當(dāng)前人工智能不僅廣泛滲入社會生產(chǎn)生活中，還在軍事領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，其對綜合信息的處理能力之高、速度之快，足以使未來戰(zhàn)爭的緊湊程度提升至全新高度，而作為絕對速度優(yōu)勢致勝的高超聲速飛行器，人工智能的引入將能使其優(yōu)勢得到更徹底的發(fā)揮。目前，高超聲速飛行器與人工智能這兩種技術(shù)的結(jié)合已經(jīng)引發(fā)了主要國家的高度興趣。
智能化技術(shù)的軍事潛力
自1956年人工智能概念提出以來，其發(fā)展歷經(jīng)起伏，直至21世紀(jì)初才得到迅猛發(fā)展，成為一項(xiàng)世界公認(rèn)的具有顛覆性和變革性的前沿技術(shù)。2013年以來，世界各國競相發(fā)布人工智能相關(guān)戰(zhàn)略規(guī)劃，國家層面的人工智能博弈和競爭日趨激烈，已經(jīng)在民用與工業(yè)領(lǐng)域得到了諸多成功應(yīng)用。近年來國外積極探索人工智能在軍事上的應(yīng)用，雖然目前大多停留在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、后勤規(guī)劃等領(lǐng)域，但直接應(yīng)用到武器裝備上，在未來戰(zhàn)場中發(fā)揮主導(dǎo)性作用只是時間問題。
在信息化、體系化的未來戰(zhàn)爭環(huán)境中，將人工智能技術(shù)應(yīng)用于武器裝備，能夠使武器裝備實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的智能識別、決策和行動，極大提高武器裝備的作戰(zhàn)效能。
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目標(biāo)識別
未來作戰(zhàn)中受氣象條件干擾、目標(biāo)多樣化、敵我交錯、隱身目標(biāo)等影響，識別難度將進(jìn)一步提升，利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)智能化軟識別，以試驗(yàn)采集、仿真生成等手段獲得的“大數(shù)據(jù)”為基礎(chǔ)，在高維特征空間中進(jìn)行精細(xì)化建模與深度特征學(xué)習(xí)，形成從數(shù)據(jù)到結(jié)果的“端到端”學(xué)習(xí)和映射，進(jìn)而對復(fù)雜目標(biāo)實(shí)現(xiàn)精細(xì)化識別，提升識別能力。
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規(guī)劃決策
戰(zhàn)場環(huán)境瞬息萬變，目前武器裝備多采用作戰(zhàn)前規(guī)劃模式，快速響應(yīng)能力已顯不足。目前可借助專家系統(tǒng)進(jìn)行輔助決策，通過前方獲取信息與資料庫相比對，快速確定戰(zhàn)場威脅，給出輔助決策降低人員工作負(fù)荷。未來引入深度學(xué)習(xí)后，將能實(shí)現(xiàn)深度神經(jīng)推理，以數(shù)據(jù)驅(qū)動與知識引導(dǎo)結(jié)合，形成可適應(yīng)通用環(huán)境的強(qiáng)人工智能，達(dá)到武器系統(tǒng)的決策自主化、智能化。
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運(yùn)動控制
武器裝備的運(yùn)動控制系統(tǒng)是強(qiáng)對抗環(huán)境下準(zhǔn)確且低代價實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的保障。人工智能通過模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)/自組織的使用，特別適合非線性、時變、多變量、受環(huán)境擾動的復(fù)雜自動控制需求，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定與魯棒性的控制，使武器裝備具有惡劣環(huán)境自適應(yīng)能力、智能避障能力、跟蹤高機(jī)動目標(biāo)能力、自修復(fù)能力和高彈體控制能力。
