張春磊，楊小牛1，

（1.通信信息控制和安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 嘉興 314033；2.中國電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所，浙江 嘉興 314033）

“認(rèn)知技術(shù)應(yīng)用研究”專題

認(rèn)知電子戰(zhàn)與認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)研究

張春磊2，楊小牛1，2

（1.通信信息控制和安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 嘉興 314033；2.中國電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所，浙江 嘉興 314033）

首先對美軍認(rèn)知電子戰(zhàn)能力的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了簡單介紹。在對美軍認(rèn)知電子戰(zhàn)項(xiàng)目進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，總結(jié)了認(rèn)知電子戰(zhàn)基本內(nèi)涵、主要優(yōu)勢。最后，提出了一種認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)框架，并對該框架基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的工作流程進(jìn)行了分析討論。

認(rèn)知電子戰(zhàn)；認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)；機(jī)器學(xué)習(xí)算法

0 引 言

認(rèn)知電子戰(zhàn)理論、技術(shù)、裝備的興起，主要有兩方面動(dòng)因：其一，軟件無線電技術(shù)日益成熟，為認(rèn)知電子戰(zhàn)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)；其二，隨著現(xiàn)代戰(zhàn)場電磁環(huán)境越來越復(fù)雜，電子戰(zhàn)領(lǐng)域?qū)ψ赃m應(yīng)、自動(dòng)化、智能化要求越來越高，為認(rèn)知電子戰(zhàn)提供了旺盛的軍事需求。

1 美軍典型認(rèn)知電子戰(zhàn)項(xiàng)目概述

美軍是全世界為數(shù)不多的研究并部署認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)的國家，其相關(guān)理論、技術(shù)、項(xiàng)目、系統(tǒng)都非常具有典型性。因此，本部分首先對美軍已經(jīng)和正在研究、部署的相關(guān)項(xiàng)目、系統(tǒng)進(jìn)行分析，重點(diǎn)研究這些項(xiàng)目、系統(tǒng)所體現(xiàn)出的認(rèn)知特性，以便為下文的分析奠定基礎(chǔ)。

近年來美軍研究、部署的主要項(xiàng)目和系統(tǒng)見表1。

2 認(rèn)知電子戰(zhàn)內(nèi)涵與優(yōu)勢

盡管美軍已經(jīng)開發(fā)了一系列名為認(rèn)知電子戰(zhàn)的項(xiàng)目，但從理論或?qū)W術(shù)層面來講，有關(guān)“什么是認(rèn)知電子戰(zhàn)”、“較之傳統(tǒng)電子戰(zhàn)，認(rèn)知電子戰(zhàn)獨(dú)有的功能是哪些”等問題，尚無共識。因此，本部分首先闡述一下對這兩個(gè)問題的理解，以便為下文認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)框架、實(shí)現(xiàn)方法的研究奠定理論基礎(chǔ)。

2.1 認(rèn)知電子戰(zhàn)基本概念與內(nèi)涵

從理論層面來講，關(guān)于認(rèn)知電子戰(zhàn)的概念與內(nèi)涵，主要有兩種理解方式：一種從電子戰(zhàn)本身能力發(fā)展出發(fā)，主要強(qiáng)調(diào)其智能化、自適應(yīng)和自動(dòng)化能力的發(fā)展，為便于區(qū)分，姑且將這種理解稱為“認(rèn)知化電子戰(zhàn)”［8］；另一種從電子戰(zhàn)所面臨的作戰(zhàn)對象威脅出發(fā)，強(qiáng)調(diào)“能夠?qū)垢黝愋滦驼J(rèn)知電子信息系統(tǒng)，如，認(rèn)知無線電、認(rèn)知無線網(wǎng)、認(rèn)知雷達(dá)等”，同樣，為便于區(qū)分，姑且將這種理解稱為“認(rèn)知系統(tǒng)電子戰(zhàn)”。對這兩種理解進(jìn)行了對比分析，見表2。

表1 美軍典型認(rèn)知電子戰(zhàn)項(xiàng)目與系統(tǒng)

