军用机载平台电子信息系统的发展趋势*

任 然

(中国西南电子技术研究所，成都 610036)

军用机载平台电子信息系统的发展趋势*

任 然*

(中国西南电子技术研究所，成都 610036)

先进的军用机载平台电子信息系统是提升体系作战效能的重要手段。近年来，国外军用机载平台的发展呈现出高生存、多角色、广区域和强智能的趋势，未来典型作战样式向协同、自主方向发展，军用机载平台电子信息系统在现有能力提升的基础上需要重点提升与协同应用、自主管理和新型武器支持等相关的新增能力。军用机载平台的发展、作战样式的变化、新增能力需求和基础技术的进步推动电子信息系统呈现分布协同化、自主化、武器化三大发展趋势。需要在军用机载平台新兴作战样式、分布协同、硬件微小型化、结构功能一体化、人工智能、新型武器应用等方面展开深入研究。

机载平台；电子信息系统；分布协同；自主化；武器化

1 引 言

电子信息系统是机载航空电子设备的核心，其将雷达、电子战、通信、导航、识别、光电、新型武器等功能作为一个整体进行综合化设计，支持军用飞机执行高效、快速、机动、精确和全天候的作战行动，是军用飞机的关键组成部分。

近年来，随着F-22、F-35等先进隐身战斗机的逐步批产和装备，新型军用机载平台的研究开发逐步提上日程。作战环境、作战对象和作战样式的变化不仅要求电子信息系统所承载的探测、对抗、通信、导航、识别等能力提高，还提出了协同、自主、新武器应用等方面的新要求。同时，微电子、人工智能、新材料等大量新技术的迅猛发展和逐步应用也支撑电子信息系统向分布协同化、自主化、武器化方向发展。

本文第2节分析国外军用机载平台使命定位、研制安排、关键技术布局和发展趋势；第3 节结合未来作战环境复杂多样化、作战对象隐身无人化、作战样式协同自主化的趋势，研究提取了军用机载平台电子信息系统在平台分布协同、自主性、新型武器应用方面的新增能力需求；第4节归纳总结军用机载平台电子信息系统分布协同化、自主化、武器化三大发展趋势；最后展望进一步的重点研究方向。

2 国外军用机载平台发展现状及趋势

2.1 使命和定位

以美国为典型代表的国外新型核心军用机载平台定位清晰：进一步升级的空优战机，一是要实现技术的跨代发展，比现役的F-22、F-35等高出一代，形成综合、全方位的跨代优势；二是要能在2030～2050年间的“反介入/区域拒止”环境中提供制空权和多种打击能力[1-3]。

2.2 研制计划安排

美国的未来战斗机计划推进最有实质性进展。2011年，波音、诺斯罗普·格鲁曼公司提出了未来战斗机概念方案；2012年4月，美国海军发布了《2030年的舰载攻击战斗机关键能力需求调研》信息征询书，提出了未来战斗机的初步使命任务；2012年10月，美国国防高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)启动为期18个月的未来战斗机概念定义研究，并随后开展为期5年左右的关键技术演示验证。从对外发布的信息预判，美下一代战机的服役时间点为2030年左右。

日本、俄罗斯等国也开展了未来战斗机探索工作。2010年8月25日，日本防卫省发布了《未来战斗机研究与发展趋势展望》，提出了日本未来战斗机I3的研制需求等，I3指“信息灵通”(Informed)、“智能化”(Intelligence)和“瞬间杀伤”(Instantaneous)。2014年10月，俄罗斯焦点新闻网(Russia Beyond The Headline，RBTH)官方网站报道，俄罗斯正在进行未来战斗机基础研发工作，俄未来战斗机机身将大量采用高耐久性和轻型复合材料，具备超声速巡航能力，且在特定飞行阶段飞行速度达到6～7马赫数。

2.3 关键技术布局

2010年以来，美空军先后发布了《技术地平线》[4]《能源地平线》[5]《召唤未来》[3]《2030飞行计划》[2]等一系列航空科技发展纲领性文件。以美国空军科技的战略环境为背景，提出了支撑航空科技发展所需的30项“潜在能力领域”，每个“潜在能力领域”都对应着十几个到几十个“关键技术领域”，为空军科技发展指明了重点和方向。

