美军空基网络转型发展概述*

李桂花

(中国西南电子技术研究所，四川 成都 610036)

0 引言

美军目前开展的转型越来越强调作战部队联网协同作战，但现阶段美军作战体系在联网、网络容量、系统互操作性和网络管理等方面还存在诸多问题，特别是在空基网络即空中层网络。天基和地面都有比较成熟的网络体系，并已经开始或多或少地引入相关的标准(包括商用标准)和架构来确保整个网络的互操作性和标准化，只有空基组网没有相应的体系架构，这也使得空基网络目前成为美军战场信息网络中最为薄弱的一环。

空基组网存在诸多限制，如作用距离、节点移动速度、网络控制、载荷加载和功率等都要考虑。如何提供稳定可靠的平台是首要问题，可以使用高空无人平台，但如何保护这些平台的安全也是个问题。另一方面，目前普遍对空中网络如何应用认识不足，如何利用空中移动平台提供可靠稳定的网络服务始终没有得到美军各方的认同，特别是现代战场的环境多变，空基网络如何适应这种多变战场需求是必须研究的问题。

鉴于美军空基网络当前的系统和技术环境没有跟上作战概念的发展步伐，而未来的作战环境还将更复杂并对作战系统和技术提供更高的要求，基于当前和预期的作战环境(包括新近兴起的、作为国家安全基本要素之一的赛博空间作战)提出的挑战，美空军在近期提出了发展联合空中层网络(JALN)的概念［1］，试图将美军各军兵种所有的空中平台都纳入到一个一体化的空基网络体系中，意图按照网络中心战概念实现新的空中层网络体系结构。

1 空中层组网需求

随着空军在联合作战部队中的地位不断提升，空中作战平台正越来越多地参与联合部队的作战，且往往是先头部队和主力支持部队，无论是从提高空中部队作战效率以及空地联合作战的协同性，还是充分发挥空中作战平台作战效能籍由空中网络促进天、空、地三层网络综合和互操作的角度来说，发展空中层网络都是很有必要且迫切需求的。例如，据推测，F－22战斗机未能参与利比亚的作战，就是因为其无法通过数据链与其他飞机互通。现代航空环境需要发展性和革命性的改变才能最好地满足连接、重新连接和支持作战单元协同的目标，而不是仅仅对原有系统进行修补，必须采用企业式方法构建JALN。

1.1 联合空中层网络初始能力文件(JALN ICD)

2009年10月，美军联合需求监督委员会(JROC)批准并签署了联合空中层网络初始能力文件(JALN ICD)，JALN ICD是美空军朝着企业方式开发空中层网络(ALN)解决方案迈出的重要一步。JALN的主要目标是要连接执行各种参与作战的单元，扩展现有的军用网络体系并将其与联合作战区域(JOA)内的天基和地/海面节点集成到一起，提供降低作战部队面对的风险所必需的动态和响应性通信基础设施。美空军设想的JALN将能在空中层支持并增强体系化通信连接，但并不会替代地/海面或天基通信能力。

图1 JALN作战视图(OV)Fig.1 JALN operation view

JALN ICD文件中提出，JALN要支持国家和国防高级领导、作战指挥官和各级联合部队的网络中心指挥与控制和战场空间态势感知需求，并要:与天基和地面层综合到一起;提高各级联合部队的通信接入能力;支持动中通和超视距通信;提供模块化、可扩展和灵活的运行能力;提供满足指挥官需求的持续连接能力。

同时提出JALN的三项核心功能是:一是提供跨JOA大批量信息传输和通过地面或卫星通信接入GIG的能力的大容量骨干(HCB);二是为天/空/地/海域提供专用接入的分发/接入/距离扩展(DARE);三是转换功能，即促进HCB和DARE功能间网络信息和波形交换和转换的能力。

