賈 鑫, 朱衛(wèi)綱, 曲 衛(wèi), 陳維高
(1.裝備學院 光電裝備系,北京 101416; 2.裝備學院 研究生管理大隊,北京 101416)
隨著科技的不斷進步,面對當前日益復雜多變的戰(zhàn)場電磁環(huán)境,常規(guī)電子戰(zhàn)手段所取得的作戰(zhàn)效能也在逐步下降,面臨著諸多亟須解決的問題:一是戰(zhàn)場上新體制雷達、未知信號、復雜波形層出不窮,加之頻譜擁堵以及海量數(shù)據(jù)的影響,使得目標信號的情報獲取與分析面臨著巨大挑戰(zhàn);二是就電子戰(zhàn)裝備中干擾與抗干擾的攻防關系而言,當前裝備的抗干擾能力飛速提升,這就要求必須加快推進干擾技術(shù)的發(fā)展;三是隨著作戰(zhàn)對象智能化水平的不斷提升,其自適應偵察能力與靈巧應變能力也隨之增強,這就對電子戰(zhàn)裝備的智能化程度提出了新的要求;四是面對各種電子戰(zhàn)裝備組網(wǎng)協(xié)同作戰(zhàn)的發(fā)展,如何能夠迅速、準確、有效地對組網(wǎng)系統(tǒng)實施打擊,將是擺在電子戰(zhàn)研究者面前的一道難題[1]。因此迫切需要開辟一條新的思路來突破瓶頸,推動電子戰(zhàn)作戰(zhàn)方式的變革,認知電子戰(zhàn)技術(shù)正是在這種背景下應運而生的。
認知電子戰(zhàn)融合了認知科學和電子戰(zhàn)技術(shù),涉及眾多的學科領域,包括電子學、軍事學、計算機科學、哲學、語言學、人類學、神經(jīng)學、心理學等。那么如何理解認知的含義?首先,一個實體具備認知能力,就必須建立在實體自身一定的智能化基礎上;其次,整個認知的過程可以看作是對目標及周邊環(huán)境信號的偵收、分析、處理、情報形成、智能判決以及措施實施的過程[2-4]。追根溯源,認知的思想最早體現(xiàn)在認知無線電領域,其技術(shù)核心是能夠?qū)χ苓叚h(huán)境進行感知,并根據(jù)環(huán)境的特點來實時調(diào)節(jié)優(yōu)化自身的工作參數(shù)[5]。隨后美國科學家Simon Haykins將認知的思想融入雷達設計領域,提出了認知雷達的概 念[6-7]。接著從2009年開始,美軍為提高電子戰(zhàn)作戰(zhàn)效能,逐步地將認知的概念引入到電子戰(zhàn)裝備中,也就標志著認知電子戰(zhàn)概念的形成[8]。
為了在未來高技術(shù)戰(zhàn)爭中獲得“制電磁權(quán)”的主動優(yōu)勢,世界各軍事強國都著力提高自身的電子戰(zhàn)作戰(zhàn)能力,其中美軍對電子戰(zhàn)技術(shù)的研究走在了世界的前列,已經(jīng)著手開發(fā)了一系列認知電子戰(zhàn)項目,具備一定的代表性。下面對美軍近期開展的認知電子戰(zhàn)項目進行簡要概述。
1)自適應雷達對抗(Adaptive Radar Countermeasures,ARC)項目。該項目是 DARPA 2012年啟動的一項為期五年的研究項目。目的是開發(fā)在短時間內(nèi)(美軍稱為“戰(zhàn)術(shù)相關的時間段內(nèi)”)對抗敵方新型雷達的能力,使得電子戰(zhàn)系統(tǒng)能夠近乎實時地自動生成有效的對策來對抗新的、未知的或不明確的雷達信號,能夠針對敵方雷達不同的工作模式和信號特征,隨時調(diào)整干擾策略,以達到最佳的干擾效果。
2)自適應電子戰(zhàn)行為學習(Behavioral Learning for Adaptive Electronic Warfare,BLADE)項目[9]。該項目將著重發(fā)展新的算法和技術(shù),使電子戰(zhàn)系統(tǒng)能夠在戰(zhàn)場上自主學習干擾新的通信威脅。其目的是實時對抗敵方的自適應無線通信系統(tǒng)帶來的威脅,即敵人使用的無線設備和網(wǎng)絡指揮,控制和通信以及遙控簡易爆炸裝置等所帶來的無線通信威脅。