2.4 发展趋势

虽然各国对新型军用机载平台的研制没有给出明确的方向，但是一些显著特点已经凸显。其发展趋势可总结为以下4条：

(1)更高的战场生存能力。这主要通过飞机的速度和隐身两方面性能来实现，高超声速和全面隐身将是新型军用机载平台更强生存能力的主要保证。

(2)更多的战场角色定位。新型军用机载平台将由“作战平台”转化为“多面手”角色，还应该承担拒止空间内的指挥控制、预警支援、情报侦察以及电子支援等一系列任务。

(3)更广的作战区域。新型军用机载平台将飞得更远，以全球到达为目标；飞得更高，实现空天结合；具备空、天、地、海、赛博全域作战能力。

(4)更强的人工智能。人工智能全面深化应用，关注重点不局限于有人或无人化，而注重于自动化、智能化技术的应用，减轻操作负担、减少人机交互和缩短判断和决策时间[2]。

3 军用机载平台电子信息系统新增能力需求分析

3.1 未来典型作战趋势

为了抵消重点区域日益成型的“反介入/ 区域拒止”能力，美国开展了下一代战斗机、高空长航时无人机、无人作战飞机、空天飞机等新型军用机载平台和先进空空导弹、联合双任务制空导弹、定向能等新型武器的研发，并同步开展了“空海一体化作战”“电磁频谱战”“分布式作战”“作战云”“蜂群”等新兴作战样式的论证。

综合而言，新型军用机载平台面临以下作战趋势：

(1)作战环境多样化、复杂化

新型军用机载平台不仅要满足领空与近海的防御作战需求，还要能在远离本土的区域执行夺取制空权和对地对海攻击的作战任务，其面临的地理环境更加复杂多样化，同时缺乏相应的体系支撑。

未来战争是海陆空天赛博的全域作战，众多作战平台、防御平台、武器的交联，赛博战、电子战、信息战、指控系统欺诈与干扰的集合，电磁空间变得空前复杂。

(2)作战对象无人化、隐身化

“无人作战”已成为热点，美国计划逐步以无人平台取代有人平台执行空海陆任务。无人平台无需照顾人体的生理极限，在航时、体积、尺度、部署数量、机动性、隐身性等方面比传统有人平台更为灵活。

无论是以F-22为代表的现役四代战斗机，还是各军事大国正在研发的先进战斗机，隐身特性都是其典型标志，美国的下一代战机更是力图达到全频谱、全方向的隐身。另一方面，美国正在推行“低功率到零功率”作战理念[6]。

(3)作战样式协同化、自主化

未来战争中各军兵种联合作战、多平台协同作战成为主流趋势，通过多平台的资源级、信息级和操作级的共享协同，弥补单平台在空、时、频、能力域等方面的性能不足，实现整体效能最大化[7]。

人工智能技术将逐步应用于作战链的全部环节，推动整个作战流程的自主化。

3.2 新增能力需求

随着典型作战趋势的变化和电子技术本身的发展，对于机载电子信息系统，除了传统的体积、重量、功耗、“六性”等基础要求和探测、对抗、通信、导航、识别、隐身等功能性要求外，以下几方面的新增能力需求值得关注。

3.2.1 平台分布协同需求

军用机载平台的分布协同需求主要来自于以下三个方面：一是多功能要求与有限资源以及(多功能要求对应的)高硬件资源需求与飞机平台装载限制的矛盾，二是高作战能力要求与单飞机平台能力限制的矛盾，三是高价值飞机平台高成本与大规模部署的矛盾。

从资源应用层面来讲，需要挖掘资源的多功能一体化能力，在资源进一步小型/共形化的同时实现资源多功能共用。通过细化到资源层的多机分布协同，具备对整个战场环境中己方所有可用资源的实时监控、快速管理调度以及资源冲突消解等方面的能力，基于顶层任务需求对资源进行统筹管理，进而提高己方整个作战网络的战场打击效能与战场生存能力；从信息应用层面来讲，主要体现在“拒止空域”中的战场实时态势信息获取、处理、共享等方面。可以利用新型军用机载平台在高危“拒止空域”中的生存能力，完成战场综合信息的采集、处理、决策、信息分发、战场决策等任务。

3.2.2 平台自主性需求

新型军用机载平台的自主性需求主要来自于以下三个方面：一是解决新型军用机载平台战场“多角色”定位与操作人员个数受限之间的矛盾；二是新型军用机载平台的协同应用层次逐步从当前的功能级、信息级协同提升为资源级、信号级协同所导致的需求；三是新型军用机载平台利用先验信息进行学习，理解并适应复杂战场环境的需求。

首先，当新型军用机载平台需要兼顾预警机、侦察机的部分任务时，带来的是电子信息系统功能的增加，其操作管理需求会随之急剧增加，产生了操作量增加与军机平台人数受限的矛盾，急需提升电子信息系统的智能信息处理与自主信息服务能力。

