李桂花
(中國西南電子技術研究所,四川 成都 610036)
美軍目前開展的轉型越來越強調作戰部隊聯網協同作戰,但現階段美軍作戰體系在聯網、網絡容量、系統互操作性和網絡管理等方面還存在諸多問題,特別是在空基網絡即空中層網絡。天基和地面都有比較成熟的網絡體系,并已經開始或多或少地引入相關的標準(包括商用標準)和架構來確保整個網絡的互操作性和標準化,只有空基組網沒有相應的體系架構,這也使得空基網絡目前成為美軍戰場信息網絡中最為薄弱的一環。
空基組網存在諸多限制,如作用距離、節點移動速度、網絡控制、載荷加載和功率等都要考慮。如何提供穩定可靠的平臺是首要問題,可以使用高空無人平臺,但如何保護這些平臺的安全也是個問題。另一方面,目前普遍對空中網絡如何應用認識不足,如何利用空中移動平臺提供可靠穩定的網絡服務始終沒有得到美軍各方的認同,特別是現代戰場的環境多變,空基網絡如何適應這種多變戰場需求是必須研究的問題。
鑒于美軍空基網絡當前的系統和技術環境沒有跟上作戰概念的發展步伐,而未來的作戰環境還將更復雜并對作戰系統和技術提供更高的要求,基于當前和預期的作戰環境(包括新近興起的、作為國家安全基本要素之一的賽博空間作戰)提出的挑戰,美空軍在近期提出了發展聯合空中層網絡(JALN)的概念[1],試圖將美軍各軍兵種所有的空中平臺都納入到一個一體化的空基網絡體系中,意圖按照網絡中心戰概念實現新的空中層網絡體系結構。
隨著空軍在聯合作戰部隊中的地位不斷提升,空中作戰平臺正越來越多地參與聯合部隊的作戰,且往往是先頭部隊和主力支持部隊,無論是從提高空中部隊作戰效率以及空地聯合作戰的協同性,還是充分發揮空中作戰平臺作戰效能籍由空中網絡促進天、空、地三層網絡綜合和互操作的角度來說,發展空中層網絡都是很有必要且迫切需求的。例如,據推測,F-22戰斗機未能參與利比亞的作戰,就是因為其無法通過數據鏈與其他飛機互通。現代航空環境需要發展性和革命性的改變才能最好地滿足連接、重新連接和支持作戰單元協同的目標,而不是僅僅對原有系統進行修補,必須采用企業式方法構建JALN。
2009年10月,美軍聯合需求監督委員會(JROC)批準并簽署了聯合空中層網絡初始能力文件(JALN ICD),JALN ICD是美空軍朝著企業方式開發空中層網絡(ALN)解決方案邁出的重要一步。JALN的主要目標是要連接執行各種參與作戰的單元,擴展現有的軍用網絡體系并將其與聯合作戰區域(JOA)內的天基和地/海面節點集成到一起,提供降低作戰部隊面對的風險所必需的動態和響應性通信基礎設施。美空軍設想的JALN將能在空中層支持并增強體系化通信連接,但并不會替代地/海面或天基通信能力。

圖1 JALN作戰視圖(OV)Fig.1 JALN operation view
JALN ICD文件中提出,JALN要支持國家和國防高級領導、作戰指揮官和各級聯合部隊的網絡中心指揮與控制和戰場空間態勢感知需求,并要:與天基和地面層綜合到一起;提高各級聯合部隊的通信接入能力;支持動中通和超視距通信;提供模塊化、可擴展和靈活的運行能力;提供滿足指揮官需求的持續連接能力。
同時提出JALN的三項核心功能是:一是提供跨JOA大批量信息傳輸和通過地面或衛星通信接入GIG的能力的大容量骨干(HCB);二是為天/空/地/海域提供專用接入的分發/接入/距離擴展(DARE);三是轉換功能,即促進HCB和DARE功能間網絡信息和波形交換和轉換的能力。
JALN ICD認為,美軍空基組網目前存在的能力差距主要表現在組網能力;網絡容量;信息與數據共享;網絡管理等方面。
在確定正式JALN需求之前,美空軍還擬制了空中層網絡愿景和飛行計劃,以期通過對空軍體系建設流程進行改革,更好地構建規模更大的JALN。按照美空軍的定義,空中層網絡(ALN)是指“為聯合作戰區域(JOA)內任意空軍空中平臺上發起、經過或終止的數據的共享、交換和利用提供框架的過程、程序和政策的集成和應用。”ALN是空中層更大范圍聯合組網能力的關鍵組成部分,它將擴展現有地/海面以及天基能力,同時還將有助于緩解當前通信面臨的諸多限制。
