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【GHOST】美空军开发基于GHOST开放式系统体系架构的信号情报系统

2021年10月,美国空军根据全球高空开放式系统传感器技术(GHOST)项目要求,先后授予诺斯罗普•格鲁曼公司及BAE系统公司合同,设计新一代基于开放式标准的机载信号情报传感器。近年来,美国空军开发了多种开放式系统体系架构,GHOST是其中的典型代表。可以看出,美空军正致力于以开放式系统体系架构为切入点,在信号情报、电子战等领域内快速跟上人工智能时代的发展步伐。

【GHOST】美空军开发基于GHOST开放式系统体系架构的信号情报系统 - 第1张

一、GHOST项目概况

1. 美空军关于GHOST样机的要求概述

美国空军表示,美国政府将在美国空军研究实验室(AFRL)下属的开放式体系结构技术实验室(OATL)对所有承包商的样机系统进行开放式体系结构评估。最终的GHOST样机将从承包商所设计的样机中择优,并选择一家承包商制造试飞样机,推动项目向系统部署方向发展。

根据美国空军要求,新开发出的GHOST传感器软硬件组件应具备开放式体系结构,便于适配不同类型的有人和无人飞机以及具体任务。该传感器将首先安装于飞机吊舱内。开放式系统体系架构意味着GHOST系统必须是与特定平台无关的、灵活的,这样就可以很容易地从一个空中平台转移到另一个空中平台,并能够根据特定平台的尺寸、重量、功率快速适配。

传感器与空中平台的接口和与地面的通信能力是其开放式架构的关键。美国空军高层拿鼠标来形象地比喻开放式体系架构的上述能力,“一个很好的例子就是电脑上的鼠标。它们都是通过USB接口连接的。因此,如果你想要换一个带滚轮的鼠标,那么只需拔出普通的鼠标,然后在相同的接口中插入新鼠标即可,因为它是‘即插即用’的。”

2.美空军GHOST项目研究内容

根据美国空军2021财年预算文件,全球高空开放式系统传感器技术(GHOST)是美国空军机载信号情报企业(ASE,编号PE 0304260F)项目的一个子项目“机载信号情报开发-通用开发”(子项目编号675183,简称“通用开发”)的一部分。

通用开发子项目支持那些与已部署的机载信号情报载荷(ASIP)、后续信号情报传感器及其地面设备等相关的机载信号情报设计研究、工程分析、非重复工程(NRE)、项目管理等工作。通用开发项目还支持开发和集成新的传感器能力、快速反应能力以及受制造来源减少和材料短缺(DMMS)影响的替换组件。

该子项目支持开发机载信号情报载荷系统和后续信号情报传感器,包括GHOST。机载信号情报载荷传感器提供了一个通用的信号情报系统,通过综合使用高、低频段系统,可以尽可能多地覆盖电磁频谱。

通过综合运用快速采购策略、开放式体系结构概念、新目标信号快速集成等手段,美国空军正在致力于将GHOST传感器打造为一种可替代机载信号情报载荷的与特定平台无关的信号情报传感器。GHOST旨在满足《国防战略》和《下一代情报监视与侦察主导飞行计划》所提出的多情报监视与侦察系统需求,以便能够在高度竞争的环境中维持信号情报作战。

该项目还支持总体机载信号情报企业计划通用开发,包括但不限于:空军信号情报体系结构维护;信号情报建模和仿真工作;通过空军研究实验室管理的开放式体系结构技术实验室进行的技术开发和风险缓解。空军信号情报能力工作组将优先考虑利用本军种识别的感兴趣信号所需的能力改进。

其中,“通用信号情报开发”部分为多个信号情报平台开发和测试符合通用开放式体系结构的信号情报系统,包括机载信号情报载荷支持和尽可能使用开放体系结构的后续信号情报传感器。此外,还将通过开放式体系结构技术实验室提升当前和未来信号情报传感器的测试能力。

二、美空军开放式系统架构综述

GHOST项目只是美国空军在向开放式系统体系架构转型的项目之一,近年来,美国空军已经开发了很多的开放式系统体系架构以及相关项目,概述如下。

任务系统开放式体系结构科技(MOAST)。2015年7月2日,美国空军装备司令部发布了任务系统开放式体系架构科技(MOAST)征集书,以便将新兴的两种开放式系统体系架构标准推广到当前和下一代武器系统研发过程中,这两种标准是开放式任务系统(OMS)和无人机指控倡议(UCI)。该项目的主要研究领域包括:开放式系统体系架构标准演进;开放式系统体系架构的赛博弹性;开放式系统体系架构新概念、新技术;开放式系统体系架构风险规避研究与试验;开放式系统体系架构高级技术演示。

开放式任务系统(OMS)。2014年底,在U-2侦察机进行的一系列飞行测试中,洛克希德·马丁公司与美国空军一起利用“臭鼬工厂”开发的企业级开放式系统体系架构(E-OSA)实现了美空军多种OMS载荷的集成。此次测试主要旨在实现4套开放式系统任务系统(3套电子战系统以及1套U-2 SYERS-2C传感器系统)、1套基于IP协议的现代化数据链的集成。2015年初,美国空军又演示了一种基于开放式任务系统标准的数据链,成功测试了用于F-22与F-35协同航空电子测试床(CAT-B)之间的两种数据链。2020年,有报道称,U-2“龙夫人”飞机成为第一个完全符合OMS标准的平台。简而言之,美国空军开放式系统任务系统的最终目标是开发一套工业界认可的、非专用的任务系统体系架构标准,即,采用开放式关键接口、实现模块化、实现功能的重构与合成。

