DARPA最新动态：增强稳定性原子钟、反潜战持续跟踪无人艇、战术侦察节点、移动式无人机防御系统
美大力推进“增强稳定性原子钟”项目发展
2016年，美国防高级研究计划局（DARPA）陆续授予多家公司“增强稳定性原子钟”（ACES）项目初始合同。本文全面系统介绍了该项目发展情况，并提出了两点看法。
一、项目发展经过
2016年1月21日，DARPA微系统技术办公室发布编号为DARPA-BAA-16-19的公告，征集主要在电池供电的便携式应用中部署使用，具有适当低的尺寸、重量和功耗的高稳定性时间保持设备的研发建议。项目预计总经费为5000万。从2016年8月23日开始，微系统技术办公室先后分8次、与8家公司签署了ACES项目的分阶段合同，详见表1。
▲表1 ACES项目合同授予情况
二、项目需求背景
DARPA提出“增强稳定性原子钟”项目，有着现实和长远的需求背景。
一是随着电子系统的发展对精确授时与同步系统的要求不断增加。精确授时与同步对美军通信、导航、侦察以及其他电子系统至关重要。随着电子系统数据传输速率更高、占据频谱日益拥挤、加密算法对时间依赖程度更高，对授时的精度和稳定性要求也日益增加。未来十年，这一需求还将继续增长，特别是在GPS拒止环境中进行精密授时，以及复杂巨系统位于分布式平台的组成部分之间进行同步的新要求不断出现。
通常情况下，美军战术系统的精密授时通过GPS接收机提供，这是尺寸、重量和功耗相对较低的一种本地授时源，并且直接与美国防部的主钟保持可追溯。由于GPS读数间存在噪声，且不连续，为提高短期稳定性，通常需要利用一个本地的授时基准（时钟）对本地GPS接收机进行增强。取决于平台应用需求不同，所部署的本地战术时钟往往需要在性能和尺寸/重量/功耗之间进行权衡选择，既有低成本、低尺寸/重量/功耗的机械式振荡器，也有相对高成本、高尺寸/重量/功耗的原子钟。
二是现有研究成果无法很好满足稳定性等要求。美军现有的电池供电授时源存在一些问题，如两次启动之间频率出现变化，存在长期频率漂移，频率对温度的敏感度过高等，往往限制了电子系统的任务应用空间。例如，根据DARPA“芯片级原子钟”（CSAC）项目研制的目前性能最好的电池供电时钟，在相同尺寸/重量/功耗条件下，其性能是机械式振荡器的100倍，但由于频率变化导致的重新跟踪误差，启动后往往需要6～12小时的校准时间，而由于温度灵敏度过高和频率漂移等因素，其支持的任务时间只有3～6小时。因此，对具有增强稳定性的电池供电原子钟的需求显得尤为迫切，特别是能够显著降低频率温度系数、长期频率漂移和频率可重复性的原子钟。
三、项目的研究基础和技术实现途径
频率温度系数、长期频率漂移和频率可重复性是限制传统芯片级原子钟性能的主要因素。这种限制由设备的基础结构决定，特别是缓冲气体约束的原子进行微波跃迁时的激光连续波探询。激光谱的变化和水蒸气分子特征随温度和时间发生变化，以及功率循环，导致所测量的原子跃迁频率发生变化，造成原子钟的频率和授时精度出现不稳定。
目前，美国已在实验室级和高尺寸/重量/功耗的工业设备中对原子约束和探询的其他方法进行了演示验证，主要包括：激光制冷和磁光捕获的原子样本；射频捕获的离子样本；对环境灵敏性更低的微波和光跃迁探询等。“增强稳定性原子钟”项目的目的就是充分利用这些现代原子物理技术开发稳定性、可重复性和环境灵敏性与实验室级铯束频率标准性能相当的便携式电池供电原子钟，要求启动后校准时间最短，且在相关作战环境中能在一定时期内保持准确的时间和频率。其主要通过低尺寸/重量/功耗部组件与先进原子物理探询技术的研发和集成来实现。
四、项目主要研究内容
