【深度】新时代空中作战装备什么样？网络信息体系的空中作战装备发展
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今日荐文的作者为中国电子科学研究院专家曹晨。本篇节选自论文《基于网络信息体系的空中作战装备发展初步研究》，发表于《中国电子科学研究院学报》第15卷第8期。
摘 要：网络信息体系条件下的空中作战，本质上是基于网络信息体系的联合作战和多域作战的一种具体战争形式，遵从“侦、控、打、评”的基本流程，同时又有其在作战平台、空间分布和信息利用的特殊性。论文归纳了国外相关装备发展情况，分析了网络信息体系赋予空中作战装备的基本特征，以及空中作战装备体系贡献度评价的基本框架，在此基础上给出了装备发展建议，以期为我军空中作战体系建设提供参考。
关键词: 网络信息体系；空中作战；体系贡献度；杀伤网
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论文全文摘编如下
仅供学术交流与参考
引 言
空中作战[1]，是指以航空兵为主体在空战场进行的作战（Air Battle），目的是消灭敌空中兵力集团、夺取制空权、保障己方空中目标安全和空中行动自由等；也可以指航空兵在空中攻击或抗击敌方的行动（Air Operation），包括空中进攻作战、空中封锁作战、空中特种作战、防空作战和协同其他军种作战，以及航空侦察、电子对抗等；“当’空中作战’被简称’空战’时，实际还可用以指“空空战斗”，指交战双方在空中进行的战斗，包括空中截击（Air Interception）和空中格斗（Dog Fight），分为空中搜索、接敌、攻击和退出战斗等阶段。三者相比较，第一种意义更具一般性，也是本文讨论的主题。
网络信息体系条件下的空中作战，本质上是基于网络信息体系的联合作战和多域作战的一种具体战争形式，遵从“侦、控、打、评”的基本流程，同时又有其特殊性；这种特殊性主要体现在，在作战平台上，以飞行器或浮空器为主，联合其他各类武器系统，共同构成“侦、控、打、评”的依托平台；在空间分布上，以对流层内的空间为主，在实体域延伸至地面、海面、平流层与太空以及水下等区域，在非实体域拓展至网络空间和电磁空间；在信息利用上，信息的产生、组织和运用常常需要在高度机动的平台间以网络化的方式进行，由此与其他作战形态相比，空中作战装备技术体制和作战运用与其他作战装备明显不同。
1. 国外发展情况
美军虽然没有明确提出“网络信息体系”概念，但却是网络中心战、全球信息栅格（GIG）、作战云和JIE（联合信息环境）等一系列具备网络中心、信息主导和体系支撑特征的重大作战概念的提出者与实践者[2]。近年来，美军或其他军事强国继续加强顶层谋划和装备发展，力争在大国竞争时代保持领先优势，绝大部分均与空中作战装备发展有关。
美军高度重视作战概念研究，既是对已结束战争行动的总结，更是对未来战争形态的前瞻。近15年来，先后提出第三次抵消战略（2014年）[3]、空海一体战（2010年）/区域拒止与作战（2015年）[4]、多域战（2016年）[5]、穿透式作战（2017年）、马赛克战争[6-7]（2017年）和侦察威慑（2020年）等多种作战概念，如图1所示。
其中，第三次抵消战略具备纲领特征，设想基于信息主导和美军在无人作战、远程空中作战、隐形空中作战、水下作战、复杂系统工程集成与作战等5个方面的能力优势，建设“全球监视与打击系统（GSS）”，空中作战在“第三次抵消战略”中发挥主力作用。
马赛克战争则是综合反映美军对未来作战形态和武器装备发展认识的最新概念，也可以视为分布式作战和无人作战等若干个重要作战概念之集大成者，图1示出了马赛克战在OODA的作战周期内需要解决的若干问题。
