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美国陆军战术信息网络建设的最新进展与编配运用研究

2016-08-31

现代军事 2016年5期
关键词:卫星通信信息网络美国陆军

张新征

为了彻底解决战术互联网带宽有限、指挥机构快速“驻停通”能力薄弱、作战分队“动中通”能力缺乏等方面的局限性,从上世纪90年代末开始,美国陆军把开发基于天、空、地多维通信资源应用的新一代战术信息网络作为其现代化的重中之重。

发展现状

当前,美国开发的战术信息网络已经开始融合并取代松散的战术互联网,成为高移动性、大容量的下一代战术骨干网络。美国陆军作战人员战术信息网(WIN-T)的建设目标是打造更高性能、更可靠的新一代战术信息网络,使战术互联网从军、师一直延伸到营、连一级,形成全域互通、动态运行、宽带传输、灵活升级、高可靠性的多媒体信息网络,满足网络中心战的需求。

WIN-T“增量1”系统由联合网络节点(JNN)系统演化而来,2004年开始应急装备部队,为处于静止状态的作战人员提供访问全球信息栅格(GIG)的能力。“增量1”系统目前已升级为“增量1a”扩展型驻停组网和“增量1b”增强型驻停组网两类。

“增量2”系统于2012年10月开始部署,重点提高连以下分队视距宽带通信和初始卫星动中通能力。2013年5~6月和2014年10月~11月,“增量2”系统分别在NIE13.2和NIE15.1演习中各接受了1次后续作战试验与鉴定。2015年5月,“增量2”系统进入全速生产阶段。截至2015年,“增量2”系统已装备共12个“斯特赖克”旅级战斗队和5个师司令部。

2015年2月,原计划的“增量3”系统项目被美国陆军正式宣布终止,其相关技术将被转移到“增量2”系统的后续改进中。

主要特点

美国陆军形成了基于传统地面通信和卫星通信资源综合应用的战术信息网络架构,地面部队通过集成改造,网络化水平得到快速提升,面向班组和单兵的联合信息终端也即将列装部队。

利用多维信息资源,形成全域性动态信息网络架构

作战人员战术信息网(WIN-T)能够摆脱对固定通信设施的依赖,传输话音、数据和图像,对于陆军具有革命性的意义。WIN-T系统将形成天、空、地相结合的全域性动态信息网络架构。

太空层主要指卫星通信中继,由Ka频段军用宽带全球卫星(WGS)和Ku频段商用通信卫星提供。

空中层主要指机载通信中继,由MQ-1C“灰鹰”多用途无人机以及长航时多情报飞行器(LEMV)、情报监视与侦察飞行系统等浮空飞艇提供。

地面层主要由超视距卫星通信终端和传统的TRC-190微波接力机构成。

目前,美国陆军正在从能力较强的快速“驻停通”向“动中通”能力扩展,并计划利用“灰鹰”多用途无人机等充当空中网络节点,形成由地面视距通信、空中机载通信和卫星通信组成的三层框架结构。WIN-T摆脱了对固定通信设施的依赖,可连接从战区到战术分队的所有用户,还可接入盟军和国防信息系统网络,已成为全球信息栅格的重要组成部分,对网络中心战装备体系提供有效支持。

广泛应用卫星通信资源,信息传输功能持续增强

WIN-T系统大量使用卫星通信,信息传输能力大幅提升,可有效支持话音、实时视频和数据通信。

WIN-T“增量1”系统服役后,在静止状态下,师与旅指挥机构之间共享76兆卫星通信带宽,营指挥所具备4兆带宽的卫星通信能力,营与旅之间还拥有2兆带宽的微波接力链路。“增量1a”(扩展型驻停组网)利用大型基带组网组件升级了联合网络节点的功能,可接入Ka波段的国防宽带全球卫星(WGS),减轻了对Ku波段商用卫星的依赖。“增量1b”(增强型驻停组网)引入了网络中心波形调制解调器,可通过动态波形优化实现对带宽和卫星通信的利用。

