隨著大國競爭，對美國及其合作伙伴的威脅已經(jīng)發(fā)展到一個極其復(fù)雜的階段，美國將在多個領(lǐng)域面臨近乎同等的挑戰(zhàn)：遠(yuǎn)程導(dǎo)彈、反介入和區(qū)域拒止、遠(yuǎn)程目標(biāo)、指揮和控制（C2）、電子戰(zhàn)（EW）和網(wǎng)絡(luò)，僅舉幾例。

諾斯羅普·格魯曼任務(wù)系統(tǒng)公司機載多功能傳感器部門副總裁兼總經(jīng)理 Roshan Roeder 表示：“在戰(zhàn)場上保持領(lǐng)先需要對我們的平臺和系統(tǒng)的開發(fā)、建造和采購方式進(jìn)行創(chuàng)新。” “我們正在實現(xiàn)在硬件構(gòu)建之前驗證設(shè)計的數(shù)字能力，而不是我們過去使用的漫長的設(shè)計-構(gòu)建-原型-測試周期，并且我們正在實施基于寬帶多功能構(gòu)建塊的產(chǎn)品線以加速我們的向作戰(zhàn)人員的整體交付。”

“快速、集體地觀察、定向、決策和行動（OODA）以應(yīng)對高級威脅、光譜敏捷性和多功能傳感器的使用是未來的方式和必要性。在整個電磁頻譜中使用綜合能力會降低對手拒絕作戰(zhàn)的能力，并提高態(tài)勢感知的可靠性和及時性。這種多功能能力使我們的系統(tǒng)能夠利用自適應(yīng)方法和人工智能以前所未有的方式應(yīng)對不斷變化的作戰(zhàn)環(huán)境。”

多功能傳感器在電子戰(zhàn)、目標(biāo)定位和 C2 中的作用

什么是多功能傳感器，它如何適應(yīng)上述未來的戰(zhàn)場和威脅環(huán)境？

多功能傳感器是一個集成系統(tǒng)，它將射頻 （RF） 頻譜中的多種功能（包括通信、雷達(dá)、電子戰(zhàn)以及情報、監(jiān)視和偵察 （ISR））整合到一個傳感器中。

這與多光譜傳感器不同，在多光譜傳感器中，兩個或多個物理上不同的系統(tǒng)，每個系統(tǒng)都在其特定的光譜部分進(jìn)行感應(yīng)，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)融合在一起以創(chuàng)建更準(zhǔn)確的目標(biāo)圖像。將多功能傳感器想象為具有語音、文本、攝像頭和導(dǎo)航等多種功能的智能手機；多功能傳感器包含多種功能以滿足不同的用戶，數(shù)據(jù)產(chǎn)品必須具有高可靠性和安全性。

“根據(jù)要求，我們可以為更大的平臺和不同的多功能傳感器提供更高功率的多功能傳感器，這些傳感器的尺寸、重量和功率要求更小，更適合更小的自主能力，”Roeder 解釋說。“為了更加靈活和創(chuàng)新，我們在一組全是傳感器的構(gòu)建塊上構(gòu)建了我們的多功能傳感器，從而減少了單個傳感器所需的孔徑數(shù)量和功率。”

“此外，通過使用開放系統(tǒng)架構(gòu)和軟件定義的網(wǎng)絡(luò)，我們能夠輕松地使傳感器適應(yīng)特定的多任務(wù)需求，并以與服務(wù)相關(guān)的速度創(chuàng)建可操作的數(shù)據(jù)。”

多功能傳感器特別適合支持未來的聯(lián)合全域指揮與控制 （JADC2） 和多域作戰(zhàn) （MDO），以連接所有五個作戰(zhàn)域。這是因為在多個頻率上運行的多個傳感器為指揮官提供了一組更高可信度的可操作數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以改善目標(biāo)和精確火力的 OODA 循環(huán)。這是國防部制定其基于獲得和保持決策優(yōu)勢能力的聯(lián)合作戰(zhàn)概念所必需的。