表2 “認(rèn)知化電子戰(zhàn)”與“認(rèn)知系統(tǒng)電子戰(zhàn)”比較

從表2可以看出，盡管這兩種理解各自的側(cè)重點(diǎn)不同，但本質(zhì)上并無差別，只是從不同“視角”對認(rèn)知電子戰(zhàn)進(jìn)行描述而已。鑒于此，對認(rèn)知電子戰(zhàn)基本概念與內(nèi)涵描述如下：“認(rèn)知電子戰(zhàn)是一種在軟件無線電技術(shù)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的智能化、網(wǎng)絡(luò)化（知識共享）、多功能電子戰(zhàn)理念，除了可以對抗傳統(tǒng)電子信息系統(tǒng)以外，還可以對抗新興的認(rèn)知電子信息系統(tǒng)（認(rèn)知無線電臺、認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)、認(rèn)知雷達(dá)等）。其核心技術(shù)包括軟件無線電技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)、行為建模技術(shù)等?！?/p>

2.2 認(rèn)知電子戰(zhàn)主要優(yōu)勢

作為最具發(fā)展?jié)摿Φ男屡d電子戰(zhàn)領(lǐng)域之一，認(rèn)知電子戰(zhàn)的應(yīng)用前景非常廣闊，不僅有助于電子戰(zhàn)領(lǐng)域自身能力的提升，還對信息戰(zhàn)、賽博戰(zhàn)等諸多領(lǐng)域產(chǎn)生重要影響。相對于傳統(tǒng)電子戰(zhàn)而言，認(rèn)知電子戰(zhàn)具備如下明顯優(yōu)勢［10］。

（1）有望解決復(fù)雜電磁環(huán)境精確態(tài)勢感知難題

認(rèn)知電子戰(zhàn)帶來的最大優(yōu)勢是適應(yīng)復(fù)雜電磁環(huán)境的能力，若這種能力得到完善，則有望解決復(fù)雜電磁環(huán)境下精確態(tài)勢感知難題。尤其是在感知存在跳頻通信、捷變頻雷達(dá)等系統(tǒng)的復(fù)雜電磁環(huán)境時(shí)，其自主學(xué)習(xí)能力將顯得尤為重要。

與傳統(tǒng)電子戰(zhàn)技術(shù)相比，認(rèn)知電子戰(zhàn)除了具備感知能力以外，還具備近實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)和經(jīng)驗(yàn)積累能力。例如，在現(xiàn)有知識庫的基礎(chǔ)上，近實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)識別新出現(xiàn)的未知信號，對其進(jìn)行詳細(xì)分析，并將分析結(jié)果用于知識庫的更新。這樣，在面臨新的復(fù)雜電磁環(huán)境時(shí)，認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)即可快速適應(yīng)該環(huán)境，并自主生成適用于該環(huán)境的決策。

（2）有效對抗認(rèn)知系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)

隨著認(rèn)知無線電（CR）理論與技術(shù)日益完善，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣，不僅出現(xiàn)了認(rèn)知無線電臺、認(rèn)知無線網(wǎng)，還出現(xiàn)了認(rèn)知雷達(dá)等系統(tǒng)。這些認(rèn)知系統(tǒng)的最大特點(diǎn)就是其“認(rèn)知（或智能）能力”，即，自主根據(jù)周邊的電磁環(huán)境選擇信號波形（如，頻率、脈沖寬度、調(diào)制樣式等），這樣，其抗干擾能力就大幅提升。

傳統(tǒng)的功能固化的電子戰(zhàn)系統(tǒng)在應(yīng)對這些認(rèn)知系統(tǒng)時(shí)，其效能將大打折扣。而認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)則不同，由于它與基于認(rèn)知無線電的系統(tǒng)“同根同源”，也具備了非常強(qiáng)大的認(rèn)知對抗能力，因此，在對抗認(rèn)知系統(tǒng)時(shí)，仍能保持很好的效能。

（3）極大增強(qiáng)電子干擾系統(tǒng)的隱蔽性、抗毀性

由于對作戰(zhàn)對象的態(tài)勢感知深度、精度不夠，傳統(tǒng)的電子干擾系統(tǒng)只能依靠大功率壓制手段來實(shí)現(xiàn)有效對抗。盡管這種對抗方式很有效，但也產(chǎn)生了很多問題，最大的問題就是干擾信號容易暴露并招致反輻射打擊。

