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第四代预警机发展研究
摘 要：第四代预警机在服从各类武器装备共同具有的无人化、智能化与网络化协同运用等普遍性特点的同时，具备机身与电子深度融合、有人平台与无人平台协同运用、微波与光学探测互为补充、集中式单平台与分布式多平台共同发展等四类趋势，并在总体技术架构上具备“蒙皮化传感器 网络化运行环境 智能化应用服务”的典型特征。此外，文中给出了第四代预警机的体系贡献度评价指标与实施方法，以及未来装备发展的相关建议。
关键词: 网络信息体系；预警机；智能蒙皮；体系贡献度；指挥控制
引 言
预警机自1945年首次服役以来，迄今历经75年发展，可以分为三代[1]。
第一代预警机定位为空中雷达站，主要用于低空补盲，技术上雷达采用普通脉冲体制，雷达情报通过摩尔斯电码和话音下传至舰载或地面指挥所，发展时期为20世纪40年代至20世纪70年代；
第二代预警机定位为空中指挥所，技术上雷达采用脉冲多普勒和有源相控阵体制，并基于多传感器配置与数据融合形成高质量情报后，通过数据链与其他作战单元进行协同，发展时期为20世纪70年代至21世纪初；
第三代预警机定位为空中战场管理中心[2]，是作战体系中的核心与枢纽性节点，在各型作战平台管理、平台传感器管理和信息火力协同等方面发挥更多作用，技术上具有网络化、一体化、软件化和智能化等特点，发展时期为21世纪初至今。
第四代预警机将在网络信息体系中设计与运用，同时服从各类武器装备发展具有的无人化、智能化与网络化协同等普遍性趋势。但与前三代预警机发展过程中世界各军事强国均有比较明确的规划布局相比，目前对2030年后预警机装备并没有给出全面展望、系统规划与清晰定义，总体认识失之片面与零星。以美军为例：
- 一是在2017年“多疆域指挥控制”计划[3]中提出，“e-3预警机（awacs）任务可能会分解，这意味着该任务将由数量更多、尺寸更小的平台执行，但可能仍将会有某种空中的中心节点，协调有人驾驶飞机和无人驾驶飞机的功能”；
- 二是在2018年在“先进战场管理系统（abms）”计划[4]中提出，“将abms作为e-8c的后续项目，无人机、预警机、f-35等isr/指控/打击平台被连接成簇，利用多平台形成的‘面’侦察指挥网络替代e-8c的‘点’侦察指挥系统，并将各传感器节点信息绘制成统一的战场图景”；
- 三是在2019年《大国竞争时代的美国空军》[5]及2019年《2030飞机清册》[5]中设想将现有“预警机和e-8c等isr和bmc2大型平台的功能广泛分布于多个平台和武器系统上，取而代之的是数量更多的小型isr和bmc2平台，其中还有一些是无人机，可以执行分布式网络化作战”，并提出发展穿透式情报监视侦察飞机（p-isr），如表1所示，但此型飞机的定位与主要能力描述不多。再以俄罗斯为例，其报道比较多的、正在努力发展的a-100预警机[6]，于2017年底首飞，可以归为第三代，对其未来设想则知之甚少。
表1《2030年飞机清册》提出的部分机型发展清单[5]
有鉴于此，可以认为现阶段各军事强国对预警机装备的未来装备发展尚在探索之中，从一定程度上看，也可以认为我国在预警机装备发展上正在失去强国参照，需要更加自主地定义未来。本文以网络信息体系条件下空中作战装备具备的普遍性[7]为基础，系统分析第四代预警机的装备定位与技术特征，希望为国内开展前瞻性技术布局、装备改进与研制提供参考。
1 装备定位
在回答第四代预警机装备定位之前，应该首先回答预警机装备为什么能够持续存在。其理由在于“侦、控、打、评”打击链的永恒性，以及预警机自诞生以来的三个优势在未来战争中仍然能够保持。
