本文將介紹預算會花在哪些領域,以及設計人員可能會實現哪些技術創新來彌合當前與未來的技術差距。

AI、大資料和機器人技術至關重要,但需相當的財力

研發支出顯著增長主要在於NDS中提出的優先技術,以縮小高階運算、人工智慧(AI),以及自主和機器人領域的技術差距。NDS中提到的用於實現關鍵防禦能力現代化、商用現成(COTS)供應商可以很好支援的優先技術包括:

˙網路防禦,以及網路性能不斷融入全方位軍事行動方面的新投資;

˙對C4ISR(指揮、控制、通訊、電腦、情報及監視與偵察)的投資,以開發可復原、可生存的聯合網路和資訊生態系統;

˙先進的自主系統、AI和機器學習。

對軍用嵌入式COTS電子方案的開發商而言,這筆額外支出可提供快速恢復能力、致命性和預備技術支援。國防和航空航太系統和平台的設計人員希望不斷引進先進技術,為戰士提供戰場上的絕對優勢,這些技術包括感測器、運算、網路、機電系統等。

然而,先進技術本身還不夠,它還需要有足夠的經費、可靠和可持續性。戰士的生命取決於技術,而歷史已經證明,如果作戰人員不相信他們使用的技術,便會捨棄它們。

在高階運算方面增加支出將改善利用大資料分析的能力,使作戰人員能夠立即讀取對他們至關重要的任何資訊。讀取資訊需要使用雲端運算技術,使任何設備(無論作戰人員在何處)在任何需要的時間都能讀取資料。除此之外,將用於AI的機器學習(ML)功能帶入網路邊緣,需要高得多的本地處理能力,以提供即時資料並解決雲端本身的延遲和頻寬限制。

對AI和ML的投資將增強破壞敵方諸如情報、監視、偵察(ISR)和電子戰(EW)等戰場應用的能力。支援這些新功能將需要在異質高性能嵌入式運算(HPEC)技術方面取得進展。

在半自主和全自主無人平台上使用的嵌入式系統,無論是地面、空中還是海上,都需要開發低功耗、超小外形(USFF)處理、網路、全運動視訊和資料儲存方案。例如,據估計,一輛完全自主的汽車需要50~100倍於當今先進駕駛輔助系統(ADAS)的運算能力。

DNS中描述的總體投資策略是將這些先進技術導入戰場,為作戰人員提供壓制敵方的戰略和戰術優勢,使戰鬥力倍增。也就是說,僅部署新技術是不夠的,還要保證這些技術以保全作戰人員的方式進入戰場,在敵方試圖阻止或中斷其計畫的行動時,作戰人員能夠生存。

確保現場行動的有效性:全球定位系統(GPS)

新技術會提供戰士能夠依賴的新能力。因此,它們還必須具備所需的防禦措施,以確保其網路和運算環境免受敵方的攻擊,從而保持行動效率。

GPS是戰士依賴先進技術的一個例子。 在二十世紀七十年代中期作為國防部針對前蘇聯的第二次抵消(Second Offset)戰略的一部分導入時,由於能夠提供準確的位置、導航和定時(PNT)資料,GPS在戰場上優勢明顯。這項技術對「戰斧巡弋飛彈(Tomahawk missile)」等精確制導武器的應用至關重要。我們很清楚,多年來對GPS的依賴已成為一個軟肋,在GPS不能使用的環境中,所有依賴它的武器都會失效。為應對這一弱點和由此產生的威脅,必須提供有確實的PNT(Assured PNT,A-PNT)方案,即使在無法使用GPS的環境中也能夠工作。符合經濟效益、基於精準COTS的A-PNT新技術為不能使用GPS的環境提供了低成本的實用方案。

AI和自主器具快速恢復能力

開發基於AI的新技術實現了在戰場上具有顯著優勢的人機協同方案。利用AI、自主和機器人技術,可以實現獨立行動的機器,這些機器可以是獨立的個體,也可以與行動中的其他機器(例如無人機群)配合,或是在作戰人員-機器介面中使用(機器本身具有可增強作戰人員戰鬥力的自主能力)。

自主地面作戰「騾子(mule)」便是一個例子,它能夠減輕作戰人員背負電池、充電器、彈藥等的負擔。透過減輕作戰人員背包的重量,這些小型自主載具將顯著提高作戰人員的戰鬥力。

同樣,使用自主飛行器來運送物資或定位簡易爆炸裝置將減少作戰人員受傷的風險並提高殺傷力。另一方面,隨著這些新方案的普及,敵方將竭盡全力摧毀它們,例如,對付學習機的一種策略是用假資訊擾亂,使它產生不正確的答案。

DNS的另一個關鍵目標是提高快速恢復的能力,這將確保部署的系統穩固、可靠,能夠在嚴酷的環境中生存,並且能夠防止敵方攻擊其漏洞。

自主器具,如地雷探測器,可以使作戰人員免受傷害,但這種自主性需要值得信賴。為此,系統需要具有快速恢復或自我恢復能力,以確保其可靠且不易被禁用。

機器可以是手動、半自主的或完全自主操控的。自主水準越高,機器就越需要自我恢復的能力。若一台機器是完全手動操作,戰士可以提供復原能力;若是半自主系統,操作者和機器分擔恢復能力;若是完全自主的系統,恢復能力則完全取決於機器中內建的專家系統。

