在世纪之交，空中和导弹防御（AMD）的作战挑战已变得越来越复杂，要求防御系统更有能力、更有弹性、更强大，并能够履行多种任务。为了应对这些挑战，AMD社区在使用多频谱和多层次的交战系统以及空间系统方面取得了重大进展，并与合作伙伴进行了合作。在21世纪初，AMD能力的转变推动了技术整合的边缘，操作的效用，以及复杂的全球系统的协调。在这些进展的最前沿，约翰霍普金斯大学应用物理实验室（APL）提供了改变游戏规则的思想领导、能力创新和及时、务实的解决方案。本文描述了其中一些变革性的能力。
1 世纪之交：基础的空中和导弹防御作战能力
在世纪之交，美国海军的空中和导弹防御（AMD）能力依赖于坚实的基础要素，其中许多要素来自于APL工作人员提出的最初概念，以及后来由APL工作人员执行的严格的系统工程。APL的贡献的标志是与政府和工业界建立了密切的工作关系，使其能够提供重要的能力来应对空中和导弹威胁的发展。
这些基础作战能力成为20世纪AMD的支柱，使美国海军能够应对一系列不断变化的威胁。这些能力包括处理多轴威胁的相控阵雷达；有助于缩短交战时间的综合作战系统决策辅助工具；应对更具挑战性的空中和弹道导弹的复杂导弹系统；以及协调规划、探测、控制和交战功能的综合作战系统，以实现同步火控解决方案。
在AMD的基础发展时期，APL为标准导弹、宙斯盾和舰艇自卫系统（SSDS）作战系统以及SPY-1雷达系统创建了开创性的能力概念。作为技术指导者或政府团队的信任者，APL领导了创新算法的开发；先进的雷达概念；复杂的多传感器解决方案；开放架构方法；以及综合导弹和作战系统解决方案。
在20世纪后半叶，APL引领了将这些单独的作战和传感器系统联网的方式，以提高对战斗空间的态势感知，提供多传感器和多光谱威胁图片，并形成使用非有机传感器的扩展交战和火力控制解决方案的基础。在合作交战能力（CEC）的创新、演示和实战化方面处于领先地位，APL与政府和行业伙伴合作，为作战人员提供更远距离的火控质量数据，增加导弹交战空间和超视距能力。这种扩展的交战能力有助于为21世纪的战争铺平道路，并为21世纪AMD的转型奠定基础。
图1. 一个说明复杂的AMD任务背景的场景。突出了当前和新出现的挑战，包括扩展的战斗空间和多轴、多光谱和多任务威胁。
2 对21世纪战争的重要贡献
2.1 背景
20世纪中期的作战方法往往集中在单一目的/单一任务系统上，因为使能技术还不够成熟，无法支持更复杂的作战需求。这些萌芽状态的作战能力的例子包括早期的雷达系统和手动瞄准和重力制导炸弹。然而，20世纪后半叶出现了一些使能技术，提供了必要的材料、计算机处理、软件方法和系统工程知识，以实现更复杂的作战能力。这些先进的作战技术和能力是21世纪作战的基础。
随着AMD作战任务变得更加复杂，随着战斗空间的扩展和多轴、多光谱和多任务的威胁，对手有更大的潜力来压倒我们的防御系统。因此，作战人员和系统开发人员必须合作开发概念和能力，积极主动地应对当前和新出现的AMD任务挑战。图1描述了当前和新出现的复杂AMD任务背景。在这一作战背景下，前面提到的所有挑战都得到了强调：扩展的作战空间和多轴、多光谱和多任务威胁。在过去的20年里，APL通过与政府赞助者和利益相关者合作，作为技术指导者和可信赖的代理人，为开发新的和基本的能力做出了贡献（图2）。APL的工作人员与政府和行业伙伴合作，制定全面的、可扩展的要求和解决方案，并执行严格的测试、评估和操作性的实战方法。
图2. APL在AMD能力发展的整个生命周期中的领导作用。作为政府的技术指导者和可信赖的代理人，APL的工作人员与政府和工业界的合作伙伴合作，开发、测试和实施基本能力。
2.2 宙斯盾武器系统
