现代战场的“数据骡子”

随着陆军要求在越来越大的区域内实现更多的连接，基于无人机的 '数据骡子 '是否可能成为战术干线通信的有效补充？

陆军依赖相对简单的通信方式。以一队下马步兵班为例，每个士兵都配备有单兵无线电台（PRR），PRR可将小队成员相互连接起来，也可将他们与指挥官连接起来，这样他们就可以共享语音、数据，甚至是一些图像信息。班长可能会在使用 PRR 的同时使用双通道手持无线电设备，后者将班长与班组连接起来。手持无线电设备的一个频道连接班长和排里的其他班长，另一个频道连接排长。排长的无线电设备可能装在车上，也可能装在背包里，将他们与班长和上层指挥官联系起来。这种网络结构随着指挥层级的上升而继续，直至师和军团总部。

今天的战场对信号兵提出了严峻的挑战。中继通信是连接不同指挥层的必要条件。战术通信通常依靠甚高频/超高频（V/UHF：30 兆赫/兆赫到 3 千兆赫）。甚高频/超高频可在无线电与无线电之间的视距范围内传输语音和数据信息。视距（LOS）是指发射无线电设备的天线与接收无线电设备的天线在很大程度上处于同一条直线上。无线电和接收无线电之间有一条基本不间断的链路，可以 '看到 '对方。甚高频/超高频 LOS 通信的最大弱点是无法跟踪地球曲率以外的目标。一名士兵使用综合高度为 6.6 英尺（2 米）的无线电可与 3.6 英里（5.8 公里）外的另一部无线电进行通信。

增强无线电的输出功率有助于增加通话距离，但增幅不大。增加无线电放大器可能会影响体积和重量，并有可能耗尽电池寿命，这就要求士兵携带更多的电池。提高天线的高度确实有助于提高射程。假设一辆车高 10 英尺（3 米），车顶有一根 2 米长的无线电天线。天线和车辆的总高度可提供 5.6 英里（9 公里）的射程。静态基地可能有一个 49 英尺（15 米）高的桅杆，但即使这样也很难达到 10 英里（16 公里）以上的射程。

 乌克兰战场的特点是战场大而分散，美国领导的阿富汗干预行动也是如此，因此 V/UHF 通信不适合干线通信。卫星通信（SATCOM）和高频（HF：3 兆赫兹至 30 兆赫兹）被用来避免 V/UHF LOS 的限制。卫星通信绕过地球曲率，将通信信号对准太空中的卫星。就像斯诺克球桌上的垫子一样，卫星会将信号转发到地球上预定到达的位置。高频以类似的方式工作，但无需卫星。取而代之的是，高频通信被传送到电离层。在地球上空 157,480 英尺（48,000 米）至 521 海里（965 公里）之间的大气层中，高频信号无法穿透。因此，这些信号会以一定角度折射回地球。三角测量法可让信号员确定高频信号对准电离层的角度，以确保信号折射到地球上的正确位置。

与所有形式的无线电通信一样，高频和卫星通信与甚高频/超高频无线电一样，各有利弊。虽然高频无线电可以利用上文讨论的电离层反射效应在洲际范围内传送通信，但与其他频段相比，高频数据传输速率有限。有些高频数据传输率可低至每秒 9.6 千比特（kbps）。而普通智能手机的数据传输速率可达每秒几兆。高频通信的质量还受到太阳活动的影响，太阳活动会影响电离层的行为。

卫星通信带宽也面临挑战。卫星通信用户使用的带宽从约 240MHz 到 40GHz 不等。关于这些带宽的优缺点，我们可以写一篇文章进行专门论述。然而，对于为简洁起见，一个简单的经验法则足以解释卫星通信的频率。

特性：一般来说，频率越高，通过 SATCOM 链路传输的数据就越多，天线就越小。不过，SATCOM 频率越高，越容易受到雨雪等大气污染物的不利影响。高频干扰相对较难，因为它对电离层的依赖复杂多变，而 SATCOM 的情况可能并非如此。值得注意的是，俄罗斯陆军在俄乌战争中部署了卫星通信干扰平台。去年5 月底有消息称，俄罗斯电子战（EW）骨干正在干扰乌克兰人使用的星链 SATCOM 终端。