自主系統需要快速恢復能力和安全性

為了能夠放心地依賴完全自主系統,需要對提供快速恢復能力和安全性的技術進行投資。

快速恢復能力應用的一個例子是有人或無人駕駛軍用飛機安全認證航空系統。為了在境內空域安全飛行,這些平台越來越需要由全球各個航空管理部門(例如美國的FAA、加拿大的運輸委員會和歐洲及英國的EASA)認可的特定設計保證等級(DAL)的DO-254硬體和DO-178軟體認證。雖然安全認證是在平台級處理,但用於構建航空電子子系統的電子模組有全面的資料支援。根據歷史經驗,安全認證子系統模組需要昂貴的定制設計,往往需要花費數年的時間、投入數百萬美元進行設計開發。

近年來,價格實惠、通過DO-254認證的新一代COTS板已經上市,這極大地加快了整合安全認證應用的進程,降低了成本。這些COTS模組的首選處理器架構一直是Power Architecture系列元件,因為英特爾(Intel)處理器僅支援達到DAL C等級的DO-254。

隨著恩智浦(NXP)將重心從新型Power Architecture處理器的開發轉向基於Arm的處理器,安全認證系統設計人員也越來越多地轉向基於Arm的方案。Arm處理器支持達到最嚴苛及最重要的DAL A級別的D0-254,同時還具有極低的功耗。VPX3-1703 3U OpenVPX是基於Arm的單板電腦(SBC)的一個很好的例子(圖1),專為DO-254安全認證航空電子設備應用而設計。

20180516NT02P1 圖1 VPX3-1703是為DO-254安全認證航空電子設備設計的基於ARM 3U OpenVPX單板電腦。

快速恢復能力和可信任系統的概念不僅指安全(safety),還指數據和硬體防護(security)。COTS系統的防篡改技術、網路安全,以及靜止資料和動態資料保護目前已取得極大的進步。

例如,資料傳輸系統(DTS1)網路附加儲存(NAS)設備支援經濟合算的雙層加密(圖2)。DTS1也很容易整合到以網路為中心的系統中。

20180516NT02P2 圖2 現場安全性至關重要,因此DTS1 NAS支持經濟實惠的雙層加密。

為技術尖兵而設計

現在操控此類設備的作戰人員都是數位達人——他們可以說是手握現代技術出生,因而對他們有相當高的期望。

作戰人員期望獲得的技術等同或超過他們的家中已有的技術(如iPhone X)和社交網路服務,以便在戰場上能夠即時共用資訊。今天的所有網際網路資源,無論是Google搜尋引擎(Google Search)還是Siri或Alexa提問,只需數年即可為作戰人員所用。越來越多廠商為作戰人員提供可靠的網路桌面運算、行動平台和社交媒體功能來實現「網路中心戰」,網路本身已成為行動能力的關鍵組成部分。

這種技術也可用來解決戰前預備的問題,近年來在這一領域的軍事經費投入略顯不足。高階運算可用於訓練和任務規劃,並利用為遊戲產業開發的技術來提供複雜、逼真的場景和體驗。

利用在實際部署的平台中進行訓練程式,作戰人員可以在操作時進行訓練,而不需要專門的培訓場地。可以用虛擬完成真實的模擬,例如,提供在途中針對某特定任務進行訓練的能力。

借助開放系統控制成本

前面討論的許多技術將受益於使用開放系統,從而降低設計風險並大大縮短部署時間。開放系統的使用也大大降低了成本,競爭使價格降低,還提供了昂貴專有方案的替代方法。

從技術切入可以看到開放系統帶來的另一個好處。在以不同速度進展的不同實體之間,開放系統定義了一個介面,使新技術可以快速進入,開放系統介面如OpenVPX系統架構,作為一種差異化功能,支援使用發展不同步的技術。

例如,在主戰坦克中用來處理彈道解算的火控電腦演算法變化的速度非常緩慢,每年的變化很小。相比之下,執行這些演算法底層處理技術的進步則要快得多。另一方面,以EW為例,幫助辨識電磁頻譜雜訊中特定訊號的複雜演算法的開發速度,比所部署系統中運行它們的處理器要快得多。

結果是最先進的EW演算法得等著處理器頻寬跟上,才能投入使用。有了開放標準介面,所部署平台上的處理技術和演算法就可以不同的速度進步。

創新伴隨漏洞

每一個新機會和技術的飛躍,可能都會伴隨漏洞出現。一方面,應對DoD尋求的新技術進行投資,以實現新的功能並提升殺傷力;另一方面,技術提供商還必須投資修補缺陷。

使用基於COTS的開放系統提供了一種經濟的方法,可以將這些功能迅速提供給作戰人員,並且風險最小。為了使作戰人員能夠利用高階運算、AI、自主和機器人的強大優勢,必須對COTS方案進行設計和包裝,以滿足戰場的環境和使用要求。設備必須可靠並且可在極端環境條件下工作;技術也必須進行設計和包裝,以確保操作安全。不需要繁瑣的安全注意事項,但必須確保操作安全。系統設計人員需要設計和包裝下一代COTS方案,以消除敵方侵入或攻擊漏洞,例如網路安全和逆向工程防範,防止物理侵入引起運作中斷。

這些新技術必須在開發和運行期間確保防禦系統和關鍵資訊的安全。另一個非常重要的領域是測試,必須確保所部署的COTS方案可靠並在整個使用壽命期間實現無錯操作。

總結

國防部和作戰人員需要依賴可靠且經過證明的資源,美國國會已提供資金來實現這一目標。要實現所有這些新技術,就全靠設計師和創新者了。當然,對於昂貴的封閉式專有系統架構,COTS方法是一種經過驗證的替代方案,它加快了部署速度,並確保關鍵技術在整個使用週期內可用。技術人員將如何在擁有更多技術尖兵的下一代戰場上打造並應用這種方法,讓我們拭目以待。

(參考原文: Defense spending opens door to system technology innovations,by Mike Macpherson)