“增量2”系统于2012年10月开始部署,在“增量1”的基础上,建立了从军、师覆盖到连、排,具有自组网功能的机动作战信息网络,重点提高连以下分队视距宽带通信能力,并提供初始卫星“动中通”能力。在“动中通”环境下,营以上的地面骨干网将实现在72千米/小时机动速度下256K~4兆的用户带宽,连以下节点将具备在40千米/小时机动速度下64K~128K带宽的通信能力。

依托现有平台,实现部队网络化水平的快速提升

美国陆军战术信息网络的关键节点主要依托已列装部队的各类平台,通过对现役平台的集成改造,实现部队网络化水平的快速提升。联合网络节点是WIN-T“增量1”系统的核心,就是在原S-250型通信军官车的基础上,增加了卫星通信拖车,为旅、营指挥所提供了微波接力与卫星中继的双重组网手段。WIN-T“增量2”系统的“动中通”功能率先在步兵旅级战斗队实现。作为实现“动中通”的核心,互联网接入点和士兵网络扩展车均以大量装备部队的防地雷反伏击全地形车或“悍马”车为承载平台,为特定指挥与参谋军官提供移动中的作战指挥能力。2014年以来,美国陆军加紧推进“斯特赖克”旅级战斗队的战术信息网络集成建设。在第2步兵师第2“斯特赖克”旅级战斗队当前的集成工作中,全旅总计11辆网络接入点车和51辆士兵网络扩展车均采用了改造后的“斯特赖克”装甲车和防地雷反伏击全地形车作为承载平台,将快速提升机动作战中旅、营、连、排各级指挥与作战军官的话音和数据通信能力。与此同时,美国陆军通信电子研发与工程中心也在积极研究开发分布式与可嵌入式标准卫星通信移动终端架构,以便在装甲旅级战斗队的“布雷德利”M2A3战车上集成WIN-T“增量2”系统。

吸收前沿网络通信技术,实现自组织自愈合移动组网

与原有战术互联网相比,美国陆军新一代战术信息网络覆盖范围显著扩大,从功能上实现了从战区到连、排的直接指挥,这离不开对于三种前沿性网络通信技术的吸收运用。

一是网络中心波形,主要用于卫星通信的组网。经过设计的网络中心波形可使战术信息网络的卫星传输效率达到最优,推动WIN-T网络扩展到连级,使更低级别的分队指挥官同样具有传输图像和视频通信的能力。美国陆军的网络中心波形在技术上与海、空军的网络中心波形相似,也为面向联合作战的信息栅格建设奠定了基础。

二是高频段网络波形,用于视距内的地面微波通信组网。高频段网络波形针对高性能宽带网络进行优化后,能够支持移动动态组网,工作频段为C波段,具有自组网、自愈合和对等网络的特点,通信距离达到30千米,数据传输速率接近30兆比特/秒,可满足对高容量数据服务的要求,也减轻了对于卫星通信的压力。

三是网络自动化管理工具,主要用于师、旅的网络运行安全中心,为指挥官提供更加高效便捷的网络管理能力。该工具能够对移动通信实施自动化管理,实现了带宽的自动分配和管理,保证了信息传输的质量;能够对接入战术信息网络的系统进行信息安全管理和全面的网络规划,满足了全球信息栅格信息保障的安全需求。

开发信息终端系列,满足底层作战人员信息互用需求

战术无线电台是战术信息网络的重要组成部分。美军联合战术无线电系统(JTRS)旨在开发一系列新一代、多波段、软件无线电台,可用于各种手持、车载、机载和舰载系统。这种基于IP的兆位语音和数据交换终端克服了“最后一英里”(战术终端)的信息传输瓶颈,实现了底层作战人员之间的信息互用。

适用于美国陆军WIN-T网络的JTRS电台主要有两类:

一类是用于陆军中层战术组网的中层组网车载无线电台(MNVR)。该电台是在AN/PRC-117G型无线电台的基础上,重点针对WIN-T网络的特点研制的,频率范围为3MHz一2GHz,可通过宽带组网波形和士兵无线电波形传输话音和数据信息。该电台已于2014年9月进入低速初始生产阶段,于2015年5月通过“里程碑c”决策,计划于2016财年开始全速生产。该电台能够集成在“斯特赖克”战车、防地雷反伏击车和“悍马”车上,将作为“能力集17”的一部分替代已于2011年下马的联合战术无线电系统地面机动无线电台(GMR)。

另一类是手持与背负式匹配小波型(HMS)无线电台,主要有多信道的AN/PRC-155型背负式无线电台和单信道的AN/PRC-154A型手持式步兵电台等。这类电台源于“网络勇士”项目,可提供语音通信、文本传输和GPS数据,并具有智能手机接口,使士兵能够在手机屏幕上看到友邻位置,标注和分享重点位置。

此外,专门针对美国陆军航空兵研发的JTRS小型机载Link-16终端无线电台也在集成和试验之中。

编配运用

美国陆军新一代战术信息网络已基本形成作战能力。随着美国陆军WIN-T“增量1”系统和“增量2”系统相继于2004年、2012年开始列装,截至2015年,WIN-T“增量1”系统已普遍装备部队,WIN-T“增量2”系统也已装备美国陆军共计12个“斯特赖克”旅级战斗队和第10山地师、第82空降师、第101空中突击师、第2步兵师、第1装甲师等5个师司令部。

适应不同指挥层级,部署相应功能的驻停组网节点

就目前美国陆军已列装部队的WIN-T系统来看,新一代战术信息网络由部署在不同层级的大量组网节点构成,各网络节点具有相应的功能,共同满足了从战役到战斗不同层级通信保障的需求。

WIN-T“增量1”系统的驻停组网节点主要编配在4个层级:

一是固定部署在战区的区域中枢节点(RHN),可综合提供3个师加4个独立作战旅规模的远征作战通信保障,5个区域中枢节点即可实现全球覆盖,当前传输速率接近360兆比特/秒。

二是可通过C-17运输机部署在军、师司令部的战术中枢节点(THN)。战术中枢节点是WIN-T“增量1”系统组网的核心,提供对联合网络节点和营指挥所节点的卫星通信连接,并可作为国防信息系统网络的接入点,提供对国防保密网和保密与非保密IP路由器和联合全球情报传输系统的通信连接,还能够接入传统的移动用户设备(MSE)网络、SMART-T及商用通信卫星。目前其卫星通信的传输速率为48比特/秒(时分多址)~96比特/秒(频分多址)。

三是可通过C-130运输机部署在军、师和各旅的AN/TTC-59型联合网络节点及其卫星战术终端,可通过战术中枢节点接入各种保密与非保密网络,能够保障战场视频电话会议和图像传输。

四是部署在旅级战斗队所属各营的AN/TTC-64型营指挥所节点及其卫星战术终端,可通过C-130运输机部署或直升机吊运,便于灵活接入卫星和微波通信网络。

此外,战区的远征通信营还编配有上述各类移动式网络节点,可综合保障不同层级的组网需求。

大量编配各类网络节点,形成全面覆盖的动中通网络

在“增量1”系统的基础上,美国陆军已装备的WIN-T“增量2”系统利用大量的网络节点车,将高容量“动中通”能力广泛渗透到至连队的各级作战单位,形成了全面覆盖的“动中通”网络。

师以下作战部队主要编配的网络节点车有3类:

一是战术通信节点(TCN)车,分别编配师司令部3辆、旅部2辆和营部1辆。可自动选择用于超视距卫星通信的网络中心波形和用于视距微波通信的高频段网络波形。移动中的用户可在数分钟内完成天线方向对准、网络配置和网络管理。

二是互联网接入点车,分别编配师司令部3辆、各类旅部1~3辆和营部1辆。用于保障特定指挥与参谋军官实施移动中的作战指挥,也具有超视距卫星通信和视距微波通信的双重模式。