“增强稳定性原子钟”项目重点关注两大技术领域：一是研制一部集成的原子钟样机，要求性能满足或超出项目确定的技术指标。要求交付完全集成的样机硬件，需要通过独立的政府验收评审。二是关于备用原子钟体系结构、部组件技术和探询方法的基础研究。交付的成果形式主要是技术报告。
每个技术领域包括概念验证、物理集成和时钟集成三个阶段。其中，技术领域1“ACES原子钟开发”三个阶段共计42个月，分别为：第一阶段为期18个月，主要在实验室条件下演示满足表2中稳定性指标要求的时钟的功能性；备选的第二阶段为期12个月，主要研制并演示满足表2中性能和SWaP要求的集成的物理包，以及所有真空、光电子和热控部组件，以及其他磁防护设备；第三阶段为期12个月，主要演示包含所有控制电子、功耗调节和封装的完全集成的原子钟是否满足表2中的所有性能要求。根据DARPA的要求，在第三阶段结束时，需要向政府试验设施提供两套完整的样机原子钟。
技术领域2“相关研究”包括一个基础阶段（第一阶段）、2个备选阶段（第二阶段和第三阶段），每阶段为期均12个月，共计36个月。相关研究主要研究与高性能、低尺寸/重量/功耗的ACES原子钟开发有关的创新性原子钟探询或体系结构/部组件技术。
技术领域1与2之间的关系是，技术领域1的建议书不能直接依赖技术领域2的成果；技术领域2的成果可能在后续阶段用于演示风险降低方法或将部组件集成到技术领域1。
▲表2 ACES项目技术领域1各阶段指标
五、ACES项目研发意义
通过分析比较ACES原子钟项目相关技术指标和美军现有芯片级原子钟技术水平，以及ACES重点技术领域设置，可以看出以下特点。
一是该项目重点围绕提高原子钟的稳定性开展研究。据2016年9月的消息，美高森美公司最新研制成功的改进型芯片级原子钟，体积为17立方厘米，功耗120毫瓦，月漂移率为9.0E-10，工作温度为-10℃～70℃。相比之下，ACES项目稍微降低了对体积和功耗的要求，却大大提高了体现稳定性特征的相关技术指标，如月漂移率提高了将近10000倍（第三阶段指标要求）。其结果是延长任务时间，实质是要求大大提高实战应用能力。
二是美军既重视实现先进能力，也重视开展相关基础研究。ACES项目关注的两大技术领域，分别体现了先进能力和基础研究两方面的要求。在处理两大技术领域关系时，要求先进能力自行开展研发，不得直接利用基础研究部分成果；而基础研究成果则可在日后用于降低项目风险或提高项目整体技术水平。
来源：国防科技要闻（ID:CDSTIC），作者：赵利平 中国国防科技信息中心
DARPA和香草无人机公司合作开展
VA001无人机10天续航飞行测试
【据美国航空周刊和空间技术网站2016年11月7日报道】DARPA和香草无人机公司已经开始合作进行VA001无人机的10天续航飞行测试。DARPA已经选择VA001无人机作为该局战术技术办公室的“种子项目”，旨在验证该级别的无人机（有效载荷30磅）能够从弗吉尼亚州佛尔斯彻赤（香草无人机公司所在地）飞行4天时间达到福克兰群岛或者其它远距离的前哨地区。
据悉，香草飞机公司曾获得美国NASA地球科学分部小企业创新研究方面的资助，完成了VA001长航时无人机项目的设计、研发和试验。目前的VA001样机采用一台经过改进的重油发动机，翼展10.97米，飞行速度74千米/小时，实用升限6096米，燃油消耗率低于1磅/小时，最大起飞重量272千克（其中，机体空重90.7千克，有效载荷13.6千克）。2015年3月，VA001长航时无人机完成首飞。首飞测试中，VA001携带了8.2千克的模拟载荷和足够的燃油，在1800米的高空完成了24小时的演示飞行。现在该公司正在瞄准下一阶段的工作：在6000米的高空完成10天的巡航演示飞行。10天的飞行时间也将创造该级别无人机的续航时间纪录。目前该记录为极光飞行科学公司（Aurora Flight Sciences）“猎户座”无人机于2014年12月创造的80小时。