美军以先进作战概念牵引装备形态变革，继续巩固相对于其他国家的装备跨代优势。例如，基于2013年提出的作战云概念[8]，设想每个“授权”武器系统可以利用“作战空间内用于数据分发和信息共享的总体网状网络”，透明地贡献和接收信息，实时连接和同步，增强态势感知和协同作战能力。
基于穿透式作战概念，研发AGM-183A和通用高超音速滑翔体（C-HGB）等前半段具有临空空间高超声速飞行特征、后半段具有弹道导弹飞行特征的打击系统[9]，以及PCA/P-EA/P-ISR（穿透性制空、电子战及情报监视与侦察平台）、MM-UAS多任务无人机和MQ-X等新型空中作战装备[10]。
基于马赛克战争概念，强调“以创新方式组合已有武器”，要求武器装备具备网络化、可重塑和低成本等特征，功能可拆分成多种排列组合，并建议发展各种低成本传感器或功能单一的平台，对武器装备形态可能产生重大影响。
空中作战装备特别是空中进攻作战装备正在经历从隐身时代向智能无人时代的变迁。此前的发展阶段更注重装备换代，从而凸显了“质”的因素，但智能无人时代的集群特征和饱和攻击作战样式，将更为强化数量的作用，兰彻斯特平方律必将继续适用。事实上，美军在强调继续保持装备跨代优势的同时，对装备数量也非常重视。在2019年3月发布的《2030年飞机清册》[10]中，提出轰炸机和战斗机将分别增加22%和8.5%，B-21和PCA/P-EA等部分重点机型数量显著增加，总数分别达到192架和2198架，如图2所示。
图2 CSBA提出的2030年轰炸机和战斗机发展数量[10]
美军早在第三次抵消战略提出时，即将作战组织和装备采购同作战概念与技术并列论述，提出要开展组织形态和国防管理创新，与网络信息体系“不仅应该包括各种网络、系统和武器装备，还应包括数据信息、作战力量、体制机制和交战规则等各个方面”的内涵不谋而合。
2019年12月，美军发布新的采办要求“自适应采办框架（AAF）[10]”，被认为是美军近年来采办史上最为重大的事件，从强调流程完美向强调快速交付能力转变，认为“明天获得的85%的解决方案要远胜于几年后获得的100%的解决方案”，同时认为像五代机这类平台开发周期过长，要求利用“模块化开放系统架构、敏捷软件开发、数字工程”三位一体的信息技术与工具，四年一次升级，并针对软件专门设立采办模式。美军在采办方面的这些措施改进，既适应了信息技术发展迅猛、信息系统更新更为频繁、空中作战装备高度复杂的现实，也充分发挥了信息技术在武器装备研发中的作用。
2 空中作战装备基本特征
总结当前国内对网络信息体系的基本认识，并综合国外发展趋势可以认为，网络信息体系条件下的各类作战形态均具备如下几个方面的特点，而这些特点对于空中作战的装备与流程组织而言可能更为突出，并对装备的设计理念与实现形态产生深刻影响。
在网络信息体系条件下，为提高信息共享能力，武器系统研制人员在装备设计与集成方面主要采取两类主要措施。
1）不断强化顶层设计。期望改变长期以来基于“烟囱”的自底向上式装备集成与体系构建方式，突出自顶向下，统一标准规范[12]。强化顶层设计的极致是一次性将装备体系架构、各类体系成员及其交互关系定义好，即通过研制“体系化装备”来实现“装备体系化”，但受限于认识水平很难一步到位，且实施过程中很难找到统一的主管机构，各部门间也难以协调统一，实际上很难实现。
2）不断变革产品形态。网络信息体系可以抽象为节点、连接和数据三大部分。其中，节点是体系的基本单元和功能载体；连接则定义了不同节点间的组织形式，并与节点本身共同定义了体系条件下的能力涌现方式；数据存储于各节点之上，是网络信息的载体和体系运行的基本驱动力。