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協(xié)同作戰(zhàn)
未來戰(zhàn)爭是多層次、全方位的信息化戰(zhàn)爭，需要由單體向協(xié)同作戰(zhàn)模式轉(zhuǎn)化。目前僅能實(shí)現(xiàn)裝備間的初級協(xié)同，高度依賴預(yù)先規(guī)劃與中樞指揮，未來將通過協(xié)同架構(gòu)的選擇、協(xié)同編隊(duì)網(wǎng)絡(luò)的生成、組網(wǎng)的保持、群體對抗、協(xié)同目標(biāo)探測等環(huán)節(jié)，形成分布式“共享大腦”，開展智能化協(xié)同作戰(zhàn)。
高超聲速飛行器智能化技術(shù)探索
高超聲速武器是未來戰(zhàn)場上的重要力量，其作戰(zhàn)使用仍需要建立高效的殺傷鏈，只有具備快速決策、快速響應(yīng)能力，才能將高超聲速武器的速度優(yōu)勢發(fā)揮徹底，為此勢必需要智能化技術(shù)的引入現(xiàn)階段高超聲速飛行器智能化技術(shù)探索仍處在較為初期的階段，更深程度的體系智能化探索仍需時日。
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高超聲速飛行規(guī)劃智能化技術(shù)探索
桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室（Sandia National Laboratories，簡稱SNL）是為數(shù)不多的明確提出將人工智能運(yùn)用在高超聲速領(lǐng)域的國外機(jī)構(gòu)。2019年4月，SNL發(fā)布多份說明文件與媒體報道，闡述其構(gòu)想與工作進(jìn)展。SNL指出，目前主要工作圍繞對高超聲速飛行器自主規(guī)劃的探索，希望到2024年完成新的自動飛行系統(tǒng)的基礎(chǔ)技術(shù)開發(fā)。
引入的必要性
SNL將高超聲速飛行器視為核大國之間新的戰(zhàn)略制衡手段。傳統(tǒng)彈道導(dǎo)彈雖然也可在大氣外達(dá)到Ma5以上的飛行速度，但高超聲速飛行器的飛行高度位于大氣層內(nèi)，從而在飛行過程中具有隱身性和機(jī)動性。速度更快、彈道更低、隱身性更好，使高超聲速導(dǎo)彈能更好地突防敵防御系統(tǒng)。
SNL認(rèn)為，俄羅斯和中國正在著力發(fā)展進(jìn)攻性高超聲速武器系統(tǒng)，投入使用后或?qū)⑹姑绹膶?dǎo)彈防御系統(tǒng)失效。此前美國雖然高超聲速技術(shù)開展了長期的試驗(yàn)性探索，但目前在武器化進(jìn)程上居于落后。為了避免美國在這個具有戰(zhàn)略意義的重要技術(shù)領(lǐng)域中被淘汰，需要將人工智能（“自主性”）與高超聲速相結(jié)合，形成“力量倍增器”。
已開展的工作
工作基礎(chǔ)與目標(biāo)
SNL在1970年代就開展了雙錐形機(jī)動滑翔飛行器技術(shù)的研發(fā)，AHW及后續(xù)的CPS項(xiàng)目利用該技術(shù)，在2012-2020年間曾多次成功試射，目前美國多型高超聲速助推滑翔導(dǎo)彈所用的通用滑翔彈頭（C-HGB）就是在其基礎(chǔ)上發(fā)展形成的。
SNL的人工智能引入也首先以高超聲速助推滑翔飛行器為應(yīng)用對象（未來延伸到吸氣式高超聲速飛行器及其它航空航天領(lǐng)域），由于這種飛行器以很高的速度飛行，再入階段還要面對復(fù)雜而劇烈的大氣湍流，對控制的穩(wěn)定性和精度等要求極高，因此其飛行任務(wù)的規(guī)劃與編程工作需要花費(fèi)數(shù)周時間，是“一項(xiàng)緩慢而艱苦的工作”；而人工智能引入后，理論上可在幾分鐘內(nèi)完成高超聲速飛行任務(wù)規(guī)劃。