三是士兵网络扩展车,主要编配在各旅级战斗队,其中步兵与重型旅级战斗队计划编配33辆,“斯特赖克”旅级战斗队计划编配45辆。士兵网络扩展车利用超视距卫星通信为连级分队建立“动中通”网络,还可通过传统的“辛嘎斯”电台、增强型定位报告系统等实现与班、排的语音与数据通信,实现“动中通”网络的全面覆盖。

在作战试验中,美国陆军部队实际编配的网络节点车甚至更多。以目前正在装备“能力集15”机动通信网络组件的第2步兵师第2“斯特赖克”旅级战斗队为例,全旅辖3个步兵营、1个骑兵营、1个野战炮兵营、1个旅支援营和1个工兵营后,共改造11辆网络接入点车,用于增强旅长、旅作训军官和各营长的语音和数据通信能力;改造51辆士兵网络扩展车,用于增强各营作训军官、连长、火力支援协调官和排射击指挥中心的语音和数据通信能力。

发挥移动组网优势,开发多样化高机动性远征型指挥所

在以往作战行动中,陆军的指挥所庞大、笨重、复杂,需要大量时间开设、移动和撤收。典型的旅指挥所往往需要1个排花费一整天才能开设完毕,难以满足在突发状态下迅速对危机做出反应的需求。移动自组织的战术信息网络不但降低了保障和战略运输负担,还把指挥和参谋人员从传统指挥所的站位上解放出来,可通过平板电脑和智能手机收发保密信息。2010年4月,在德国参加的“作战验证Ⅱ”演习中,美国陆军第75火力旅通过WIN-T系统的联合网络节点和营指挥所节点,成功地将本旅的陆军作战指挥系统接入了当地的保密IP路由网络。位于德国的火力旅战术作战中心、位于美国本土希尔堡炮兵基地的旅指挥所和在本土麦康堡参加演习的火力营之间通过战场视频会议设备进行了数次视频会议,类似于由位于美国本土的操作员远程遥控在海外飞行的无人机。旅战术作战中心的指挥官甚至可以通过网络从远离战场的位置控制火力。

美军认为,随着WIN-T系统将高容量网络扩展到战术前沿的连排级分队,师的基本指挥所可以更多地保留在后方相对安全的位置,或者甚至就在美国国内,只需向前方部署小型化部队。这些部队配备若干较小的机动型战术指挥所,就可同时在多个地区遂行干涉和作战行动。为此,美国陆军正在开发高机动性新型战术指挥所。新型指挥所将不再是一个固定的中心,甚至可以是一个充气帐篷或牵引式硬壁方舱,利用WIN-T“增量2”系统的网络节点和智能电源技术,在半小时内就可架设完毕。根据“网络2.0”计划,美国陆军正在基于Web的环境下,开发指挥所计算环境(CP CE),向士兵和指挥官们提供战场共用作战视图,以保障在火力、保障、情报、空域管理和机动作战等战场功能区之间数据、地图和公共服务的共享,从而将各类孤立的任务指挥系统集成为一体,形成简化、集成的网络操作工具。

通过网络实时融合前沿信息,增强态势感知优势

新一代战术信息网络不但实现了指挥控制信息的高效传输,而且通过遍布战场的网络节点,可实时反馈前沿信息,发挥情报信息融合的优势。在阿富汗“持久自由”行动中,“能力集13”实现了步兵旅级战斗队所有级别部(分)队的互联互通,还可利用“战术地面报告系统”等进行数据的收集、共享和分析,为前沿战术分队提供全动态视频的情报和信息收集能力。当巡逻队通过阿富汗山谷时,巡逻队中的士兵能够看到头顶无人机反馈的实况视频。与此同时,位于远处战术指挥所里的指挥官能够与巡逻队队长保持联络,并能通过与全球卫星通信的高速、高容量网络快速发布各种命令。在朝目标行进的过程中,巡逻队的所有成员都能通过智能手机接入战术信息网络的无线电台,从而掌握己方、友邻和敌军的位置信息,以更好地控制机动速度和开火时机。当前,美国陆军正在开发的“网络传输会聚”项目将实现“预言家”信号情报及其传输系统面向WIN-T“增量1b”和“增量2”的转型,最终将形成可全面替换“轻型特洛伊幽灵”的远程情报传输终端,进一步提高战术信息网络对情报信息的融合与传输能力。