（中国航空工业发展研究中心 王元元）
DARPA首次开展
“反潜战持续跟踪无人艇”传感器试验
近期，DARPA授予弗吉尼亚州Leidos公司价值850万美元的续约合同，要求继续开发并测试“反潜战持续跟踪无人艇”（ACTUV），该无人艇利用传感器和声纳技术搜寻敌方潜艇和其他空中/水下威胁，可自主航行90天。
ACTUV无人艇长132英尺（约40米），其无人导航系统使用了先进的水声学、模式识别和算法，可用来定位并跟踪敌方柴电潜艇。在被尾随一个多月后，敌方潜艇通常不得不被迫远离具有战略重要性的地区。
DARPA“反潜战持续跟踪无人艇”项目经理斯科特·利特菲尔德称，此次测试旨在验证ACTUV系统部署“非常规传感器技术”的能力，以达到稳健地持续跟踪敌方最静音潜艇的目标。DARPA官员还称，ACTUV项目旨在打造一款代表最先进技术的无人艇平台，以较小的尺寸和较低的成本来挫败柴电潜艇。
美国海军水雷和反潜战司令部司令弗兰克·德雷南少将称，相比安静的电力驱动潜艇，在船只来往繁忙的沿海水域探测柴电潜艇，就好比“在喧嚣的大城市识别一辆汽车的引擎声”。ACTUV无人艇声纳系统的设计，有助于降低海洋生态系统和水底生物的风险，如鲸鱼等。
该猎潜无人艇于2016年4月正式命名，近期首次开展了载荷试验。首批部署的载荷是“海军牵引式机载升降机系统”传感器套件，可在150~1500英尺高空范围内（约45~457米）搭载情报、监视与侦察（ISR）传感器。机载平台整合了额外的“面空导向ISR系统”，可进一步扩大无人艇的任务范围。
美国防部战略能力办公室、DARPA和海军研究办公室一直在强调无人水面舰艇的发展，希望这种新兴技术能够从本质上改变美国的两栖作战和海上作战战术。通过部署无人舰艇来执行预置传感器、传送设备和补给，以及发动小型蜂群无人艇攻击或进一步分散舰队等任务，可以降低作战人员的风险。
来源：国防科技要闻（ID:CDSTIC），作者：高飞绍 中国国防科技信息中心
DARPA继续推进反潜战
持续追踪无人艇的测试
美国五角大楼的研究部门正在扩展反潜战持续追踪无人艇的测试内容，使其能够自主航行达到90天，并通过传感器和声呐技术搜索敌方潜艇和其他空中与海底威胁。
国防先期研究计划局（DARPA）已经向位于弗吉尼亚州雷斯顿的Leidos工程公司授予了850万美元的续约合同，根据合同内容，Leidos工程公司将继续开展反潜战持续追踪无人艇（ACTUV）的试验阶段的开发
长为132英尺（约合40米）的无人艇，通过使用先进的水声学、模式识别，及无人导航算法来定位和跟踪敌方柴电潜艇。如果有必要的话，几个月时间的持续跟踪可以迫使敌方潜艇离开战略重要地区。
DARPA ACTUV项目经理斯科特·利特菲尔德（Scott Littlefield）说，无人艇的测试旨在展示采用非传统传感器技术的ACTUV对最安静的潜艇目标的连续跟踪的能力。
DARPA官员还表示，ACTUV的目标是产生一种超过目前最先进平台性能的船舶设计，这种设计只需要利用尺寸和成本远低于常规潜艇的无人艇就能实现与潜艇相当的使用效果。
美海军水雷和反潜作战司令部司令弗兰克·德雷南（Frank Drennan）在一份声明中表示，在繁忙的沿海水域捕捉安静的柴电潜艇就像试图在一座喧嚣的城市中识别一辆汽车发动机的声音。
ACTUV项目还考虑了声呐对海洋生态系统和海底生物（如鲸鱼）的影响，并将影响风险限制在可控范围。