這種實(shí)時飛行規(guī)劃能力具有人工規(guī)劃所無法相比的優(yōu)勢，利用人工智能的模式識別能力，將當(dāng)前飛行器位置定位信息與飛行器實(shí)時收集到的數(shù)據(jù)相結(jié)合，進(jìn)行彈道預(yù)測與飛行路徑選擇，將原本需要幾分鐘才能完成的工作縮短到在毫秒量級。具備這種能力后，高超聲速飛行器可在飛行中進(jìn)行自主校正，從而補(bǔ)償在飛行中遇到的意外情況，也可適應(yīng)目標(biāo)位置出現(xiàn)的變化（飛行監(jiān)控人員還可以通過隨時關(guān)閉航向校正功能來重新獲得對飛行器的控制）。
專題研究活動
為將人工智能自主性引入高超聲速領(lǐng)域，SNL開展了名為“高超聲速飛行任務(wù)競賽”（Autonomy for Hypersonics mission campaign，簡稱Mission Campaign）的研究活動，于2017年啟動，為期7年，總耗資3500萬美元，對得到認(rèn)可的技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)給予資金支持，促進(jìn)相關(guān)新技術(shù)發(fā)展。
首支獲得Mission Campaign基金的團(tuán)隊(duì)是名為“高超聲速自主”（Autonomyfor Hypersonics，簡稱A4H）的團(tuán)隊(duì)。A4H旨在研究開發(fā)自主系統(tǒng)技術(shù)，利用人工智能來縮短任務(wù)規(guī)劃時間并做出自適應(yīng)的目標(biāo)決策，從而顯著增強(qiáng)高超聲速飛行器的戰(zhàn)斗效能。而這種能力將提升飛行過程中的靈活性，自適應(yīng)遇到的多種問題，以應(yīng)對目標(biāo)變更、實(shí)時變化的終端作戰(zhàn)情況、新的威脅意料之外的飛行條件等情況。
表1 A4H團(tuán)隊(duì)列舉的項(xiàng)目重點(diǎn)研究問題
圖1 高超聲速自主控制示意圖
目前的高超聲速飛行的實(shí)現(xiàn)，需要通過長周期的規(guī)劃、進(jìn)行腳本化的建模與仿真，形成為每次飛行量身定制的任務(wù)計(jì)劃。A4H團(tuán)隊(duì)希望通過人工智能的引入，使飛行過程具備良好的自主性與自適應(yīng)性，能應(yīng)對復(fù)雜與意外的飛行狀況，完成飛行任務(wù)；但該團(tuán)隊(duì)必須首先解決高性能計(jì)算（HPC）問題。HPC利用現(xiàn)代機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）和人工智能進(jìn)行快速迭代的任務(wù)規(guī)劃與分析，并可通過對已有場景狀態(tài)的數(shù)據(jù)積累和合理的外推分析，得到應(yīng)對新的不可預(yù)測場景的策略。
高超聲速飛行的HPC是一項(xiàng)需要耗費(fèi)大量時間來攻關(guān)的技術(shù)難題。為此，A4H團(tuán)隊(duì)與SNL開展合作，利用SNL前期發(fā)展的HPC技術(shù)基礎(chǔ)，兩方將合作開展自主飛行需要的戰(zhàn)場模型建立與仿真工作，進(jìn)行對抗性學(xué)習(xí)，通過數(shù)十億次量級的計(jì)算，獲得最佳策略和解決方案。SNL與A4H團(tuán)隊(duì)希望借此獲得高超聲速能力變革，使美國重新獲得并保持在高超聲速這一戰(zhàn)略性領(lǐng)域的優(yōu)勢地位。
引入學(xué)術(shù)合作力量
SNL目前主要致力于引入人工智能形成對高超聲速飛行器的自主規(guī)劃和控制。其間，SNL組織成立了一個名為“新墨西哥自治”（Autonomy New Mexico，簡稱AutonomyNM）的學(xué)術(shù)研究聯(lián)盟該組織由眾多美國大學(xué)組成，由Mission Campaign進(jìn)行管理，由SNL的“實(shí)驗(yàn)室研究與發(fā)展和學(xué)術(shù)聯(lián)盟”計(jì)劃提供資金支持。