“多功能傳感器的美妙之處在于它是一個單一系統(tǒng)，可以進(jìn)行雷達(dá)傳感、電子戰(zhàn)和通信——所有這些都是決策優(yōu)勢所需的能力，”Roeder 說，并補充說這些傳感器可以具有被動和主動兩種功能一個系統(tǒng)中的能力。與手機上的不同應(yīng)用程序類似，多功能傳感器通過為響應(yīng)者提供一組集中的信息以更好地了解態(tài)勢，從而提供支持各種任務(wù)的信息。

更進(jìn)一步，可以有兩個、三個或更多個多功能傳感器，這些傳感器具有這些類型的能力，分布在整個威脅環(huán)境中。這將為多域環(huán)境中的指揮和控制提供 Roeder 所說的“前所未有的態(tài)勢感知”。

多功能傳感器提供多種功能，可以無縫適應(yīng)任務(wù)需求。圖片由諾斯羅普·格魯曼公司提供。

一種新型多功能傳感器，可應(yīng)對復(fù)雜的新興威脅

2021 年年中，諾斯羅普·格魯曼公司向空軍研究實驗室 （AFRL） 和國防高級研究計劃局 （DARPA） 交付了有史以來最先進(jìn)的多功能傳感器之一進(jìn)行測試。它被稱為商業(yè)時間尺度上的陣列集成和驗證 （ACT-IV） 系統(tǒng)，它基于先進(jìn)的多功能數(shù)字有源電子掃描陣列 （AESA）。

該公司稱 ACT-IV 系統(tǒng)是 AESA 性能的突破，標(biāo)志著美國向數(shù)字可重編程多功能射頻 （RF） 系統(tǒng)過渡的一個重要里程碑。ACT-IV 是首批基于數(shù)字 AESA 的多功能系統(tǒng)之一，該系統(tǒng)使用 DARPA Arrays at Commercial Timescales 計劃開發(fā)的半導(dǎo)體器件。

“ACT 的細(xì)節(jié)令人興奮，但好處才是最重要的，”Roshan 說。“ACT 技術(shù)支持靈活的多功能系統(tǒng)，我們使用基于 ACT 的通用構(gòu)建塊，支持向作戰(zhàn)人員快速部署新能力。”

這些新孔徑基于常見的構(gòu)建模塊，一側(cè)是射頻能量，另一側(cè)是光纖上的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。數(shù)字構(gòu)建模塊允許孔徑瞬間從 AESA 雷達(dá)轉(zhuǎn)換為無源 ESM 接收器、數(shù)據(jù)鏈和“SIGINT”機器。

多個軟件定義的孔徑陣列可以大規(guī)模提供所有這些功能，或者同時在構(gòu)建塊或構(gòu)建塊組級別提供所有這些功能。這對作戰(zhàn)人員、裝備人員和采購方的平臺尺寸、重量和功率 （SWAP） 減少、物流簡化以及總體擁有成本產(chǎn)生了巨大影響。諾斯羅普·格魯曼公司正在使用這些構(gòu)建模塊來開發(fā)整個射頻頻譜的產(chǎn)品線，以支持陸地、海洋和空中的各種平臺。

在開放式架構(gòu)中使用數(shù)字工程設(shè)計多功能傳感器

多功能傳感器的一個關(guān)鍵概念是，它們是針對開放式架構(gòu)環(huán)境進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計的，這有助于多功能傳感器開發(fā)的構(gòu)建塊性質(zhì)。這使得在不同傳感器之間共享數(shù)據(jù)變得更加容易，并且由于其開放系統(tǒng)，隨著新產(chǎn)品甚至另一家公司的產(chǎn)品隨著時間的推移而增強傳感器的能力。

“開放式架構(gòu)是我們進(jìn)行開發(fā)工作的前提，”Roeder 說。“我們的架構(gòu)讓我們能夠采用一些我們最好的產(chǎn)品，并通過第三方處理、功能模式/波形和網(wǎng)絡(luò)功能來增強它們，以消除對供應(yīng)商鎖定的任何擔(dān)憂。這使我們能夠創(chuàng)建一個傳感器，可能超出現(xiàn)在的要求，利用第三方功能在該多功能傳感器上啟用不同的功能。”