其次，目前军用机载平台主要的协同层级是功能级、信息级，参与协同的主要节点是雷达、电子战、通信、导航、识别等传感器功能，而新型军用机载平台的协同层次逐渐扩展至资源级、信号级，参与协同的节点由传感器功能扩展到系统资源，例如：天线孔径、发射机、接收机、处理资源、存储资源等。协同节点的数量扩展至目前的几十倍乃至上百倍，在多任务快速切换的战场环境中，对这些协同节点的管理、调度与冲突消解仅凭人力或者预先规划的方式是难以解决的，急需提升电子信息系统的智能传感器管理调度能力。

再次，新型军用机载平台面临的是更加复杂不确定的战场环境，电子信息系统为了更好地满足作战任务要求，需要具备“认知”能力。能够综合利用先验信息和实时态势感知、通信、导航等实现对战场环境的感知与自主理解，并根据战场环境的变化对工作状态和工作参数进行实时调整。

3.2.3 新型武器应用需求

军用机载平台的新型武器需求主要来自于以下三个方面：一是传统动能武器、干扰弹数量有限与敌方大规模(饱和)攻击的矛盾，二是火控制导、武器决策、动能武器速度有限与快速攻击要求的矛盾，三是赛博防护、攻击能力欠缺与敌方大规模利用赛博域作战的矛盾。

随着能源、材料、工艺等基础领域技术的发展，激光武器、定向能武器、赛博攻击等新概念武器及作战方式逐步成熟。在新型军用机载平台上，电子信息系统不仅承担着传统动能武器的目标信息实时获取与传输引导任务，其本身也具备利用新型光学孔径与射频孔径遂行激光武器、定向能武器等新型攻击的能力。同时，电子信息系统必须提升智能传感器管理调度能力与信息获取能力以实现传感器功能与新型武器、攻击方式紧密交连，选择利用最佳传感器形成无缝连接和最佳协同，优化攻击效能。

4 军用机载平台电子信息系统发展趋势分析

基于军用机载平台电子信息系统新增能力需求分析，结合电子技术发展趋势，军用机载平台电子信息系统呈现出分布协同化、智能化、武器化等主要发展趋势。

4.1 分布协同化

现代军用飞机的航空电子体系架构从20世纪60年代演变到今天，主要经历了分离式模拟架构、分离式数字化架构、联合数字架构、综合(高度综合)积木架构几个关键结构演变。体系架构的演变基本上是随飞机的设计而成形的，其功能和性能的发展受制于航空电子技术发展。新型军用飞机的航空电子体系架构正在发展成形中，有两个主流趋势值得关注：一是单平台依托宽带器件、射频蒙皮、结构功能一体化、高速网络等的宽带分布一体化；二是多平台实现空、频、时、能量等多域协同，提高整体作战效能。

(1)单平台宽带分布一体化

目前，世界上先进战斗机普遍采用高度综合的射频架构，随着射频蒙皮、分布处理器等技术的逐步成熟，基于局部高度综合的分布式架构成为可能。如图1所示，宽带分布一体化硬件架构主要包括具有结构承载和感知处理环境信息的透波防护层、超宽带多功能共孔径天线阵面、高密度集成的微型多功能芯片组件、处理器等。

图1 宽带分布一体化物理视图

透波防护层除了具有传统天线罩封装承载、抗气动载荷功能外，在顶层天线罩中嵌入光纤传感元件、驱动元件及微处理控制系统，使其具有感知和处理内外部环境功能，对孔径阵面各处应力、形变、裂纹、温度等参量进行实时监测，以判定系统是否正常工作；多功能共孔径天线阵面采用基于新机理和新型电磁材料的超宽带宽角扫描阵列天线技术、孔径共用技术及数字多波束形成技术，充分考虑工作方式、工作频段、覆盖空域、工作时段、调制方式等因素进行综合化设计，为多传感器功能共用；微型宽带多功能芯片组件采用瓦片式T/R组件子阵模块，T/R组件基板和芯片平行于阵面组装，通过垂直互联完成辐射阵元、子阵模块、馈电网络与信号预处理层之间的信号传输；处理器完成信号预处理及校准(主要完成高速数据交互和数字波束形成)和通用信号处理功能[8]。

通过宽带分布一体化设计，孔径/射频/处理资源高度集成并实现实时控制、高效共享与分配、与载机平台融合，可显著减小天线、传感器和处理资源数量、体积、重量及功耗，支撑提高作战效能，是军用机载电子信息系统发展的重要趋势。

