人工智能推进美国数字化空军深度发展

导读

云计算、大数据分析、物联网与人工智能的快速发展正在加速战斗方式的变革以及战争特征的演化。战斗的胜利将更少地依赖于单一个体，而会更多地依赖于连接武器、传感器与分析工具的网络的综合优势。本文通过对美空军作战平台能力的数字化、智能化建设，人工智能主导的未来作战平台的研究以及数字化空军白皮书与人工智能战略的梳理可以得出，美军在对现有作战平台进行数字化改造的基础上，重点装备与部署了数字化、智能化程度更高的无人作战平台，并进一步致力于更具智能化能力的下一代作战平台的研发。同时，数字孪生技术的使用更能确保全生命周期活动的安全与高效；“阿尔法”、“敏捷秃鹰”与Skyborg系统等人工智能技术将主导美空军作战平台的研究。美国最新版数字化空军白皮书与人工智能战略，以及太空联网项目等均旨在利用数字化、智能化技术实现在复杂电磁作战环境下安全、高效地共享数据，从而提高整体作战能力。

为了充分利用自身的复杂系统工程和相关技术优势快速增强非对称战斗力优势，美空军已全面走上数字化转型之路，利用复杂系统工程和设计，将信息、网络、智能能力与平台能力融合。

作战平台能力的数字化、智能化建设

美国空军十分重视作战平台的数字化、智能化建设，主要开展了现役作战平台的数字化升级，信息化、智能化无人作战平台以及下一代战机的深入研究。

（一）现役作战平台的数字化升级

美空军对大量现役作战平台进行了数字化升级，在此仅将B-2、B-52轰炸机，MC-130J特种作战飞机，以及C-5M、C-17和C-130运输机等的升级内容进行整理。

图表1：美国空军典型战机数字化升级

此外，

• 空军卫星通信系统是空军和国防部指挥空军战略部队传递紧急文件的主要通信手段，其地面终端为AN/ARC–171（V）特高频卫星通信机，目前美国空军的战略轰炸机和加油机都安装了此类终端；

• Link16数据链被广泛地装备在预警机（如E-3A“哨兵”预警机）、战斗机（如F-15、F-16等）、轰炸机（B-2和B-52战略轰炸机等）、侦察机和指挥控制飞机（如空军的RC-135战略电子侦察机、E-8联合监视与目标攻击雷达系统飞机），其功能除了视距通信外，还可通过卫星中继实现全球通信。

2020年2月，美国空军宣称将针对波音公司的C-17以及洛克希德·马丁公司的C-130H运输机进行多项航空电子设备升级。

图表2：美国典型运输机数字化升级

（二）信息化、智能化的无人作战平台

美空军不仅注重对现役有人作战平台的数字化升级，对无人机的信息化、数字化等能力的构建也十分重视，在此仅对“全球鹰”、MQ-1C、MQ-9以及RQ-180四款性能先进的无人机的数字化能力进行简单整理。

其中，

• “全球鹰”是目前世界上飞行时间最长、距离最远、高度最高的无人机，能够提供长时间全区域的动态监视，具有跨洲际作战的能力，目前已经是美国空军广域监视系统的重要组成部分；

• MQ-1C“灰鹰”无人机能够执行大范围侦查、监视、目标探索、指挥控制、通讯中继、发送接收信号情报、电子对抗、护航保护、近距离空中支援、精确打击、杀伤武器的侦查与探测、战斗损害评估和有人无人协作等作战任务；

• MQ-9无论是用于战区防空以对抗潜在的敌对中小型无人机，还是加入大规模战役，成为致命的传感器节点或导弹发射平台，均具有不容小觑的侦察与攻击力；

• RQ-180将作为美国空军新一代高空无人监视平台，未来还将加载武器系统，能够从根本上提高美军在远程侦察-杀伤链上的优势，实现“快速侦查-快速开火-快速撤离”，从而能够更有效地实现高空战地侦察。

通过调研可以发现，这四款无人机都具有强大的数字化、信息化作战能力。

（三）智能化的下一代作战平台的研发

在现役作战平台的构建与升级的同时，美国也在致力于更加信息化、智能化的TR-X侦察机与数字化百式战斗机等的研发。

其中，TR-X具有高空飞行、侦察监视预警能力和快速部署能力，能够轻松完成跨洲际飞行，战场适应能力和任务灵活性也将比RQ-4A“全球鹰”无人侦察机显著提高。未来其将能够完全替代U-2侦察机，以适应美军未来作战需要。