在过去的20年里，许多新的和基本的AMD能力都是建立在 "宙斯盾 "武器系统的基础上。在接近20世纪末的时候，宙斯盾系统主要侧重于反空战（AAW），以对抗威胁飞机和巡航导弹。然而，随着20世纪90年代初第一次海湾战争的爆发，对弹道导弹威胁的防御（弹道导弹防御，或称BMD）成为接下来20年宙斯盾武器系统发展的关键动力。
作为一个成员跨越政府、工业和政府实验室的团队的一部分，APL帮助开发了新的 "宙斯盾 "要求和与外大气层和内大气层的弹道导弹威胁有关的能力。这些重要的发展包括对付比宙斯盾以前的任何东西都飞得更高、更远、更快的威胁的能力。凭借APL工作人员在火力控制环路的所有阶段（探测、控制和交战）以及参与这些阶段的宙斯盾武器系统的各种要素方面的专业知识，该实验室在这一发展中发挥了核心作用。宙斯盾BMD能力是反复设计、建造的，并在40个难度和复杂性不断增加的测试任务中的33个中成功测试。这种开发、集成和积极的测试活动导致了一个强大的、多功能的系统设计。
图3. 宙斯盾/SM-3在 "烧霜 "事件中的发射。这一关键行动要求APL、政府和工业团队对宙斯盾BMD系统进行快速修改，使其能够成功地拦截一颗错误的情报卫星，并在卫星重新进入地球大气层之前使其燃料箱破裂。
宙斯盾BMD能力的多功能性和有效性在2008年2月的 "烧霜"（图3）中得到展示。在这次重要的任务中，政府、工业界和实验室团队被要求对武器系统进行快速修改（在不到6周的时间内），以便在NROL-21卫星用一整箱冷冻肼威胁到人口中心之前将其摧毁。最初的概念是基于APL工作人员撰写的一篇论文。APL的工程师做了预测性的性能分析，用来为国家安全委员会和最终为美国总统验证这一能力。APL与洛克希德-马丁公司和雷神公司一起工作，提出并实施对宙斯盾和标准导弹的修改。APL在执行任务前在其制导系统评估实验室（GSEL）测试了标准导弹-3（SM-3）的最终寻的器和制导代码，发现了一个错误，如果没有发现和修复，将导致任务失败。
这些新的和必要的反舰导弹和BMD能力是巨大的突破；然而，将反舰导弹和BMD能力合并成一个更强大的综合防空和导弹防御（IAMD）方法的必要性是显而易见的。IAMD在操作上和计划上都是必要的，因为它提供了一个单一的综合作战系统灵活地执行多任务操作的能力，使每艘舰艇具有更大的灵活性和效用。IAMD通过基线9被引入宙斯盾舰，并将在未来几十年内被纳入大多数宙斯盾舰中。
APL的另一项创新是能够将宙斯盾BMD能力部署在 "岸上 "配置中，以支持内陆资产的防御。这种能力被称为 "岸上宙斯盾"（图4）。APL在导弹防御局的研究中提出了 "岸上宙斯盾 "的原始概念，通过严格的需求分析帮助推动系统工程，并通过系统开发、集成和测试以及系统的投入使用，继续发挥其技术指导作用。岸上宙斯盾系统于2015年12月在太平洋导弹靶场设施对一个实际目标进行了首次飞行测试拦截。宙斯盾近岸系统从概念探索到在罗马尼亚投入使用仅用了6年多的时间，它是在非常紧凑的时间内开发的，这是一个值得注意的成就，是对包括APL在内的整个团队的证明。
图4. 岸上的宙斯盾系统。这种配置支持对内陆资产的防御。
2.3 标准导弹
与 "宙斯盾 "武器系统一起发展的美国海军AMD新的基本能力的另一块基石是标准导弹系列（图5）。与 "宙斯盾 "团队紧密合作，"标准导弹 "团队开发了配套的拦截器，与不断发展的 "宙斯盾 "武器系统协同工作。标准导弹系列目前包括SM-2、SM-6和SM-3。APL是标准导弹所有变种的全面性（AUR）的技术指导机构。作为技术指导机构，APL是标准导弹系统的整体战略、开发和实战的社区思想领袖。