JALN ICD认为，美军空基组网目前存在的能力差距主要表现在组网能力;网络容量;信息与数据共享;网络管理等方面。

1.2 美空军空基组网愿景

在确定正式JALN需求之前，美空军还拟制了空中层网络愿景和飞行计划，以期通过对空军体系建设流程进行改革，更好地构建规模更大的JALN。按照美空军的定义，空中层网络(ALN)是指“为联合作战区域(JOA)内任意空军空中平台上发起、经过或终止的数据的共享、交换和利用提供框架的过程、程序和政策的集成和应用。”ALN是空中层更大范围联合组网能力的关键组成部分，它将扩展现有地/海面以及天基能力，同时还将有助于缓解当前通信面临的诸多限制。

在美空军发布的《空军2024空中层组网愿景》［2］中，美空军设想了未来空中层网络的特点:

1)提供可信任的、持续的且有保障的作战单元联网和协同，包括联合军兵种和盟军之间。

2)为作战部队配备信息交换能力，以保持和扩展信息优势。

3)延伸至地/海和天领域，衔接目前地面和天基装备的间隙和缺陷。

4)支持新技术、基础结构、能力和加强联合通信能力的实现。

5)综合联合网络中心的组成部分如知识管理、网络管理和信息保障。

6)通过改进人的效能和决策制定缩短杀伤链，促进信息优势并提高生存能力。

7)快速适应新环境并在这种情况下保持灵活性。

8)增强多任务武器/武器系统，包括支持战略威慑。

在美空军空中层网络愿景之后发布的《空军空中层网络飞行计划》则是达成该愿景的迭代、连续过程的第一步，它描述了美空军确保达成希望的最终状态要采取的初期行动。美空军SAF/CIO A6和AF/A3/5于2010年7月签署了该《愿景》，SECAF/CSAF也在2011年5月对《飞行计划》进行了签署。

美空军的ALN实施计划将与JALN开发和运行以及JALN支持能力保持同步。虽然空中层能力缺陷会在JALN中得到基本解决，但是空军制定的《愿景》和《飞行计划》已将空军作为推动JALN发展的主要军兵种。

2 美空军空中层网络发展规划

美空军发布的《ALN飞行计划》提炼空军在《愿景》中描述的概念并提出了企业方式的行动计划以支持实现空军的ALN愿景，用于指导实现作战部队联网和协同的愿景所采取的可操作的、基础的步骤。ALN目前的重点是非装备体系的改革以支持JALN，因而《飞行计划》中的行动计划主要关注非装备的专属行动，有意识地没有考虑具体装备解决方案，但是未来ALN的工作将会支持装备体系解决方案的实现。该初始计划之后还会有逐渐详细的计划，未来还将把ALN目标与需求、计划制定和采购综合到一起。

《ALN飞行计划》之所以现阶段把工作重点放在非装备体系改革，是因为对目前美军空中层网络存在的问题和挑战的根源分析表明，问题主要集中在6个领域:管辖方式、企业方法、需求、标准、建模、仿真和分析以及经验总结，并基于此确定了3个主题领域:需求、采办和技术。

2.1 当前状态

为支持美军的全球作战，美军目前空中层内作战单元采用的是各种战术数据链(TDL)来与任务或平台中心的友方单元交换信息。如JALN ICD文件所述，当前这些系统缺乏完全支持美国防部信息需求所需的联网、容量、信息共享和网络管理功能。尽管美军当前的通信体系已经足以满足特定任务需求，但系统的全部能力和数据中继能力优化不足。

根据美空军的分析表明，现有系统存在的问题并不能简单地通过对现有系统进行逐步升级得以解决，因为有些通信系统已准备好进行升级，而其他系统升级则可能已经从技术证明不可行或成本太高无法进行。因而，需要有一种企业级的解决办法来克服现有限制。存在的主要问题包括:

1)目前缺乏供通用企业级应用使用的可靠的空中层基础体系，这限制了作战单元跨战区连接和协同的能力。

2)随着空中层能力和服务复杂性不断提高，带宽需求也随之增加，并已超过了现有能力。

3)现有各类通信系统不能完全支持新的平台和技术。

4)通信解决方案必需考虑到拒止介入环境下平台的信息传输。

5)大多数通信系统都依赖于紧密耦合的硬件和软件，这阻碍了互操作性，限制了联合效用。

图2 当前状态:现今网络间的信息流受限Fig.2 Current status:limited information flow between the network

