愛因斯坦盒技術(shù)研究及其啟示

李 鑫，王柔溪，劉士磊，陳衛(wèi)衛(wèi)

（中國電子科學(xué)研究院 北京 100041）

0 引言

隨著信息科技與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，武器裝備的屬性與作戰(zhàn)模式，已經(jīng)逐步由單裝性能的迭代增強向網(wǎng)絡(luò)化武器裝備體系的建設(shè)而轉(zhuǎn)變。而在過去，各國復(fù)雜航空裝備均呈現(xiàn)“煙囪式”發(fā)展，各軍兵種按照自身的需要，分別建立了各自的C3I系統(tǒng)，武器系統(tǒng)升級迭代受其他平臺的限制較小，重點關(guān)注本平臺的作戰(zhàn)效能。然而，在現(xiàn)代化的聯(lián)合作戰(zhàn)戰(zhàn)爭中，單裝平臺的效能已經(jīng)遠遠不能支撐現(xiàn)代化聯(lián)合作戰(zhàn)的戰(zhàn)爭模式和戰(zhàn)爭需要，“煙囪式”系統(tǒng)阻礙了聯(lián)合作戰(zhàn)的實施，裝備間形成了相互割據(jù)且互不兼容的狀態(tài)。

為了解決上述航空裝備平臺間互聯(lián)互通困難的問題，各機構(gòu)著力于研究一個真正開放的架構(gòu)，這個架構(gòu)能夠允許集成軟件服務(wù)的第三方應(yīng)用，且新系統(tǒng)在飛機飛行過程中對平臺的架構(gòu)體系不存在負面影響，形成一個真正的“開放架構(gòu)”模式，使得不同代際、不同平臺之間的信息傳輸，可以以最小的經(jīng)濟和技術(shù)代價，相互通信和聯(lián)通。愛因斯坦盒就是這項計劃的最新舉措。

1 愛因斯坦盒概述

愛因斯坦盒的前身為“事業(yè)任務(wù)計算機1.0”（Enterprise Mission Computer 1.0，EMC1），EMC1已經(jīng)在密蘇里項目中完成過測試，這次測試時洛克希德·馬丁首次將“特定構(gòu)型”的開放架構(gòu)設(shè)備整合上飛行平臺。

愛因斯坦盒，全稱為“事業(yè)任務(wù)計算機2.0”（Enterprise Mission Computer 2.0，EMC2）系統(tǒng)，由于其英文縮寫與愛因斯坦的質(zhì)能方程E=MC2相近，因此又被稱為“愛因斯坦盒”。它是由洛克希德·馬丁公司承制中專門從事先進飛機開發(fā)項目的“臭鼬”工程秘密開發(fā)的裝備。愛因斯坦盒系統(tǒng)用來實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)鏈之間的高空保密通信，擴大定向數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)范圍，克服不同飛機之間的代際通信障礙。其物理模型見圖1。

2 愛因斯坦盒的能力

2.1 愛因斯坦盒基本能力

愛因斯坦盒的本質(zhì)是一臺高性能的任務(wù)計算機，一個開放的計算環(huán)境，是一種即插即用的系統(tǒng)，一個通信網(wǎng)關(guān)。該系統(tǒng)設(shè)計理念是通過使用不同的數(shù)據(jù)鏈路，可實現(xiàn)在高空隱身飛行，增加視線范圍內(nèi)定向數(shù)據(jù)傳輸，克服各代飛機之間的溝通障礙。愛因斯坦盒系統(tǒng)固定在飛機的航電處理器上，可通過重新配置傳入的通信信號的波形，來保證不同的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈傳輸之間的兼容性?，F(xiàn)已搭載在美國U-2偵察機上，并整合入U-2偵察機的航電處理器且開啟了多種能力。