星链通常使用 10.7GHz 至 42.5GHz 的波段，通过星链星座的卫星与地球进行通信。部署在陆地上的部队最好同时使用高频和卫星通信进行长距离干线通信，以保留一定的冗余。然而，'军事战术通信通常会受到严重的带宽限制，尤其是在有争议的环境中，'Mission Mule 公司的联合创始人 Zane Mountcastle 说，该公司位于加利福尼亚州，专门生产基于无人机的数据骡子。这样就很难远距离发送大量数据，如原始雷达数据或视频数据。未来，高频和卫星通信都可以由数据骡子来补充，数据骡子主要是无人驾驶飞行器（UAV），负责收集通信数据并将数据传送到目的地。

瑞典 Totalförsvarets forskningsinstitut（FOI.瑞典国防研究局）于 3 月发表了一篇由阿尔宾松撰写的论文，题为 '未来军事指控系统中的数据骡子'。瑞典国防研究机构于 3 月出版的《瑞典国防研究》对这一概念进行了研究。

阿尔宾松是 FOI科学家，他说到 '数据骡子 '无人机，最简单的理解就是，它类似于在广泛采用无线电之前，在战场上提供中继通信的摩托车调度骑手或跑步者。信鸽也扮演过类似的角色。正如阿尔宾松在其报告中指出的，无人机将配备一台计算机，可装载所有需要共享的数据和通信信息。这些数据和通信信息将被装载到飞机上，很可能是通过无线链路进行无线传输。然后飞往目的地，以类似方式下载数据。然后，无人机可能会接收到新数据，并飞回原点共享这些数据，或者飞往需要数据的新地点。

阿尔宾松指出：'简而言之，数据移动就是将数据从一个节点物理传送到另一个节点。数据移动已经在民用领域得到应用。例如，实际的野生动物穿戴着传感器节点设备，一旦进入范围，就能与其他节点同步数据。在军事方面，使用无人机作为无线电桥梁进行数据传输是扩展网络的好方法......如果由于某种原因无法建立正常的全连接网络，则可以使用无人机作为无线电桥梁进行数据传输。此外，如果需要将大量数据从一个点传送到另一个点，传统的无线电解决方案将无法满足要求。数据骡子在 远距离快速传输大量数据方面大有可为。飞行数据骡子可以从分布式系统中检索大量地面传感器数据，而无需建立和维护复杂的地面无线电网络'。

数据骡子的概念与其他通信方式一样，各有利弊缺点。无线电波以光速传播；每秒 186,000 英里（每秒 299,274 公里）。显然，无人机无法达到这样的速度，但它们仍然很快。DJI Phantom 民用标准无人机的最高速度可达近 40 节（每小时 74 公里）。摩托车可能更快，但无人机的路线可能更直接，可能不需要穿越崎岖的地形会减慢前者的速度。

此外，无人机是一次性的。如果丢失了数据骡子，只需更换另一个数据骡子，然后从原始数据源重新加载数据即可。而调度车则不然。除了点对点使用数据骡子之外，另一种方法是让几架数据骡子连续围绕战场运行。假设 A 营、B 营及其总部位于不同地点，相距甚远。数据骡子无人驾驶飞行器的运行轨道将它们分别置于这些编队及其总部的上空。当数据骡子到达 A 营上空时，无人机与该营通信网之间的无线电链路自动建立。任何与B 营和总部的任何信息都会自动上传。B 营的任何通信量也会自动下载，无人机在每个编队和总部上空不断重复这一过程。使用这种轨道方法的好处是，它可以避免无人机在传输过程中悬停。阿尔宾松的研究表明，可以将价值几兆比特的数据传输到以高达 97 节（180 公里/小时）的速度在上空飞行的飞机上。他引用的一个计算方法是，配备四个数据骡子可以从2.2 英里（4 千米）外的数据骡子收集数据，每 10 分钟可传输多达 64Gbs 的信息。空间是另一个考虑因素。芯片可容纳的数据量大得惊人，相当于一沓纸张和物理介质，远远超出了调度骑手或运行人员的携带能力。