3)極端射頻頻譜條件下的通信(Communi-cations in Extreme RF Spectrum Conditions,COMMEX)項目[10]。主要針對在遭受嚴重干擾壓制的情況下,開發(fā)一種具備高度自適應能力和靈活性的通信系統(tǒng)。
4)美空軍認知干擾機(Cognitive Jammer,CJ)項目[11]。該項目旨在以軟件無線電技術(shù)為核心,通過研究軟件算法和樣機系統(tǒng)構(gòu)架,開發(fā)一套功能多樣、干擾樣式靈活多變的認知干擾機系統(tǒng),以期達到干擾靈巧、迅速和有效的目的。
5)美空軍先進電子戰(zhàn)組件(Advanced Components for Electronic Warfare,ACE)項目。該項目主要通過設計制造低成本高產(chǎn)量的先進電子戰(zhàn)光電元件,推進構(gòu)建適應未來先進電子戰(zhàn)的基礎設施和能力。
6)美海軍認知通信電子戰(zhàn)(Cognitive Communication Electronic Warfare)項目。該項目旨在針對具備強大抗干擾能力的智能手機和認知無線電電臺,開發(fā)一種認知通信干擾機。項目要求所開發(fā)的認知通信干擾機能夠利用機器學習算法來學習、預測作戰(zhàn)對象的行為。
7)美海軍下一代電子戰(zhàn)技術(shù)(Cognitive EW Tomorrow)項目[12]。該項目主要從電磁頻譜方面著手,通過抑制敵方、保障己方,加強海軍電磁頻譜的掌控和利用能力。期望通過將自適應、機器學習等算法應用于電子戰(zhàn)中,從而提高電子戰(zhàn)整體的效能。
通過分析美軍近年來展開的電子戰(zhàn)項目可以看出,以提高電子戰(zhàn)系統(tǒng)智能化水平為核心,具備自主感知能力、實時反應能力、準確打擊能力以及評估反饋能力的認知電子戰(zhàn)技術(shù)必將成為未來電子戰(zhàn)的發(fā)展趨勢。因此,為了緊跟電子戰(zhàn)的發(fā)展趨勢、不斷適應日趨復雜多變的戰(zhàn)場電磁環(huán)境、增強電子戰(zhàn)裝備同作戰(zhàn)對象之間的對抗能力,就必須對認知電子戰(zhàn)概念及其所涉及的關鍵技術(shù)進行深入的分析和研究。
在深入分析美軍認知電子戰(zhàn)相關項目之后,可將認知電子戰(zhàn)定義為:為了應對威脅目標的智能發(fā)展、戰(zhàn)場電磁環(huán)境的日益復雜、新波形的不斷涌現(xiàn)而產(chǎn)生的電子戰(zhàn)新方式和新思想。認知電子戰(zhàn)能夠滿足在惡劣防御環(huán)境下,在任何時間、任何地點能夠自主預測、發(fā)現(xiàn)、識別,對抗并評估任何威脅的需求[13],其對應的認知電子戰(zhàn)系統(tǒng)要具有實時戰(zhàn)場環(huán)境的感知與學習、最佳干擾措施的智能選取、干擾措施有效性實時評估反饋的能力,是一個智能的、動態(tài)的、人能夠參與的大閉環(huán)、全自適應系統(tǒng)。認知電子戰(zhàn)系統(tǒng)從環(huán)境感知、干擾措施合成到干擾有效性評估都應該具備較高的實時性和可靠性。
認知電子戰(zhàn)系統(tǒng)的實質(zhì)是首先對目標對象和周邊環(huán)境的自適應偵察感知,從偵收到的海量數(shù)據(jù)中快速準確地分析出可用知識,進而智能地選取或合成最佳的電子攻擊措施,然后通過進一步的感知來對攻擊效能進行評估,最后根據(jù)評估優(yōu)劣來指導系統(tǒng)下一次的電子進攻[14]??梢詫⒄J知電子戰(zhàn)系統(tǒng)構(gòu)建為一個大閉環(huán)系統(tǒng),分為3個功能模塊:認知偵察模塊、對抗措施合成模塊和對抗效果評估模塊[15-17]。認知電子戰(zhàn)系統(tǒng)的組成如圖1所示。
圖1 認知電子戰(zhàn)系統(tǒng)組成框圖