发展趋势

随着战场挑战的变化和商用网络通信技术的突飞猛进,战术信息网络的发展必然呈现持续性的演进态势。从当前技术进步和国外陆军作战概念的发展来看,国外陆军战术信息网络的发展主要呈现出以下趋势。

利用LTE移动通信技术,提高战术信息网络单兵接入能力

3GPP组织的通用移动通信系统长期演进技术,简称LTE技术,是面向下一代开放标准的无线网络通信技术。LTE技术显著增加了频谱效率和数据传输速率,支持可变带宽分配,显著提升了系统容量和覆盖范围,也有较好的移动性支持,可支持多用户、同时召开的多个网络远程会议和进行宽带多媒体通信。LTE全IP扁平化网络架构也减少了网络所需节点数量,缩短了无线接入时延,降低了网络复杂程度和部署与维护的成本,也便于军方通过通信服务商实现全球部署。

美国陆军将利用商用LTE技术的强大功能,将其引入中小型网络,简化单兵的网络接入方式。其战场主要优势体现在以下7个方面:

一是减少前方作战基地和战术作战中心的通信电缆数量;

二是提高前方作战基地和战术作战中心开设和转移的速度;

三是使单兵实现从战术信息网络向提供更好服务和更高带宽的基地网络问的无缝切换;

四是利用商业开发的经验和现货产品显著增强网络性能,节省陆军开发类似网络技术的巨额费用;

五是增强了网络的鲁棒性,提高防御网络电磁攻击的能力;

六是既可集成到现有WIN-T系统,也可提供新型网络架构和多种产品,以满足战术部队的多重需要;

七是为网络管理与用户提供了摆脱网络复杂性的新方案。

在2014年5月的NIE14.2演习中,美军第86远征通信营对4G LTE/Wi-Fi通信系统进行了评估,打破了阻碍4G LTE接入军事网络的壁垒。当前,美国陆军对于LTE技术的集成主要侧重于在高层级对固定场所战术通信环境的增强,未来将实现在各层级和各种战术环境下的全面应用。

构建联合信息环境,实现基地网络与战术网络一体化

2012年7月,美国国防部首席信息官发布了《云计算发展战略》,试验运用云计算技术构建并优化统一的数据中心,以企业化的总体思维构建联合信息环境(TIE),为海外战场提供全球性的云服务。联合信息环境旨在通过对全军范围信息基础设施的整合,提高军用信息网络的效率、效能和安全性,构建跨军种、跨机构和跨国家的信息共享环境,其内容主要包括共享的信息基础设施、企业化服务与安全认证体系等部分。

在构建联合信息环境和整合军用信息网络资源方面,美国陆军正在开展以下4个方面的工作:

一是构建支持全球部署的网络能力,部队无论处于何地都可以方便地存取信息;

二是提高网络安全,包括物理安全与网络准入许可;

三是为战术部队提供企业化网络服务,简化信息服务标准,推广“硬件无关”技术,官兵无论用何种设备都可实现信息共享;

四是强化网络标准,引入“永久性军事基地作为信息系泊站”概念,战场功能应用程序都储存在云环境中,在没有联合网络节点的永久性军事基地中,官兵只要进入网络就可以下载与使用陆军作战指挥系统的客户端。