SM-2是 "宙斯盾 "AAW能力的主要防御手段，也是一些国际作战系统的防御手段。在21世纪，SM-2导弹系统已经发展到可以处理更复杂和具有挑战性的目标和环境条件，并具有更多的最终游戏要求，还包括与其他作战系统的通信能力和替代操作模式。随着21世纪的继续，SM-2将继续增加能力，使其更加灵活地支持日益复杂和具有挑战性的威胁环境。
图5. 标准导弹家族的历史。该系列目前包括SM-2，SM-6和SM-3。APL是所有SM变体的全方位（AUR）的技术指导机构。Blk，Block；BTV，燃烧器试验车；CMD，巡航导弹防御；CTV，控制试验车；ENDO，内大气层；EXO，外大气层；LEAP，轻型外大气层弹丸；MU2，机动性升级2；PAC，太平洋；RTV，冲压式试验车；SBT，海基终端；STV，超音速试验车；TBM，战术弹道导弹。
SM-6导弹系统最初的设想是利用一个不需要对目标进行远程终端照射的主动寻的器，在延伸和超视距范围内执行反击任务。延程能力增加了宙斯盾武器系统的战斗空间，可以在对手对友军构成迫在眉睫的威胁之前对其进行打击。偶然的是，随着SM-6武器的能力开始被充分认识，出现了在多种任务中使用这种导弹系统的概念。例如，作为海基终端（SBT）计划的一部分，SM-6在BMD任务中的使用被展示出来，以应对内大气层地区的弹道导弹威胁。最近，"宙斯盾 "和SM-6演示了用于反舰任务的远程地对地模式，而且SM-6也正在考虑用于其他一些用途。
SM-3在过去20年里不断发展，以对抗外大气层地区的威胁弹道导弹。SM-3导弹系统与 "宙斯盾 "BMD武器系统紧密协调，提供强大的命中摧毁能力。在过去的20年里，SM-3导弹系统不断发展，以处理更复杂的目标场景和更具挑战性的最终目标要求，并与全球弹道导弹防御系统（BMDS）更好地整合。最近，宙斯盾BMD成功地进行了SM-3 Block IIA导弹的首次实弹拦截测试。SM-3 Block IIA是一种直径为21英寸的AUR，在可对付的威胁的范围和复杂性方面有了重大升级。SM-3 Block IIA由美国和日本合作开发，用于击败中程和中程弹道导弹。今后，美国海军和MDA将继续依靠SM-3来提供可靠和高度有效的BMD。
2.4 舰炮综合火控
为了在一系列不同的作战传感器中产生尽可能好的跟踪画面，扩展蓝军的作战空间，并支持基于远程传感器数据的交战，APL在20世纪80年代和90年代构思并帮助开发了CEC。CEC在21世纪之交开始运行，目前是实现未来灵活作战模式的支柱之一。由于其固有的在部队参与者之间进行火力控制质量数据联网的能力，CEC为海军领导层最近阐述的以网络为中心和杀伤性网络概念提供了基础。APL为这一基础能力的构思、开发、集成和应用提供了思想领导和远见，使海军综合火力控制--反空（NIFC-CA）这一更大的方法得以实现。
NIFC-CA（图6）的能力通过一个高架传感器系统扩展了交战空间，以获得超视距的态势感知和火控交战能力。这种扩展的战斗空间使蓝军能够在更大的范围内拦截来袭的威胁，为新兴的作战人员需求增加了一个重要的纵深防御层。APL是NIFC-CA概念的原创者和思想领袖之一，支持需求开发、早期原型设计、元素级测试和演示，以及系统的综合演示。NIFC-CA能力的早期发展已经得到了成功的验证，APL目前正在与赞助商合作，发展和扩大这种新的基本能力，以用于其他平台和任务。
图6. NIFC-CA概念和系统要素。这种能力利用高位传感器系统扩展了交战空间，以实现超视距态势感知和火力控制交战能力。
2.5 弹道导弹防御