AutonomyNM旨在探索相關(guān)技術(shù)，建立人工智能航空航天系統(tǒng)，使包括高超聲速飛行器在內(nèi)的復(fù)雜飛行器具備自主飛行控制的能力，通過小型機(jī)載計(jì)算機(jī)即能將12小時的計(jì)算時間壓縮為一毫秒高效生成高超聲速飛行所需的算法。AutonomyNM更宏偉的目標(biāo)是將人工智能引入自動運(yùn)輸、制造航天、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，形成更安全高效的自主能力。
圖2 AutonomyNM研究自主高超聲速飛行所用的無人機(jī)
AutonomyNM目前主要通過無人機(jī)來探索自主導(dǎo)航、制導(dǎo)和控制以及目標(biāo)識別的新算法，在2019年夏天完成了一架4旋翼無人機(jī)和一架6旋翼無人機(jī)的程序編寫及測試工作，這兩架無人機(jī)是最早投入該研究的無人機(jī)。
選擇無人機(jī)作為試驗(yàn)平臺的原因，包括這些平臺可以敏捷移動，能夠快速完成編程并無線傳輸?shù)轿唬渌鶖y帶的攝像頭載荷也可以靈活地?fù)Q成其他傳感器進(jìn)行測試。AutonomyNM所用的無人機(jī)裝有兩臺機(jī)載計(jì)算機(jī)，其中一臺較小的計(jì)算機(jī)用來控制轉(zhuǎn)子，另一臺較大的計(jì)算機(jī)用來處理來自攝像機(jī)的視覺信息。
試驗(yàn)小組以機(jī)載相機(jī)為硬件基礎(chǔ)開展視覺算法編寫工作，進(jìn)行定位匹配識別。具體來說，研究人員將環(huán)境圖片與算法一起上傳給無人機(jī)，通過計(jì)算將圖片組裝形成三維地圖。然后向無人機(jī)發(fā)送移動到特定坐標(biāo)位置的指令，無人機(jī)通過由攝像頭接收的圖像與內(nèi)部地圖進(jìn)行對比匹配，從而得到自己當(dāng)前方位判斷，而后飛到正確的位置。
躲避障礙是其中一項(xiàng)重要的能力，要求無人機(jī)能夠足夠快地完成對周圍環(huán)境的識別與障礙物判斷，形成躲避路線規(guī)劃。受限于無人機(jī)的尺寸與輸出功率，兩臺機(jī)載計(jì)算機(jī)都由嚴(yán)格的尺寸和重量限制，因而對編程策略提出了較高要求，以便運(yùn)行處理速度滿足使用要求。SNL科學(xué)家LoganWright表示，在性能有限的機(jī)載電腦上，“算法必須能夠足夠快速地運(yùn)行，以提供可用的結(jié)果。……算法如果在撞上障礙物后才檢測出障礙物，就不太有用了。”
相對于汽車的自動駕駛，開放天空中的飛行器自主控制難度更大。因?yàn)槠囻{駛建立在已經(jīng)十分完善道路規(guī)則上，對于各類狀況都有比較明確的處理方法，因此需要處理的是非常有限的規(guī)則集但飛行器的既有規(guī)則少得多，所給予的創(chuàng)造空間極大，但更大自由也相應(yīng)帶來了更大挑戰(zhàn)。
重要技術(shù)途徑
“感知-思考-行動”環(huán)
自主系統(tǒng)的特征在于采用“感知-思考-行動”（SENSE-THINK-ACT）的閉環(huán)操作來實(shí)現(xiàn)其預(yù)定目標(biāo)。目前高超聲速飛行器具備自動“行動”能力，但這是對預(yù)先裝訂的程式化程序進(jìn)行機(jī)械式執(zhí)行的結(jié)果，并且僅依靠GPS的信息來獲得末端精度，這極大限制了飛行靈活性。人工智能的引入將使這些系統(tǒng)具備感知和思考的能力，使其能夠從周圍環(huán)境中提取信息，并自主適應(yīng)不斷變化的環(huán)境的預(yù)期之外的目標(biāo)。在飛行中進(jìn)行閉環(huán)的“感知-思考-行動”迭代循環(huán)，將大大提升高超聲速飛行器在對抗環(huán)境中處理各種目標(biāo)的能力。
自主能力
