爱因斯坦盒技术研究及其启示

李 鑫，王柔溪，刘士磊，陈卫卫

（中国电子科学研究院 北京 100041）

0 引言

随着信息科技与网络技术的快速发展，武器装备的属性与作战模式，已经逐步由单装性能的迭代增强向网络化武器装备体系的建设而转变。而在过去，各国复杂航空装备均呈现“烟囱式”发展，各军兵种按照自身的需要，分别建立了各自的C3I系统，武器系统升级迭代受其他平台的限制较小，重点关注本平台的作战效能。然而，在现代化的联合作战战争中，单装平台的效能已经远远不能支撑现代化联合作战的战争模式和战争需要，“烟囱式”系统阻碍了联合作战的实施，装备间形成了相互割据且互不兼容的状态。

为了解决上述航空装备平台间互联互通困难的问题，各机构着力于研究一个真正开放的架构，这个架构能够允许集成软件服务的第三方应用，且新系统在飞机飞行过程中对平台的架构体系不存在负面影响，形成一个真正的“开放架构”模式，使得不同代际、不同平台之间的信息传输，可以以最小的经济和技术代价，相互通信和联通。爱因斯坦盒就是这项计划的最新举措。

1 爱因斯坦盒概述

爱因斯坦盒的前身为“事业任务计算机1.0”（Enterprise Mission Computer 1.0，EMC1），EMC1已经在密苏里项目中完成过测试，这次测试时洛克希德·马丁首次将“特定构型”的开放架构设备整合上飞行平台。

爱因斯坦盒，全称为“事业任务计算机2.0”（Enterprise Mission Computer 2.0，EMC2）系统，由于其英文缩写与爱因斯坦的质能方程E=MC2相近，因此又被称为“爱因斯坦盒”。它是由洛克希德·马丁公司承制中专门从事先进飞机开发项目的“臭鼬”工程秘密开发的装备。爱因斯坦盒系统用来实现不同数据链之间的高空保密通信，扩大定向数据传输的实现范围，克服不同飞机之间的代际通信障碍。其物理模型见图1。

2 爱因斯坦盒的能力

2.1 爱因斯坦盒基本能力

爱因斯坦盒的本质是一台高性能的任务计算机，一个开放的计算环境，是一种即插即用的系统，一个通信网关。该系统设计理念是通过使用不同的数据链路，可实现在高空隐身飞行，增加视线范围内定向数据传输，克服各代飞机之间的沟通障碍。爱因斯坦盒系统固定在飞机的航电处理器上，可通过重新配置传入的通信信号的波形，来保证不同的战术数据链传输之间的兼容性。现已搭载在美国U-2侦察机上，并整合入U-2侦察机的航电处理器且开启了多种能力。

2.2 爱因斯坦盒实战能力

爱因斯坦盒作为一个广义的通信中继内核，与多种战术数据链的互联互通，是它的核心基本使命。战术数据链是指通过无线电波或电缆在不同数据源之间传输文本、图像和语音信息网络，如飞机、舰艇和地面部队。每种数据链路都配置一个特定的数据链路终端、采取特定的通信协议和无线电频率。美国空军的飞机有3个不同的战术数据链：Link 16、多功能高级数据链路（Multifunction Advanced Data Link，MADL）和机内数据链（Intra Flight Data Link，IFDL）。Link 16是较早研制的数据链，它在老一代飞机上使用较多，如F-15飞机和F/A-18飞机，用联合战术信息分发系统的数据链终端进行操作。Link 16能够传输大量数据，然而它的工作无线电频率极易受到检测和干扰[1]。新一代飞机虽然可以在Link 16上运行，但是这样做容易暴露飞机的位置。MADL是为F-35战斗机服务，可供飞机在隐身模式使用，它具有超大数据容量，可在大约20～30 GHz的无线电频率下工作[2]。IFDL是为F-22战斗机开发的，它更加注重飞机通信和安全性，使用低检测概率/低截获概率数据链技术。

然而，由于第五代战机在设计时已经将隐身性能考虑在内，因此无法与四代战机联通，因为联通之后会暴露自身的位置，失去隐身的意义。而在体系化战争中，如何让不同代际之间的战机保持联通，并让他们在最快、最有效的情况下共享情报与材料是体系化作战的重中之重。然而，F-35战斗机和F-22战斗机这种第五代战机在先天的设计上就是战场的“信息吸尘器”，他们强大的传感器可以汲取巨量信息并传播出去。例如F-22战斗机在设计之初，为了追求绝对的隐身性，仅支持与其他同机型互联通信，搭载的IFDL也无法支持与普通第四代战机使用的Link 16互联，因为Link 16并不具备隐身性能，存在从资料链中暴露电磁信号的风险。而F-35战斗机的设计则具有更大的包容性，当需要隐身作战时，F-35战斗机的MADL可以用隐身信号与同机型联通，同时也可以收发Link 16信号，不过，这仍然有暴露电磁信号的可能。但是目前，空军所使用的网络架构相对较为老旧，大多数使用的是Commodore 64时代的电脑系统，而在不改变战机设计的前提下，这些性能强大的五代机，无法将信息有效地共享给上一代战机，“沟通不良”的问题暴露的十分突出。