在美空軍發布的《空軍2024空中層組網愿景》[2]中,美空軍設想了未來空中層網絡的特點:
1)提供可信任的、持續的且有保障的作戰單元聯網和協同,包括聯合軍兵種和盟軍之間。
2)為作戰部隊配備信息交換能力,以保持和擴展信息優勢。
3)延伸至地/海和天領域,銜接目前地面和天基裝備的間隙和缺陷。
4)支持新技術、基礎結構、能力和加強聯合通信能力的實現。
5)綜合聯合網絡中心的組成部分如知識管理、網絡管理和信息保障。
6)通過改進人的效能和決策制定縮短殺傷鏈,促進信息優勢并提高生存能力。
7)快速適應新環境并在這種情況下保持靈活性。
8)增強多任務武器/武器系統,包括支持戰略威懾。
在美空軍空中層網絡愿景之后發布的《空軍空中層網絡飛行計劃》則是達成該愿景的迭代、連續過程的第一步,它描述了美空軍確保達成希望的最終狀態要采取的初期行動。美空軍SAF/CIO A6和AF/A3/5于2010年7月簽署了該《愿景》,SECAF/CSAF也在2011年5月對《飛行計劃》進行了簽署。
美空軍的ALN實施計劃將與JALN開發和運行以及JALN支持能力保持同步。雖然空中層能力缺陷會在JALN中得到基本解決,但是空軍制定的《愿景》和《飛行計劃》已將空軍作為推動JALN發展的主要軍兵種。
美空軍發布的《ALN飛行計劃》提煉空軍在《愿景》中描述的概念并提出了企業方式的行動計劃以支持實現空軍的ALN愿景,用于指導實現作戰部隊聯網和協同的愿景所采取的可操作的、基礎的步驟。ALN目前的重點是非裝備體系的改革以支持JALN,因而《飛行計劃》中的行動計劃主要關注非裝備的專屬行動,有意識地沒有考慮具體裝備解決方案,但是未來ALN的工作將會支持裝備體系解決方案的實現。該初始計劃之后還會有逐漸詳細的計劃,未來還將把ALN目標與需求、計劃制定和采購綜合到一起。
《ALN飛行計劃》之所以現階段把工作重點放在非裝備體系改革,是因為對目前美軍空中層網絡存在的問題和挑戰的根源分析表明,問題主要集中在6個領域:管轄方式、企業方法、需求、標準、建模、仿真和分析以及經驗總結,并基于此確定了3個主題領域:需求、采辦和技術。
為支持美軍的全球作戰,美軍目前空中層內作戰單元采用的是各種戰術數據鏈(TDL)來與任務或平臺中心的友方單元交換信息。如JALN ICD文件所述,當前這些系統缺乏完全支持美國防部信息需求所需的聯網、容量、信息共享和網絡管理功能。盡管美軍當前的通信體系已經足以滿足特定任務需求,但系統的全部能力和數據中繼能力優化不足。
根據美空軍的分析表明,現有系統存在的問題并不能簡單地通過對現有系統進行逐步升級得以解決,因為有些通信系統已準備好進行升級,而其他系統升級則可能已經從技術證明不可行或成本太高無法進行。因而,需要有一種企業級的解決辦法來克服現有限制。存在的主要問題包括:
1)目前缺乏供通用企業級應用使用的可靠的空中層基礎體系,這限制了作戰單元跨戰區連接和協同的能力。
2)隨著空中層能力和服務復雜性不斷提高,帶寬需求也隨之增加,并已超過了現有能力。
3)現有各類通信系統不能完全支持新的平臺和技術。
4)通信解決方案必需考慮到拒止介入環境下平臺的信息傳輸。
5)大多數通信系統都依賴于緊密耦合的硬件和軟件,這阻礙了互操作性,限制了聯合效用。

圖2 當前狀態:現今網絡間的信息流受限Fig.2 Current status:limited information flow between the network
到2024年,2010年發布的《空軍2024空中層組網愿景》預計將會實現,作為《飛行計劃》初期迭代的成果,戰場裝備平臺的現代化和增強工作將會成形。圖3描繪了ALN實現的空軍希望達到的空中領域最終狀態,當JALN完全與天基和地/海面網絡集成到一起并延伸至賽博空間領域時就將能夠這一狀態。當所有網絡綜合到一起可以提供可靠、風險可控且有效的多接入控制的連接并能使所有部隊可以在JOA內跨海、陸、空、天和賽博域協同時,也就達到了空軍希望的空中層網絡最終狀態。