支持這些詞的是“能力開發(fā)工具包”或 CDK，它已經(jīng)與第三方培訓(xùn)課程一起到位。

構(gòu)建塊結(jié)構(gòu)和開放式架構(gòu)打破了供應(yīng)商鎖定，是建立規(guī)模經(jīng)濟(jì)和降低產(chǎn)品設(shè)計、開發(fā)和生產(chǎn)成本的經(jīng)濟(jì)有效的方法。Roeder 表示，在這方面，諾斯羅普·格魯曼公司還投入了資源來了解推動供應(yīng)基礎(chǔ)成本的因素，并將其數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重點放在幫助第三方綜合多功能傳感器的工程生命周期方面。

公司在這方面努力的關(guān)鍵是數(shù)字工程。“我們對任務(wù)環(huán)境和威脅的深刻理解使我們能夠利用這種經(jīng)驗，準(zhǔn)確地建模和分析電磁頻譜中眾多復(fù)雜的場景，”羅德說。“我們的客戶正在分享越來越多的關(guān)于他們需求的信息，因此我們能夠每晚運行多達(dá) 100，000 次測試，以根據(jù)真實信息和真實數(shù)據(jù)驗證我們系統(tǒng)中的變化。它幫助我們啟用任務(wù)套件，優(yōu)化作戰(zhàn)人員的性能，并了解滿足客戶時間表和成本要求所需的技術(shù)性能。”

我和我的（數(shù)字）影子

為了協(xié)助任務(wù)系統(tǒng)的多種配置的快速迭代和評估工作，例如戰(zhàn)斗機的多功能傳感器和雷達(dá)系統(tǒng)，諾斯羅普·格魯曼公司開發(fā)了它所謂的“數(shù)字陰影”測試平臺，也稱為數(shù)字雙胞胎。這是其飛行實驗飛機試驗臺機身和子系統(tǒng)的數(shù)字復(fù)制品。

“數(shù)字雙胞胎將用作多光譜集成平臺，使我們能夠模擬飛機當(dāng)前和未來的能力，并選擇虛擬測試性能，以便我們將預(yù)測的傳感器性能與實際性能相關(guān)聯(lián)，”Roeder 解釋說。“這進(jìn)一步提高了這些數(shù)字表示的保真度和可信度。使用我們的 Digital Shadow 測試平臺對我們來說是一次迭代轉(zhuǎn)換。”

數(shù)字測試平臺是一個虛擬任務(wù)系統(tǒng)集成實驗室，能夠?qū)?shù)字傳感器表示與其物理設(shè)計相關(guān)聯(lián)，進(jìn)一步驗證系統(tǒng)和性能模型，并利用諾斯羅普·格魯曼公司的大型收集數(shù)據(jù)存儲庫。

通過創(chuàng)建飛機和機載任務(wù)系統(tǒng)套件的數(shù)字版本，該公司可以虛擬配置、集成和飛行場景和傳感器組合，從而超出物理測試臺的限制，從而增加實驗的廣度和規(guī)模——減少時間線和飛行測試成本，并最終擴(kuò)展作戰(zhàn)人員的任務(wù)能力，以領(lǐng)先于不斷變化的威脅。

“數(shù)字環(huán)境讓我們能夠探索由多功能系統(tǒng)創(chuàng)建的巨大測試和性能空間，該系統(tǒng)在許多頻率和許多不同平臺上針對多種威脅執(zhí)行多種功能，”Roeder 說。“一個數(shù)字系統(tǒng)可以在更短的時間內(nèi)完成比人類在飛行中可能完成的更多的測試。因此，這些數(shù)字雙胞胎是我們未來作戰(zhàn)部隊多功能、多領(lǐng)域基礎(chǔ)設(shè)施的必要組成部分。”

就像手機已經(jīng)發(fā)展到滿足客戶期望一樣，多域操作也需要傳感器的發(fā)展，以保持頻譜優(yōu)勢。多功能傳感器可以適應(yīng)任務(wù)需求和場景，并以無縫集成的方式動態(tài)支持 ISR、目標(biāo)定位、通信、電子戰(zhàn)和 C2 要求。這對于在 MDO 復(fù)雜且日益敏捷的威脅環(huán)境中戰(zhàn)勝新出現(xiàn)的威脅是必要的。
審核編輯：黃飛

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