但是，爱因斯坦盒的出现使问题得以解决。爱因斯坦盒可以使用Link 16跟美国空军绝大部分的飞机共享资料，还可以与F-35战斗机使用的MADL以及F-22战斗机使用的IFDL等实施通联，解决了五代机与四代机通联时会暴露自身位置的问题，是洛克希德·马丁公司长久以来欲整合各通信系统的卓越成果。它的出现可以快速且低成本地把全新技术和航空系统集成进现有空战系统中。

3 爱因斯坦盒的能力验证

3.1 验证平台的选择

爱因斯坦盒的验证选择U-2侦察机作为平台。选择U-2侦察机作为搭载平台，并不是因为只能选择U-2侦察机，事实上，爱因斯坦盒可以在各种不同的平台上整合。之所以选择U-2侦察机，是因为它的空间相对其他平台较为合适，且在功率和冷却机制方面，可以提供系统足够的电力与冷却效能，使其能够携带各种各样的有效载荷，是测试平台的首选。除此之外，U-2侦察机的开放式架构航电也让它快速整合固定在飞机的航空电子处理器上的爱因斯坦盒。

与此同时，U-2侦察机适合成为五代机与四代机间通信中继的原因，还在于U-2的飞行高度极高，这不仅让它难以被测量，且还让需要直线对准才能通信的IFDL与MADL能拥有更远的通信距离。爱因斯坦盒可以重新配置输入通信信号的波长，以确保不同型号的飞机之间不同战术数据链路可以具备兼容性。

3.2 验证实验的成果

2017年，在一次联合演训中，洛克希德·马丁公司的U-2侦察机参与其中，在演训中，真实地演示了最新秘密武器装备“爱因斯坦盒”的用途。这次演训展现了世界范围内最经典的高空侦察机可以使老旧的四代机与全世界最先进的第五代隐身战机进行信息通信。爱因斯坦盒作为U-2上安装的最新的通信阵列，这种即插即用的系统，整合入U-2的航电处理器并开启了多种功能。

2018年，美国洛克希德·马丁公司宣布本公司臭鼬工厂与美国国防预先研究计划局（DARPA）开始展了一系列“系统之系统集成技术与实验”（SoSITE）项目飞行试验[3]，在实验中验证了如何应用“系统之系统”（SoS）方法和手段在对抗环境中对包括空、天、地、海、网络空间的各个作战域内的系统进行快速的无缝集成。飞行试验在加利福利亚州美海军空中战争中心进行，并演示了一种名为“缝合”（STITCHES）的新颖集成技术，试验平台选择了1架C-12飞机和1架飞行试验飞机，同时配置1个地面站以及1架飞行试验台配合两架飞机间的配试，通过这种演示组合，验证了信息在这些系统间的数据传输能力。在该实验中，引入了爱因斯坦盒，并将爱因斯坦盒作为开放式的计算环境，为异构系统之间提供了安全保护。爱因斯坦盒的存在，使军方具备了可对新技术和新平台进行快速验证和接入的能力，同时保证了系统的安全性。这一试验的成功，是其能够具备部署运用到作战系统和作战装备中的可能。本次实验验证了可将不同的任务系统快速地集成到现有架构的能力，并且能够控制集成成本，兼顾经济上的可接受度，它将会帮助美军在当下瞬息万变的体系作战环境中，保持作战的先进性和优势性。

通过本次爱因斯坦盒的引入，试验成功地验证了爱因斯坦盒可为作战系统带来的几种作战优势和能力增量。

（1）增强信息传输。爱因斯坦盒作为开放式的架构，可以使异构平台和系统之间的自由组合和传输信息成为可能，在接入系统均使用传统老旧的数据链路时，仍可通过爱因斯坦盒的加入，与新式数据链路进行信息的互联互通。

（2）实现信息交互。爱因斯坦盒的引入，首次实现了飞机间在飞行中通过Link16完成信息交互，实现了多系统之间自动融合、处理、集成以及传输信息的能力，证实了搭载使用传统数据链时仍可以完成信息交互的的能力。

（3）空地实时互联。由于爱因斯坦盒的存在，实验完成了陆基座舱模拟器与真实飞机系统实时互联的能力，减少了从数据到决策的时间跨度。

（4）综合软件集成。通过爱因斯坦盒这一通用平台的引入，将当前F-35使用的APG-81雷达与DARPA的自动目标识别软件进行了集成，并创建一个全面的战场空间图像。

