李京華，丁國(guó)如，徐以濤，樂(lè) 超

( 陸軍工程大學(xué)，南京 210007)

0 引 言

電磁頻譜屬于戰(zhàn)略性自然資源，是人類目前最理想的無(wú)線信息傳輸媒介，同時(shí)還是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中的核心作戰(zhàn)要素，是決定戰(zhàn)爭(zhēng)勝負(fù)的重要戰(zhàn)略資源。現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)追求全方位、多層次、寬領(lǐng)域、體系化協(xié)同作戰(zhàn)，電子戰(zhàn)與制電磁權(quán)的關(guān)系越來(lái)越密切，隨之發(fā)展而來(lái)的電磁頻譜戰(zhàn)已經(jīng)成為協(xié)同作戰(zhàn)中敵我雙方對(duì)抗的核心戰(zhàn)法。電磁頻譜戰(zhàn)的重要作戰(zhàn)價(jià)值引起各國(guó)軍事集團(tuán)以及專家學(xué)者的持續(xù)研究，各方勢(shì)力試圖在電磁控制領(lǐng)域占據(jù)領(lǐng)先地位。機(jī)器學(xué)習(xí)、模式識(shí)別、人工智能等先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展提升了電磁頻譜的感知、推理以及預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，為電磁頻譜戰(zhàn)整體作戰(zhàn)能力的提升打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。但作戰(zhàn)能力提升是無(wú)止境的，群體智能作為新一代人工智能重要研究方向，其群智思想涌現(xiàn)出的遠(yuǎn)超個(gè)體的智能，為解決復(fù)雜頻譜作戰(zhàn)問(wèn)題提供了新范式，一定程度上可以規(guī)避單個(gè)系統(tǒng)的決策誤差。

1 電磁頻譜戰(zhàn)概述

國(guó)內(nèi)電磁頻譜專家對(duì)電磁頻譜戰(zhàn)開(kāi)展了一系列相關(guān)研究，王沙飛院士[1]將電磁頻譜戰(zhàn)概述為傳統(tǒng)電子對(duì)抗概念向“電子戰(zhàn)+電磁頻譜控制”的延續(xù)和發(fā)展，是發(fā)生在電磁空間并依賴電磁空間能力的對(duì)抗行動(dòng)，其核心能力包括電磁空間偵察能力、電磁空間進(jìn)攻能力、電磁空間防御能力和電磁戰(zhàn)斗管理能力。呂躍廣院士[2]將電磁頻譜戰(zhàn)概述為是綜合考慮到戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)變化、電子信息技術(shù)發(fā)展和頻譜應(yīng)用現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)后對(duì)“電磁頻譜領(lǐng)域進(jìn)行的軍事通信、傳感和電子戰(zhàn)等軍事行動(dòng)”這一概念的修訂或重新定義，其目的在于強(qiáng)化電磁頻譜管理和電子戰(zhàn)在未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中的強(qiáng)耦合關(guān)聯(lián)。

外軍認(rèn)為“頻譜是一種無(wú)形的戰(zhàn)斗力，并且是可與火力機(jī)械動(dòng)力相提并論的新型戰(zhàn)斗力”。21世紀(jì)是信息化戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)代，同時(shí)也是電磁頻譜戰(zhàn)的新時(shí)代。電磁頻譜在頻譜戰(zhàn)中的重要性不言而喻。早在1956年，蘇聯(lián)海軍司令Sergei Gorschkov上將就曾指出： “誰(shuí)控制了電磁頻譜，誰(shuí)將贏得下一場(chǎng)戰(zhàn)爭(zhēng)”[3]。外軍認(rèn)為“21世紀(jì)掌握制電磁權(quán)與19世紀(jì)掌握制海權(quán)、20世紀(jì)掌握制空權(quán)一樣具有決定意義，因此信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中頻譜甚至比子彈更重要”[4]。

關(guān)于電磁頻譜對(duì)抗，傳統(tǒng)上分為三個(gè)階段：

(1) 利用有源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無(wú)源對(duì)抗： 這一階段主要是在第一次世界大戰(zhàn)時(shí)期，雙方交戰(zhàn)主力為步兵，作戰(zhàn)節(jié)奏慢、周期長(zhǎng)，信息時(shí)效性要求較低，且技術(shù)水平較差，在對(duì)敵方進(jìn)行有源干擾的同時(shí)，會(huì)對(duì)己方有源設(shè)備造成較大干擾，影響己方作戰(zhàn)指揮。因此，通常的做法是利用有源手段發(fā)射無(wú)線電信號(hào)對(duì)己方進(jìn)行作戰(zhàn)部署及協(xié)調(diào)，利用無(wú)源手段對(duì)敵方測(cè)向并定位以獲取敵方通信狀況。

