统来说,“可组性”一词有很多含义,如图1所示。

图1 部队网支持动态可组合性

图1说明了部队网为适应下述各领域而可能表现出的灵活性。

1)技术：通过访问可用服务实现技术功能的重新配置。

2)组织：采用新功能以改变组织角色和关系。

3)战术、训练和规程：赋予新职能和关系以调整过程和规程,从而满足新的作战要求[9]。

为实现可组合性构想,需要用上述信息管理技术来满足使命目标,也需要采用全局性的监督过程来确保总的使命目标满足战役要求。前者为满足各自的任务思路,需要对已分配资产的组合提供支持;后者可以看作是一个将可用资源动态分配给各使命的战役级控制函数和一个费用、风险和期望值的函数。目前存在的挑战主要表现在下述方面。

1)使命可组合管理的复杂性,这一问题的解决可确保一体化的资源配置,可满足动态使命目标并达到理想的战役效果。

2)配置给定的情况下的状态监视,这种监视可确认整个部队网企业(所有企业层面上的核心和关联群体)的状态。

3)人力资源培训和项目培训,通过培训达到传授并利用组合功能的目的。

4)支持人机自动协调、具有计划或重新计划功能的工具。

4 部队网的未来发展及启示

4.1 部队网的未来发展

部队网的能力的开发过程应当是一个自适应的演进过程,而不是一个工程化的过程。尽管需要制定一个明确的实施计划,尽管也有可能预测部队网的一些大致特征,但在开发的开始阶段不可能详细描述出其最终模样。从来没有构建过像部队网这样复杂和自适应的系统。这种复杂的系统只有在适当的条件下才能形成。部队网只能随着时间的推移不断演进,在条件成熟时形成。关键的第一步是将大量的节点和服务连接到一个开放的网络中,并需要这个网络提供最大限度的互操作性。第二步是让所有的操作人员和其他用户确认各项服务,开发可帮助其完成任务的各种辅助过程或程序。

开发过程应当是敏捷而自适应的,包括进行不断的试验和采用增量式发展方式。为了形成“控制”这一过程所需要的快速而有价值的反馈,开发者必须与操作人员和其他使用者密切配合,对用户提出的需求做出迅速的反应,并与植入新的能力协同起来。

4.2 对我军的启示

目前,我军的信息化建设正处于关键阶段,美军部队网的实施战略正为我军开展信息化建设指明了方向。我军未来的信息化建设应着重从物理维、信息技术维、数据维、认知维、组织维和作战维这“六维”抓起。其中,物理维包括网络作战端的各种平台、武器和传感器;信息技术维包括通信和网络基础设施;数据维是指在通信网络中传输的信息本身;认知维是指人的判断和决策,以及支持这些判断和决策的人机界面;组织维指的是各作战单元或团队的结构及其相互间的工作关系;作战维是指部队为完成各种任务而采用的各式各样的方法和手段。

[1]Arthur K.Cebrowski,John J.Garstka.Network Centric Warfare：Its Origin and Future[R].U.S.Naval Institute Proceedings,1998,1：28～35

[2]MajGen James N.Mattis,USMC,Commanding General,1st Marine Division,presentation to the committee on December 16,2003,Camp Pendleton,California

[3]National Research Council.部队网实施战略[M].许晓平,周文.译.北京：国防工业出版社,2009,3：32

[4]张雨相.美军海军部队网分析[J].现代雷达,2007(7)：15

[5]ADM Jay Johnson,USN.Anytime,Anywhere[R].U.S.Naval Institute Proceedings,1997,11：50

[6]Space and Naval Warfare System Command[C]//FORCEnet Government Reference Architecture,Version 1.0,2003,4：24

[7]Arlington,Va.Taxonomy of Technology Limitations to Support the Five Enabling Functions Required for Navy Network Centric Operations,Available at http：//www.onr.navy.mil/02/baa/expired/2003/03_007/default.asp.Accessed July 24,2004

[8]Nathan P.Kroop,Philip J.Koopman,Daniel P.Siewioreak.Automated Robustness Testing of Off-the-Shelf Software Components[J].IEEE Proceedings of the Fault Tolerant Computing Symposium'98,Munich,Germany,Office of Naval Research,2002(7)：1

[9]Robusto John.Navy Transformation.Network Centric Warfare and FORCEnet[R].ADA430763,2004