反潜战持续追踪无人艇在今年四月被正式命名，根据防务系统网站最新报道，反潜战持续追踪无人艇刚刚测试了其第一个有效载荷。报道写到，其第一个有效载荷“空中拖曳式海军系统”（TALONS）可在150米至450米（500-1500英尺）高度范围内搭载重达68千克（150磅）的有效载荷，执行情报监视与侦察（ISR）等任务。
通过在空中平台上集成其他水面和空中可执行情报监视与侦察（ISR）的系统，无人艇的任务范围可进一步扩展。
五角大楼的战略能力办公室（SCO）、先期研究计划局（DARPA）以及海军研究局（ONR）一直强调无人水面艇或者无人水面艇系统的发展，希望这项新兴技术可以大大改变两栖作战模式和海军海上战术。该计划旨在通过使用无人艇执行一些基本任务来减少人员的风险，这些基本任务主要包括：前沿部署传感器、提供设备和补给品、启动小型舰船“蜂群”攻击和进一步驱散敌方舰队。（）
来源：国防网（ID:dsti_net），作者：史腾飞 丁宏
DARPA正致力于提升
人脑学习速度的研究工作
DARPA科学家正致力于一项新的研究，通过刺激大脑来帮助其以更快的速度学习。DARPA局长阿尔提·普拉巴卡尔在华盛顿举行的第四届年度国防峰会上表示，加速人类大脑学习是一个非常重要的研究领域，在DARPA的一个新项目中，我们提出能否开发出无创的方法，向人外周神经系统中的迷走神经发送信号，提升大脑在学习时的神经可塑性，在尝试要牢记的时候神经元可以重新排列和设置信息。
这项关于神经技术的新研究领域，源自DARPA的“革命性义肢”项目——开发和人手臂高度一致的可自由活动、轻量、集成电子和动力等于一体的假肢。阿尔提·普拉巴卡尔表示，DARPA从这种“近自然”的人工义肢研究中积累了很多，这项研究致力于监测志愿者运动信号和大脑信息传递过程，志愿者会植入一个连接运动皮层和感觉皮层的植入体。这些带有植入体的志愿者可以自然地思考移动他们的手（义肢），并能够通过义肢手上的传感器在大脑中感受到手的触觉。当我们进行功能恢复工作是，我们获取和理解信号的学习过程允许我们想象其他可能的事情，而且我们的想象的可能性是无边际的。
普拉巴卡尔表示，这像是打开了“潘多拉”魔盒，这将是个重要的时刻，停下来想一想接下来可能发生什么，并根据我们想要追求的目的来仔细选择我们的研究方向，加速学习研究将对几乎每个军事活动产生巨大的影响。试想，当需要学习一种新语言的时候，能够使用五岁儿童学习的可塑性来进行学习。目前来看，这近乎于科幻，但目前我们已具备研究能力进行尝试，并可能让其成真，而这正是DARPA研究的宗旨：高风险、高回报。
来源：国防网（ID:dsti_net），作者：志伟
DARPA双倍押注“战术侦察节点”项目
将资助建造第二架样机
DARPA与美海军研究办公室（ONR）联合开展的“战术侦察节点”（Tern）项目，致力于通过在如驱逐舰和护卫舰等前沿部署的小型甲板舰船布置可灵活发射及回收的特殊定制无人机系统（UASs），大幅提高其任务执行效能。2015年，DARPA授予诺·格公司Tern项目第三阶段合同，用于建立全尺寸技术演示系统。项目目前已取得多项重大进展，包括试验机制造和发动机测试等，DARPA已经要求诺·格公司建造第二架试验机。
DARPA项目经理丹·派特表示，DARPA正在考虑在一年多的时间内建造第二架试验机。通过第二次技术演示将提高飞行演示项目的鲁棒性，使与军队的合作更成熟。演示将包括测试不同载荷和不同的操作使用方法。
Tern项目构想建造一种新型的中高空、长航时的无人机，可在航行于波涛汹涌的海面以及远航的小型舰船的直升机甲板上起降，实现高效的长时间的飞行。为实现这些之前不具备的能力，Tern项目第三阶段将设计一架立式起落、带有双对转螺旋桨和鼻式推进系统的飞行器。该飞行器会像直升机一样起飞，然后转换到翼载飞行来执行任务。在任务完成后，飞行器回到基地，转换为直立状态并着舰。系统尺寸设计适应舰载机库大小，以方便维护和储存。