2.2 愛因斯坦盒實戰(zhàn)能力

愛因斯坦盒作為一個廣義的通信中繼內(nèi)核，與多種戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的互聯(lián)互通，是它的核心基本使命。戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)侵竿ㄟ^無線電波或電纜在不同數(shù)據(jù)源之間傳輸文本、圖像和語音信息網(wǎng)絡(luò)，如飛機、艦艇和地面部隊。每種數(shù)據(jù)鏈路都配置一個特定的數(shù)據(jù)鏈路終端、采取特定的通信協(xié)議和無線電頻率。美國空軍的飛機有3個不同的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈：Link 16、多功能高級數(shù)據(jù)鏈路（Multifunction Advanced Data Link，MADL）和機內(nèi)數(shù)據(jù)鏈（Intra Flight Data Link，IFDL）。Link 16是較早研制的數(shù)據(jù)鏈，它在老一代飛機上使用較多，如F-15飛機和F/A-18飛機，用聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分發(fā)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)鏈終端進行操作。Link 16能夠傳輸大量數(shù)據(jù)，然而它的工作無線電頻率極易受到檢測和干擾[1]。新一代飛機雖然可以在Link 16上運行，但是這樣做容易暴露飛機的位置。MADL是為F-35戰(zhàn)斗機服務(wù)，可供飛機在隱身模式使用，它具有超大數(shù)據(jù)容量，可在大約20～30 GHz的無線電頻率下工作[2]。IFDL是為F-22戰(zhàn)斗機開發(fā)的，它更加注重飛機通信和安全性，使用低檢測概率/低截獲概率數(shù)據(jù)鏈技術(shù)。

然而，由于第五代戰(zhàn)機在設(shè)計時已經(jīng)將隱身性能考慮在內(nèi)，因此無法與四代戰(zhàn)機聯(lián)通，因為聯(lián)通之后會暴露自身的位置，失去隱身的意義。而在體系化戰(zhàn)爭中，如何讓不同代際之間的戰(zhàn)機保持聯(lián)通，并讓他們在最快、最有效的情況下共享情報與材料是體系化作戰(zhàn)的重中之重。然而，F(xiàn)-35戰(zhàn)斗機和F-22戰(zhàn)斗機這種第五代戰(zhàn)機在先天的設(shè)計上就是戰(zhàn)場的“信息吸塵器”，他們強大的傳感器可以汲取巨量信息并傳播出去。例如F-22戰(zhàn)斗機在設(shè)計之初，為了追求絕對的隱身性，僅支持與其他同機型互聯(lián)通信，搭載的IFDL也無法支持與普通第四代戰(zhàn)機使用的Link 16互聯(lián)，因為Link 16并不具備隱身性能，存在從資料鏈中暴露電磁信號的風(fēng)險。而F-35戰(zhàn)斗機的設(shè)計則具有更大的包容性，當(dāng)需要隱身作戰(zhàn)時，F(xiàn)-35戰(zhàn)斗機的MADL可以用隱身信號與同機型聯(lián)通，同時也可以收發(fā)Link 16信號，不過，這仍然有暴露電磁信號的可能。但是目前，空軍所使用的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相對較為老舊，大多數(shù)使用的是Commodore 64時代的電腦系統(tǒng)，而在不改變戰(zhàn)機設(shè)計的前提下，這些性能強大的五代機，無法將信息有效地共享給上一代戰(zhàn)機，“溝通不良”的問題暴露的十分突出。

但是，愛因斯坦盒的出現(xiàn)使問題得以解決。愛因斯坦盒可以使用Link 16跟美國空軍絕大部分的飛機共享資料，還可以與F-35戰(zhàn)斗機使用的MADL以及F-22戰(zhàn)斗機使用的IFDL等實施通聯(lián)，解決了五代機與四代機通聯(lián)時會暴露自身位置的問題，是洛克希德·馬丁公司長久以來欲整合各通信系統(tǒng)的卓越成果。它的出現(xiàn)可以快速且低成本地把全新技術(shù)和航空系統(tǒng)集成進現(xiàn)有空戰(zhàn)系統(tǒng)中。

