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1、DARPA 50年发展历程回顾中国电子科技集团公司第十四研究所 于文震摘要：文章回顾了美国国防先进研究计划局（DARPA）成立 50 年来的主要研究方向，列举了 DARPA 2009 年战略 计划的重点方向和核心技术，引起我们对先进技术研发的关注，思考未来测试技术可能面临的挑战。关键词：DARPA、测试、无人机、预先研究1、DARPA 的由来美国国防先进研究计划局（DARPA）成立于 1958 年 2 月，从第一个互联的网络到步行机器人，该机构领导完成了许多最具创新性的技术突破。DARPA 组织模式和运行方式的发展历程表明，取得这些成就的关键在于允许失败无论最终结果如何，竭力追求最超前的概念，

2、并给予灵活且充足的投资。DARPA 这个世界上最不寻常的政府机构诞生于 1958 年 2 月 7 日，是美国针对苏联的核试验和人造卫星两项重大技术突袭所做出的直接回应。根据美国国防部 5105.15 号指令创建的先进研究计划局（ARPA） ，其职责是负责“美国国防部长按单个项目或项目类别制定研发领域内各个先进项目的方向或性能” 。此后多年，根据美国总体或国会关注焦点的变化，该机构的名称也不断改变，1972 年3 月 23 日，美国国防部下达了第二个指令，在机构中增加“国防”一词，并将其作为国防部长办公厅下属的一个独立机构。20 年后，1993 年，作为推动“技术促进经济增长”战略的一部分，克林

3、顿总统又去掉了“国防”两字，不过 3 年后美国国会又将“国防”两字放回该机构中，这就是 DARPA 的由来。2、DARPA 的作用DARPA 在很多学科领域都处于技术最前沿，其范围从创建 ARPA 网（后来的Internet）到研发步行机器人。除此之外，该机构最为人所知的贡献是航空航天方面的项目。很多情况下，DARPA 的研究比新技术的实际应用要超前数十年，还有一些在当时被认为失败的项目也为 10 年、20 年甚至 30 年后该领域的重大进展奠定了基础。在起初，该机构被要求致力于“远期” 、 “新思想”的技术，并且被作为未来武器装备的核心来源，该机构的构想是超越当前或近期的需求，获取与当时美国

4、陆军、海军、空军或海军陆战队通常没有明显联系的新思想，并确定这些思想对于未来战场的可行性和潜在应用价值。但苏联的技术突袭促使艾森豪威尔总统于 1958 年建立了国防先进研究计划局，以填补近期研究和远期研究之间的空白。因此，发现远期研究人员并应用其思想、将他们的成果尽快移向近期就成为 DARPA 的使命任务，其重点在于满足未来指挥官可能的需求并为美国国防部创造性的核心能力。DARPA 的工作开始于空间和导弹防御，并很快扩展到航空领域，而航空领域常常是远期研究成果最显著的领域之一。3、DARPA50 年历程3.1 1958-1969年在太空领域，DARPA 创建之初要制定目标、工作方式和创建组织机

5、构，同时还面临着要求从苏联手中赢回技术优势。DARPA 受命与美国陆军弹道导弹局合作研发 Juno 火箭，但很快将“太空竞赛”工作转交给了 NASA，预警系统给了空军，情报卫星给了国家侦查办公室，但是从太空精确、可靠地探测核试验这样的需求又使得 DARPA 担负起一个持续数十年的空间任务，同时还有弹道导弹防御工作。1959-1996 年 DARPA 对用于探测空中和地下核试验以及查明水下核试验具体位置的技术开展了初步研究、开发和实施，这些技术发部分是天基技术，而且其工作已经解决了所有的技术问题并满足试验探测的所有要求。如 Vela 卫星项目，它分为三部分： Vela-S 用于监控核爆炸或太空辐

6、射；Vela-H 对付高空试验；Vela-U 协助侦察地下试验。器件设计了系列独立的卫星及传感器，如 60 年代发射的卫星通过创干起对太空和大气中的核试验进行监控，寻找核爆炸产生的电磁脉冲和特征光学信号，后来这些传感器的改进型被用于其它卫星上也用于导弹发射探测。60 年代，除了天基导弹防御系统和核试验探测外，DARPA 的空间项目还包括 Transit卫星，GPS 前身以及与美国海军研究实验室一起进行的海军导航卫星系统基础研究，还包括对 Centaur 和 Saturn 发动机性能的改进。在航空领域，几十年来，DARPA 在航空领域各个方面都做出了大量贡献，从材料到发动机，再到航空电子设备，其

