未来空中作战系统的关键技术突破方向
未来空中作战系统的关键技术突破方向
随着全球多个军事强国纷纷提出下一代空中作战系统研发计划，如何有效应对隐身飞行器以及避免人员损失成为两大核心挑战。目前，通过载人和无人机协同作战的解决方案逐渐成为主流趋势，但这一方案的实现仍面临诸多技术难题。本文将深入探讨未来空中作战系统的关键技术突破方向。
目前，全球有多个国家和地区，提出了关于下一代战机，或者说下一代空中作战系统的研发项目。
从技术上来看，对于空中作战系统在未来10—30年的发展，有两个核心问题是必须面对的：
其一，是如何有效的应对各种隐身飞行器，在阻止对手获得战场单向透明、单向打击优势的同时，使我方获得该种作战能力优势；其二，是如何有效避免人员损失，尤其是战术飞机飞行员的选拔培养成本高周期长，一旦出现大量损失，很难在战争期间完成高质量的补充。
载人和无人战斗机协同系统的概念展示。
针对这两个核心需求，各个下一代作战系统提出了多种思路。目前比较主流的一种技术方向，是通过少数传统载人飞机与具备自主决策能力的多数无人机相互协同，由无人机承担最高风险的探测和攻击任务。同时，这些无人机能够形成空中作战信息化网络，能在保持隐蔽性的情况下有效探测对方的隐身目标。
尽管这一思路看似清晰，但在工程实现上依然存在大量挑战。
以机体平台的隐身化设计和多功能射频系统的综合化设计为例，目前战机隐身技术只有少数国家能独立掌握，仅被应用于全球不多的几款五代机。而后者则涉及军用电子领域前沿技术，甚至超越了传统五代机的技术体系。因此，重视电子战的各个国家对该领域的研究情况普遍进行了严格的保密。
无人机网络化探测概念展示。
理想的网络化反隐身空战协同体系应该建立在先进的隐身高速数据链基础上。各节点之间的数据交换，必须具备基本覆盖全向、高带宽、精确区域指向、精确功率控制的特性，并且必须能同时与主动探测互不干扰同时工作。
从技术层面来说，这种功能必须以高性能的电磁波T/R收发组件小型化、多种类型高性能芯片的成熟为基础。当技术上，能够在宽阔的频谱范围内精确控制电磁波束成型并进行高速调整，反隐身空战协同体系才有落地实现的可能。
在该基础上，有源相控阵雷达、电子战、CNI（通信/导航/识别）等各类射频传感器，需要组成以雷达平台为核心的一体化综合系统；同时，用分布在机体各处的少量综合射频口径取代各类传统天线，并在机体内部进行统一化的信号接收处理。到了这一阶段，才进入了传统五代机的系统设计和制造领域。
此外，理想的无人机网络如果要具备精准探测的能力，也并不简单。由于单架无人僚机的尺寸和吨位都比较小，而且受到成本限制，其雷达天线口径和能力都低于载人飞机。在这种情况下，为了应对空中的隐身目标和电子战攻防，无人机的雷达也必须能在强烈的电磁干扰下完成对微弱信号的准确截获，这就要求，现有的有源相控阵雷达需要在已获得的功能上有更大的性能提升幅度。
更重要的问题是，无人机组网协同探测隐身目标要达到较理想的水平，大概率要依靠另一项前沿技术的实用化：机载统计MIMO（多输入多输出）雷达。
多基地雷达原理示意图。
在雷达技术的发展中，针对反隐身和抗干扰的需求，早期曾提出过多基地雷达的概念：利用分布在不同位置的多个天线进行雷达波束的收/发，从不同方向照射目标并形成多个方向的回波信号。它针对隐身目标各方向的信号散射特征强弱不一的特点，试图通过汇总从多个方向的探测结果，获得对隐身目标更强、更稳定的探测能力。
但由于技术限制，早期的多基地雷达都是由单独工作的双基地雷达先获得检测结果，再进行检测后的信息级汇总处理，实际效果提升远远达不到预期水平。
统计MIMO雷达是多基地雷达概念的进一步发展，其概念和首批研究成果的首次公开于2003年。该雷达系统核心原理是基于技术的大幅度进步，在更底层的回波信号层面进行了多个路径的综合化处理。具有探测隐蔽性高、对目标方位角度测量更精确、对慢速目标检测能力更强、对隐身目标的检测能力也更强等优势。
而在未来的空战系统中，如果无人机要组成反隐身探测网络，并实现各机载雷达1+1＞2的耦合强化效果，就必须实现信号级的综合一体化处理，即真正实现统计MIMO雷达的机载化。
这种技术路径将面临很多挑战。如果下一代空战系统的所有机体都搭载这种机载统计MIMO雷达，那么该系统工作时，由于所有搭载雷达的多架飞机全程都在高速运动，各个平台雷达要实现有效的协同工作和回波信号的累加，将产生大量的同步和协调问题。
举例来说，一个基本的问题就是：在进行信号的处理时，时间该以哪个平台为准？如何保证机群平台所有系统的时间都是统一的？
在信号处理的数学原理层面，雷达得到的所有目标信息都是基于时间参数进行计算形成的结果。机载射频传感器所获得的时间基准如果精度不够，多个平台之间的时间标准不能保持高精度的统一，那么回波信号融合计算的过程，就必然相互干扰并导致大量信息丢失，并产生错误的结果。
小型铷原子钟。
近些年来，体积小、重量轻、价格适中的铷原子钟已经大量被生产出来，当飞机上可以搭载铷钟后，很多问题才可能获得解决。但不同飞机平台组网时的高精度对时，则又是通信领域的另一个挑战。
其他问题则比时间更棘手。比如，如何确认彼此的精确位置和速度姿态关系？整个机载统计MIMO雷达网络的有效协同必然涉及时间、空间和频率等大量不同数据，每一个维度都有大量问题必须突破。
娱乐用显卡中的高算力产品。
从无人机网络化发展历程来看，有一个早年人们相当重视、一度认为棘手的问题，目前看反而突破相对顺利，那就是负责自主决策的人工智能系统（AI）。
在电子游戏等消费市场发展驱动下，全球民用市场对高算力芯片有大量需求，而且技术迭代速度很快。在这一技术基础上，人工智能研究也获得了爆发式的进步。对于未来高水平无人机网络自主决策的问题，目前看来仅仅是时间的问题了。
而一旦达到实用化水平的无人机AI系统能获得大幅应用，这显然将改变一国空中力量对于战斗损失的承受能力，进而影响国家军事战略的坚韧性。
综合来说，下一代空中作战系统设想的实现，有赖于各国在通信、探测等关键性能上的突破，以及未来机载AI系统的进一步发展。而这两个方向上的突破，并不一定比我们想象中来的更晚。
本文原文来自澎湃新闻