而認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)由于以深入、精確的態(tài)勢感知為基礎(chǔ)，因此可以實(shí)施真正意義上的精確干擾——不僅是位置精確瞄準(zhǔn)、頻率精確覆蓋、調(diào)制樣式精確一致，甚至還可以在信息層進(jìn)行欺騙；這種情況下，干擾信號無需以大功率發(fā)射。這樣，干擾系統(tǒng)的隱蔽性、抗毀性將大大提高。

（4）顯著增強(qiáng)電子戰(zhàn)與賽博戰(zhàn)的相互使能作用

從作戰(zhàn)效能發(fā)揮角度來看，賽博戰(zhàn)與電子戰(zhàn)之間呈現(xiàn)出非常緊密的相互使能關(guān)系。然而，由于存在制約，二者之間這種相互使能作用無法充分發(fā)揮。簡而言之，這種制約就是：電子戰(zhàn)在態(tài)勢感知、干擾與欺騙等環(huán)節(jié)的技術(shù)水平尚不足以支撐賽博戰(zhàn)（尤其是戰(zhàn)場賽博戰(zhàn)）；而賽博戰(zhàn)太過關(guān)注高層次（主要是邏輯層、應(yīng)用層）信息對抗，缺乏低層次（物理層、鏈路層）對抗手段與技術(shù)。

認(rèn)知電子戰(zhàn)在態(tài)勢感知、干擾與欺騙，乃至信息控制等方面帶來的巨大技術(shù)變革，進(jìn)一步拉近了電子戰(zhàn)與賽博戰(zhàn)之間的距離，將顯著增強(qiáng)電子戰(zhàn)與賽博戰(zhàn)之間的相互使能作用。而這種相互使能作用的增強(qiáng)將為突破某些傳統(tǒng)瓶頸技術(shù)帶來巨大幫助，收益最大的無疑是在戰(zhàn)場無線網(wǎng)絡(luò)對抗領(lǐng)域。

3 認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)框架

本部分根據(jù)上述認(rèn)知電子戰(zhàn)分析提出了一種認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)體系框架，系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。該系統(tǒng)的主要功能是對各類作戰(zhàn)對象進(jìn)行智能化檢測、分類、對抗。需要說明的是，為方便查看，圖中未標(biāo)出認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)控制器；該控制器負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的軟硬件資源調(diào)度與控制，與所有模塊均有交集。

圖中主要模塊的功能簡述如下。

·接收天線組／天線陣、傳感器組。負(fù)責(zé)各頻段、各類型射頻信號的檢測。

·傳統(tǒng)信號處理模塊。負(fù)責(zé)對接收信號進(jìn)行預(yù)處理（濾波等）、盲源分離（用于實(shí)現(xiàn)干擾時(shí)電磁環(huán)境變化的實(shí)時(shí)監(jiān)視）、特征提取等處理。

·自動(dòng)信號分類模塊。負(fù)責(zé)通過模型匹配、訓(xùn)練學(xué)習(xí)、訓(xùn)練評價(jià)等手段，將處理過的信號（已知信號、未知信號）進(jìn)行自動(dòng)分類。

圖1 認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)框圖

·射頻環(huán)境與行為分析模塊。利用信號分類結(jié)果對系統(tǒng)當(dāng)前面臨的射頻環(huán)境（己方射頻環(huán)境、敵方射頻環(huán)境、中立方／無意射頻環(huán)境）。若射頻環(huán)境中存在具備認(rèn)知能力的目標(biāo)（如，敵方或中立方的認(rèn)知無線電系統(tǒng)、認(rèn)知雷達(dá)），則還具備基于行為模型的行為分析能力。

·認(rèn)知代理。負(fù)責(zé)各類認(rèn)知功能的實(shí)現(xiàn)、協(xié)調(diào)、調(diào)度等功能，這些認(rèn)知功能包括推理、學(xué)習(xí)、優(yōu)化、策略生成等。認(rèn)知代理是認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)的“靈魂”，它可以作為一個(gè)獨(dú)立的模塊存在，也可以是一系列分布式的模塊。

·動(dòng)態(tài)知識庫。負(fù)責(zé)認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)如下“知識”的存儲、讀寫與更改：信號模型與類型數(shù)據(jù)、認(rèn)知對象的行為模型與數(shù)據(jù)，干擾案例與優(yōu)化策略模型與數(shù)據(jù)。此外，為實(shí)現(xiàn)認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)之間的“知識共享”，動(dòng)態(tài)知識庫還留有與其它認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)進(jìn)行連接的接口（可以是有線網(wǎng)絡(luò)接口、無線網(wǎng)絡(luò)接口、移動(dòng)存儲介質(zhì)擺渡接口）。