7、中最著名的是 X 系列飞机。早期研制的 X-26B 也投入了越战使用，由洛克希德公司制造，是基于 Schweizer 公司 SGS2-32 滑翔机改造的一种低声学信号侦察机。在火箭和导弹领域， DARPA 的另一个重要方向是开发新型火箭核导弹及其相关部件和寻找防御他们的方法，这方面最早的一项重要工作是弹道导弹防御（BMD） ，BMD 是目前 DARPA 所有项目中持续时间最长的一个，超过了 50 年，其中不仅包括早期对 Sprint 反弹道导弹的研究，还涉及美国导弹研发方面的工作，涵盖从携载有效载荷的火箭到独立性更高的系统多个方面，譬如“战斧”巡航导弹的发动机的开发。3.2 1970-1979

8、年在 DARPA 发展的第二个十年中，由于将技术推广到性领域而建立起良好声誉的同时，它开始大胆地打破科幻与潜在的基础技术之间的界限，解决了日后众所周知的“DARPA式挑战”问题。在太空领域，DARPA 太空活动的重点发生了转移，更侧重于技术部件如电荷耦合器件和光子材料用于太空实时系统在航空领域，DARPA 推出的“DARPA 式挑战”的重大创新技术实验评估的重点是设计一种“不可见”飞机，此处的“不可见”的意思是飞机不被雷达轻易探测，这就是后续众所周知的低可观测性平台或隐身平台，第一次尝试代号为 Have Blue，由洛克希德东地为进行方案论证而制造的隐身演示飞机，1977 年首飞，揭开了 F-

9、117 Night hawk 隐身飞机研发的序幕，两年后实现了首飞。这其中的技术包括了多棱面表面、雷达吸波材料、红外屏蔽、散热、低截获概率雷达、有源信号特征对消、遮蔽的进气口、排气冷却尾喷管、挡风玻璃涂层等。在越南战争器件，DARPA 还着手改善用于在敌领空进行低空战术侦察的无人机（遥控飞行器）的性能。在火箭和导弹领域， DARPA 设计了一种在大项目中嵌套多个子项目的方法，通过多个项目的结合来满足某个特定需求。实施的第一个项目是“攻击终止者” （Assault Breaker） ，该项目成为后续许多研发工作的起点，它是基于 DARPA 的“一体化目标截获与打击系统”（ITASS） ，是在机载

10、侦察的引导下，是用远程导弹携带的末制导子弹药攻击敌方境内纵深装甲目标。其后续成果如“美国陆军战术导弹系统” （AT-ACMS）70 年代中期，DARPA 进入了导弹防御研究的一个新阶段，开展了着眼于高能激光用于反导的研究项目，包括与美国海军合作的化学激光项目和专用激光技术开发项目。中红外先进化学激光和氧碘化学激光就是其成果的一部分，成为后来美国空军机载激光项目的核心。3.3 1980-1989年在太空领域，到 80 年代，DARPA 又重新大规模返回太空研究领域，介入建造卫星告警系统，这些系统不仅能够探测导弹，而且能够跟踪飞机，为美国提供了导弹告警系统和轰炸机告警系统。80 年代中期，由 DA

11、RPA“先进卫星技术项目”研发的 Light Sat 是“全球低轨道中继通信卫星”(GLOMR)，是一个概念演示验证项目，目的是使用小型、快速发射卫星，实现获取、存储和转发来自远程地基传感器的数据。为了探索性的、不断发展的粒子束和激光技术，DARPA 成立了新的定向能办公室，研究进行超精度激光知识和跟踪技术的 Talon Gold 项目，该项目是天基激光防空反导系统的三个组成部分之一。在航空领域，DARPA 设立了 Teal Rain 项目以推动无人机概念的进一步发展，其初衷是开发一种高空、长航时、远程航空平台，能够执行持续几天或者几周的情报、监视、侦察与目标截获任务，中间结合波音公司开展了“