在节点形态方面，空中作战装备在架构设计上注重去中心化，在功能设计方面注重组件化和功能解耦，将通用服务或通用设施作为作战资源统一管理；同时针对数据融合和数据交换等信息共享需求[13]专门设计系统架构，软件化、分布式趋势加速发展。
在连接形态方面，不同节点间所连接的传统通信网络正在拓展成为包括通信连接、信息交换等机制在内的逻辑网，节点内部基于有线网络的集成正在向跨节点的基于无线网络的集成转变；通信与网络的技术体制变革成为信息技术发展最为活跃的部分，民用无线通信与网络技术的快速发展可能深刻地影响装备形态，以适应空中作战平台在分散部署或高速移动条件下的信息共享需要。图3给出了近70年来军用通信技术与民用通信技术发展的对比情况。
图3 军用通信技术与民用通信技术发展对比
在数据形态方面，传统的数据交换需要双方分别对接数据内容、格式和交换接口，为适应网络信息体系条件下数据的共享需要，数据不仅应可用可见，更要可理解、可信赖，数据的规范化程度不断提升，数据交换模型日益标准和统一。
网络信息体系条件下，杀伤链（kill chain）正在向“杀伤网（kill web）”转变[5]。由于信息需要在更大的网络中流动，存在降低打击速度的因素。为缩短从传感器到射手的时间，需要从三个方面予以保障。
1）打击更为迅速。空中作战装备的飞行速度越来越高，速度指标的重要性更为突出，以至于高超声速武器对网络信息体系中的探测功能系统可能产生颠覆性的影响，也对打击链的指挥决策响应速度提出了新的要求。打击手段在以动能和化学能为主的同时，依托电磁手段实现光速打击，即实现打击手段的电磁化，才能对高超声速打击武器建立正向非对称优势。
2）处理更为智能。网络信息体系条件下，越来越多的传感器和平台应该以战术速度处理和传输大量不同的数据，这超越了时间敏感环境中的人类认知能力[5]，因此需要通过人工智能系统来保障多域联合作战下的信息处理效率。
3）组织更为扁平。作战指挥体制是网络信息体系内涵的一部分。“扁平”是指对作战指挥体制“大跨度、少递阶”的一种形象化表述[14]，由于减少了指挥层次，缩短了信息流程，从而提升了指挥响应速度。从当前指挥体系功能看，人在信息处理中担负主要和核心工作，组织更为扁平，任务执行更加集中于人，人可能成为指挥信息环路的瓶颈，而智能化处理也将为架构扁平化的实现创造条件。
生存性要求武器系统能够适应复杂对抗环境，避免硬摧毁和软杀伤。网络信息体系条件下，生存性问题是影响作战概念创新、作战样式变革和装备形态变化极其重要的因素，无人作战、分布式作战、零功率与低功率作战、马赛克战和“杀伤网”等作战概念的提出，生存性都是其中的重要考量之一。网络信息体系条件下对生存性的要求正在发生质的变化，正在从重视个体生存向重视个体生存与体系生存结合转变，也就是说，更加重视杀伤网中特定功能系统的集合作为一个整体的生存性，这种生存性相比此前的杀伤链，更加允许个体的消失，只要整体功能仍然能够涌现与保持，因此使得空中作战装备具备了一些新的特点。
1）性能更为改善。为了提升生存性，空中作战装备性能不断提升。就战斗机等打击平台而言，其能量优势和信息优势进一步突出。就预警机等情报保障系统而言，其生存性除了依赖于战术运用外，对信息质量和信息利用效率的要求更加突出：基于更远的探测距离，及早发现威胁并贡献给网络；基于更快的态势形成速度和情报分发速度，及早调度体系内作战单元处理威胁，对于网络信息体系中核心或枢纽型节点的安全性具有一般性意义。
2）形态更为多样。无人平台替代有人平台[15]，同时增加无人平台数量并保持适当冗余，降低个体的生存性要求来提升体系的生存性与有效性；分布式小平台替代集中式大平台，或者将各类武器系统在地理上尽量分开，减少被集中攻击的可能性；信息系统按低零功率/低功率/低截获概率设计或使用[16]，减少不必要的电磁资源暴露，增加敌方的定位难度等等。总之，信息系统的形态变化体现出安全性理念正在发生深刻变革。