3 愛因斯坦盒的能力驗證

3.1 驗證平臺的選擇

愛因斯坦盒的驗證選擇U-2偵察機作為平臺。選擇U-2偵察機作為搭載平臺，并不是因為只能選擇U-2偵察機，事實上，愛因斯坦盒可以在各種不同的平臺上整合。之所以選擇U-2偵察機，是因為它的空間相對其他平臺較為合適，且在功率和冷卻機制方面，可以提供系統(tǒng)足夠的電力與冷卻效能，使其能夠攜帶各種各樣的有效載荷，是測試平臺的首選。除此之外，U-2偵察機的開放式架構(gòu)航電也讓它快速整合固定在飛機的航空電子處理器上的愛因斯坦盒。

與此同時，U-2偵察機適合成為五代機與四代機間通信中繼的原因，還在于U-2的飛行高度極高，這不僅讓它難以被測量，且還讓需要直線對準(zhǔn)才能通信的IFDL與MADL能擁有更遠的通信距離。愛因斯坦盒可以重新配置輸入通信信號的波長，以確保不同型號的飛機之間不同戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈路可以具備兼容性。

3.2 驗證實驗的成果

2017年，在一次聯(lián)合演訓(xùn)中，洛克希德·馬丁公司的U-2偵察機參與其中，在演訓(xùn)中，真實地演示了最新秘密武器裝備“愛因斯坦盒”的用途。這次演訓(xùn)展現(xiàn)了世界范圍內(nèi)最經(jīng)典的高空偵察機可以使老舊的四代機與全世界最先進的第五代隱身戰(zhàn)機進行信息通信。愛因斯坦盒作為U-2上安裝的最新的通信陣列，這種即插即用的系統(tǒng)，整合入U-2的航電處理器并開啟了多種功能。

2018年，美國洛克希德·馬丁公司宣布本公司臭鼬工廠與美國國防預(yù)先研究計劃局（DARPA）開始展了一系列“系統(tǒng)之系統(tǒng)集成技術(shù)與實驗”（SoSITE）項目飛行試驗[3]，在實驗中驗證了如何應(yīng)用“系統(tǒng)之系統(tǒng)”（SoS）方法和手段在對抗環(huán)境中對包括空、天、地、海、網(wǎng)絡(luò)空間的各個作戰(zhàn)域內(nèi)的系統(tǒng)進行快速的無縫集成。飛行試驗在加利福利亞州美海軍空中戰(zhàn)爭中心進行，并演示了一種名為“縫合”（STITCHES）的新穎集成技術(shù)，試驗平臺選擇了1架C-12飛機和1架飛行試驗飛機，同時配置1個地面站以及1架飛行試驗臺配合兩架飛機間的配試，通過這種演示組合，驗證了信息在這些系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸能力。在該實驗中，引入了愛因斯坦盒，并將愛因斯坦盒作為開放式的計算環(huán)境，為異構(gòu)系統(tǒng)之間提供了安全保護。愛因斯坦盒的存在，使軍方具備了可對新技術(shù)和新平臺進行快速驗證和接入的能力，同時保證了系統(tǒng)的安全性。這一試驗的成功，是其能夠具備部署運用到作戰(zhàn)系統(tǒng)和作戰(zhàn)裝備中的可能。本次實驗驗證了可將不同的任務(wù)系統(tǒng)快速地集成到現(xiàn)有架構(gòu)的能力，并且能夠控制集成成本，兼顧經(jīng)濟上的可接受度，它將會幫助美軍在當(dāng)下瞬息萬變的體系作戰(zhàn)環(huán)境中，保持作戰(zhàn)的先進性和優(yōu)勢性。

通過本次愛因斯坦盒的引入，試驗成功地驗證了愛因斯坦盒可為作戰(zhàn)系統(tǒng)帶來的幾種作戰(zhàn)優(yōu)勢和能力增量。

（1）增強信息傳輸。愛因斯坦盒作為開放式的架構(gòu)，可以使異構(gòu)平臺和系統(tǒng)之間的自由組合和傳輸信息成為可能，在接入系統(tǒng)均使用傳統(tǒng)老舊的數(shù)據(jù)鏈路時，仍可通過愛因斯坦盒的加入，與新式數(shù)據(jù)鏈路進行信息的互聯(lián)互通。