Tern项目的测试机在2016年完成了如下技术里程碑：
样机制造：在2016年第三阶段项目开始以来，Tern完成了主机身组建的建造，预计2017年第一季度完成装配，之后将安装推进系统、传感器和其他商用成品系统安装，进而完成全尺寸技术演示样机。
发动机测试：在第二和第三阶段，Tern已经成功测试对现有的通用公司发动机的大量改造工作，使其能够在垂直和水平方向运行。使用该发动机的原因是其比较成熟，已用于多个现役的直升机平台。
软件集成：2016年夏，Tern开放了其软件集成测试站（SITS），作为项目软件开发的系统集成实验室的重要组成部分。测试站包括样机管理系统硬件和软件，使用高保真模拟工具，可快速测试样机所有飞行阶段的控制软件工作情况。SITS将帮助确保技术演示样机在降落、复原和转换等挑战性状况下的安全飞行。
附加测试即将开始，一架尺寸为标准飞行器五分之一的样机模型正在NASA埃姆斯研究中心的国家全尺寸空气动力学综合设施中心（NFAC）进行风洞试验，试验搜集的数据将用于描述并验证飞行器的空气动力学特征。
负责监督Tern项目的DARPA战术技术办公室主任布拉德·图斯利表示，我们已经完成了大部分的硬件和软件开发，并全力进行集成，根据既定的飞行测试计划已取得了实质性进展。我们持续探索未知领域，首次开发出大型无人立式起落飞行器，也为未来Tern项目成功演示的，支撑海军舰船的持续长距离监视、瞄准打击作战能力感到兴奋。
Tern项目计划在2017年初开始进行推进系统的集成工作，在2018年初开始陆基测试，并于2018年底完成系列海上飞行测试。
DARPA和海军已达成协议备忘录，共同负责Tern演示系统的开发与测试。美国海军陆战队作战实验室（MCWL）也对Tern项目的潜在作战能力表示出兴趣，并计划对项目进行资助。
来源：国防网（ID:dsti_net），作者：志伟
DARPA为截肢者植入神经接口
重拾自然触觉反馈
（YiVian讯 2016年11月12日）压力（触摸体验的物理数值）是人类感知的一个基本维度，可让大脑知道皮肤与某物接触，而且还能知道该接触有多强烈。这种意识可以使人们，例如，轻轻地，安全地处理一个鸡蛋，不会过于挤压鸡蛋导致其外壳破裂。
DARPA正在为受伤的服务成员开发出先进的假肢，并解锁人机系统其他应用的新功能，而理解压力和触摸感觉的其他因素，以及学习如何通过机器人手臂和其他机器来表现出来是关键。现在，由DARPA的Hand Proprioception and Touch Interfaces（HAPTIX）项目资助的研究团队，包括美国凯斯西储大学、Louis R. Stokes Cleveland VA医学中心和芝加哥大学的研究人员已经朝着这个目标前进。他们在《Science Translational Medicine》期刊上刊登了此次发现，说明了如何通过电刺激来为神经系统压力的分级感觉进行编码。
HAPTIX的项目总监道格·韦伯（Doug Weber）表示：“DARPA正在通过刺激外围神经来引起假肢使用者对触觉和运动的自然感觉。要确定神经系统是如何对触摸的不同维度进行编码是一个巨大的挑战，但有了这些知识，我们可以设计更强大的神经界面，重新定义人类与工具和机器的交互方式。”
在两名志愿者的帮助下（两位志愿者上肢截肢，并通过手术在其残留的上臂中植入神经接口，时间已经超过两年），研究人员进行了测试以辨别神经的电刺激的幅度和频率如何被大脑解释为触摸压力。