数字化百战机项目则是致力于研发未来空战平台及其配套机载武器系统，以在2030年左右研发出替代F-22和F-35的空战平台及其配套机载武器系统，从而维持美国空军在与“同级别对手”的制空权争夺中的优势。

分析可知，TR-X新型高空无人侦察机与数字化百式战机都将具有高度人工智能化水平，以及强大的数据传输通信能力。

此外，三种工业技术也为NGAD提供了“百系列”方法。

由此可以看出，美空军将基于“系统簇”理念，利用敏捷软件开发、开放式架构、数字工程三大关键手段，设计复杂系统，以及快速迭代发展其中的战斗机等节点平台，最终实现数字化百式战机的目标。

（四）数字孪生技术确保全生命周期的安全与高效

数字孪生是对物理实体或流程的数字化镜像，其创建是在集成人工智能、机器学习和传感器数据的基础上，建立一个能够实时更新的“真实”模型，以支撑物理产品生命周期各项活动的决策。

• 通过数字孪生，能够实现对制造性、检测性和保障性的评价与优化，支撑航空航天装备生产、使用和保障；

• 通过在役飞行器的数字孪生及实时数据采集，能够对单个机体结构进行跟踪：基于物理特性（如流体动力学、结构力学、材料科学与工程），使用飞行数据、无损评价数据等所有可用信息进行有充分根据的分析，使用概率分析方法量化风险，并使数据闭环流动（如自动更新概率）。

美国不仅将数字孪生技术用于F-35的生产线中，美空军还与波音合作构建了F-15C机体数字孪生模型，用于预测机体的结构组件何时到达寿命期限，调整结构检查、修改、大修和替换的时间。

2020年3月据美国《空军杂志》报道，美国空军正在使用GPS IIF卫星的数字副本对卫星、地面控制站以及它们之间的射频链路进行检测。

博兹·艾伦·汉密尔顿公司（BAH）已经创建了Block IIR GPS卫星的“数字孪生”，进行渗透测试，以发现GPS的网络漏洞。此外，BAH还对GPS卫星的通信链路进行了“中间人”攻击，以识别卫星与其地面控制站之间的潜在弱点。

人工智能主导未来作战平台的研究

空军肩负着为美国提供空域管理、全球打击、快速全球机动、情报-监控-侦察和指挥控制等职责，人工智能能够大大增强美国空军在以上五个领域竞争、对抗和制胜地能力。人工智能能够加速数据整合、云迁移以及大量的互联网安全功能，并且能够在大型主战平台上得到广泛利用。美国空军正在加速人工智能技术的大规模应用，目前已有600多个项目开始整合人工智能。

美国在将人工智能系统装备于现役无人战斗机的演示验证以及空战用人工智能的研究方面取得了一定进展。

（一）“阿尔法”人工智能

2016年美国辛辛那提大学开发的“阿尔法”人工智能，在空战模拟器中战胜了退役的美国空军上校。“阿尔法”属于“动作及简单战术行为”人工智能，其采用了“遗传模糊逻辑”智能技术。

能够组织全部传感器数据构建战斗场景的映射，在一毫秒内做出行动决策

• 在动态环境中，其反应速度是人类对手的250倍

能够同时躲避数十枚来袭导弹并对多目标进行攻击、协调队友，并观察学习敌人战术

• 仅需要一台普通个人电脑即可运行

据称，辛辛那提大学将继续开发“阿尔法”，让其与飞行员一起训练并扩展其功能，并且通过构建更加真实的空气动力学和传感器模型，提升拟真度。未来将“阿尔法”人工智能用于空战将会增加容错率。

（二）“敏捷秃鹰”人工智能系统

2019年9月，美国空军授予通用原子系统公司项目，对安装了“敏捷秃鹰”人工智能系统的MQ-9无人机进行为期10个月的集成与演示验证。主要对该无人机对大范围行动的监视能力，能否无需人工干预，自主识别预先定义的感兴趣目标并发送它们的位置，自行决定是否执行致命打击进行验证。

“敏捷秃鹫”行动概念

“敏捷秃鹰”是一个高性能计算系统，能够采用人工智能技术，能够在远程无人机上进行机载高性能嵌入式计算，实时对数据进行处理和传输，从而增强无人机情报数据获取效率以及态势感知能力，具有数据处理高效、目标识别迅速以及带宽需求降低的优点。该系统旨在进一步增强无人机的效能，使其向自主武器系统发展。

