诺斯罗普·格鲁曼多功能传感器之“数字阴影”

诺斯罗普·格鲁曼公司的“数字孪生复制品”被称为数字阴影，一个虚拟任务系统集成实验室，提供了将数字传感器表示与其物理设计相关联的能力。

从美国角度来看，随着大国之间的竞争，对美国及其伙伴的威胁已发展到一个极其复杂的阶段，美国将在许多领域面临近邻挑战：远程导弹、反进入和区域封锁、远程瞄准、指挥与控制（C2）、电子战（EW）和网络等。
诺斯罗普·格鲁曼任务系统公司机载多功能传感器部门副总裁兼总经理罗珊·罗德（Roshan Roeder）表示：“在战场上保持领先一步需要创新我们的平台和系统的开发、建造和收购方式。”。“我们正在实现数字化能力，在硬件构建之前验证设计，而不是过去使用的漫长的设计-构建-原型测试周期，我们正在实施基于宽带多功能构建块的产品线，以加快向作战人员的整体交付。”
“快速、集体地观察、定位、决策和行动（OODA）为了应对高级威胁，频谱灵活性和多功能传感器的使用是未来的发展方向，也是必要的。在整个电磁频谱中使用综合能力会降低敌方拒绝作战的能力，并提高态势感知的可靠性和及时性。这种多功能能力使我们的系统能够利用自适应方法和人工智能，以前所未有的方式应对不断变化的作战环境。”
电子战、瞄准和指挥与控制多功能传感器的作用
什么是多功能传感器，它如何适应上述未来作战空间和威胁环境？
多功能传感器是一种集成系统，可将射频（RF）频谱的多种能力（包括通信、雷达、电子战、情报、监视与侦察（ISR））整合为单个传感器。
这与多光谱传感器不同，在多光谱传感器中，两个或多个物理上不同的系统，每个系统在其光谱的特定部分进行感应，产生融合在一起的数据，以创建更准确的目标图像。想象一下，多功能传感器就像智能手机一样，具有语音、文本、摄像头和导航等多种功能；多功能传感器包含多种功能以满足不同的用户，数据产品必须高度可靠和安全。
Roeder解释道：“根据需求，我们可以为大型平台提供更高功率的多功能传感器，以及具有较小尺寸、重量和功率需求的不同多功能传感器。这些传感器更适合于较小的自主能力。”。“为了更加灵活和创新，我们将多功能传感器构建在一组构造块上，这些构造块都是传感器，从而减少了单个传感器所需的孔径和功率。”
“此外，通过使用开放系统体系结构和软件定义的网络，我们能够轻松地使传感器适应特定的多任务需求，并以与服务相关的速度创建可操作的数据。”
多功能传感器特别适合支持未来的联合全域指挥与控制（JADC2）和多域作战（MDO），以连接所有五个作战领域。这是因为跨多个频率运行的多个传感器为指挥官提供了更高的可操作数据置信度，可以改善精确火力的目标定位和OODA循环。这是国防部制定其联合作战概念所必需的，该概念建立在获得和维持决策优势的能力之上。
Roeder说：“多功能传感器的优点在于，它是一个单一的系统，可以进行雷达感应、电子战和通信，这些都是决定优势所需的能力。”他补充道，这些传感器在一个系统中可以同时具有被动和主动能力。与手机上的不同应用程序类似，多功能传感器通过向响应者提供一组集中的信息来提供信息，以支持各种任务，从而提高态势感知能力。
更进一步，可以有两个、三个或更多多功能传感器，这些类型的能力分布在威胁环境中。这将为多域环境中的指挥和控制提供Roeder所称的“前所未有的态势感知”。