高超聲速技術(shù)是自主技術(shù)所能設(shè)計(jì)的難度最高的國防領(lǐng)域之一，與商業(yè)應(yīng)用不同，國防領(lǐng)域需要在對抗性環(huán)境中進(jìn)行復(fù)雜操作，并可能引發(fā)嚴(yán)重后果。SNL選擇高超聲速飛行器作為人工智能的攻克對象，意在未來向更廣泛的國防領(lǐng)域延伸，引入到其它類（如吸氣式）高超聲速飛行器、其它先進(jìn)飛行系統(tǒng)、對抗環(huán)境中使用的自主系統(tǒng)等，為空中情報監(jiān)視偵查（ISR）、空間彈性、太空競賽等領(lǐng)域提供支持。
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其它高超聲速領(lǐng)域智能化技術(shù)探索
美國第六代戰(zhàn)斗機(jī)
目前美國在第六代戰(zhàn)斗機(jī)早期探索中將高超聲速攻擊機(jī)、人工智能、無人戰(zhàn)斗機(jī)、先進(jìn)機(jī)載傳感器、激光武器、電子戰(zhàn)等技術(shù)視為重點(diǎn)研究對象，希望在2030-2040年代完成六代戰(zhàn)斗機(jī)研制。其中一項(xiàng)名為“穿透性制空”（PCA）的項(xiàng)目將智能化技術(shù)視為重點(diǎn)研究對象。機(jī)載傳感器與處理器性能、小型化水平不斷提升，為人工智能的引入提供了有利條件。引入后，將能使戰(zhàn)斗機(jī)在收集編譯、處理情偵監(jiān)（ISR）數(shù)據(jù)的能力提升到新的高度，并有效進(jìn)行即時分析決策；這種分析決策將通過傳感器獲取的信息與海量數(shù)據(jù)庫信息進(jìn)行比較來實(shí)現(xiàn)，有效提升飛機(jī)的目標(biāo)識別與攻擊指揮能力，從而使六代機(jī)的的作戰(zhàn)能力相較于現(xiàn)役戰(zhàn)斗機(jī)產(chǎn)生革命性變化。
可以看出，雖然美軍第六代戰(zhàn)斗機(jī)沒有詳細(xì)解釋包括高超聲速或定向能武器等在內(nèi)的技術(shù)與人工智能技術(shù)將以何種形式及途徑相結(jié)合，但其最終效果將是形成一種具備人工智能的高超聲速飛機(jī)。
高超聲速防御
對人類而言，將防御系統(tǒng)交給人工智能掌控是冒險性極高的賭注，但以高超音速武器為代表的現(xiàn)代武器正不斷擠壓防御方的響應(yīng)時間，將迫使軍隊(duì)考慮將防御性武器系統(tǒng)控制權(quán)交給人工智能，令各國開始探索導(dǎo)彈防御系統(tǒng)向自主化發(fā)展=。
目前的人工智能系統(tǒng)的知識輪廓和故障臨界在很大程度上是未知且難以預(yù)測的，尚無法用于可發(fā)動戰(zhàn)爭的武器系統(tǒng)，但目前在人工智能技術(shù)的介入下，無人機(jī)已能夠通過面部識別來定位目標(biāo)并完成自動瞄準(zhǔn)，由此可見人工智能正以很快的步伐介入戰(zhàn)爭領(lǐng)域。高超聲速武器攻擊發(fā)動后，防御方可能僅有幾分鐘的反應(yīng)時間，特別在搭載核彈頭進(jìn)行攻擊時，被攻擊方的國家元首在幾分鐘之內(nèi)連基本判斷都難以完成。過大的壓力將使軍隊(duì)和國家建立自動化反擊決策流程，特別是技術(shù)先進(jìn)的較小國家更可能將率先使人工智能介入威懾武器系統(tǒng)。
圖3高超聲速防御作戰(zhàn)構(gòu)想圖
人工智能在高超聲速防御領(lǐng)域的應(yīng)用將首先體現(xiàn)在相關(guān)傳感器上。2019年6月，技術(shù)創(chuàng)新研究與咨詢機(jī)構(gòu)Lux Researc發(fā)h布了《智能傳感：人工智能對傳感器功能的影響》（Intelligent Sensing: The Impact of AI on Sensor Capabilities）的報告，通過對2012年以來的13萬份專利進(jìn)行分析得到了人工智能對各種傳感器類型（包括光學(xué)，機(jī)械和聲學(xué)傳感器）的影響程度。