1）空基优势。只要探测感知与指挥控制平台以电磁波为主要手段，绝大部分频段的电磁波仅能在视距内进行传输的问题就必须克服。空基平台所拥有的大视距特点，即使是在未来战场上，也仍将使得它相对于地基平台在低空目标探测上具有优势。
2）运动优势。预警机相对于固定式探测感知平台，可以利用机动性扩大覆盖范围和生存力；在网络信息条件下，机动性也将为分布式和网络化协同运用提供支持，例如机载雷达的多基地应用或电子侦察系统的多基协同与运动定位中，机动性可以优化阵位和拓展工作模式，从而提高探测距离和精度。
3）集成优势。早期的预警机仅在飞机上集成雷达和简单通信系统，此后随着功能拓展和技术水平提升，雷达、电子侦察、通信侦察等多类传感器以及短波、超短波、卫星通信等各类数据链系统均在飞机上集成，使得预警机既能执行多种作战任务（比如侦察、预警、指挥等），也能够链接体系内多种作战要素，从而构成体系作战能力的重要依托。
预警机装备的三个基本优势，将使其在网络体系条件下继续生存与发展。与其他空中作战装备类似，其作用将以无人化、智能化、网络化和分布式形态实现，此处不再对此展开论述。但第三代预警机所拥有的战场管理能力，在第四代预警机上将与探测感知分离，从而使得第四代预警机主要执行探测感知任务。而之所以存在这种分离，主要因为第三代预警机具备的战场管理能力是在有人条件下实现的，而未来网络信息体系条件下，分布式与网络化作战要求管理的作战平台类型、数量和作战任务越来越丰富，对战场管理的能力要求进一步提升；但由于无人化与智能化发展速度的不平衡，无人化在一定程度上领先于智能化，基于人的战场管理能力在一段时间内难以通过智能化技术在无人平台上与探测感知同步实施，因此网络体系条件下，第四代预警机的战场管理能力和探测感知能力在无人化的单平台上难以同时满足。随着人工智能技术的进一步发展，也许在第五代预警机上重新实现两者的结合更为现实。
在第四代预警机将战场管理任务从自身中剥离的同时，探测感知任务也将在分布式节点之间进一步分离。这种分离有两种含义：1）原来集中在一个大平台上实现的探测感知任务将分散到各个不同平台上实现；2）探测感知任务内部的细分，例如发现、跟踪和识别，也可能由不同平台来完成。
网络信息体系条件下分离必然导致共享，正是通过共享，才能使各个分离的平台与任务能够整体发挥作用，从而构成“侦、控、打、评”杀伤链的一环以及杀伤网[8]的功能节点，即“能力涌现”；另一方面，通过共享，每一个节点被赋予超出自身之外的能力，自身在网络中找到定位并实现价值提升，即“体系赋能”。因此，分离与共享构成网络信息条件下第四代预警机装备定位的主题。
2 主要特征
虽然从装备定位上看，预警机将作为网络信息体系中执行探测感知任务的空中主要节点存在，似乎与第一代预警机类似，但正如“否定之否定”规律所揭示的，第四代不是向第一代简单地回归与重复，而是随着作战样式的演进与技术的发展，呈现出有时代特色的四个总体特征。而这四个方面的总体特征，又应该服务于解决预警机对新型作战样式、新型目标威胁、复杂对抗环境和轻小平台安装等几类基本需求的适应性问题；因这些需求性问题对于空中作战装备具备普遍性，限于篇幅，本文仅针对第四代预警机的总体特征进行论述。
2.1 机（体）、电（子）融合
机体与任务电子系统的深度融合是第四代预警机的主要技术特点之一。在第三代预警机任务载荷与平台一体化设计的基础上，以微波雷达为主的任务载荷将与机体蒙皮实现从一体化集成向深度融合的跨越，而执行不同任务的任务电子系统自身也更加作为一个整体，一体化和多功能程度持续提升。