2.2 希望的最终状态

到2024年，2010年发布的《空军2024空中层组网愿景》预计将会实现，作为《飞行计划》初期迭代的成果，战场装备平台的现代化和增强工作将会成形。图3描绘了ALN实现的空军希望达到的空中领域最终状态，当JALN完全与天基和地/海面网络集成到一起并延伸至赛博空间领域时就将能够这一状态。当所有网络综合到一起可以提供可靠、风险可控且有效的多接入控制的连接并能使所有部队可以在JOA内跨海、陆、空、天和赛博域协同时，也就达到了空军希望的空中层网络最终状态。

图3 美空军希望实现的空中层网络最终状态Fig.3 Air layer network that US air force hoped

2.3 发展策略

美军为了满足其当前的作战需求，已经为其空中作战平台装备了多种组网系统，尽管目前从体系架构的角度来看，这些系统还存在互操作等问题，但要实现最大效用，发展空中层组网也不能一味地采用最新的可用技术，还需要考虑无缝地与现有装备和网络集成到一起。当前的挑战是在将空中层系统和装备与现有的地/海面、天基和赛博空间通信设备集成起来的同时，尽可能地避免现有体系中存在的互操作性问题。由于空中、地/海面和天基层都不可避免地要与赛博空间联系到一起，因而这些互连平台和节点实现协同将有利于促进高层决策能力，而这利用现有的点对点或广播数据链和单个飞机作战的方式根本无法实现。

未来通过JALN共享、交换和使用数据的系统和平台必须具有灵活性、响应性和高效率，具备动态工作能力，包括实时重新分配任务和响应未知威胁。这就需要平衡用户需求，为各种空中层用户和任务开发针对性的解决方案，并确保这些解决方案具备足够的灵活性，能够引入新技术(根据需要)以支持未来的作战任务。美军现在提出的空中层组网概念不仅只关注特定使命、系统或任务，而是要涵盖更广范围内的数据不可知的组网能力。

由于是首次以企业的方式为空中层网络开发解决方案，对于现阶段作战能力依赖于单个武器系统能力的情况，美军提出，过渡期的解决方案可以考虑缩小各系统存在的“缺陷”，但空中层通信解决方案必须源于以能力为中心的需求。

2.4 关键技术考虑

(1)连接全球信息栅格(GIG)

美军提出的空中层组网概念代表了美军对跨空中层实现信息传输和交换能力根本转型，目前美军的作战单元主要通过天基或地/海面通信层访问GIG服务，未来的联合空中层网络将扩充这种访问并扩展GIG连接(在主机平台允许时)、根据节点变化(自愈)优化网络配置以及在灾难性故障发生时性能平稳降级。美军空中层组网计划的目标之一就是为终端用户提供支持，提供它们获取网络连接服务的能力，将GIG连接服务的作战范围进一步拓展，覆盖那些处在战术边缘和使用的网络连不通、断断续续或带宽较低的用户。空中层组网计划希望通过这种方式促进那些关键的、基于通信的作战活动，包括指挥与控制和战场感知，提供接入非保密互联网协议路由网络(NIPRNET)和保密互联网协议路由网络(SIPRNET)的通用网络。

空中平台的高动态性导致为其提供持续接入GIG网络的能力一直是个挑战，因而空中层组网计划的目标是改进这种能力。与GIG的地/海面和天基部分一样，节点或其他服务中断也会导致JALN网络降级或无法访问远程应用和系统，而且JALN中的战术用户可能会在某些时候被隔离无法访问全部GIG服务或接入点，因而JALN的目标之一是提供网络容断能力，使被隔离的或者是根据需要降级运行的用户可以继续工作，被隔离的子网络将会具备复制基本的GIG信息共享服务的能力，这将通过空中接入点实现，并且会通过进行认证对这种接入进行保护。