圖3 美空軍希望實現的空中層網絡最終狀態Fig.3 Air layer network that US air force hoped
美軍為了滿足其當前的作戰需求,已經為其空中作戰平臺裝備了多種組網系統,盡管目前從體系架構的角度來看,這些系統還存在互操作等問題,但要實現最大效用,發展空中層組網也不能一味地采用最新的可用技術,還需要考慮無縫地與現有裝備和網絡集成到一起。當前的挑戰是在將空中層系統和裝備與現有的地/海面、天基和賽博空間通信設備集成起來的同時,盡可能地避免現有體系中存在的互操作性問題。由于空中、地/海面和天基層都不可避免地要與賽博空間聯系到一起,因而這些互連平臺和節點實現協同將有利于促進高層決策能力,而這利用現有的點對點或廣播數據鏈和單個飛機作戰的方式根本無法實現。
未來通過JALN共享、交換和使用數據的系統和平臺必須具有靈活性、響應性和高效率,具備動態工作能力,包括實時重新分配任務和響應未知威脅。這就需要平衡用戶需求,為各種空中層用戶和任務開發針對性的解決方案,并確保這些解決方案具備足夠的靈活性,能夠引入新技術(根據需要)以支持未來的作戰任務。美軍現在提出的空中層組網概念不僅只關注特定使命、系統或任務,而是要涵蓋更廣范圍內的數據不可知的組網能力。
由于是首次以企業的方式為空中層網絡開發解決方案,對于現階段作戰能力依賴于單個武器系統能力的情況,美軍提出,過渡期的解決方案可以考慮縮小各系統存在的“缺陷”,但空中層通信解決方案必須源于以能力為中心的需求。
(1)連接全球信息柵格(GIG)
美軍提出的空中層組網概念代表了美軍對跨空中層實現信息傳輸和交換能力根本轉型,目前美軍的作戰單元主要通過天基或地/海面通信層訪問GIG服務,未來的聯合空中層網絡將擴充這種訪問并擴展GIG連接(在主機平臺允許時)、根據節點變化(自愈)優化網絡配置以及在災難性故障發生時性能平穩降級。美軍空中層組網計劃的目標之一就是為終端用戶提供支持,提供它們獲取網絡連接服務的能力,將GIG連接服務的作戰范圍進一步拓展,覆蓋那些處在戰術邊緣和使用的網絡連不通、斷斷續續或帶寬較低的用戶。空中層組網計劃希望通過這種方式促進那些關鍵的、基于通信的作戰活動,包括指揮與控制和戰場感知,提供接入非保密互聯網協議路由網絡(NIPRNET)和保密互聯網協議路由網絡(SIPRNET)的通用網絡。
空中平臺的高動態性導致為其提供持續接入GIG網絡的能力一直是個挑戰,因而空中層組網計劃的目標是改進這種能力。與GIG的地/海面和天基部分一樣,節點或其他服務中斷也會導致JALN網絡降級或無法訪問遠程應用和系統,而且JALN中的戰術用戶可能會在某些時候被隔離無法訪問全部GIG服務或接入點,因而JALN的目標之一是提供網絡容斷能力,使被隔離的或者是根據需要降級運行的用戶可以繼續工作,被隔離的子網絡將會具備復制基本的GIG信息共享服務的能力,這將通過空中接入點實現,并且會通過進行認證對這種接入進行保護。
(2)戰術數據鏈的發展
隨著空中層組網計劃從不涉及裝備體系發展到指導裝備解決方案的實現,必需保持空中層網絡具有足夠的靈活性,以便能接受、利用和傳輸更新、更靈活的應用和服務。未來的空中層網絡將會支持美空軍從現階段的單個能力系統轉變成基于網絡中心拓撲的綜合化、基于開放交換的多功能作戰能力體系。現階段,支持美空軍空中平臺聯網的主要是各型數據量系統,主要包括Link-16和機間數據鏈(IFDL)等,空中層組網計劃的目的或重點并非是要取代現有或計劃中的各種數據鏈系統,而是對其進行擴充。現役的和未來的空中作戰平臺都必須能加入空中層網絡,且所有平臺都必須能提供和提取中繼數據、原始信息和處理過的情報產物。