·任意波形發(fā)生模塊及發(fā)射天線組／天線陣。負(fù)責(zé)根據(jù)認(rèn)知代理的要求、基于軟件無線電理論近實(shí)時(shí)或?qū)崟r(shí)生成所需的任意干擾、欺騙波形，并通過發(fā)射天線組／天線陣發(fā)射出去。

4 認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)工作流程

典型的認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)工作流程如圖2所示?？梢钥闯?，認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)與傳統(tǒng)電子戰(zhàn)系統(tǒng)在工作流程方面既有相同之處（“通用處理環(huán)節(jié)”），又有獨(dú)特之處（“認(rèn)知處理環(huán)節(jié)”）；而其中的獨(dú)特之處才是認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)“認(rèn)知”功能的核心。因此，下文重點(diǎn)闡述認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)中這類具備認(rèn)知功能的“認(rèn)知處理環(huán)節(jié)”。

圖2 認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)的工作流程

（1）傳統(tǒng)處理環(huán)節(jié)

傳統(tǒng)工作流程指的是傳統(tǒng)電子戰(zhàn)系統(tǒng)、認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)都具備的工作環(huán)節(jié)，包括信號檢測、信號預(yù)處理（濾波等）、盲源分離和信號特征提取。

這些處理環(huán)節(jié)盡管也非常重要、復(fù)雜，且技術(shù)含量很高，但并非能夠體現(xiàn)認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)“認(rèn)知”能力的環(huán)節(jié)，在傳統(tǒng)電子戰(zhàn)領(lǐng)域內(nèi)有專門、深入的研究，因此，不作為本部分的介紹重點(diǎn)。

（2）認(rèn)知處理環(huán)節(jié)

從圖2可以看出，認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)的主要認(rèn)知處理環(huán)節(jié)其實(shí)均可視作“觀察、定位、決策、行動(dòng)”（OODA）認(rèn)知環(huán)在電子戰(zhàn)系統(tǒng)關(guān)鍵處理環(huán)節(jié)中的應(yīng)用，分別稱為“認(rèn)知偵察環(huán)”、“認(rèn)知對抗環(huán)”和“認(rèn)知效能評估環(huán)”。

a）認(rèn)知偵察環(huán)

認(rèn)知偵察環(huán)主要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)信號分類，包括模型匹配、樣本訓(xùn)練和分類結(jié)果評價(jià)等環(huán)節(jié)，其結(jié)果既可以支持干擾優(yōu)化環(huán)節(jié)，亦可用于動(dòng)態(tài)知識庫的傳統(tǒng)信號樣本積累和認(rèn)知系統(tǒng)行為樣本積累。認(rèn)知偵察環(huán)的工作流程如下所述。

·首先，信號檢測器要確定接收信道中是否存在信號。信號檢測器的檢測門限（即，信號之于噪聲的相對電平）可基于背景噪聲的一階統(tǒng)計(jì)或一階與二階結(jié)合的統(tǒng)計(jì)方法確定。

·若信號檢測器發(fā)現(xiàn)接收信道中存在信號，則認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)控制器即激活信號分類器以粗略確定信號類型（已知信號、未知信號、噪聲），若信號類型為未知，則系統(tǒng)即收集信號的基于累積量的特征以用于后續(xù)分析。

·收集到足夠多的未知信號特征后，認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)控制器即激活信號分類學(xué)習(xí)器（如，基于聚類的學(xué)習(xí)器）。若找到了信號的聚類，則直接通過模型匹配實(shí)現(xiàn)信號分類；若未找到信號的聚類，則控制器激活信號分類器的重新訓(xùn)練過程，并利用信號聚類來對系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場重訓(xùn)練，將原本未知的信號訓(xùn)練為最接近已知模型的信號，并將新的信號模型寫入動(dòng)態(tài)知識庫。

·一旦信號分類器確定了信號類型，認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)控制器即激活輻射源個(gè)體識別模塊。輻射源個(gè)體識別模塊負(fù)責(zé)確定輻射源的具體類別，當(dāng)然，識別的粒度可粗可細(xì)（即，識別粒度層級不同）。