(2)战术数据链的发展

随着空中层组网计划从不涉及装备体系发展到指导装备解决方案的实现，必需保持空中层网络具有足够的灵活性，以便能接受、利用和传输更新、更灵活的应用和服务。未来的空中层网络将会支持美空军从现阶段的单个能力系统转变成基于网络中心拓扑的综合化、基于开放交换的多功能作战能力体系。现阶段，支持美空军空中平台联网的主要是各型数据量系统，主要包括Link－16和机间数据链(IFDL)等，空中层组网计划的目的或重点并非是要取代现有或计划中的各种数据链系统，而是对其进行扩充。现役的和未来的空中作战平台都必须能加入空中层网络，且所有平台都必须能提供和提取中继数据、原始信息和处理过的情报产物。战术数据链尽管在美军的信息化转型中发挥了巨大的作用，但由于现役战术数据链主要针对各军兵种或者特定作战任务的需求开发，各自形成了“烟囱”式系统，兼容性差，已经成为了美军转型继续发展的阻碍，因而战术数据链未来的发展也必须转型。如前所属，空中层网络很重要的功能是连接GIG，构成GIG的重要部分，因而未来的战术数据链必须支持IP协议，现役的战术数据链如Link－16必须通过改造兼容IP协议。至于美军四代隐身战斗机使用隐身数据链IFDL和多功能先进数据链(MADL)等，优点和缺点同样明显，其与其他数据链不兼容的问题，与网络中心作战概念背道而驰，限制了这些先进飞机的作战使用，并已经促使美空军专门立项来解决。为此，美空军在空中层组网计划中提出，将会改造传统战术数据链并开发能够提供执行任务必需的通用传输和协同能力的新型数据链。从美军数据链现阶段的发展情况来看，以罗克韦尔·柯林斯公司开发的战术瞄准网络技术(TTNT)为代表的兼容IP协议且组网灵活的数据链网络有望成为未来美军空中层网络的主要链路。

(3)联合战术无线电系统(JTRS)发展

美国防部的JTRS系列解决方案是能够提供某些JALN能力的潜在技术之一，它可提供可控且动态的支持IP的网络，增强网络流量，应用公用标准，并增加非话音信息交换能力，包括图像和视频信息交换能力。而且，目前美军正在以标准化、有保障的形式将其初始的“宽带互联网”解决方案装备到特种作战和传统部队。JTRS电台使用的波形如士兵电台波形(SRW)和宽带组网波形(WNW)对于美军将先进组网能力部署到战术边缘以及与地面部队为其提供通信支持非常关键。随着JTRS技术的持续发展，空军需要重新评估需求及其对JALN的贡献，做好持续发展的准备，利用与任意单个通信系统无关的、支持JALN能力的技术满足作战部队的需求。

3 美空军JALN建设的进展

美空军顶层需求官员2011年3月8日称，现在的战区空中组网覆盖比几年前要好很多，而美空军战术数据链主管Joe Lenertz称:“为正在交战的地面部队提供近空支援所需的时间量已经减少了25%。”这种效率提升正是得益于美军空中层网络的构建，但是美军现有的空中网络会包含众多原本互不兼容的子网和数据链，为此需要使用多个中继和网关(如战场机载通信节点(BACN))才能确保操作员可以交换信息。而美军预期的联合空中网络则远非让不同数据链和波形共存工作，还需要对它们进行平衡和把不同层综合起来。目前，低层实质上就是指把地面部队综合起来，中层是指战术空中中心，而高层则是要连接天基层。

目前，美空军需求确定人员已经划分了3类作战环境:在获得作战许可(Permissive)的环境下，作战是不会受到太大威胁的;在争夺(Contested)作战环境下，会有一些威胁对空中作战构成威胁;而在拒止进入(Anti－access)区域，近似对等对手可能会利用先进的综合防空装备和其他武器(包括赛博武器)阻止进入。这3种不同的作战环境，无论是对作战平台还是数据链路都提出了不同的要求，不过有些组网挑战则在全部3个领域都存在，这包括气象、环境条件(如山区、视距限制)、使用了多种波形、作用距离变化、潜在敌方干扰和其他，等等。当然，美军空中分层组网的目标是要以尽可能高效的方式克服这些困难。由于美军JALN概念目前仍处在需求确定阶段，现阶段其主要任务就是把作战能力缺陷转化成需求，而装备部门则要根据这些信息来填补现在存在的缺陷。目前已经确定了4个特定缺陷:连通性、容量、数据共享和网络管理，这之中，网络管理仍是最为困难的。