一种新型多功能传感器，可抵御复杂的新兴威胁
2021中期，诺斯罗普·格鲁曼公司向美国空军研究实验室（AFRL）和国防高级研究计划局（DARPA）交付了有史以来最先进的多功能传感器之一进行测试。该系统被称为商用时标阵列集成与验证（ACT-IV）系统，基于先进的多功能数字有源电子扫描阵列（AESA）。
该公司称ACT-IV系统是AESA性能的突破，标志着美国向数字可编程多功能射频（RF）系统过渡的重要里程碑。ACT-IV是第一个基于数字AESA的多功能系统，使用DARPA Arrays at Commercial Timescales项目开发的半导体设备。
Roshan说：“ACT的细节令人兴奋，但好处才是最重要的。”。“ACT技术支持灵活的多功能系统，我们使用基于ACT的通用构建块，支持快速部署作战人员的新能力。”
这些新的光圈是基于常见的构造块，一面是射频能量，另一面是通过光纤传输的数字数据。数字构建块允许孔径瞬间从AESA雷达转换为无源ESM接收机，再转换为数据链路，最后转换为“SIGINT”机器。
多个软件定义的孔阵列可以大规模或同时在构建块或构建块组级别提供所有这些功能。这对平台尺寸、重量和功率（SWAP）减少、简化后勤以及作战人员、装备商和收购商的总体拥有成本产生了巨大影响。诺斯罗普·格鲁曼公司正在利用这些构件开发全射频频谱的产品线，以支持陆上、海上和空中的各种平台。
在开放式架构中利用数字工程设计多功能传感器
多功能传感器的一个关键概念是，它们是为开放式体系结构环境进行数字化设计的，这有助于多功能传感器开发的构建块性质。这使得在不同传感器之间共享数据变得更加容易，并随着时间的推移通过新产品甚至其他公司的产品提高传感器的能力，因为其开放系统。
“开放式体系结构是我们进行开发工作的前提，”Roeder说。“我们的体系结构使我们能够使用一些同类最佳的产品，并通过第三方处理、功能模式/波形和网络功能来增强这些产品，以消除对供应商锁定的任何顾虑。这使我们能够创建一个传感器，可能超出了现在的要求，利用第三方功能在多功能传感器上实现不同的功能索尔。”
支持这些单词的是一个“能力开发工具包”或CDK，它已经与第三方的培训课程一起到位。
积木结构和开放式体系结构打破了供应商的锁定，是建立规模经济并降低产品设计、开发和生产成本的经济高效的方法。根据Roeder的说法，在这种情况下，诺斯罗普·格鲁曼公司还投入了大量资源来了解供应基地成本的驱动因素，并将其数字化转型的重点放在帮助第三方综合多功能传感器的工程生命周期方面。
公司在这方面努力的关键是数字工程。Roeder说：“我们对任务环境和威胁的深入了解使我们能够利用这些经验，准确建模和分析电磁频谱中的众多复杂场景。”。“我们的客户正在分享越来越多的关于他们需求的信息，因此我们能够根据真实信息和真实数据，每晚运行多达100000次测试，以验证我们系统中的更改。它帮助我们启用任务套件，优化作战人员的性能，并了解满足客户的时间线和成本要求所需的技术性能注释。”
我和我的（数字）影子
为了帮助快速迭代和评估任务系统的多种配置，例如多功能传感器和战斗机雷达系统，诺斯罗普·格鲁曼公司开发了其所谓的“数字阴影”试验台，也称为数字孪生。这是其飞行实验飞机试验台机身和子系统的数字复制品。
“数字孪生兄弟将作为多光谱集成平台，使我们能够模拟飞机当前和未来的能力，并选择虚拟测试性能，以便我们能够将预测的传感器性能与实际性能相关联，”Roeder解释道。“这进一步提高了这些数字表示的保真度和可信度。使用我们的数字阴影试验台对我们来说是一种迭代转换。”
数字试验台是一个虚拟任务系统集成实验室，能够将数字传感器表示与其物理设计关联起来，进一步验证系统和性能模型，并利用诺斯罗普·格鲁曼公司收集的大量数据库。
通过创建飞机和机载任务系统套件的数字版本，该公司可以虚拟配置、集成和飞行场景和传感器组合，从而超越物理试验台的限制，增加试验的广度和规模，减少时间线和飞行试验成本，并最终扩展作战人员的任务能力，以领先于不断变化的威胁。
Roeder说：“数字环境使我们能够探索多功能系统在多个频率和多个不同平台上对多种威胁执行多种功能所创造的巨大测试和性能空间。”。“数字系统可以在更短的时间内完成比人类在飞行中可能完成的更多的测试。因此，这些数字孪生兄弟是我们未来作战部队多功能、多领域基础设施的必要组成部分。”
就像手机的发展满足了客户的期望一样，多域运营也要求传感器的发展以保持频谱优势。多功能传感器能够适应任务需求和场景，以无缝集成的方式动态支持ISR、目标瞄准、通信、电子战和指挥与控制需求。这对于在MDO复杂且日益灵活的威胁环境中战胜新出现的威胁是必要的。