未来联合信息环境的主要特征将是:安全而可扩展的框架结构,联邦和共享的基础设施,企业化、集成化的信息服务和身份认证与准入管理。

接入移动用户目标系统,融入全球大容量卫星通信体系

移动用户目标系统(MUOS)原是在美军转型通信卫星项目下马后,专门为美国海军开发的下一代卫星通信系统。系统采用宽带码分多址(WCDMA)技术,主要由空间段的4颗在轨运作的通信卫星加1颗备份星,分布在弗吉尼亚、夏威夷、西西里岛和澳大利亚西海岸的4个地面控制与中继站以及各类用户终端等3个部分组成。

移动用户目标系统的优势主要体现在3个方面:

一是通信容量是传统超高频卫星的10倍以上,其1颗MUOS卫星就能提供4倍于传统8颗卫星的容量;

二是全球覆盖,能够在任何时间和地点为直至排级分队提供语音与数据通信,具有广泛的环境适应性,可用于城区、峡谷、丛林,甚至北极圈内;

三是实现更新换代,将替换和升级已服役20多年的超高频卫星星座,为美军各军种和联合机构提供高品质语音通信和更高的数据吞吐量。

目前“软件无线电设计理念”已经渗透到了MUOS终端的开发中,即在通用无线电平台硬件的基础上,开发适用于MUOS的WCDMA波形软件。美国陆军已经与通用动力任务系统公司签署协议,预计于2016年为陆军的AN/PRC-155型背负式无线电台升级MUOS波形,终端带宽可达64干比特/秒。AN/PRC-154A型手持式步兵电台和传统的“辛嘎斯”电台等其他信息终端,也可利用PRC-155型背负式无线电台的桥接功能,接入全新的战术通信网络。

针对量子计算机技术的突破,全面升级网络安全防范体制

量子计算机在理论上能够突破传统计算机的运算速度极限,在密码破解上有巨大潜力。近期,谷歌公司与美国宇航局首次共同证实了量子计算机的可行性。2015年12月9日,谷歌量子人工智能实验室宣布了量子计算机的最新进展:在2次测试中,D-WAVE2X量子计算机的运行速度比传统模拟装置计算机芯片的运行速度快1亿倍。尽管实验室研究成果距离实用技术还有相当距离,但早在2014年1月,美国国家安全局就开始投巨资研发专门用于破解加密技术的量子计算机。在为军事网络提供保密4G LTE/Wi-Fi通信保障时,信息安全—直是美军面临的最大挑战。2015年8月19日,美国国家安全局的一个声明显示,美国已在为量子计算机的到来进行了充分准备。该声明的核心就是强化网络安全措施,立即启动适应量子时代的密码标准制定工作,并在采用新的加密体制之前,全面升级传统加密算法的密钥位数。根据战术信息网络发展路线图,美国陆军将在2020~2025财年建设“下一代网络”,其中一个重要理念是由同一个模块化无线电系统来同时进行赛博战、蓝军跟踪和通信,提高战术信息网络本身在电磁空间领域的攻防对抗能力。

启示

对国外陆军战术信息网络建设的深入研究,既是掌握强敌陆军信息化作战能力现状的重要内容,也是我军发展基于多维通信资源应用装备技术的必要措施。吸收借鉴外军战术信息网络建设的经验教训,有助于推动我陆军下一代信息网络的建设进程。

一是长远规划与适时调整相结合。在坚持发展战术信息网络总体方向不变的情况下,根据部队运用和技术进展的情况适时调整,系统进行持续性、渐进式改进,确保及时满足作战部队的需求。

二是吸收商用信息技术与作战部队集成改造相结合。发挥商用现货信息产品更新速度快、性价比高的优势,缩短战术信息网络研制周期。同时交替推进作战试验和作战部队的全面推广,促进战术信息网络性能的持续完善和部队列装的有序衔接。

三是加速网络建设与强化安全防范相结合。

美国国家安全局2015年8月19日有关升级加密体制的声明从另一个角度表明,美国运用量子计算机破解传统加密技术的研究很可能已取得了突破。对于战术信息网络既要大胆接受,加速发展,也要客观认识,重点防范,有效利用和维护网络电磁空间的安全。

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