同样，数据骡子也能提供冗余。我们上面提到的情况是，一架无人机在两个部署营和总部之间往返。无人机的成本相对较低，这意味着可以在战场上部署大量骡子，在编队和总部之间运送数据。如果一头数据骡子丢失了、最近的无人机就会承担前者的任务，直到新的无人机升空作为替代。如果敌方电子战设备以蓝军中继 SATCOM 链路为目标，或如果高频无法使用，数据骡子可以作为替代。

陆地机动战，顾名思义，很少是静态的。回到上文讨论的概念，编队及其总部各自使用的通信网络可能会不断移动。

因此，无人机可能需要不断在机动部队之间飞行新的路线或新的航迹。这些战术需求意味着无人机的飞行路线几乎会不断变化。对于飞行员来说，不断调整和改变这些飞行计划可能根本不切实际。相反，无人机可能需要从蓝军跟踪软件中获取友军部队部署的详细信息。然后，飞机可根据当时的战术态势自动规划最有效的航线。使用 '蓝军部队 '跟踪软件的另一个好处是可以提醒无人机注意 '红军部队 '的部署情况，从而避免潜在威胁。

安全和生存能力也是主要问题，正如阿尔宾松在报告中警告的那样，'数据骡子迟早会落入敌手，连同它们的货物。被俘无人机携带的数据可能成为敌方的情报宝库。

他认为，必须对数据进行加密，以防止其被利用。数据需要通过加密链路在无人机之间传输，以防止敌人向数据骡子提供虚假数据，攻击蓝军的指挥和控制。

如果飞机受到攻击，是否有理由安装自动摧毁系统，以物理方式摧毁数据骡子的有效载荷？当然，与飞机交火有可能摧毁有效载荷。

如果敌人以电子方式控制飞机会怎样？是否有办法利用软件确保飞机的安全？

飞机明白它正受到电子攻击，然后采取措施减轻攻击或摧毁有效载荷？

避免飞机被电子设备 '恶意接管 '的方法之一是确保飞机在很大程度上不依赖外部无线电信号。许多无人机，特别是民用标准飞机，都依赖于全球导航卫星信号 (GNSS)，而这些信号往往使用 1.1GHz 至 1.6GHz 的频率。正如双方在乌克兰战争中都发现的那样，无人机很容易受到全球导航卫星系统的干扰。受到干扰的无人机可能会在原地着陆或返回原点，作为一种故障安全机制，乌克兰工程师正在努力减少无人机对全球导航卫星系统信号的依赖。

这样做的另一个好处是，减少了通过无线电信号将飞机与飞行员持续 '绑定'，以便后者控制无人机的需要。惯性导航系统（INS）使用加速度计、陀螺仪和定时源来辅助导航，不需要无线电信号等外部输入。了解到乌克兰工程师正在采用的将 INS 与人工智能相结合的方法以增强无人机导航。无需接收类似全球导航卫星系统传输的外部无线电信号，将有助于保护飞机免受干扰信号的影响。乌克兰战场上现在到处都是部署在战术和作战层面的电子战系统，其唯一任务就是击落无人机。

认为数据骡子可以取代传统集群通信是不切实际的。高频和 SATCOM 仍然值得信赖和可靠。尽管如此，数据骡子确实可以在补充这些既定渠道方面发挥潜在作用。

Mountcastle 说，美国军方正在对数据骡子表现出兴趣。他说，他所在公司的产品已经开发到了技术成熟度7级（TRL-7）。根据美国国防部的定义，TRL-7 表示该技术已在作战环境中得到验证。Mountcastle 继续说原型已经在美国军事设施的多个真实作战环境中进行了测试......据我所知，这是第一个在现实世界中成功实施这项技术的项目。

 我们何时才能看到数据骡子在战场上常规使用？Mountcastle 说：'这很难说，随着基于卫星的通信越来越普及，使用基于无人机的数据骡子进行远程数据检索的优势有限，因为现在每个传感器都可以拥有自己的高带宽卫星通信设备。尽管如此，数据骡对于远距离的超大型数据传输仍然非常重要'。

Mountcastle 认为，随着摄像机和其他传感器数量的不断增加，军事用户将在未来几年开始使用类似设备，这将导致本已带宽受限的军队无法处理大量数据。与所有形式的通信一样，数据骡子也有其优缺点，但它在提高战场效率方面确实有潜在的应用前景。