由此可见，通过爱因斯坦盒，可使异构平台间的信息互联、软件互联等成为可能，在当下瞬息万变的作战环境当中维持作战优势[4-5]。

4 爱因斯坦盒发展的启示

在未来战争中，体系对抗将替代单装作战，成为主要的战争表现形式，继续聚焦于发展高精尖的武器装备已经不足以支撑未来的作战。当体系能力建设逐步进入全面发展时期后，更加灵活的体系技术方法和低成本的体系集成技术显得尤为重要。爱因斯坦盒作为一个可以承担异构系统通信中继的开放架构平台，它的出现可以推动多种技术的研究，促进体系作战的发展。

4.1 重视异构平台集成

在现代化战争中，单装能力的提升已经不足以支撑当前的战场局势，体系作战能力才能够将作战效能发挥至最大。然而，在过去装备的发展中，并没有按体系规划进行单装研制，因此，将不同研制机构设计的不同时期的装备进行集成，显得更为重要。而困难的是，由于装备覆盖的时期不同，集成需要考虑现役、在研甚至未来规划装备，这些装备的软件接口、硬件接口、内部控制信息、信息传输格式等均不相同。更有甚者，相同功能模块在不同平台实现方式也有所差别。想要实现异构平台数据的一致性、正确性和可用性，必须要将“互联、互通、互操作”这“三互”的发展置于装备集成时的首要考虑因素。

4.2 加强体系架构规划

体系架构的发展和规划，决定了体系装备的发展方向和体系各元素间的协同工作机制，制约着作战体系的最大作战能力。因此，体系架构的设计和规划是装备发展的基石，只有遵从体系架构的装备发展，才能够为作战体系有所贡献，并发挥最大的效能。在武器装备呈现体系化急速发展的趋势中，单一武器装备的高性能已经无法达到预期的战斗力，一个成熟、开放、稳定、安全的武器装备体系架构，才是发挥战斗力的关键。可由此开展符合我军作战使用的体系架构研究，推动体系化空战的发展。

4.3 开展开放架构研究

传统意义上的开放式架构，一般来讲是解决某个单装备或单设备功能的集成、扩展和升级问题，是狭义的开放架构。体系化空战能够实现的重要内生因素是开放的体系综合集成技术，使异构系统和装备能够进行互联互通和互操作。在开放架构的平台上，将其他体系要素的信息进行整合和融合，可以更大程度上发挥单个装备的效能，达到“1+1＞2”的体系效能增量。要对不同平台的传感器、武器和通信等资源进行体系集成，开放式架构是重中之重。因此爱因斯坦盒作为开放的体系集成技术的实现实体之一，需以开放系统架构为核心研究内容。

4.4 推动体系试验建设

体系化作战是未来空战场决胜的重要作战样式，在单装开发过程中，原型系统主要在早期研发阶段用于技术概念开发，验证系统功能运行流程，提前释放技术风险[6]体系。原型系统开发贯穿整个体系装备的工程研制过程，通过多种装备的配试，形成对体系能力的效能评估手段和验证方法。然而事实上，由于体系项目往往牵涉范围巨大，协调难度激增，大多数体系类原型系统，都很难有真正的实装验证途径。因此，应先从推广小范围的体系验证试验着手，通过“体系试验—实装测试—体系试验”的迭代方式，逐步将体系的集成与试验验证方法有所推广，对体系战场蓝图、体系开放架构实现方式、异构平台的集成方法、多平台信息集成的风险等进行评估，推动体系能力的快速演进。因此，应着手关注体系作战试验的能力建设，尽早地开展体系作战试验关键技术的研究是体系化作战推向实用的关键。

5 结语

爱因斯坦盒作为一个高性能的计算机，一个开放的计算环境，是一种即插即用的系统，一个兼容的通信网关，为系统之间的通信提供了安全保护功能，扩大了定向数据传输所需的视线范围，实现了不同数据链之间的高空保密通信，并克服了飞机不同数据链之间的通信障碍。它承担了不同飞机间的通信中继工作，通过重新配置输入信号的波长，能够在3种主流的数据链中进行异构系统的通信（Link 16、MADL、IFDL）。爱因斯坦盒已进行了演示验证试验，验证了上文中的4种能力。但是，爱因斯坦盒将不仅仅是一个通信中继工具，其未来还会具备各种智能化的侦察和电子战的能力。作为一个计算机，它可以像一个智能手机一样运行许多不同的应用程序；作为一个通用平台，它可以将异构平台之间的信息智能集成；作为一个通信中继，它可以支持未来不同代际之间的信息智能分发，成为未来体系化战场和分布式战场的重要组成部分。爱因斯坦盒技术是武器装备作战体系能力建设未来的发展方向，值得研究与借鉴。