(2)多平台分布协同化

如图2所示，分布式作战是着眼未来强对抗环境而提出的新型作战概念，其核心思想是将能力分散部署分解到多平台上，通过自主、协同等技术使多个平台联合形成作战体系共同完成任务，达到相同或更高的作战能力，具有成本低、灵活性强、对抗性强等优势[9]。

图2 多平台分布协同概念图

军用机载平台电子信息系统针对分布式作战概念，可依托宽带/超宽带、人工智能、分布式传感器协同等技术的发展，将分布于多平台的信息和软硬件等资源进行虚拟化管理[10]，通过资源的分布式感知、按需整合和智能化管控，综合和优化利用多平台分布资源，将广域空间分布的资源从时间、频率、能量、孔径、射频、计算、信息等多个角度、多个维度虚拟化成一个或多个综合设备，提升电子信息系统能力，实现对敌高效作战。

高效安全的无线通信是实现多机、多资源分布协同的基础，一要重点提升按需组网能力，能够以任务需求驱动、按需重组，波形参数、组网方式、网络结构、频段等可配置，提高无线网络的灵活性；二要提升安全/隐身/抗毁能力，从抗毁、抗干扰、抗截获和信息安全等多角度提高无线网络的健壮性；三是要从传输速率、传输距离、传输时延等多方面提升传输能力[11]。

4.2 自主化

美空军《自主科学与技术战略(2014年)》对自主化的定义为：系统具备一套基于智能的能力，可以对设计时未预先计划或者预测到的态势做出响应。由此定义可以看出，自主化意味着系统可以不依赖外部做出选择。

军用机载平台电子信息系统的自主化发展方向是能够根据任务需求、周边环境、目标信息以及战场态势的变化，自主完成系统功能，达到传感器功能参数自配置、资源自组织运行、任务自组织等目的，加速观测-确定-决策-行动(Observe-Orient-Decide-Act，OODA)环运行过程，减轻飞行员操作负担，满足军用机载平台面临的动态复杂的作战任务和作战环境需求[12]。

观测环节：可通过认知雷达、认知电子战、资源虚拟化等技术手段形成虚拟传感器或协同传感器体，实现目标的智能探测与环境感知。

确定环节：智能信息融合根据不同的应用需求、信息源的数据特点及网络传输能力等，自主选择融合结构、流程及方法，自动生成满足不同作战任务的融合产品，同时将不同类型、不同层次、不同粒度的融合产品，按需分发给需求不同的态势用户。

决策环节：通过态势认知及战术辅助决策，实现任务的自组织运行。

行动环节：智能管理以资源服务的方式实现传感器资源、武器资源的统一调度，实现传感器与武器的一体化控制。

自主化的优势在于：

(1)观测环节，从预设工作参数到学习战场态势信息、自适应调整工作参数转变，提高未知、复杂环境下的信息感知能力；

(2)确定环节，从同类平台/传感器、固定模式的信息融合到异类平台/传感器、可变模式信息融合转变，从开环信息融合向闭环信息融合转变，优化信息处理能力；

(3)决策环节，从地面规划到机上实时规划转变，缩短决策时间，提高决策合理性；

(4)行动环节，从主要依赖飞行员的传感器控制到多传感器自主协同，减轻飞行员负担，提高传感器协同工作性能。

4.3 武器化

新型军用机载平台将具备微波定向能、激光等新型武器样式和赛博攻击能力，原有常规武器、单一武器的作用逐渐减弱。

激光武器[13]主要由高能激光器、光束定向器和控制管理等部分组成，利用定向发射的激光束直接作用于目标使之作战能力降低或丧失,具有速度快、命中精度高、指哪打哪、无载弹量的限制、不易受电子干扰等优点，根据发展状态预判，在新型机载平台上可用于末端防御阶段，摧毁敌方来袭导弹等。高功率微波定向能武器[13]是利用定向发射的高功率微波束能量来毁坏敌方设备或毁伤敌方人员，具有全天候作战、引导精度要求低、同时多目标等优点，根据发展状态预判，在新型军用机载平台上可用于末端防御阶段，摧毁敌方弹载导引头等。赛博攻击[14]是通过远距离无线注入，利用、控制、建立信息和信号攻击敌方由电子设备、计算机系统、信息传输系统组成的赛博空间，具有无界性、高速性、隐蔽性和高效性等优点。

电子信息系统需要根据瞬息万变的战场态势，快速有效地整合探测感知、新型武器等作战要素，在战场环境、目标态势、赛博空间攻防态势的综合感知的基础上，智能选择最合适、有效的新型武器对目标实施打击，实现探测感知资源、新型武器资源的统一管理与一体化控制，支撑基于效果的一体化精确打击作战(见图3)。