(2) 利用有源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有源對(duì)抗： 這一階段主要發(fā)生在第二次世界大戰(zhàn)時(shí)期，電子技術(shù)得到快速發(fā)展，戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境復(fù)雜性大大增加，信息時(shí)效性要求提高，此時(shí)只對(duì)敵方無(wú)線通信信息進(jìn)行感知分析已經(jīng)不能滿足戰(zhàn)爭(zhēng)需求，且感知分析技術(shù)水平不能與敵方戰(zhàn)場(chǎng)對(duì)策應(yīng)對(duì)速度相匹配，因此有源對(duì)抗應(yīng)運(yùn)而生，通常通過(guò)發(fā)射一定功率的信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)敵遠(yuǎn)距離對(duì)抗或近距離自我防護(hù)。

(3) 利用“隱身”和低功率網(wǎng)絡(luò)對(duì)抗： 2015年12月，美國(guó)戰(zhàn)略與預(yù)算評(píng)估中心(CSBA)發(fā)布了《電波制勝： 重拾美國(guó)在電磁頻譜領(lǐng)域的主宰地位》研究報(bào)告，報(bào)告中，“零至低功率”這一作戰(zhàn)理念被正式提出，希望通過(guò)對(duì)敵方設(shè)備反射信號(hào)的分析發(fā)現(xiàn)和定位敵方，或者通過(guò)部署“零至低功率”的分布式、網(wǎng)絡(luò)化對(duì)抗體系，對(duì)敵方電磁行動(dòng)造成有效殺傷。