这种深度融合的系统我们可以称为“智能蒙皮”[9]，不仅是共形化的辐射单元，更是多功能集成系统。虽然这个概念早在20世纪80年代即由美国空军提出，且多年来已经取得若干进展[10]，但在其与预警机应用的结合中，应该有新的内涵。它以一体化为基础，以智能化为核心，其具体含义有四点。
1）更宽频带，对于机体更大的新型隐身目标，可能需要进一步降低频段；而出于抗干扰等需要，需要增加多种频段，因此第四代预警机探测频段可能空前增加，而无人平台可以定制，即贯彻“传感器飞机”[11]理念，可以满足更大孔径和更多重量的需求。
2）更优密度，为提高探测性能和适装性，需要进一步提高单位蒙皮面积的功率密度，并降低重量密度。
3）更多功能，基于更宽频段，集成化实现雷达、通信、侦察和干扰等多种功能，并自适应感知外界电磁环境。但需要注意的是，预警机智能蒙皮首先要解决的应该是雷达多频段探测问题，而不是多功能集成问题，这正是预警机智能蒙皮与其它平台的不同之处。
4）更小截面，在蒙皮具备适度隐身性能的同时，基于对辐射能量的更精确管控，降低截获概率，支撑实现穿透式情报监视侦察。第四代预警机基于智能蒙皮解决硬件的集成问题，以此为基础，通过网络化基础环境提供下层硬件与上层应用系统之间的接口。
与第三代预警机的操作系统运行环境和中间件主要为基于本平台局域网的各种异构平台运行提供支持相比，第四代预警机的网络化运行环境需要更多地为基于跨平台无线网络的各种异构平台运行提供支持，在借鉴民用基于互联网环境的网络操作系统概念的基础上，将支撑网络信息体系条件下多链组网管理、空中协同节点资源虚拟化管理和分布式服务等能力的软件系统集成为预警机专用和面向云的网络操作环境（图1），是第四代预警机的重要技术特点。在此基础上，应用程序在实现彼此间解耦及与下层硬件解耦的同时，可以统一调度网络内的各类资源，并智能化完成各类功能。因此，第四代预警机总体上将呈现出“蒙皮化传感器 网络化基础环境 智能化系统应用”的技术特征。
图1 第四代预警机网络化基础环境概念
2.2 单（体）、（集）群并重
第四代预警机的单体和集群形式同时存在于网络信息体系，是其产品形态的重要特点。从平台形式来看，第四代预警机将以无人为主；但在其演进过程中，传感器集中在单个平台上运用的单体预警机形式和分散在多个平台上运用的分布式或集群预警机形式将并行存在，反映了第四代预警机发展过程中其产品形态的多样性。
两者将以智能蒙皮为共同技术基础，但在平台规模上有较大差异，不能偏废。其中，单体形式规模比较灵活，其最大起飞重量从数十吨左右一直可以减少到十吨以内，利用无人平台的通用性优势，如低成本、高升限和长航时等特点，执行常态化警戒任务，是第四代预警机发展早期的主要形态；集群形式则由于其平台规模相比集中式平台显著减小，其载荷在重量、体积和功耗等方面的要求相对较高，其普及速度将取决于微系统技术的充分发展；同时由于单个平台上载荷能力有限，分布式协同运用将成为其拓展能力的主要手段。
2.3 微（波）、光（电）互补
第四代预警机在载荷形式上的另一个重要特点可能是，在以微波（及米波）为主的同时，采用光电手段（最为典型的波段为红外，本文特指红外波段光电探测系统）执行对隐身空气动力目标的探测任务[12]。相对于传统的红外光电探测系统，其在任务能力上可以对低热辐射目标进行全方位搜索，在信号处理上将传统的高信噪比成像转变为低信噪比检测。