戰術數據鏈盡管在美軍的信息化轉型中發揮了巨大的作用,但由于現役戰術數據鏈主要針對各軍兵種或者特定作戰任務的需求開發,各自形成了“煙囪”式系統,兼容性差,已經成為了美軍轉型繼續發展的阻礙,因而戰術數據鏈未來的發展也必須轉型。如前所屬,空中層網絡很重要的功能是連接GIG,構成GIG的重要部分,因而未來的戰術數據鏈必須支持IP協議,現役的戰術數據鏈如Link-16必須通過改造兼容IP協議。至于美軍四代隱身戰斗機使用隱身數據鏈IFDL和多功能先進數據鏈(MADL)等,優點和缺點同樣明顯,其與其他數據鏈不兼容的問題,與網絡中心作戰概念背道而馳,限制了這些先進飛機的作戰使用,并已經促使美空軍專門立項來解決。為此,美空軍在空中層組網計劃中提出,將會改造傳統戰術數據鏈并開發能夠提供執行任務必需的通用傳輸和協同能力的新型數據鏈。從美軍數據鏈現階段的發展情況來看,以羅克韋爾·柯林斯公司開發的戰術瞄準網絡技術(TTNT)為代表的兼容IP協議且組網靈活的數據鏈網絡有望成為未來美軍空中層網絡的主要鏈路。
(3)聯合戰術無線電系統(JTRS)發展
美國防部的JTRS系列解決方案是能夠提供某些JALN能力的潛在技術之一,它可提供可控且動態的支持IP的網絡,增強網絡流量,應用公用標準,并增加非話音信息交換能力,包括圖像和視頻信息交換能力。而且,目前美軍正在以標準化、有保障的形式將其初始的“寬帶互聯網”解決方案裝備到特種作戰和傳統部隊。JTRS電臺使用的波形如士兵電臺波形(SRW)和寬帶組網波形(WNW)對于美軍將先進組網能力部署到戰術邊緣以及與地面部隊為其提供通信支持非常關鍵。隨著JTRS技術的持續發展,空軍需要重新評估需求及其對JALN的貢獻,做好持續發展的準備,利用與任意單個通信系統無關的、支持JALN能力的技術滿足作戰部隊的需求。
美空軍頂層需求官員2011年3月8日稱,現在的戰區空中組網覆蓋比幾年前要好很多,而美空軍戰術數據鏈主管Joe Lenertz稱:“為正在交戰的地面部隊提供近空支援所需的時間量已經減少了25%。”這種效率提升正是得益于美軍空中層網絡的構建,但是美軍現有的空中網絡會包含眾多原本互不兼容的子網和數據鏈,為此需要使用多個中繼和網關(如戰場機載通信節點(BACN))才能確保操作員可以交換信息。而美軍預期的聯合空中網絡則遠非讓不同數據鏈和波形共存工作,還需要對它們進行平衡和把不同層綜合起來。目前,低層實質上就是指把地面部隊綜合起來,中層是指戰術空中中心,而高層則是要連接天基層。
目前,美空軍需求確定人員已經劃分了3類作戰環境:在獲得作戰許可(Permissive)的環境下,作戰是不會受到太大威脅的;在爭奪(Contested)作戰環境下,會有一些威脅對空中作戰構成威脅;而在拒止進入(Anti-access)區域,近似對等對手可能會利用先進的綜合防空裝備和其他武器(包括賽博武器)阻止進入。這3種不同的作戰環境,無論是對作戰平臺還是數據鏈路都提出了不同的要求,不過有些組網挑戰則在全部3個領域都存在,這包括氣象、環境條件(如山區、視距限制)、使用了多種波形、作用距離變化、潛在敵方干擾和其他,等等。當然,美軍空中分層組網的目標是要以盡可能高效的方式克服這些困難。由于美軍JALN概念目前仍處在需求確定階段,現階段其主要任務就是把作戰能力缺陷轉化成需求,而裝備部門則要根據這些信息來填補現在存在的缺陷。目前已經確定了4個特定缺陷:連通性、容量、數據共享和網絡管理,這之中,網絡管理仍是最為困難的。
美空軍高級官員表示,空中網絡的各組成部分都管理的很好,但是仍需要提高整體管理能力。部分問題是由于缺乏真正的聯合管理,即使是單個組成部分如JTRS和Link-16也沒有按照聯合的模式來進行管理。從更大的范圍的角度來說,美軍目前還不具備很好的管理綜合網絡的聯合網絡能力,也正因此,美軍希望有一個工具,可以把現有的各個網絡連接到一起并將它們管理成為綜合網絡。美軍的最終目標是要具備空中層網絡控制能力,以使聯合作戰單元可以高效規劃、協調、分配和監控綜合化通信服務,這將使它們可以同步和最大限度地發揮武器系統的效率。