12、秃鹰”远程无人机项目的合作，采用全复合材料的蜂窝结构、自主控制、高气动性能、高效燃料推进系统，200 英尺翼展，成为无人机发展史上的重要突破。DARPA 在隐身飞机方面，开展了 Taci Blue 隐身飞机的研制，为 B-2 隐身轰炸机的设计奠定了基础，与 F-117 不同，它利用曲面来减小雷达截面积，在 80 年代早期进行的 135此飞行试验，极大地促进低可观测技术和雷达技术的发展。在此期间，DARPA 项目中“超前于时代”是“国家空天飞机” （NASP） ，是最典型的例子，它试图采用超声速冲压发动机、用于在飞行途中从空气中摄取氢和氧作燃料，推动一个相当大的飞机到达轨道速度或使它以超声速或高

13、超声速飞行，考虑了设计、建造和测试演技所需要克服的所有因素，包括发动机的研制、新材料的开发和新的设计技术，用于防止飞机在快速通过大气层时因摩擦生热而自毁。在火箭和导弹领域，60 年代 DARPA 与陆军联合进行的单兵机动系统项目，促进了涡轮叶片发动机技术的开发，随后通过低特征性好发动机和斜面设计的低可观测性项目的Teal Dawn 项目的研制，真正推动了巡航导弹的发展。3.4 1990-1999在太空领域，90 年代 DARPA 许多太空项目主要致力于小卫星及其发射系统的研究。1994 年 DARPA 星升空，是 325 英里的中地球轨道卫星，完成了 GPS 接收器和数据处理技术试验。1998

14、 年应 DARPA、美国国防部和国家侦察办公室的要求，成立了 Discovers II 项目。在航空领域，研究经济可承受的短距起飞/垂直降落（ASTOVL）项目，最初的想法是研制两种改性，及海军陆战队的短距起飞/锤子降落战斗机和空军常规起降型，后续成果并入三军 F-35 闪电 II 项目中。DARPA 另一项重大创新技术实验评估项目是 X-31 飞机，源自与德国空军合作设计、制造并试验一种高机动性的近距格斗战斗机，该飞机加强了机动性，创造了航空和军事飞行领域的几项第一：常规气动控制与多轴矢量推进一体化、失速飞行的可行性验证、高超声速下无尾翼飞行、先进头盔显示、数字遥控飞行和高攻击角性能。也就是

15、在 90 年代，DARPA 坚信无人机最终会走出及其曲折的发展道路，无人机发展的障碍不是技术上的研制，而是来自文化上的歧视，随着日益增长的需求和性能的不断提升，无人机必将成为一项主要的军事装备。3.5 2000年-至今在太空领域，2001 年，太空技术再次成为 DARPA 的重大项目，组建虚拟太空办公室，扩展五大战略推进领域：空间介入及基础设施、空间态势感知、空间任务防护、空间任务拒止和田鸡作战人员的支援。由此不难看出，美国在二十一世纪初就已经将太空作为战场。DARPA 设想可重复使用、快速响应的发射系统能够象飞机一样在当前的机场实现起降，采用空气喷气式的组合循环推进系统，现正以“由本土进行兵

16、力投送与运用”（FALCON）高超声速项目开发研制，并加快开发超声速冲压喷射技术，继续追求适合美国空军 FALCON 项目的高超声速巡航能力，其目标是 10 马赫以上巡航速度的洲际飞行器，可在任也可无人操作，可作为空间发射系统也可投放载荷，包括地球上点对点式的投放武器。DARPA 还研究地基“空间监视望远镜” ，主要侧重于定位深空微弱目标，用于卫星探测和空间任务。通过 F6 项目的研制，实现了利用多颗小卫星组网的概念，提供优于单颗大卫星所提供的能力，同时降低寿命周期成本，通过对航天器各个部分功能实施分离，降低其脆弱性，实施性的灵活设计方案和采办模式。采用这种方式，小卫星、微卫星、纳卫星、皮卫星