图3 一体化精确打击作战

5 结束语

在新型军用机载平台高生存、多角色、广区域和强智能的发展趋势和未来协同、自主作战形态下，电子信息系统在现有能力提升的基础上需要重点提升与协同应用、自主管理和新型武器支持等相关的新增能力，向分布协同化、自主化、武器化方向发展。可以从以下几方面进行进一步的深入研究：

(1)军用机载平台的新兴作战样式；

(2)电子信息系统的分布协同架构及关键技术，如自适应抗干扰网络互联、分布协同能力合成、分布协同服务平台技术等；

(3)系统硬件的微小型化及与机体结构功能一体化，如射频蒙皮、射频芯片、微内核操作系统技术等；

(4)人工智能在系统中的应用，如利用学习算法提升辅助决策能力等；

(5)新型武器的功能定位及装机适应性，如激光武器的攻击对象、作用距离、供能散热方式等。

在创新技术风起云涌的当下，军用机载平台电子信息系统技术研究工作走到了“追赶式发展”转入“同步式发展”的关口，分布协同化、自主化、武器化只粗略勾勒出其主要发展趋势，细化、描绘和实现还需要开展大量研究工作。

[1] Air Force.2016 Air Force materiel command strategic plan[R].Washington DC:Air Force,2016.

[2] Air Force.Air superiority 2030 flight plan[R].Washington DC:Air Force,2016.

[3] Air Force.American′s Air Force:a call to the future[EB/OL].[2017-01-04].http://www.globalsecurity.org.

[4] Air Force.Technology horizons[R].Washington DC:Air Force,2010.

[5] Air Force.Energy horizons[R].Washington DC:Air Force,2012.

[6] Department of Defense.Winning the air waves:regaining American’s dominance in the electromagnetic spectrum[R].Washington DC:DoD,2015.

[7] Air Force.Air Force future operation concept[R].Washington DC:Air Force,2015.

[8] 何庆强，王秉中，何海丹. 智能蒙皮天线的体系架构与关键技术[J].电讯技术，2014,54(8):1039-1045. HE Qingqiang,WANG Bingzhong,HE Haidan. System structure and key techniques of smart skin antennas[J].Telecommunication Engineering,2014,54(8):1039-1045.(in Chinese)

[9] KELLY K.Out of control-the new biology of machine,social systems,and the economic world[M].New York:Basic Books,1994.

[10] HWANG K,FOX G C,DONGARRA J J.云计算与分布式系统[M].北京：机械工业出版社，2013.

[11] 骆光明，杨斌，邱致和，等.数据链-信息系统连接武器系统的捷径[M].北京：国防工业出版社，2014.

[12] Center for a New American Security.Robotics on the battlefield part II:the coming swarm[EB/OL].[2017-01-04].http://www.engineering.com.

[13] 杜和.定向能武器：希望与前景[EB/OL].2015-12-07[2017-01-04].http://mil.sohu.com/20151207/nc130133229.shtml.

[14] Air Force.Cyber vision 2025[R].Washington DC:Air Force,2012.

Developing Trend of Airborne Electronic Information System

REN Ran

(Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China)

Advanced military airborne electronic information system is a vital element in improving battlefield efficiency. The recent developing trend of foreign military aircraft is characterized by high survivability,multi-role,long combat range,and advanced intelligence. Collaboration and autonomy will be the main characteristics of future combat pattern. Thus the development of electronic information system of military aircraft should place emphasis on the capabilities in relation to collaboration,self-management,and compatibility with new weapons. The development of military aircraft,variation of combat patterns,new capability requirements,and the advancement of supporting technologies will promote the distributed collaboration,autonomy,and weaponizaion of military airborne electronic information system.It is necessary to conduct in-depth study on the emerging combat pattern,distributed coordination,hardware miniaturization,integration of structure and function,artificial intelligence,and the application of new weapons.

airborne platform;electronic information system；distributed collaboration；autonomy；weaponization

10.3969/j.issn.1001-893x.2017.04.020

任然.军用机载平台电子信息系统的发展趋势[J].电讯技术，2017,57(4):485-490.[REN Ran.Developing trend of airborne electronic information system[J].Telecommunication Engineering,2017,57(4):485-490.]

2017-01-11；

2017-03-20 Received date:2017-01-11；Revised date：2017-03-20

TN80；V243

A

1001-893X(2017)04-0485-06

任 然(1973—)，女，四川眉山人，1995年获工学学士学位，现为高级工程师，主要从事航空电子总体设计工作。

Email：renran1973@163.com

*通信作者：renran1973@163.com Corresponding author：renran1973@163.com