美空军高级官员表示，空中网络的各组成部分都管理的很好，但是仍需要提高整体管理能力。部分问题是由于缺乏真正的联合管理，即使是单个组成部分如JTRS和Link－16也没有按照联合的模式来进行管理。从更大的范围的角度来说，美军目前还不具备很好的管理综合网络的联合网络能力，也正因此，美军希望有一个工具，可以把现有的各个网络连接到一起并将它们管理成为综合网络。美军的最终目标是要具备空中层网络控制能力，以使联合作战单元可以高效规划、协调、分配和监控综合化通信服务，这将使它们可以同步和最大限度地发挥武器系统的效率。

在美军开展JALN概念具体化、制定实施路线图、设计应用概念等工作的同时，也在同步推进实现一体化空中层网络所需的关键系统和技术的开发，比较典型是:

(1)四代机和五代机互通

尽管美军的第四代隐身战斗机F－22“猛禽”已经服役，并且F－35“闪电II”也即将服役，但是这两种四代机的采购数量都大幅削减，这就意味着美空军现役的大量三代机如F－15、F－16和F－18战斗机仍将在一段时间内与四代机一起为美军提供空中作战能力。但是，如前所述，F－22和F－35战斗机分别配备的是专用的隐身数据链IFDL和MADL，与三代机主要使用的Link－16数据链无法互通。为此，美空军在2013年初发起了，联合攻击战斗机企业终端(JETpack)联合能力技术演示验证(JCTD)项目［3］，以验证解决上述互通问题的相关技术。诺斯罗普·格鲁门公司作为项目的主承包商成功地在2013年4月份的试飞中，演示了IFDL和MADL数据链与Link－16互通的能力，格鲁曼公司开发的JETpack可采用内置挂载或吊舱式挂载，基本型JETPack设备包括若干天线、一个终端和安装在网关平台上的相应电子设备。据此美空军于2013年5月发布了相应的系统招标书［4］。此外，作为该项目的竞争者，洛克希德·马丁公司也在2013年12月17日和19日联合L－3通信公司进行了类似技术的演示，演示中成功地通过Link－16数据链传送了从F－22战斗机的数据，并演示L－3通信公司开发的独特通信波形［5］。

(2)战场机载通信节点(BACN)

美军空中层网络现阶段最突出的问题就是各封闭通信网络系统间的兼容性问题，尽管美军发起联合空中层网络概念就是要通过体系架构建设从根本上解决这一问题，但短期内仍只能依靠网关系统的转接盒转换来实现整个空中层网络的互联互通，这些网关系统也是现阶段美军空中层网络无缝运转的关键。目前诺斯罗普·格鲁曼公司开发的战场机载通信节点(BACN)系统已被选用并部署到阿富汗等地区执行这类任务。BACN是一种可扩展通信距离的机载通信中继系统，可支持图像、视频、话音和数字文电的无缝传输，并可为不兼容的通信系统之间提供转接和转换。2009年6月下旬，美空军向诺·格公司采购了8套 BACN系统，分别装备在4架E－11庞巴迪 BD－700“全球快车”远程公务机和4架“全球鹰”Block 20无人侦察机上，目前除一架“全球鹰”无人机坠毁外，其他7套BACN系统都在服役。利用BACN，地面上的特种部队士兵能用民用蜂窝电话与战斗机上的飞行员通话。该系统特别适合在阻挡视距通信的崎岖山区、以及军民协同、不同军种乃至不同国家军队协同作战的战场上应用。2014年4月，诺格公司又试飞了为加强作战前线通信能力而开发的智能节点吊舱，该吊舱将能够连接BACN平台和地面作战中心，可作为部署在高空的BACN的低空补充，二者联合工作将进一步完善多层的联合空中层网络体系。