网络信息体系条件下，信息系统构成与交联关系空前复杂，尤其需要重视信息系统的集约性，以加快共享速度、提高共享效率；即使是因为安全性或体系稳健性等考虑，需要增加冗余性，但仍需要不断提高信息系统效费比，冗余性与效费比二者应该也能够统一，因为冗余性是着眼于体系的安全性与功能保持，并不是以额外的成本研制体系或系统中的无效组成部分；因此，实现冗余的同时仍然需要实现集约。而受限于空中作战平台在重量、体积与能源等方面的严格约束，集约性要求更为突出。
1）改善适装性。利用微系统和软件化等技术，提高设备的硬件集成度和软件占比，采用新一代半导体技术提高能量利用率，都是改善适装性的重要措施。随着空中作战平台无人化的发展，以信息系统的需求出发去研制平台，将信息系统与平台先天一体设计，有效利用平台提供的物质与能量等各类资源，将是重要趋势。例如美军早在1998年即开始规划发展的传感器飞机，虽然最终没有形成装备，但其成果被用于RQ-170/180。
2）提高扩展性。对于空中作战装备而言，通常存在“一代飞机平台、多代信息系统”的特点，因为飞机平台的生命周期通常相对较长，而信息系统由于技术更新快，且由于机载装备由于工作环境、安装空间与允许使用的能量等方面的条件苛刻，研制难度大，成本高，强调在集成架构上的开放性、可扩展性和兼容性，尽量解耦硬件与软件，并规范数据应用方式，从而兼顾当前与未来，既有利于提升能力，也有利于降低成本。
4 装备体系贡献度基本评价标准框架
网络信息体系条件下空中作战装备的基本特征，既可用于装备设计的基本参考，也应该作为装备体系贡献度评价的重要依据。这些特征为了有效应用于装备体系贡献度评价，还需要进行指标体系的细化、量化及简化，以真正形成能够指导装备研制的可行性评价方法；这里仅给出其基本框架，以提供深入研究的参考性起点。
涌现度是共享程度的度量，但不能简单地看作是单装作为一个网络节点接入其母体——网络信息体系的能力，更要考察它的接入对体系中的其他协同作战单元带来的能量增量，即能力涌现[17]，也就是要考察节点在网络信息体系中的“能力涌现度”。在具体实施评价时，应首先找到协同作战的两端装备自身的度量指标（这些装备自身的指标体系通常是成熟的），然后研究其中一端装备自身的度量指标对另一端装备自身的度量指标的影响。例如，对于新研机载预警雷达装备而言，它的能力指标包括探测威力、精度和识别能力等；对于与之协同的另一端，例如战斗机，它的能力指标包括打击距离、火力系统命中率和可打击目标种类等等，在衡量机载预警雷达的体系贡献度时，就应考虑在预警雷达的能力支持下，战斗机打击距离的增加、火力系统命中率或打击目标种类的增多等；必要时，可以将这些能力以比率或其他定量方式表达。
在网络信息体系条件下，时效性应该成为衡量装备体系贡献度的基本指标。需要结合典型作战场景或作战任务，评价装备在网络信息体系中对缩短打击链相应环节或全部环节的贡献。在机械化战争条件下，通常容易认为装备效能评价“只有单装指标、没有体系指标”，时效性指标可以理解为对这种现象的一种具体纠正。因为为了保证时效性评价的科学性，必须首先构建一个完整的杀伤链条，而这个完整链条的构建又必须放在具体场景与任务中，因为在不同场景或任务中，网络信息体系的裁剪或调整是不同的，需要协同的作战单元其作战能力或作战运用方式也有差异，脱离这些场景与任务去寻求“普适”的打击链响应速度评价，可能对作战意义不大。
如前所述，网络信息体系条件下的空中作战装备从生存力考量，除了传统的空中集中式高价值单平台外，将逐渐向分布式形态发展；无论是哪种装备形态，均应该从体系角度衡量其生存力。一般而言，装备生存力可以用生存概率来衡量，即装备被击中的可能性[18]。在装备论证中计算装备生存概率时，有几个问题应予以充分重视。