除了 "宙斯盾"、"标准导弹 "和 "CEC "能力的发展，APL一直是AMD社区的推动者、思想领袖和其他一些赞助商和利益相关者的能力提供者。这些主要利益相关者之一是导弹防御局（MDA）。MDA成立于2002年，主要任务是与各军种（空军、陆军和海军）密切协调，对BMD系统进行设计、开发、测试和投入使用。APL作为早期的技术领导者加入了MDA（以及前身的战略防御倡议办公室，或SDIO，和弹道导弹防御组织，或BMDO），产生了早期的弹道导弹对手框架，以及通过协调BMDS资产的综合能力概念来对抗这些对手的方法。图7显示了APL在BMD方面的历史。
图7. APL在BMD的历史。BMC2，战斗管理指挥和控制；FTM，飞行测试任务；ITF，互操作性工作组；PTSS，精确跟踪空间系统；STSS，空间跟踪监视系统；UEWR，升级版预警雷达。
在过去的20年里，APL为BMDS雷达TPY-2的概念开发、需求开发、系统工程和实地应用做出了重要贡献。TPY-2目前正与几个联盟伙伴协调部署。开发TPY-2系统使MDA开始实现其愿景，即建立一套可在世界各地部署的灵活、可搬迁和可扩展的能力。此外，APL在使用空间系统和BMDS的相关指挥和控制能力方面一直处于领先地位，并与地基中段防御（GMD）项目密切合作，为MDA和相关的利益相关者提供了更强大的BMD能力。
3 展望未来：进一步改造21世纪的AMD能力
APL为实现所需的21世纪作战能力做出了巨大贡献。然而，随着威胁变得更具挑战性，有必要进一步推动AMD的发展。
很明显，由空中和导弹威胁构成的主要挑战将继续变得更加难以对付。大型协调的威胁突袭、复杂的多模式寻的器、精确制导系统、高度机动的机身、低信号、以及复杂的反制措施和诱饵只是威胁快速演变的几个领域。不太传统的空中威胁能力也正在出现，包括那些与中小型受控或自主飞行器单独或以协调的群组运行有关的能力。这些威胁，当与更复杂的电子战和网络战相结合时，将为AMD系统创造一个非常复杂的环境。最后，高超音速技术的引入为防空系统创造了一个新的威胁挑战--制度。
伴随着这些挑战，威胁技术的进步提供了一个机会。潜在的对手使用多轴和多光谱系统来强调目前的AMD能力，这使人们认识到需要开发更强大的防御系统，在不同的光谱和模式下工作，以避免单点故障。使用强大的电子战系统，在部队中各舰艇和飞机之间以亚波长时间协调，在与协调的诱饵相结合时，可以对甚至是最复杂的威胁搜索器产生有效的反制措施。
在其中一些舰艇和飞机上增加激光器，可以对多模寻的器和电光/红外传感器进行反制。增加这些激光器的功率，再加上使用脉冲能量武器（如高功率微波），可以创造出有效和高效的武器来对付小型的、无人看管的空中飞行器，在未来，也许甚至是更强硬的空中和导弹威胁。
这些新的能力，再加上自身有改进的传统硬杀伤系统，将有助于引领未来综合AMD系统的发展方向。多用途系统必须成为未来的规范，以应对紧张的对手环境、动态的操作需求和永远存在的财政现实。
使用自主的地面、空中和地下车辆的数量，对于实现不对称的AMD优势也将是必要的。这些自主车辆将携带传感器和武器有效载荷到它们最有效的地方，同时通过分散在被保护的部队周围减少它们的脆弱性。随着我们未来的部队变得更加灵活和分散，以应对更加强大和分散的威胁环境，我们提供AMD的手段必须跟上。
考虑到我们对传感器和有保障的通信的依赖，并考虑到对手的电子战和网络战能力，未来的AMD系统将需要强大的电子保护、信息保障措施和积极的网络防御，以便在战争的早期阶段生存。纳入不基于无线电频率的通信，如自由空间光学，将提供高带宽的数据传输，同时几乎无法检测到并对干扰免疫。
最后，同步的全面分层防御概念和系统方法的持续发展将是必要的，以整合和协调这些新的和必要的能力，使之成为一个统一的21世纪AMD作战模式。
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