图4 JETpack联合能力技术演示验证Fig.4 JET pack joint capability technology demonstration

(3)100 Gb/s空基骨干网

在美军设计的分层网络体系中，空基骨干网络是非常重要的一部分，而且也是目前空中层网络缺乏、需要全新开发的网络，为此，美国防先期研究计划局(DARPA)在2013年1月发布信息征询书试图开发一种基于无线电信道、传输速率达100 Gb/s的军用数据链［6］，寻求将空中多路复用技术与高阶比特调制技术组合应用的创新方法，实现大于每赫兹每秒20 bit的光谱效率。该项目试图开发一种具有光纤等效传输容量和通信距离的机载通信链，可以穿越云层、雨滴和雾霾，且实用性强。据DARPA的研究人员称，该系统将用于作用距离为201 km、100 Gbit/s传输率的空－空数据链的应用，和飞行高度约18288 m的飞机上作用距离为100 km的空－地数据链的应用。DARPA从2013年8月起陆续向6家公司授予了第一阶段的开发合同。

4 结语

空中层组网计划将为美军全球作战部队提供关键的附加通信服务和能力。作为空中层领导者，美空军将负责提供流程、程序和政策(它们为JOA内任意空军空中平台有关的数据的传输和利用提供框架)制定的准则、管理方法和指导。美空军发布的空中层组网《愿景》和《飞行计划》启动了美空军的相关工作并为空军组网转型建立的途径。飞行计划迭代过程中行动项目的实现工作已经启动，飞行计划的下一迭代会在2012年发布，会包括为可靠的装备解决方案提供支持的行动以及JALN AoA的结果。随着针对ALN进行的计划和组织结构调整工作的开展，未来的飞行计划迭代将会把重点转移到装备开发、采办和综合上来。

现阶段，美军的网络体系构建都是网络中心作战的角度出发，构建支持多军兵种、多平台联合作战的综合化通信系统，这不仅仅涉及空军，也涉及海军、陆军、海军陆战队装备的空中作战平台，JALN将成为促进美军空基组网未来发展的主要概念，并推动空基组网的建设转型。

［1］TIWARI A，HU Jingyi，DANESHRAD B.Co－Array Processing Assisted Bayesian Beamforming(CABB):A Nonlinear Beamforming Technique for Joint Aerial Layer Network(JALN)backbone［C］//Proceedings of 2013 IEEE Military Communications Conference.［S.l.］:IEEE，2013:388－395.

［2］SCHUG T，DEE C，HARSHMAN N，et al.Air Force Aerial Layer Networking Transformation Initiatives［C］//Proceedings of IEEE 2011 Military Communications Conference.［s.l.］:IEEE，2011:1974－1978.

［3］BUTLER A.Talking Stealth:USAF Pushes for 5th to 4th＇Gateway＇［EB/OL］.(2013－05－10)［2014－05－18］.http://aviationweek.com/blog/talking－stealth－usaf－pushes－5th－4th－gateway.

［4］Air Force Materiel Command.5th to 4th Generation Connectivity Request for Information(RFI)［EB/OL］.(2013－03－02)［2014－05－20］.https://www.fbo.gov/?s=opportunity＆mode=form＆id=96613253 addd51b2e588db17dce9da49＆tab=core＆_cview=1.

［5］Amy Butler.Lockheed Secretly Demos New Stealthy Fighter Comms［EB/OL］.(2014－02－25)［2014－05－12］.http://aviationweek.com/defense/lockheed－secretly－demos－new－stealthy－fighter－comms.

［6］Defense Advanced Research Projects Agency.100 Gb/s RF Backbone(100G)［EB/OL］.(2013－08－26)［2014－05－20］.https://www.fbo.gov/index?s=opportunity＆mode=form＆id=8d30e1683f8f1f96ef31bcaf9968aa20＆ tab=core＆_cview=1.