愛因斯坦盒技術研究及其啟示

李 鑫，王柔溪，劉士磊，陳衛衛

（中國電子科學研究院 北京 100041）

0 引言

隨著信息科技與網絡技術的快速發展，武器裝備的屬性與作戰模式，已經逐步由單裝性能的迭代增強向網絡化武器裝備體系的建設而轉變。而在過去，各國復雜航空裝備均呈現“煙囪式”發展，各軍兵種按照自身的需要，分別建立了各自的C3I系統，武器系統升級迭代受其他平臺的限制較小，重點關注本平臺的作戰效能。然而，在現代化的聯合作戰戰爭中，單裝平臺的效能已經遠遠不能支撐現代化聯合作戰的戰爭模式和戰爭需要，“煙囪式”系統阻礙了聯合作戰的實施，裝備間形成了相互割據且互不兼容的狀態。

為了解決上述航空裝備平臺間互聯互通困難的問題，各機構著力于研究一個真正開放的架構，這個架構能夠允許集成軟件服務的第三方應用，且新系統在飛機飛行過程中對平臺的架構體系不存在負面影響，形成一個真正的“開放架構”模式，使得不同代際、不同平臺之間的信息傳輸，可以以最小的經濟和技術代價，相互通信和聯通。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“事業任務計算機1.0”（Enterprise Mission Computer 1.0，EMC1），EMC1已經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“特定構型”的開放架構設備整合上飛行平臺。

愛因斯坦盒，全稱為“事業任務計算機2.0”（Enterprise Mission Computer 2.0，EMC2）系統，由于其英文縮寫與愛因斯坦的質能方程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項目的“臭鼬”工程秘密開發的裝備。愛因斯坦盒系統用來實現不同數據鏈之間的高空保密通信，擴大定向數據傳輸的實現范圍，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

愛因斯坦盒的本質是一臺高性能的任務計算機，一個開放的計算環境，是一種即插即用的系統，一個通信網關。該系統設計理念是通過使用不同的數據鏈路，可實現在高空隱身飛行，增加視線范圍內定向數據傳輸，克服各代飛機之間的溝通障礙。愛因斯坦盒系統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，來保證不同的戰術數據鏈傳輸之間的兼容性。現已搭載在美國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 愛因斯坦盒實戰能力

愛因斯坦盒作為一個廣義的通信中繼內核，與多種戰術數據鏈的互聯互通，是它的核心基本使命。戰術數據鏈是指通過無線電波或電纜在不同數據源之間傳輸文本、圖像和語音信息網絡，如飛機、艦艇和地面部隊。每種數據鏈路都配置一個特定的數據鏈路終端、采取特定的通信協議和無線電頻率。美國空軍的飛機有3個不同的戰術數據鏈：Link 16、多功能高級數據鏈路（Multifunction Advanced Data Link，MADL）和機內數據鏈（Intra Flight Data Link，IFDL）。Link 16是較早研制的數據鏈，它在老一代飛機上使用較多，如F-15飛機和F/A-18飛機，用聯合戰術信息分發系統的數據鏈終端進行操作。Link 16能夠傳輸大量數據，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戰斗機服務，可供飛機在隱身模式使用，它具有超大數據容量，可在大約20～30 GHz的無線電頻率下工作[2]。IFDL是為F-22戰斗機開發的，它更加注重飛機通信和安全性，使用低檢測概率/低截獲概率數據鏈技術。

然而，由于第五代戰機在設計時已經將隱身性能考慮在內，因此無法與四代戰機聯通，因為聯通之后會暴露自身的位置，失去隱身的意義。而在體系化戰爭中，如何讓不同代際之間的戰機保持聯通，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的重中之重。然而，F-35戰斗機和F-22戰斗機這種第五代戰機在先天的設計上就是戰場的“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戰斗機在設計之初，為了追求絕對的隱身性，僅支持與其他同機型互聯通信，搭載的IFDL也無法支持與普通第四代戰機使用的Link 16互聯，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險。而F-35戰斗機的設計則具有更大的包容性，當需要隱身作戰時，F-35戰斗機的MADL可以用隱身信號與同機型聯通，同時也可以收發Link 16信號，不過，這仍然有暴露電磁信號的可能。但是目前，空軍所使用的網絡架構相對較為老舊，大多數使用的是Commodore 64時代的電腦系統，而在不改變戰機設計的前提下，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戰斗機使用的MADL以及F-22戰斗機使用的IFDL等實施通聯，解決了五代機與四代機通聯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的卓越成果。它的出現可以快速且低成本地把全新技術和航空系統集成進現有空戰系統中。