传感器开放式系统体系架构(SOSA)。SOSA是基于模块化开放式系统体系架构(MOSA)理念开发出的一套跨军种、军民一体的开放式架构标准,该标准由SOSA联盟(SOSA Consortium)制定,美空军在联盟中算是“盟主”之一。其目标是开发一种统一的模块化开放式参考体系架构以及相关的业务模型,所涉及的业务包括雷达、光电/红外、信号情报、电子战、通信等。

三、几点认识

GHOST是美国空军开放式系统体系架构典型项目,对于美国空军信号情报、电子战乃至整个电子信息领域实现全面软件化、智能化转型至关重要。

1.开放式体系架构的核心要素是开放式的“模块”和“接口”,核心目标是“即插即用”

所有开放式体系架构首先必须是一个“体系架构”,根据《ISO/IEC 42010-IEEE Std 1471-2000:系统与软件工程》标准给出的定义,“体系架构是系统的基本组织模式,包括组成部分、组成部分之间的关系、组成部分与环境之间的关系,以及系统设计与演进应遵循的规则”。从这种定义可以看出,开放式系统体系架构的核心要素实际上就是开放式的“模块”(“组成部分”,可以是物理组成部分,也可以是逻辑组成部分,或者二者的组合)和“接口”(“关系”,可以是物理接口或逻辑接口),如图1所示。

【GHOST】美空军开发基于GHOST开放式系统体系架构的信号情报系统 - 第2张

图1典型开放式体系架构框图

此外,所有开放式体系架构都有一个共同的目标,即,提升系统、子系统、平台等的经济可承受性、可重构能力、可升级能力、软件/硬件/固件可移植能力,并缩短应对新威胁时的反应周期。简而言之,核心目标就是实现软件/硬件/固件的“即插即用”。

2.开放式系统体系架构是软件化的“物质基础”,软件化又是智能化的“物质基础”

开放式系统体系架构可视作是实现软件化(“软件定义一切”)的基础设施,若没有互操作能力、模块化、可移植能力、即插即用能力、可重构能力等足够强大的开放式系统体系架构,则软件化目标无法实现;而软件化又是向智能化转型的桥梁与纽带,若没有软件化技术,则智能化无法真正实现。

尽管人工智能技术数十年前就已经萌芽并经历了快速发展的时期,但直到基于开放式系统体系架构的软件化技术得到广泛认同并在整个电子信息领域取得广泛应用之后,真正意义上的智能化战争形态才开始出现。

软件化技术/软件化对于向智能化战争转型而言所起到的重要作用,主要体现在两方面:其一,智能化战争的核心是人工智能算法层面的博弈,而人工智能算法所能调度、利用的核心资源就是软件化的各种功能,即,软件化奠定了智能化战争转型的技术基础;其二,当前在智能化方面取得巨大进展的所有电子信息项目,都是部分或全部基于软件化技术或理念开发的项目,即,软件化是智能化战争转型的必由之路。

3.在信号情报、电子战领域应用开放式系统体系架构紧迫性很强

从技术层面来讲,当前比较公认的信号情报、电子战发展趋势主要包括认知化、网络化、快速响应、软件化等,而基于开放式系统体系架构的软件化可以视作是其它几个趋势的基础,因为只有具备了开放式、模块化、系统功能可重构等技术基础,其它几方面能力才有望真正实现。因此,对于信号情报、电子战领域而言,尽管可能有很多条路要走,但软件化这条路无疑是必经之路,这也是美国空军非常迫切地致力于全方位提升其信号情报、电子战领域开放式系统体系架构应用深度、广度的重要原因之一。而且,如上所述,借助软件化能力,信号情报、电子战领域可以更加顺利地实现智能化转型(转型为认知电子战、认知信号情报)。

在信号情报、电子战领域内迫切地应用开放式系统体系架构还有另一个原因,即,信号情报、电子战领域所面临的威胁环境、作战环境比其他领域都要更加复杂、动态、多变。因此,信号情报、电子战系统自身也必须具备足够的灵活性、可重构能力才能有效、快速应对。这也是美军各军种主要选择以信号情报或电子战领域作为开放式系统体系架构应用的切入点的原因之一。例如,除了用于信号情报领域的GHOST项目以外,美国空军在开发其EC-37B新一代“罗盘呼叫”电子战飞机的过程中也明确采用开放式系统体系架构,美国海军也在多年以前就基于模块化开放式系统体系架构(MOSA)开发EA-18G“咆哮者”电子战飞机,美国海军的水面电子战改进项目(SEWIP)也采用了模块化开放式系统体系架构。

总之,开放式系统体系架构有望让信号情报、电子战领域发生革命性变化,从“以威胁为导向、以硬件为核心”向“以能力为导向、以软件为核心”方向发展。

本文来源:电科防务,作者:张春磊、吕立可、李硕。

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