在美軍開展JALN概念具體化、制定實施路線圖、設計應用概念等工作的同時,也在同步推進實現一體化空中層網絡所需的關鍵系統和技術的開發,比較典型是:
(1)四代機和五代機互通
盡管美軍的第四代隱身戰斗機F-22“猛禽”已經服役,并且F-35“閃電II”也即將服役,但是這兩種四代機的采購數量都大幅削減,這就意味著美空軍現役的大量三代機如F-15、F-16和F-18戰斗機仍將在一段時間內與四代機一起為美軍提供空中作戰能力。但是,如前所述,F-22和F-35戰斗機分別配備的是專用的隱身數據鏈IFDL和MADL,與三代機主要使用的Link-16數據鏈無法互通。為此,美空軍在2013年初發起了,聯合攻擊戰斗機企業終端(JETpack)聯合能力技術演示驗證(JCTD)項目[3],以驗證解決上述互通問題的相關技術。諾斯羅普·格魯門公司作為項目的主承包商成功地在2013年4月份的試飛中,演示了IFDL和MADL數據鏈與Link-16互通的能力,格魯曼公司開發的JETpack可采用內置掛載或吊艙式掛載,基本型JETPack設備包括若干天線、一個終端和安裝在網關平臺上的相應電子設備。據此美空軍于2013年5月發布了相應的系統招標書[4]。此外,作為該項目的競爭者,洛克希德·馬丁公司也在2013年12月17日和19日聯合L-3通信公司進行了類似技術的演示,演示中成功地通過Link-16數據鏈傳送了從F-22戰斗機的數據,并演示L-3通信公司開發的獨特通信波形[5]。
(2)戰場機載通信節點(BACN)
美軍空中層網絡現階段最突出的問題就是各封閉通信網絡系統間的兼容性問題,盡管美軍發起聯合空中層網絡概念就是要通過體系架構建設從根本上解決這一問題,但短期內仍只能依靠網關系統的轉接盒轉換來實現整個空中層網絡的互聯互通,這些網關系統也是現階段美軍空中層網絡無縫運轉的關鍵。目前諾斯羅普·格魯曼公司開發的戰場機載通信節點(BACN)系統已被選用并部署到阿富汗等地區執行這類任務。BACN是一種可擴展通信距離的機載通信中繼系統,可支持圖像、視頻、話音和數字文電的無縫傳輸,并可為不兼容的通信系統之間提供轉接和轉換。2009年6月下旬,美空軍向諾·格公司采購了8套 BACN系統,分別裝備在4架E-11龐巴迪 BD-700“全球快車”遠程公務機和4架“全球鷹”Block 20無人偵察機上,目前除一架“全球鷹”無人機墜毀外,其他7套BACN系統都在服役。利用BACN,地面上的特種部隊士兵能用民用蜂窩電話與戰斗機上的飛行員通話。該系統特別適合在阻擋視距通信的崎嶇山區、以及軍民協同、不同軍種乃至不同國家軍隊協同作戰的戰場上應用。2014年4月,諾格公司又試飛了為加強作戰前線通信能力而開發的智能節點吊艙,該吊艙將能夠連接BACN平臺和地面作戰中心,可作為部署在高空的BACN的低空補充,二者聯合工作將進一步完善多層的聯合空中層網絡體系。

圖4 JETpack聯合能力技術演示驗證Fig.4 JET pack joint capability technology demonstration
(3)100 Gb/s空基骨干網
在美軍設計的分層網絡體系中,空基骨干網絡是非常重要的一部分,而且也是目前空中層網絡缺乏、需要全新開發的網絡,為此,美國防先期研究計劃局(DARPA)在2013年1月發布信息征詢書試圖開發一種基于無線電信道、傳輸速率達100 Gb/s的軍用數據鏈[6],尋求將空中多路復用技術與高階比特調制技術組合應用的創新方法,實現大于每赫茲每秒20 bit的光譜效率。該項目試圖開發一種具有光纖等效傳輸容量和通信距離的機載通信鏈,可以穿越云層、雨滴和霧霾,且實用性強。據DARPA的研究人員稱,該系統將用于作用距離為201 km、100 Gbit/s傳輸率的空-空數據鏈的應用,和飛行高度約18288 m的飛機上作用距離為100 km的空-地數據鏈的應用。DARPA從2013年8月起陸續向6家公司授予了第一階段的開發合同。