認知偵察模塊通過對戰(zhàn)場電磁環(huán)境的感知,偵收到目標及其周邊環(huán)境信號后,進行測量、分類、特征提取和識別等信號處理分析過程,進而提取出描述當前環(huán)境的核心參數(shù)特征,形成特征描述數(shù)據(jù),并傳送至對抗措施合成和效果評估模塊。對抗措施合成模塊通過分析信號特征,并結(jié)合知識庫中的學習信息,搜索最佳的干擾策略,同時進行干擾資源分配和最優(yōu)化干擾波形,進而對目標實施干擾。對抗效果評估模塊根據(jù)實施干擾前后目標信號特征的變化來定量地分析對抗效果,得到當前干擾措施的效能評估結(jié)果,優(yōu)化對抗策略,進而促進下一輪對抗措施的合成。
認知電子戰(zhàn)系統(tǒng)雖然具備一定的智能化能力,能夠根據(jù)目標狀態(tài)的不同自主地調(diào)整最佳的對抗措施,但戰(zhàn)場環(huán)境錯綜復雜,需要依據(jù)戰(zhàn)局的實際情況或者設定的戰(zhàn)術(shù)策略來操控系統(tǒng),這就需要通過人機交互來實現(xiàn)操作人員對認知電子戰(zhàn)系統(tǒng)的總體掌控。可以在系統(tǒng)中構(gòu)建一個人機交互接口,通過該接口,操作人員可以第一時間獲取認知偵察和效果評估的最終信息,進而操控或者干預系統(tǒng)的工作流程,擁有實施干擾的最高權(quán)限。
另外知識庫的構(gòu)建也是認知電子戰(zhàn)系統(tǒng)中不可或缺的,并且3個功能模塊都必須具備與之相對應的能夠?qū)崟r更新知識的動態(tài)數(shù)據(jù)庫,以便系統(tǒng)在工作過程中利用這些知識庫來快速地獲取信息,并利用反饋和新捕獲的信息進行認知學習,動態(tài)更新知識庫。
作為電子戰(zhàn)研究領域的前沿思想,認知電子戰(zhàn)具備極其廣闊的應用前景,相較于常規(guī)電子戰(zhàn)作戰(zhàn)手段,具備以下顯著的優(yōu)勢。
1)具備適應復雜電磁環(huán)境,實時精確的態(tài)勢感知能力。隨著電子戰(zhàn)裝備的不斷發(fā)展,如何在日趨復雜多變的戰(zhàn)場電磁環(huán)境中,準確快速地對周邊環(huán)境及目標進行態(tài)勢感知,已經(jīng)成為制約傳統(tǒng)電子戰(zhàn)發(fā)展的瓶頸問題之一,而這恰恰是認知電子戰(zhàn)發(fā)展成熟后所必須具備的能力。尤其針對存在跳頻通信、捷變頻雷達、新型未知信號等復雜電磁環(huán)境時,認知電子戰(zhàn)系統(tǒng)能夠近實時地截獲目標信號,對其進行分析識別,獲得目標信息,明確目標意圖。
2)具備動態(tài)學習和經(jīng)驗累積能力。認知電子戰(zhàn)除了具備自主感知戰(zhàn)場態(tài)勢的能力以外,還具備近實時、動態(tài)的學習和經(jīng)驗積累能力。例如,在現(xiàn)有知識庫的基礎上,近實時、動態(tài)地識別新出現(xiàn)的未知信號,對其進行詳細分析,并將分析結(jié)果用于知識庫的更新。這樣,在面臨新的復雜電磁環(huán)境時,認知電子戰(zhàn)系統(tǒng)可快速適應該環(huán)境,并自主生成適用于該環(huán)境的決策。
3)具備智能決策和效能評估能力。與傳統(tǒng)電子戰(zhàn)技術(shù)相比,認知電子戰(zhàn)能夠通過分析目標信號來推斷其當前所處的狀態(tài),進而通過智能決策來實施最優(yōu)的策略。策略實施后,繼續(xù)觀察目標信號,通過分析對比施加策略前后信號的變化,或者目標狀態(tài)的變化來進行效能評估。這樣,通過評估來判斷施加策略的好壞,進而反饋到智能決策模塊,進一步對策略的合成進行優(yōu)化,以達到最佳的作戰(zhàn)效能。
4)具備有效對抗認知系統(tǒng)或網(wǎng)絡的能力。在認知無線電理論技術(shù)的基礎上,借助其核心“認知”理念,在電子戰(zhàn)領域,迅速出現(xiàn)了認知無線電臺、認知無線網(wǎng)和認知雷達等系統(tǒng)。這些認知系統(tǒng)或網(wǎng)絡能夠根據(jù)周邊環(huán)境的變化,自主地轉(zhuǎn)變工作方式、調(diào)整參數(shù)、改變信號波形,在力求取得最佳作戰(zhàn)效能的同時,也大大提高了系統(tǒng)自身的抗干擾能力。面對這種“智能化”的對抗目標,傳統(tǒng)電子戰(zhàn)系統(tǒng)的效能必然大打折扣,然而認知電子戰(zhàn)的技術(shù)核心也是“認知能力”,可謂同根同源,具備優(yōu)越的“智能化”對抗能力,在實施對抗的過程中,是利用“智能化”對抗“智能化”,必將大大提高對抗認知系統(tǒng)或網(wǎng)絡的能力。