·若通過輻射源個(gè)體識別確定目標(biāo)為認(rèn)知系統(tǒng)，則認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)控制器啟動(dòng)目標(biāo)行為分析模塊，并實(shí)現(xiàn)目標(biāo)行為分析與建模，所建模型寫入動(dòng)態(tài)知識庫。

b）認(rèn)知對抗環(huán)

主要實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化干擾或攻擊，包括策略生成、干擾（或攻擊）優(yōu)化等環(huán)節(jié)，生成的干擾／攻擊策略可存儲為動(dòng)態(tài)知識庫中的推理案例。認(rèn)知對抗環(huán)主要由策略引擎和干擾優(yōu)化引擎來實(shí)施，實(shí)施過程如下。

·策略引擎首先確定分類后的信號是否為敵方信號，并就是否對其發(fā)起攻擊給出決策，若給出的決策是“不發(fā)起攻擊”，則給出這種決策的原因應(yīng)發(fā)給系統(tǒng)管理員。該環(huán)節(jié)通常采用基于案例的推理方法實(shí)現(xiàn)，即，將每個(gè)干擾策略都作為一個(gè)案例存儲在動(dòng)態(tài)知識庫中，后續(xù)推理均基于已有案例。新生成的策略也不斷寫入動(dòng)態(tài)知識庫，實(shí)現(xiàn)能力的動(dòng)態(tài)提升。

·若策略引擎給出的決策是對目標(biāo)信號發(fā)起攻擊，則干擾優(yōu)化引擎即優(yōu)化干擾參數(shù)并合成、發(fā)射一種或多種干擾信號。該環(huán)節(jié)通常采用諸如Q學(xué)習(xí)算法等的機(jī)器學(xué)習(xí)算法來實(shí)現(xiàn)。

（3）認(rèn)知效能評估環(huán)

主要實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)效能的自適應(yīng)、高逼真度評估。該環(huán)節(jié)與傳統(tǒng)電子戰(zhàn)效能環(huán)節(jié)類似，也采用相類似的技術(shù)。

5 結(jié) 語

盡管認(rèn)知電子戰(zhàn)是電子戰(zhàn)眾多發(fā)展趨勢之一，但無疑也是近幾年來最為重要的發(fā)展趨勢之一。從平臺對抗、體系對抗一路走來，電子戰(zhàn)領(lǐng)域?qū)⒆呦蚝翁庮H值思量。隨著各類電子信息系統(tǒng)“認(rèn)知化”程度的不斷提升，加上戰(zhàn)場電磁環(huán)境的不斷復(fù)雜化，電子戰(zhàn)的未來勢必朝著“認(rèn)知化”方向發(fā)展。

［1］張春磊.認(rèn)知電子戰(zhàn)”拉開序幕——DARPA開始開發(fā)“智能干擾機(jī)”［J］.通信電子戰(zhàn).2011（1）：16+19.

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張春磊（1981—），男，山東沂南人，工程師，主要研究方向?yàn)橥ㄐ烹娮討?zhàn)新技術(shù)、信息網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)對抗；

E+mail：jec＠jec.com

楊小牛（1961—），男，中國工程院院士，研究員，博士生導(dǎo)師，中國電子學(xué)會會士，享受國務(wù)院政府特貼，新世紀(jì)百千萬人才工程國家級人選，浙江省特級專家，研究方向?yàn)橥ㄐ艑埂④浖o線電、認(rèn)知無線電，曾發(fā)表論文數(shù)十篇，獲國家科技進(jìn)步一、二等獎(jiǎng)各一次。

Research on the Cognitive Electronic Warfare and Cognitive Electronic Warfare System

ZHANG Chun+lei2，YANG Xiao+niu1，2
（1.Science and Technology on Communication Information Security Control Laboratory，Zhejiang Jiaxing 314033，China；2.The 36 th Research Institute of CETC，Zhejiang Jiaxing 314033，China）

First presented are the cognitive electronic warfare programs of US，based on which the basic concept，the content，and the advantages of cognitive electronic warfare are analyzed.At last，a feasible architecture of cognitive electronic warfare system is proposed，and，based on machine learning algo+ rithm，the system workflow is analyzed.

Cognitive Electronic Warfare（CEW）；CEW system；machine learning algorithm

TN97

：A

：1673+5692（2014）06+551+05

10.3969／j.issn.1673+5692.2014.06.001

2014+10+29

2014+11+10