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術數據鏈路可以具備兼容性。

3.2 驗證實驗的成果

2017年，在一次聯合演訓中，洛克希德·馬丁公司的U-2偵察機參與其中，在演訓中，真實地演示了最新秘密武器裝備“愛因斯坦盒”的用途。這次演訓展現了世界范圍內最經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，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先研究計劃局（DARPA）開始展了一系列“系統之系統集成技術與實驗”（SoSITE）項目飛行試驗[3]，在實驗中驗證了如何應用“系統之系統”（SoS）方法和手段在對抗環境中對包括空、天、地、海、網絡空間的各個作戰域內的系統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爭中心進行，并演示了一種名為“縫合”（STITCHES）的新穎集成技術，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間的數據傳輸能力。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境，為異構系統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和新平臺進行快速驗證和接入的能力，同時保證了系統的安全性。這一試驗的成功，是其能夠具備部署運用到作戰系統和作戰裝備中的可能。本次實驗驗證了可將不同的任務系統快速地集成到現有架構的能力，并且能夠控制集成成本，兼顧經濟上的可接受度，它將會幫助美軍在當下瞬息萬變的體系作戰環境中，保持作戰的先進性和優勢性。

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系統帶來的幾種作戰優勢和能力增量。

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

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

（3）空地實時互聯。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實時互聯的能力，減少了從數據到決策的時間跨度。

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

由此可見，通過愛因斯坦盒，可使異構平臺間的信息互聯、軟件互聯等成為可能，在當下瞬息萬變的作戰環境當中維持作戰優勢[4-5]。

4 愛因斯坦盒發展的啟示

在未來戰爭中，體系對抗將替代單裝作戰，成為主要的戰爭表現形式，繼續聚焦于發展高精尖的武器裝備已經不足以支撐未來的作戰。當體系能力建設逐步進入全面發展時期后，更加靈活的體系技術方法和低成本的體系集成技術顯得尤為重要。愛因斯坦盒作為一個可以承擔異構系統通信中繼的開放架構平臺，它的出現可以推動多種技術的研究，促進體系作戰的發展。

4.1 重視異構平臺集成

在現代化戰爭中，單裝能力的提升已經不足以支撐當前的戰場局勢，體系作戰能力才能夠將作戰效能發揮至最大。然而，在過去裝備的發展中，并沒有按體系規劃進行單裝研制，因此，將不同研制機構設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，集成需要考慮現役、在研甚至未來規劃裝備，這些裝備的軟件接口、硬件接口、內部控制信息、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方式也有所差別。想要實現異構平臺數據的一致性、正確性和可用性，必須要將“互聯、互通、互操作”這“三互”的發展置于裝備集成時的首要考慮因素。

4.2 加強體系架構規劃

體系架構的發展和規劃，決定了體系裝備的發展方向和體系各元素間的協同工作機制，制約著作戰體系的最大作戰能力。因此，體系架構的設計和規劃是裝備發展的基石，只有遵從體系架構的裝備發展，才能夠為作戰體系有所貢獻，并發揮最大的效能。在武器裝備呈現體系化急速發展的趨勢中，單一武器裝備的高性能已經無法達到預期的戰斗力，一個成熟、開放、穩定、安全的武器裝備體系架構，才是發揮戰斗力的關鍵。可由此開展符合我軍作戰使用的體系架構研究，推動體系化空戰的發展。

4.3 開展開放架構研究

傳統意義上的開放式架構，一般來講是解決某個單裝備或單設備功能的集成、擴展和升級問題，是狹義的開放架構。體系化空戰能夠實現的重要內生因素是開放的體系綜合集成技術，使異構系統和裝備能夠進行互聯互通和互操作。在開放架構的平臺上，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，開放式架構是重中之重。因此愛因斯坦盒作為開放的體系集成技術的實現實體之一，需以開放系統架構為核心研究內容。

4.4 推動體系試驗建設

體系化作戰是未來空戰場決勝的重要作戰樣式，在單裝開發過程中，原型系統主要在早期研發階段用于技術概念開發，驗證系統功能運行流程，提前釋放技術風險[6]體系。原型系統開發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，協調難度激增，大多數體系類原型系統，都很難有真正的實裝驗證途徑。因此，應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，對體系戰場藍圖、體系開放架構實現方式、異構平臺的集成方法、多平臺信息集成的風險等進行評估，推動體系能力的快速演進。因此，應著手關注體系作戰試驗的能力建設，盡早地開展體系作戰試驗關鍵技術的研究是體系化作戰推向實用的關鍵。

5 結語

愛因斯坦盒作為一個高性能的計算機，一個開放的計算環境，是一種即插即用的系統，一個兼容的通信網關，為系統之間的通信提供了安全保護功能，擴大了定向數據傳輸所需的視線范圍，實現了不同數據鏈之間的高空保密通信，并克服了飛機不同數據鏈之間的通信障礙。它承擔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種主流的數據鏈中進行異構系統的通信（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用程序；作為一個通用平臺，它可以將異構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，成為未來體系化戰場和分布式戰場的重要組成部分。愛因斯坦盒技術是武器裝備作戰體系能力建設未來的發展方向，值得研究與借鑒。