該研究表明高超聲速武器開發(fā)與防御是人工智能應(yīng)用的重點(diǎn)。為對中俄等國的高超聲速武器進(jìn)行有效的預(yù)警探測，美國導(dǎo)彈防御局尋求太空傳感器的提升，計(jì)劃在2020財(cái)年著手?jǐn)U建低地球軌道衛(wèi)星群，該衛(wèi)星群由分布在5個軌道層的1200顆衛(wèi)星組成，其中200顆位于保管層，658顆位于太空運(yùn)輸層，200顆位于衛(wèi)星跟蹤層，200顆位于威懾層，另外還有3架先進(jìn)機(jī)動飛行器獨(dú)立形成一層。應(yīng)對高超聲速威脅的太空傳感器層不僅需要增強(qiáng)傳感器功能，還需要借助人工智能和改進(jìn)升級的通信技術(shù)，來處理數(shù)據(jù)并向指揮官提供戰(zhàn)爭管理建議。
高超聲速智能化的機(jī)遇與挑戰(zhàn)
人工智能的學(xué)習(xí)與處理速度令人類望塵莫及，未來軍事裝備引入人工智能后將使作戰(zhàn)效率提升到新的高度，但該技術(shù)也存在極高使用風(fēng)險。隨著存儲與處理信息體量的激增和運(yùn)行自主性的提升人工智能的學(xué)習(xí)與運(yùn)行將逐漸成為人類不可見不可控的“黑匣子”，其學(xué)習(xí)結(jié)果難以控制，甚至是否衍生出欺騙性智慧也難以得知，因此一方面其識別與決策的穩(wěn)定程度將難以受控，另一方面其行為的真正意圖將難以為人所知。國防軍事是可能引發(fā)嚴(yán)重后果的高風(fēng)險領(lǐng)域，未來給人工智能更大的作戰(zhàn)自主權(quán)，將是對使用者甚至全人類的雙刃劍。
高超聲速武器能打破傳統(tǒng)的時空尺度，極大壓縮防御方的應(yīng)對時間，傳統(tǒng)的人腦分析與決策難以適用，將促使防御方尋求借助智能化技術(shù)來主導(dǎo)或參與分析和決策過程。特別是對高超聲速核武器的戰(zhàn)略防御與二次反擊系統(tǒng)，關(guān)乎國家甚至人類命運(yùn)，最適合運(yùn)用人工智能在緊急時刻的進(jìn)行高效分析判斷，但同時也將使人類喪失部分甚至全部核戰(zhàn)爭主導(dǎo)權(quán)，帶來難以承受的風(fēng)險。
目前高超聲速智能化尚處萌芽階段，相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用探索主要集中在高超聲速攻防端武器本身但若將目光進(jìn)一步放寬至高超聲速飛行器全周期范疇，比如在設(shè)計(jì)階段根據(jù)輸入自主完成提出綜合優(yōu)化方案并計(jì)算得到結(jié)果，在制造階段自主完成工藝方案的編制等，實(shí)現(xiàn)后將極大縮短高超聲速飛行器從概念到實(shí)物所需的時間。其中，能夠支撐深度學(xué)習(xí)的高性能計(jì)算處理技術(shù)將是決定人工智能能否在高超聲速領(lǐng)域應(yīng)用的最關(guān)鍵因素，該技術(shù)突破后所能提供的支撐將是廣泛性的，人工智能在高超聲速設(shè)計(jì)-生產(chǎn)-試驗(yàn)-使用-維護(hù)全周期的全面應(yīng)用也將指日可待。國外已經(jīng)著手探索相關(guān)技術(shù)我國也應(yīng)予以重視，一方面積極開展技術(shù)與應(yīng)用的探索，另一方面謹(jǐn)慎對待人工智能在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用，避免造成不必要的損失。
美國國防部將人工智能與高超聲速飛行器視為最優(yōu)先關(guān)注的軍事技術(shù)領(lǐng)域，這兩種新質(zhì)技術(shù)均足以對未來高技術(shù)戰(zhàn)爭產(chǎn)生革命性影響，未來戰(zhàn)場中二者相輔相成、缺一不可，高超聲速飛行器為載體、人工智能為核心，將為未來戰(zhàn)場決策者提供更多更靈活的選擇，形成新的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。