5)具備增強同賽博戰(zhàn)相互使能的能力。電子戰(zhàn)與賽博戰(zhàn)作為高技術(shù)條件下的新興作戰(zhàn)樣式,在效能發(fā)揮方面有著極其緊密的相互使能關系。然而受傳統(tǒng)電子戰(zhàn)在偵察分析、決策生成、對抗實施以及效能檢測等方面技術(shù)水平的限制,同時又由于賽博戰(zhàn)注重邏輯層、應用層等高層次的信息對抗,缺乏物理層、鏈路層等低層次的對抗手段和技術(shù),從而導致兩者之間的使能作用并未充分發(fā)揮。但認知電子戰(zhàn)在多個關鍵環(huán)節(jié)帶來了重大的技術(shù)變革,將顯著縮小電子戰(zhàn)同賽博戰(zhàn)之間的距離,進而增強兩者之間的相互使能作用。與此同時,這種使能作用也必將促進某些瓶頸問題的突破,進一步推動電子戰(zhàn)與賽博戰(zhàn)的發(fā)展[18-19]。
6)具備優(yōu)良的隱蔽性和抗毀性。在當前復雜多變的戰(zhàn)場環(huán)境下,傳統(tǒng)電子戰(zhàn)系統(tǒng)對作戰(zhàn)對象的態(tài)勢感知不充分,深度、精度不到位,為了對目標實施有效對抗,就必須依靠大功率壓制手段來實現(xiàn)。盡管這種對抗手段很有效,但同時帶來了很多方面的問題,核心的就是干擾信號非常容易暴露,從而招致敵方的反輻射打擊。而認知電子戰(zhàn)系統(tǒng)能夠在復雜多變的電磁環(huán)境中,深入、精確地進行自主態(tài)勢感知,并在此基礎上實現(xiàn)對目標的精確干擾,而無須依靠大功率壓制手段,從而將大大提高干擾系統(tǒng)的隱蔽性和抗毀性[19-20]。
在研究認知電子戰(zhàn)概念和現(xiàn)有自適應、智能化算法的基礎上,可以將認知電子戰(zhàn)所涉及的主要關鍵技術(shù)總結(jié)為以下4個方面。
在電子戰(zhàn)領域,首要且關鍵的就是對目標的偵察技術(shù),如果偵察感知不充分,后續(xù)的一切工作都是無的放矢。因此只有快速、準確、全面地從戰(zhàn)場周邊環(huán)境中捕獲有用信息,才能夠為后續(xù)智能決策、對抗生成以及效能評估等過程提供必要的信息支撐??梢越柚鷻C器學習領域的神經(jīng)網(wǎng)絡、支持向量機等方法來展開對認知偵察技術(shù)的研究,主要包括在高密度復雜信號環(huán)境下的威脅信號分選、識別和特征提取算法,這些算法的設計必須充分考慮實時性和準確度。自適應機器學習算法需要一定的先驗知識作為訓練的基礎,并且在工作過程中還需不斷地積累所捕獲的新威脅信號,通過持續(xù)地對動態(tài)數(shù)據(jù)庫中積累的信號知識進行學習,從而達到提高認知能力的目的。
為提高認知電子戰(zhàn)系統(tǒng)的感知效率,充分發(fā)揮系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能,需要研究認知建模技術(shù)。認知電子戰(zhàn)系統(tǒng)在工作時,要求能夠?qū)崟r感知目標及周邊戰(zhàn)場的環(huán)境信息,然而在當前高密度復雜電磁環(huán)境中,輻射源數(shù)目巨大且不同輻射源的信號存在較大差異,因此為了能夠快速、準確、全面地實施認知偵察,就必須對系統(tǒng)周邊的電磁環(huán)境進行動態(tài)的認知建模,通過統(tǒng)一的模型架構(gòu)來描述不同類型的信息??梢詫⒚枋龅男畔⒎譃殪o態(tài)參數(shù)信息和動態(tài)參數(shù)信息兩大方面,所涉及的內(nèi)容有頻率、重頻、到達方向、帶寬、波形特征、協(xié)議、電子防護模式、功能意圖等。