17、、甚至飞卫星级别的卫星，能够走出大卫星的圈子，成为主流的一部分，作为新的体系结构的基础，小卫星最终能够在整个计划部署上发挥关键作用：从战术到战略；战区从本地到全球；轨道从 LEO 轨道到 GEO 轨道；任务时间从几小时或几天到不定长。在航空领域，从手持式无人机到“全球鹰” ，源自 DARPA 的无人机日益壮大。从2003 年起，DARPA 和美国海军、空军一起管理了“联合无人战斗空中系统” （J-UCAS） ，分别由波音和诺斯罗普格鲁门研制了 X-45 和 X-47。随着 DARPA 全面步入新的飞行平台领域，它也从事开发先进传感器、航电设备及其组建，如“低空机载传感系统” （LAASS）项目

18、，用于情报、目标定位信息及作战毁伤评估，它的目标是通过采用无源电磁、声以及重力辐射计传感技术，来改进发现并区分隐藏的或地下的设施、坑道和电网基础设施的能力，其载荷将在低空无人机和有人驾驶飞机上进行集成和试验。与此同时，DARPA 开展了“可编程物质”的研究，通过使聚合物、金属或者复合材料等材料，使用户能够进行编程，适应不断变换的环境、维持和优化。3.6 未来在过去的半个世纪里，DARPA 一直是美国和世界历史上一些最受关注的技术和重大技术突破的核心，而且更多时候是技术引领者。DARPA 是在于苏联开始进行太空竞赛是作为美国的先锋而成立的，很快赋予了探测核武器试验和弹道导弹防御的任务。DARPA

19、 的传奇包括创建地震科学到发现板块构造论，再到无人机、隐身技术、高超声速技术、发射系统、卫星导航和通信、小卫星、机载地面目标跟踪技术、先进航空电子设备、固定翼和旋翼的设计和操作、新航空材料等等。DARPA 的工作章程中所阐述的是要限于他人发动技术突袭，努力将更多的梦想变为现实。4、2009 年 DARPA的战略重点和核心技术4.1 战略重点4.1.1鲁棒、安全、自构网络研究内容更强调安全性、重点包括专用、移动、自组织网络，信息保障和信息安全技术，频谱管理，异构网络，抗干扰和低探测低截获概率通信系统等，开展的项目包括小部队作战态势感知系统、芯片级原子钟、光学和无线电频率组合链路试验、下一代通信系

20、统红外动态蠕虫隔离计划等。 （SUO SAS ；FCS-C；ORCLE；DCAMANETS 计划等）4.1.2探测、精确识别、跟踪和摧毁游击目标该领域研究重点是将传感器、软件工具和战斗管理系统集成在一起，实现在任何地形和气候条件下，以最小附带损伤和人员伤亡，对各种地面目标的快速打击。为此，DARPA拟研制先进的植被穿透雷达、可获取目标三维图像的激光雷达以及融合各种战术传感器信息的软件工具等。4.1.3城市作战美军认为敌人正在谋求把城市作战作为对抗美军精确探测和打击能力的重要手段，因此 DARPA 增强了对这一战略领域的研究。该领域重点需求新的城市作战方案和技术，以利用较少部队在城市进行更有效的

21、作战。需要探索的技术包括信息体系结构和一体化技术、改进的情报监视和侦察技术、标记跟踪和定位技术、城市作战武器技术、对抗不对称作战技术、城市作战指挥、控制和情报技术等。4.1.4先进的有人无人系统主要围绕“联合无人作战航空系统”和“未来作战系统”展开，目标是陆、海、空联合构建部署网络化有人和无人系统的战略和战术作战空间，最终实现人与自动化平台协同工作，建设一支能力更强、更灵活和经济有效的作战力量。4.1.5 地下建筑物探测、表征和评估研究重点是开展反地下设施计划，研究各种探测（如地震、声学、电磁、光电及化学探测）技术和系统，用于地下设施的探测、表征和毁伤评估。4.1.6空间研究内容集中在经济可承

22、受地快速进入空间、空间态势感知、空间防护、空间拒止和天基交战 5 个战略发展方向。开展的项目除了“轨道快车”和“天基监视望远镜”还有“兵力运用和本土发射（FALCON） ”计划。4.1.7生物革命该领域的研究目标是利用现代生物技术的进步，使美军士兵及其装备更安全、更强大、更有效：研究内容集中在生物战防御装备和技术、各种仿生系统，以及使作战人员在极端战场条件（高热、高海拔、长时期工作、缺乏睡眠和食物）之下始终保持良好的身体状态的技术等。4.1.8提高作战与后勤比美国的兵力结构处于向快速部署、并能灵活有效地实施从战斗行动到稳定行动的广泛使命的转型中，但这需要一个强健而广泛的后勤基础设施（尾巴） ，