（三）高端战斗机与Skyborg项目

作为美空军最具代表性的战斗机，F-35本身具备一定的智能化能力，能够在快速访问数据库、组织信息的同时进行高强度运算。

F-35具有传感器融合技术

• 有助于飞行员完成目标识别、导航与传感器信息收集功能。

计算机自动后勤信息系统包含了人工智能技术的早期应用（ALIS）

• 使计算机可以自动完成评估、检查清单、组织信息同时自动做出决策，使后勤系统更加自动化，具备自动回传发动机和其他航电设备运转情况的功能。

F-35的驾驶员可操作小规模的无人机群，以执行侦察和锁定目标的任务

• 其ALIS系统可将飞机的维护以及实时信息通过全球分布式网络回传给技术人员。

从2023年开始，生产线上的F-35战机将配备改进后的强大处理器，更大的存储容量和新型高级显示器。此外，F-35在升级Block 4软件之后还能够实现与无人机协同作战的能力。

2019年美空军宣布了Skyborg自主无人作战飞机项目，旨在部署一种模块化、类战斗机的无人飞行器用于快速更新和迭代更复杂的人工智能技术，具备可消耗、自主性、开放架构和弹性等特征。

Skyborg系统的研究范围从相当简单的算法到空域内飞行和控制，再到更复杂的人工智能水平，以完成某些任务或子任务。其可通过以下两种模式参与空战：

数字化空军白皮书与人工智能（AI）战略

（一）数字化空军白皮书

面对未来战争速度和范围的扩大，美国空军致力于由以平台为中心的作战转向以网络为中心的作战。2019年7月9日美国空军发布了《The Digital Air Force》白皮书，强调利用武器、传感器和分析工具联网的综合优势，对空军如何收集、使用和共享数据进行全面更改。其中包括以下三个相关要素。

针对该计划，对美空军目前所面临的形势与问题、空军数字化目标以及实现途径进行了详细的梳理。

（二）美国空军AI战略与太空互联网建设

美国空军于2019年9月发布了AI战略。将美国空军与国防战略和国防部人工智能战略协调一致的框架，其详细阐述了数字化时代有效管理、运作和领导所必需的基本原则、功能和目标。

同年年底，美国空军计划向商业卫星服务商提供两份“全球闪电（Global Lighting）”新项目合同，以验证商业太空互联网服务对美国空军“多域作战（MDO）”的增强作用。该项目是“数字化改革”与“多域作战”理念的核心构成。

目前美国空军研究实验室已通过“全球闪电”项目，开展了一系列旨在向美军现役飞机安装商业太空互联网终端的实验。

• 该机构在2018年11月15日开始使用由美国空军特种作战司令部提供的一架AC-130运输机来测试今年五月发射入轨的“星链”星座太空互联网服务，12月，该机构成功地在一架C-130J运输机上实现了与SpaceX公司的两枚演示版“星链（Starlink）”卫星的高速联网。此次实验将持续到12月17日。

• 美国空军研究实验室还在2019年春季与美国空军空中机动司令部合作，在一架KC-135加油机上测试了“星链”服务。

美国空军将在所有任务中运用最具代表性的人工智能形式，以更高的速度和精度实现更好的结果，同时强化每名飞行员的能力。

总结

云、人工智能、指挥控制与通信以及网络安全是国防数字现代化的战略基础。美空军不断为现役的作战平台进行数字化、智能化技术的插入，并进一步开展了更具数字化、智能化能力的下一代作战平台的研发。同时还加强了人工智能与数字孪生等高新技术的研究与应用，进一步开展了太空联网与卫星网络研究工作等，以增强空军“联合全域指挥与控制”网络的数字化、现代化能力，实现在复杂电磁作战环境下安全、高效地共享数据，最终提高整体作战能力。

主要参考资料

1.美空军推进AI技术大规模应用：B2可投掷数字化核弹.

2.美国空军白皮书：数字空军.

3.美国空军正在加速人工智能技术的大规模应用，以改良武器系统，完成大型主战武器平台（比如B-2、4 F-15以及F-35）的功能转型.

4.美国空军使用数字孪生技术确保GPS卫星网络安全.

5.美国空军研究实验室加速进行太空互联网实验.

6.Information Fusion:Intelligence Centers and Intelligence Analysis.

7.DoD Digital Engineering Strategy.

8.The Air Force Digital Thread/Digital Twin-life Cycle Integration and Use of Computational and Experimental Knowledge.

9.Airframe digital twin technology adaptability assessment and technology demonstration.

10.Digital engineering transformation across the Department of Defense.

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