微波与光电互补的必要性在于，光电系统由于无源工作，相比于有源微波系统，其对低/零功率作战适应性更好，作用距离更远，抗干扰能力也更优；相比微波无源系统，其方位分辨能力和精度更好，便于区分密集目标，并改善目标识别性能。此外，由于其载荷对平台的安装要求低，相比微波系统而言，在平台适应性方面更具优势。光电探测用于预警机，将是第四代预警机在产品形态多样化上的重要体现，也是对“单、群并重”特点的重要支撑。
光电预警探测系统用于机载条件下的预警探测，已初步具备工程应用条件，其主要技术途径包括：研制预警探测专用器件，通过扩大探测器谱宽和加大单元能量接收面积，提高能量利用效率；在进一步加大孔径的同时，引入自由曲面设计技术和离轴多反光学系统，或在低成本平台上采用非制冷技术降低装机代价；借鉴相控阵微波雷达工作模式设计，加大时间积累来换取更多能量；采用恒虚警、检测前跟踪、多波段协同和模式识别等先进算法，降低检测信噪比（图2）。
图2 光电系统用于预警探测的主要技术途径
光电预警探测系统存在的突出问题有四类。
1）相比传统的光电成像与搜索跟踪系统，由于其探测距离更远，且预警机要求下视，因此受背景影响更为严重，传播路径损失更大，反杂波问题需要进一步研究解决。
2）为提高情报与信息质量，希望光电预警探测系统提供距离信息，真正实现被动光电系统的“三坐标”能力，为此需要开展多基地协同测距、多波段协同测距与激光协同测距等研究。
3）为适应更小的无人平台，需要载荷进一步轻小型化。
4）相比于微波系统在目标特性方面的认知，光学系统还处在起步阶段，需要充分开展基础研究。2.4 有（人）、无（人）协同
有人无人协同是第四代预警机在作战运用上的重要特征。未来的预警机必须是编队作战的，编队协同是网络信息体系条件下实现装备体系赋能和能力涌现的重要途径。
从协同效能上看，有人无人协同可以实现探测增程、识别增准、决策增速，创新作战样式和提升作战能力。
从装备体系构建角度看，有人预警机通常是领先建设的，是装备存量；无人预警机是后发研制的，是装备增量，通过有人预警机与无人预警机协同工作，也是实现现有装备效能最大化的必然需求。
从协同样式上看，可以分为三类：1）有人预警机与无人预警机的协同[13]；2）无人预警机之间的协同；3）有人预警机之间的协同。与前两类协同方式相比，有人预警机之间的协同容易被忽视，而从实现协同的技术途径上看，有人预警机之间的协同相对来说更容易实现，可以为有人-无人协同积累技术与经验，同时也是用好存量的重要措施。通过有人预警机之间的协同，可以充分发挥人在回路优势，创新实现战场频谱统一管控、能量与时间统一调度、不同颗粒度情报共享、分布式指挥控制与射手选择等装备功能，让装备在体系中发挥最大效用。
3 体系贡献度评价方法
网络信息体系条件下评价预警机装备的体系贡献度，大致可以分为涌现度、时效性、生存性和集约性四类指标[6]。
涌现度衡量单件装备能力对杀伤链（或杀伤网）各相关环节或要素的影响，其评价基础是单件装备的基本功能性能评价指标。第四代预警机以探测与识别为基本功能，虽然处于杀伤链的前端环节（“侦”），但考察其贡献度，应该从它对控、打和评的作用来衡量，且具体评价可能与工作模式和产品形态有关。
例如，对于单体工作的预警机而言，其基本功能的评价指标在于探测威力、精度、分辨力、可识别目标类型以及识别概率等等。那么，这些基本功能指标一方面将杀伤链中的特定环节（例如，对于“侦”的环节，它自身也是网络化组织的，由很多网络要素构成）能力提升了哪些是需要考察的，另一方面这些基本功能指标通过网络化组织后对后端环节又会产生何种影响（如提高了决策准确性、加快了决策时间、延伸了武器系统的发射距离等等），也是需要考察的，这就构成了涌现度评价矩阵，这个矩阵的一维是基本功能性能对“侦”自身环节整体上的能力提升，另一维是对打击链后端各环节效能的影响。而对于无人集群运用或有人-无人协同运用时，除了按照前述评价方法将集群或协同运用的各类单体作为一个整体开展评价外，也要评价这个“整体”内部的各个单元，其单件能力在通过集群或协同运用后所能达到的能力。