23、而这一“尾巴”正在变得越来越大，抑制了作战部队（牙齿）在作战决策环路中实现全面快速部署的能力，通过认知计算、高生产率计算系统和语音处理等新信息技术，有助于美军以较少的后勤支援实现更快更好的决策。4.2 核心技术量子科学与技术：日益缩小的器件尺寸与量子效应。生物信息微电子：生物技术、信息技术和微米/纳米技术的协同。材料：新型结构用材料和部件；新型功能材料（电子/光子/ 磁性和传感器材料） ；智能材料和结构。动力和电源：微型能源、移动式综合可持续再生能源、便携式电源等。微系统：微电子、光电子、微电子机械（MEMS）集成新能力片上系统 SOC。信息技术：嵌入式系统，安全、鲁棒、高效和通用的计算基础以

24、形成适应网络中心行动计算能力和计算环境的需要。数学：拓扑方法、几何方法、逆向方法、多重解决方案分析、表征和计算等。制造科学和技术：面向国防的无掩膜直写式纳米计划等激光器技术：各种先进的激光器等5、对测试技术的考验曾经有人说过：“一代材料一代装备、一代器件一代装备、一代测试一代装备、一代标准一带装备” ，可见测试技术与装备发展的密切程度。另一方面，从 DARPA 的发展历程我们可以揣测，从科学研究成果向工程化转变过程必然经过了可以量化、稳定、精密的测量过程。互联网的引入、分布式、智能化、微纳化、粒子化、多学科综合等必将引起测试技术的变革。5.1 网络系统的测试Internet、无线网络的广泛使用

25、，使得系统的整体功能和性能五部依赖与网络系统的性能，因此瞬态和平均的网络系统性能是测试系统必须面临和需要解决的问题，同时随着Cyberspace 攻防技术的快速进展，网络的防护和网络的侦测同样需要网络测试系统具备网络的瞬态和平均的测试系统。网络测试的内容涵盖网络架构、接入方式、汇聚方式、协议、控制、安全态势、信道利用率、路由方式、数据吞吐率、数据丢包率、同步、延迟、不确定性等等相关内容的测试，而对于网络系统在军事装备中日益广泛的应用，网络系统的安全性、可靠性和性能尤为重要，而随着各国网络战部队的相继成立，鉴于网络战的特点，在网络战前期、网络战发起以及网络战中期的网络系统监控和测试尤为重要。5.

26、2 网络化测试系统计算机网络在装备中得到广泛应用，同样网络技术同样在测试系统中得到广泛应用，而网络化的测试系统在时间同步、基于网络架构的系统构建、基于网络架构及测试应用的信号处理算法、基于网络架构的数据实时传输等技术，还涉及到测试方法和校准技术，而由于无线网络的引入则使得原本复杂的系统更加复杂。5.3 信息测试传统的测试技术是基于信号内奎斯特采样定理进行的，即 A/D 采样速率必须大于信号最高频率的两倍以上，以确保可以无损失地恢复原始信号，而随着各种分布式测试技术的引入，待测信号的频率越来越高，传统的 A/D 变换模式无法承载其能力。近来学术界提出了新的信号采用方法，AIC 或者压缩感知技术，可直接在外界模拟信号中提取信息，而利用 AIC 进行信息测试可能是测试技术方面需要重点关注的内容之一。5.4 其他此外，由于微系统的快速发展，各种微系统器件、微系统、传感器等的相继研发和应用迫使我们必须应对微系统的测试技术问题。量子技术的在通信中的应用又给我们提出了另一个问题，测试的不可介入性或者测试的不稳定和不确定性又该如何解决？6、结论从 DARPA 的 50 年发展我们可以看到，DARPA 的使命是将科学设想和幻想转化为应用的研究，其辉煌的科技成果是其执着精神的最好回报。作为装备先到的测试技术，我们需要密切关注向 DARPA 及其他类似的机构的技术动向和研究热点，提前筹划，提前研究。