空中層組網計劃將為美軍全球作戰部隊提供關鍵的附加通信服務和能力。作為空中層領導者,美空軍將負責提供流程、程序和政策(它們為JOA內任意空軍空中平臺有關的數據的傳輸和利用提供框架)制定的準則、管理方法和指導。美空軍發布的空中層組網《愿景》和《飛行計劃》啟動了美空軍的相關工作并為空軍組網轉型建立的途徑。飛行計劃迭代過程中行動項目的實現工作已經啟動,飛行計劃的下一迭代會在2012年發布,會包括為可靠的裝備解決方案提供支持的行動以及JALN AoA的結果。隨著針對ALN進行的計劃和組織結構調整工作的開展,未來的飛行計劃迭代將會把重點轉移到裝備開發、采辦和綜合上來。
現階段,美軍的網絡體系構建都是網絡中心作戰的角度出發,構建支持多軍兵種、多平臺聯合作戰的綜合化通信系統,這不僅僅涉及空軍,也涉及海軍、陸軍、海軍陸戰隊裝備的空中作戰平臺,JALN將成為促進美軍空基組網未來發展的主要概念,并推動空基組網的建設轉型。
[1]TIWARI A,HU Jingyi,DANESHRAD B.Co-Array Processing Assisted Bayesian Beamforming(CABB):A Nonlinear Beamforming Technique for Joint Aerial Layer Network(JALN)backbone[C]//Proceedings of 2013 IEEE Military Communications Conference.[S.l.]:IEEE,2013:388-395.
[2]SCHUG T,DEE C,HARSHMAN N,et al.Air Force Aerial Layer Networking Transformation Initiatives[C]//Proceedings of IEEE 2011 Military Communications Conference.[s.l.]:IEEE,2011:1974-1978.
[3]BUTLER A.Talking Stealth:USAF Pushes for 5th to 4th'Gateway'[EB/OL].(2013-05-10)[2014-05-18].http://aviationweek.com/blog/talking-stealth-usaf-pushes-5th-4th-gateway.
[4]Air Force Materiel Command.5th to 4th Generation Connectivity Request for Information(RFI)[EB/OL].(2013-03-02)[2014-05-20].https://www.fbo.gov/?s=opportunity&mode=form&id=96613253 addd51b2e588db17dce9da49&tab=core&_cview=1.
[5]Amy Butler.Lockheed Secretly Demos New Stealthy Fighter Comms[EB/OL].(2014-02-25)[2014-05-12].http://aviationweek.com/defense/lockheed-secretly-demos-new-stealthy-fighter-comms.
[6]Defense Advanced Research Projects Agency.100 Gb/s RF Backbone(100G)[EB/OL].(2013-08-26)[2014-05-20].https://www.fbo.gov/index?s=opportunity&mode=form&id=8d30e1683f8f1f96ef31bcaf9968aa20& tab=core&_cview=1.