在HAPTIX系统中，当志愿者假肢手上的压力传感器接合时，传感器就向志愿者身体外部的刺激器发送信号。然后刺激器将电脉冲发送到缠绕在志愿者手臂主要神经束上的电极（截肢之前控制志愿者手部的相同神经束）。规律的刺激通过神经传递到大脑，而大脑会根据这些规律来辨别不同水平的强度。
研究小组发现，通过调节被刺激的神经纤维数量（刺激振幅）和刺激的频率，感官信息可通过周围神经系统传递到大脑，使得志愿者可以区分不同水平的触觉强度。通过解耦刺激振幅和频率（意指断开两者的联系），并一次改变一个，研究人员可以预测压力感知的程度。
研究人员测试了志愿者通过三种方式辨别触觉强度的能力：可以区分多小的刺激差异，将其判断为不同的压力水平；评定不同信号的强度；对假肢的感觉强度与施加在完整手上的测量压力进行比较和匹配。研究人员在最后一次测试期间发现，志愿者能够可靠地将施加在假肢的压力感觉与其完整手部的实际压力相关联。测试显示，用户可以辨别由志愿者解释的20个不同的强度水平，以压力程度进行说明。
DARPA资助的研究人员此前通过连接到中枢神经系统和周围神经系统的脑机接口来启动对机器人肢体的运动控制。在本月早些时候，DARPA宣布Revolutionizing Prosthetics项目中的一个团队能够通过直接神经界面把机器人手臂的触摸感觉传递给志愿者的大脑。该研究补充了HAPTIX项目早期的实验，HAPTIX此前使用假肢臂和周围神经系统之间的侵入性较小的界面来递送触摸刺激。然而，在所有这些情况下，用户很难感知到物体对假肢的压力，以及通过假肢施加到持有物体上的具体压力。HAPTIX项目的最新成果为触觉感觉定量背后的神经机制提供了新的信息，并且可以支持用于多种应用的神经接口。
（来源： ）
DARPA MFP无人机防御项目
为地面移动车队寻求反无人机保护
【据情报航空网站2016年11月21日报道】美国军事研究员正在寻求业界帮助，希望研发出一种敏捷的移动式无人机防御系统，以对抗攻击如高价值车队这类重要移动目标的自动制导小型无人机系统。
上周， 美国国防部高级研究计划局（DARPA）官员为移动部队保护（MFP）发出了征询建议书（DARPA-PS-17-01）。
这一6300万美元的项目要寻求不仅能对抗当今无线电控制与GPS制导的无人机系统，也要能对抗以可视方式导航，以集群方式收集情报并针对一个或多个高价值移动目标协同打击的未来无人系统。
DARPA官员称，尤其关注的是对抗小型固定翼或直升机无人机系统（重量小于200磅）的能力。MFP系统必须能快速集成新的方法与技术，且能用于地面车辆、水面舰艇及飞机。
该项目的第一阶段会研发使能技术，如果可行，项目会进入二、三阶段，完成原型机系统演示。该征询建议书仅用于项目的第一阶段，该阶段同每个合同商的签约金额为300万美元。
此MFP项目包括三个阶段，每个阶段最终任务都要完成室外演示，对抗越来越复杂的威胁与挑战场景。
MFP系统可以包括分布式或升高的传感器和操纵装置，它们组成网络生成融合空中监视图像，可控制用于快速决策行动并提供若干低风险无人机系统压制功能选项。
MFP顶级系统架构分为三步：感知、决策、执行，采用通过融合引擎集成现有与新传感器的压制网络实现。
为了验证该系统，DARPA专家会采用美国陆军的航空飞行与火力集成应用（MAFIA）作为主要操作系统以实现即插即用的环境，并且DARPA还会考虑仅仅融合了MAFIA架构的系统原型机。
来源：新光电（ID:eofrontiers）作者：石鑫、王星 西安应用光学研究所
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