隨著科技的飛速發(fā)展,電子戰(zhàn)裝備的復雜度和靈活性有了較大的提升,抗干擾能力日趨增強。以雷達為例,數(shù)字陣列雷達、認知雷達等新體制雷達層出不窮,這些雷達可以實現(xiàn)超低副瓣的發(fā)射和接收,具備靈活多樣的工作模式和復雜多變的信號樣式,同時可以利用極少的脈沖個數(shù)來對目標實施探測。由于上述多種技術(shù)的采用,使得偵察接收機對這些雷達信號的捕獲、處理、分析困難重重,直接導致了整個系統(tǒng)抗干擾性能的提升。在面對這些抗干擾性能優(yōu)異的新型電子戰(zhàn)裝備條件下,倘若依舊利用常規(guī)電子戰(zhàn)手段進行攻擊,則很難達到所需的干擾效果[21]。因此為了應對戰(zhàn)場上出現(xiàn)的未知復雜威脅目標,探索新的高度自適應電子干擾技術(shù)刻不容緩。
在電子干擾技術(shù)中,干擾措施合成技術(shù)是對目標對象實施電子進攻的關鍵環(huán)節(jié),該技術(shù)突破的關鍵亦在于軟件算法的設計,即必須引入智能化的思想,開發(fā)針對干擾措施合成的智能優(yōu)化算法。在算法設計過程中,必須著重考慮目標威脅等級與對抗措施合成之間的關系、不同類型對抗目標的干擾參數(shù)設置以及智能生成或選擇干擾策略等問題。遺傳算法(GA)、粒子群算法(PSO)等當前主流的優(yōu)化方法,在時效性和最優(yōu)策略選取等方面不能夠滿足認知電子戰(zhàn)系統(tǒng)中干擾措施合成技術(shù)的需求[21]。因此需要探索開發(fā)更為先進的,實時性和最優(yōu)解選取都表現(xiàn)優(yōu)異的智能優(yōu)化算法。
在認知電子戰(zhàn)技術(shù)中需要發(fā)展一個新的效能評估手段,即根據(jù)目標受到干擾前后信號特征工作狀態(tài)的變化來評估干擾有效性的技術(shù)。該技術(shù)的研究需要對多種目標的各個工作狀態(tài),以及不同工作狀態(tài)時的特征參數(shù)進行詳細分析和總結(jié),從而形成智能推理機制,以便推測目標當前所處的狀態(tài),甚至目標的意圖,進而指導優(yōu)化干擾措施合成,取得最佳的干擾效果。這種推理機制不僅能夠處理有先驗知識的目標,而且針對未來戰(zhàn)場上不具備先驗知識的復雜目標也同樣有效。
認知電子戰(zhàn)是認知科學與電子戰(zhàn)技術(shù)相融合的新興產(chǎn)物,涉及多種學科領域的交叉,如何開展關鍵技術(shù)研究,是否能夠借鑒人工智能和認知無線電的現(xiàn)有成果,還要我們認真思考,比如人工智能中的推理、思考與規(guī)劃等;機器學習中的人工神經(jīng)網(wǎng)絡、強化學習、貝葉斯學習與支持向量機等;智能優(yōu)化算法中的遺傳算法、模擬退火算法等。同時,認知無線電中頻譜感知技術(shù)對認知電子戰(zhàn)環(huán)境感知技術(shù)是否能夠借鑒、面向功率控制與資源管理技術(shù)對認知電子戰(zhàn)資源管理技術(shù)是否能借鑒、認知網(wǎng)絡技術(shù)對認知電子戰(zhàn)網(wǎng)絡技術(shù)和構(gòu)架是否能夠借鑒,都是值得我們?nèi)パ芯康膬?nèi)容。
當前電磁空間領域的競爭日趨激烈,為了在未來戰(zhàn)場上掌握制電磁權(quán),各國都在大力提升電子戰(zhàn)裝備的智能化水平,這就導致了常規(guī)電子戰(zhàn)作戰(zhàn)手段難以在未來戰(zhàn)場上發(fā)揮期望的效能。因此,為了牢牢把握電子戰(zhàn)發(fā)展新形態(tài)、新思想,形成實時、準確、有效對抗未來戰(zhàn)場上智能化電子戰(zhàn)裝備的能力,在未來高密度復雜電磁環(huán)境中掌握制電磁權(quán),必須大力發(fā)展以裝備智能化為基礎的認知電子戰(zhàn)技術(shù)。
目前認知電子戰(zhàn)技術(shù)的研究仍處于初級階段,有關的系統(tǒng)構(gòu)建思路、核心技術(shù)、解決方案以及具體實施方法都有待進一步探索和研究。
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