（2）實現(xiàn)信息交互。愛因斯坦盒的引入，首次實現(xiàn)了飛機間在飛行中通過Link16完成信息交互，實現(xiàn)了多系統(tǒng)之間自動融合、處理、集成以及傳輸信息的能力，證實了搭載使用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈時仍可以完成信息交互的的能力。

（3）空地實時互聯(lián)。由于愛因斯坦盒的存在，實驗完成了陸基座艙模擬器與真實飛機系統(tǒng)實時互聯(lián)的能力，減少了從數(shù)據(jù)到?jīng)Q策的時間跨度。

（4）綜合軟件集成。通過愛因斯坦盒這一通用平臺的引入，將當(dāng)前F-35使用的APG-81雷達與DARPA的自動目標(biāo)識別軟件進行了集成，并創(chuàng)建一個全面的戰(zhàn)場空間圖像。

由此可見，通過愛因斯坦盒，可使異構(gòu)平臺間的信息互聯(lián)、軟件互聯(lián)等成為可能，在當(dāng)下瞬息萬變的作戰(zhàn)環(huán)境當(dāng)中維持作戰(zhàn)優(yōu)勢[4-5]。

4 愛因斯坦盒發(fā)展的啟示

在未來戰(zhàn)爭中，體系對抗將替代單裝作戰(zhàn)，成為主要的戰(zhàn)爭表現(xiàn)形式，繼續(xù)聚焦于發(fā)展高精尖的武器裝備已經(jīng)不足以支撐未來的作戰(zhàn)。當(dāng)體系能力建設(shè)逐步進入全面發(fā)展時期后，更加靈活的體系技術(shù)方法和低成本的體系集成技術(shù)顯得尤為重要。愛因斯坦盒作為一個可以承擔(dān)異構(gòu)系統(tǒng)通信中繼的開放架構(gòu)平臺，它的出現(xiàn)可以推動多種技術(shù)的研究，促進體系作戰(zhàn)的發(fā)展。

4.1 重視異構(gòu)平臺集成

在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中，單裝能力的提升已經(jīng)不足以支撐當(dāng)前的戰(zhàn)場局勢，體系作戰(zhàn)能力才能夠?qū)⒆鲬?zhàn)效能發(fā)揮至最大。然而，在過去裝備的發(fā)展中，并沒有按體系規(guī)劃進行單裝研制，因此，將不同研制機構(gòu)設(shè)計的不同時期的裝備進行集成，顯得更為重要。而困難的是，由于裝備覆蓋的時期不同，集成需要考慮現(xiàn)役、在研甚至未來規(guī)劃裝備，這些裝備的軟件接口、硬件接口、內(nèi)部控制信息、信息傳輸格式等均不相同。更有甚者，相同功能模塊在不同平臺實現(xiàn)方式也有所差別。想要實現(xiàn)異構(gòu)平臺數(shù)據(jù)的一致性、正確性和可用性，必須要將“互聯(lián)、互通、互操作”這“三互”的發(fā)展置于裝備集成時的首要考慮因素。

4.2 加強體系架構(gòu)規(guī)劃

體系架構(gòu)的發(fā)展和規(guī)劃，決定了體系裝備的發(fā)展方向和體系各元素間的協(xié)同工作機制，制約著作戰(zhàn)體系的最大作戰(zhàn)能力。因此，體系架構(gòu)的設(shè)計和規(guī)劃是裝備發(fā)展的基石，只有遵從體系架構(gòu)的裝備發(fā)展，才能夠為作戰(zhàn)體系有所貢獻，并發(fā)揮最大的效能。在武器裝備呈現(xiàn)體系化急速發(fā)展的趨勢中，單一武器裝備的高性能已經(jīng)無法達到預(yù)期的戰(zhàn)斗力，一個成熟、開放、穩(wěn)定、安全的武器裝備體系架構(gòu)，才是發(fā)揮戰(zhàn)斗力的關(guān)鍵?？捎纱碎_展符合我軍作戰(zhàn)使用的體系架構(gòu)研究，推動體系化空戰(zhàn)的發(fā)展。