时效性评价可以从两个方面来理解。一是站在涌现度的角度，衡量第四代预警机在体系中带给“侦、控、打、评”各环节的能力增量，只不过这个能力增量除了从各个环节分别开展评价外，对杀伤链作为一个整体的效能贡献，也要做出评价，这种整体效能贡献最主要的即是杀伤链闭环时间。在这个意义上，时效性评价可以放在第一类指标“涌现度”中。除了涌现度外，时效性还可以指第四代预警机在自身所处的环节（即“侦”）完成闭环的速度衡量，可以理解为杀伤链作为一个整体（大闭环）对特定环节（小闭环）的时效性要求。从这个指标出发，需要强化小闭环的概念，因为在复杂对抗环境下，并不一定是预警机开始启动工作就可以形成后端可用的情报，绝大部分情况下需要调度传感器的能量和时间等资源，在一定的时间约束下直到形成后端可用信息为止。
第四代预警机的生存力评价将与第三代预警机显著不同。第三代预警机是典型的集中式高价值平台，平台自身自卫手段较少，主要基于对威胁的及早发现、任务阵位选择与战斗机护航来保障自身安全。对于第四代预警机的两种基本形态而言，集中式无人单平台的生存力评价可以沿用现有的“被击中概率”方法，但对于分布式无人平台或集群，其生存概率的计算应与前者不同，不能仅仅评价集群中个体的生存概率，更应该衡量每一个体的全部或部分功能可以向集群中其他个体甚至是集群之外的同类功能平台转移的能力，也就是说，可以考虑在补充引入类似转移效率等概念的基础上衡量集群整体的被击中概率以及战场可存续时间等指标；因为无人集群相比集中式平台更加允许个体的消失，个体消失后集群功能整体上并不一定消失，而集中式平台个体消失后，整体功能随即消失。这正是作战样式变革对装备生存力评价带来的质变。
第四代预警机的集约性评价可以从两个方面开展。1）适装集约性，主要用来衡量任务能力对平台资源的利用效率，适应于集中式单平台和集群平台两种产品形态。例如，将预警机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，二者的比值就是每单位重量所能达到的能力；若需要考察子系统的集约性，还可以进一步细分，例如智能蒙皮的功率密度、重量密度比等。2）节点集约性，主要应用于集群平台，用以在体系范围内衡量节点是否以最小数量融入体系使得既能贡献足够能力，又能维持必要冗余以保障体系生存能力。
结 语
第四代预警机为适应新的作战样式、新的目标威胁、复杂作战环境和多样化安装平台，将以机身与载荷深度融合、微波与光学互相补充为主要技术形态，以单体和集群并行发展、有人无人协同运用为主要使用方式。预警机的发展也必将对技术的进步产生强大的牵引作用，为此建议：
1）加强应用于预警机的智能蒙皮概念、形态与关键技术研究，针对其宽频带、多功能和高性能等特性，集中开展已有科研成果梳理、集成并做好后续布局；
2）加强光电预警探测技术攻关，特别是针对载荷轻小型化、反杂波、三坐标、“时间频率相位三同步”等工程问题以及全面建立光学目标特性与识别基础库等基础问题，集全国之力，进一步推进光电系统跨领域发展；
3）系统性加强有人预警机编队协同、有人-无人协同以及无人平台分布式运用等研究，并重点解决好具有预警机特色的基础性运行环境（操作系统）与协同通信网络等问题，为全面提升预警机装备体系能力打下基础。
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