1）敌方对空中高价值平台的作战攻击类型，除了传统的编队方式外，穿透式作战和集群作战等新型作战样式可能对装备生存性产生重要影响。 2）己方对空中高价值平台的综合性与体系性防护方法，如阵位选择、不同类型平台间的战术协同、电子对抗以及针对敌方攻击手段的对称性防护手段等。 3）基于无人系统的分布式平台或集群系统（简称“分布式系统”），其生存概率的计算应与集中式高价值平台不同，仅用分布式系统中个体的生存概率来衡量是不客观的；因为分布式系统相比集中式平台更加允许个体的消失，其全部或部分功能可以转移至其他平台，而集中式平台个体消失后，整体功能随即消失。
所以，分布式系统中任一平台的生存力衡量应充分考虑其功能向其他平台迁移与保留的因素。
衡量一个空中作战装备集约性的指标可以分为节点集约性和适装集约性两大类，前者衡量节点是否以最小数量融入体系使得既能贡献能力又能维持必要冗余，是体系集约性的衡量；后者则衡量节点在设计上对平台资源的利用效率，是节点自身经济性的衡量。前者可以用不考虑冗余时的节点数量与考虑冗余的节点数量的比值来衡量，冗余条件下的节点数量需要结合节点任务故障率和生存率考虑。后者可以用空中装备的主要能力指标与平台所提供资源的比值来予以定量表述，例如，对于空中探测装备而言，其主要作战能力有探测威力、精度和数据率等指标，平台资源指标则有最大起飞重量、升限和最大平飞速度等指标，若将探测能力综合成功率孔径积来度量（或者选用用户最关心的指标，如探测距离），将平台资源指标选用最大起飞重量这个最主要的指标，二者的比就是每单位重量所能达到的能力，可以考虑用来评价其适装集约性。
上述集约性度量方法没有考虑评价可扩展性和经济性。可以从软硬件解耦程度、能力生成周期内软硬件可获得性等方面综合考虑可扩展性，并在必要时均补充成本因素，从而全面评价集约性。
5 发展建议
1）加强体系总体技术研究。提出适合国家战略和军队特色的作战概念，建立网络信息体系条件下空中战场和空中作战装备的数学模型、度量方法与效能评估体系，利用模块化开放系统架构、数字孪生、基于知识的表征与建模等新技术构建体系级和数字化的装备描述与运用平台，并加速数字孪生系统由装备向战场发展，既利于装备同时加强未来各空战样式的作战流程研究并实现代码化、自动化与智能化，减少人的干预并适应战场复杂性，提高杀伤链质量。
2）加强产品形态创新研究。空中作战装备既是产品形态革新最为活跃的领域之一，也是推动技术发展最为迅速的领域之一。传感器与平台正在深度融合，“传感器即结构”和传感器与平台一体化隐身正在成为现实，共同构成穿透式ISR平台基础；传感器在能够探测高速目标与集群目标的同时，探测、通信与干扰也应该能够安装在高速与集群平台上，无人化配置、智能化运行和分布式集成正在成为空中装备的典型特征，由此，应在微系统、软件化、智能化和网络化等深刻影响产品形态的领域或技术内加强技术布局、做好提前谋划。
3）加强技术集成示范验证。为突出应用牵引、问题导向，应该针对分散安排的新技术研究结合典型应用，集中发力、做好验证，切实做好技术成果向战斗力的转化。例如基于网信体系的统一规范集、规则集和数据集等涉及体系推进的顶层关键问题，反杂波、抗干扰、密集目标探测和高机动目标跟踪等影响装备效能的老大难问题，已经长期开展研究的分布式、智能化、软件化等研究热点问题，结合各类特种飞机、无人机及作战平台等重点装备开展应用研究与验证，既是对网信体系顶层设计的有力检验，也是短时间内提升装备战斗力的有效措施。
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