4.3 開展開放架構(gòu)研究

傳統(tǒng)意義上的開放式架構(gòu)，一般來講是解決某個單裝備或單設(shè)備功能的集成、擴展和升級問題，是狹義的開放架構(gòu)。體系化空戰(zhàn)能夠?qū)崿F(xiàn)的重要內(nèi)生因素是開放的體系綜合集成技術(shù)，使異構(gòu)系統(tǒng)和裝備能夠進行互聯(lián)互通和互操作。在開放架構(gòu)的平臺上，將其他體系要素的信息進行整合和融合，可以更大程度上發(fā)揮單個裝備的效能，達到“1+1＞2”的體系效能增量。要對不同平臺的傳感器、武器和通信等資源進行體系集成，開放式架構(gòu)是重中之重。因此愛因斯坦盒作為開放的體系集成技術(shù)的實現(xiàn)實體之一，需以開放系統(tǒng)架構(gòu)為核心研究內(nèi)容。

4.4 推動體系試驗建設(shè)

體系化作戰(zhàn)是未來空戰(zhàn)場決勝的重要作戰(zhàn)樣式，在單裝開發(fā)過程中，原型系統(tǒng)主要在早期研發(fā)階段用于技術(shù)概念開發(fā)，驗證系統(tǒng)功能運行流程，提前釋放技術(shù)風(fēng)險[6]體系。原型系統(tǒng)開發(fā)貫穿整個體系裝備的工程研制過程，通過多種裝備的配試，形成對體系能力的效能評估手段和驗證方法。然而事實上，由于體系項目往往牽涉范圍巨大，協(xié)調(diào)難度激增，大多數(shù)體系類原型系統(tǒng)，都很難有真正的實裝驗證途徑。因此，應(yīng)先從推廣小范圍的體系驗證試驗著手，通過“體系試驗—實裝測試—體系試驗”的迭代方式，逐步將體系的集成與試驗驗證方法有所推廣，對體系戰(zhàn)場藍圖、體系開放架構(gòu)實現(xiàn)方式、異構(gòu)平臺的集成方法、多平臺信息集成的風(fēng)險等進行評估，推動體系能力的快速演進。因此，應(yīng)著手關(guān)注體系作戰(zhàn)試驗的能力建設(shè)，盡早地開展體系作戰(zhàn)試驗關(guān)鍵技術(shù)的研究是體系化作戰(zhàn)推向?qū)嵱玫年P(guān)鍵。

5 結(jié)語

愛因斯坦盒作為一個高性能的計算機，一個開放的計算環(huán)境，是一種即插即用的系統(tǒng)，一個兼容的通信網(wǎng)關(guān)，為系統(tǒng)之間的通信提供了安全保護功能，擴大了定向數(shù)據(jù)傳輸所需的視線范圍，實現(xiàn)了不同數(shù)據(jù)鏈之間的高空保密通信，并克服了飛機不同數(shù)據(jù)鏈之間的通信障礙。它承擔(dān)了不同飛機間的通信中繼工作，通過重新配置輸入信號的波長，能夠在3種主流的數(shù)據(jù)鏈中進行異構(gòu)系統(tǒng)的通信（Link 16、MADL、IFDL）。愛因斯坦盒已進行了演示驗證試驗，驗證了上文中的4種能力。但是，愛因斯坦盒將不僅僅是一個通信中繼工具，其未來還會具備各種智能化的偵察和電子戰(zhàn)的能力。作為一個計算機，它可以像一個智能手機一樣運行許多不同的應(yīng)用程序；作為一個通用平臺，它可以將異構(gòu)平臺之間的信息智能集成；作為一個通信中繼，它可以支持未來不同代際之間的信息智能分發(fā)，成為未來體系化戰(zhàn)場和分布式戰(zhàn)場的重要組成部分。愛因斯坦盒技術(shù)是武器裝備作戰(zhàn)體系能力建設(shè)未來的發(fā)展方向，值得研究與借鑒。