一直以來(lái)，美國(guó)高度重視電磁頻譜的控制和利用，并在不同時(shí)期推出不同作戰(zhàn)概念和作戰(zhàn)指令。2010年，老烏鴉協(xié)會(huì)(The Association of Old Crows，AOC)提出電磁頻譜控制的概念。2012年，美參聯(lián)會(huì)在《JP3-13.1 聯(lián)合電子戰(zhàn)條令》中提出聯(lián)合電磁頻譜作戰(zhàn)(JEMSO)概念[5]，美國(guó)戰(zhàn)略司令部建立了聯(lián)合電磁頻譜控制中心(JEMSCC)。2013年，美國(guó)防部擬定了《聯(lián)合電磁頻譜作戰(zhàn)》條令，美國(guó)空軍提出頻譜戰(zhàn)； 4月，美國(guó)陸軍發(fā)起賽博電磁活動(dòng)(CEMA)倡議，美國(guó)海軍作戰(zhàn)部長(zhǎng)撰文闡述“賽博與電磁環(huán)境”，均旨在實(shí)現(xiàn)電子戰(zhàn)、賽博戰(zhàn)、電磁頻譜運(yùn)作領(lǐng)域融合，同時(shí)美海軍還啟動(dòng)了網(wǎng)絡(luò)與電磁頻譜(NES)路線圖研究； 11月，美國(guó)空軍正式發(fā)布先進(jìn)新型頻譜戰(zhàn)環(huán)境研究(ANSWER)項(xiàng)目標(biāo)書(shū)。2014年，美國(guó)陸軍提出網(wǎng)絡(luò)電磁行動(dòng)(CEMA)； 12月，美國(guó)海軍提出電磁機(jī)動(dòng)戰(zhàn)概念(EMMW)[6]。2015年，美軍發(fā)布的《關(guān)于國(guó)家安全的突破性技術(shù)》戰(zhàn)略指南中明確指出“未來(lái)幾年 DARPA的研究重點(diǎn)是確保制電磁權(quán)”； 12月，美國(guó)戰(zhàn)略與預(yù)算評(píng)估中心(CSBA)發(fā)布了《電波制勝： 重拾美國(guó)在電磁頻譜領(lǐng)域的主宰地位》研究報(bào)告[7]，提出了“零至低功率電磁頻譜戰(zhàn)”作戰(zhàn)概念，重點(diǎn)闡述了美國(guó)如何在未來(lái)的電磁頻譜戰(zhàn)中重拾霸主地位的一些建議，可將電磁頻譜戰(zhàn)概述為“電磁領(lǐng)域發(fā)生的軍用通信、傳感和電子戰(zhàn)等軍事行動(dòng)”； 美國(guó)國(guó)防系統(tǒng)網(wǎng)報(bào)道“國(guó)防部正在考慮將頻譜作為陸地、空中、海洋、太空和網(wǎng)絡(luò)空間之外的第六個(gè)作戰(zhàn)領(lǐng)域”。2016年10月，聯(lián)合條令注釋JDN3-16： 《美軍聯(lián)合電磁頻譜作戰(zhàn)》對(duì)電磁頻譜作戰(zhàn)的概念進(jìn)行了進(jìn)一步的詮釋，將其定義為： “旨在利用、進(jìn)攻、防御和管理電磁環(huán)境的協(xié)同軍事行動(dòng)”[8]。2017年1月，美國(guó)國(guó)防部發(fā)布了《電子戰(zhàn)戰(zhàn)略》，從戰(zhàn)略層面正式確立電磁頻譜為獨(dú)立作戰(zhàn)域，明確加速推進(jìn)電磁頻譜戰(zhàn)能力的發(fā)展戰(zhàn)略； 10月，智庫(kù)研究報(bào)告《決勝灰色地帶》提出了電磁戰(zhàn)，對(duì)該概念進(jìn)行了進(jìn)一步解釋； 2017年年底，CSBA發(fā)布了題為《決勝灰色地帶——運(yùn)用電磁戰(zhàn)重獲局勢(shì)掌控優(yōu)勢(shì)》的報(bào)告，以期運(yùn)用該作戰(zhàn)概念全面超越競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手； 美軍聯(lián)合參謀部完成了《電磁作戰(zhàn)管理初始能力文件》的評(píng)審，評(píng)審中指出聯(lián)合電磁頻譜作戰(zhàn)部隊(duì)是全天時(shí)持續(xù)作戰(zhàn)部隊(duì)，可輔助作戰(zhàn)指揮官使用電磁頻譜遂行作戰(zhàn)。2018年1月，美國(guó)空軍組建了由Gaedecke準(zhǔn)將領(lǐng)導(dǎo)的電子戰(zhàn)/電磁頻譜優(yōu)勢(shì)體系能力協(xié)作小組(ECCT)，旨在研究如何確保電磁頻譜優(yōu)勢(shì)，開(kāi)始實(shí)質(zhì)性推進(jìn)電磁頻譜戰(zhàn)[9]。Gaedecke總結(jié)說(shuō)： “電磁頻譜優(yōu)勢(shì)是國(guó)防戰(zhàn)略的根本，要成為未來(lái)的致命力量，需要美國(guó)空軍在研究、技術(shù)和創(chuàng)新方面發(fā)揮領(lǐng)導(dǎo)作用，頻譜優(yōu)勢(shì)是一切的根本?！泵绹?guó)空軍教育和訓(xùn)練司令部牽頭成立了電磁防御工作組(EDTF)，以緩解美國(guó)當(dāng)前和未來(lái)的電磁頻譜挑戰(zhàn)，并于8月召開(kāi)首屆峰會(huì)，峰會(huì)研討的主題包括電磁脈沖、地磁干擾、激光和光學(xué)、電磁頻譜管理等電磁攻擊領(lǐng)域關(guān)鍵性技術(shù)，旨在幫助和鼓勵(lì)美國(guó)及其盟國(guó)采取行動(dòng)，解決在電磁頻譜中面臨的威脅，恢復(fù)在電磁頻譜中的技術(shù)領(lǐng)先地位。2019年1月4日，《電波制勝》和《決勝灰色地帶》作者、美國(guó)智庫(kù)高級(jí)研究員Clark在防務(wù)頭條網(wǎng)站發(fā)表文章[10]，對(duì)2019年美國(guó)國(guó)防部電磁頻譜戰(zhàn)發(fā)展作出展望。文章中指出，美國(guó)電子戰(zhàn)確實(shí)有復(fù)興的跡象，自2017年初以來(lái)，美國(guó)國(guó)防部發(fā)布了一項(xiàng)新的電子戰(zhàn)策略，空軍對(duì)未來(lái)電子戰(zhàn)需求進(jìn)行了服務(wù)范圍的研究，電磁作戰(zhàn)管理(EMBM)成為聯(lián)合作戰(zhàn)優(yōu)先事項(xiàng)，海軍加強(qiáng)了電子戰(zhàn)訓(xùn)練，并且陸軍和海軍陸戰(zhàn)隊(duì)開(kāi)始重建他們的EW級(jí)別，當(dāng)前美國(guó)最困難的部分是將新的戰(zhàn)略和概念轉(zhuǎn)化為該領(lǐng)域的理論、需求和系統(tǒng)。他強(qiáng)調(diào)“國(guó)防部要持續(xù)重視電磁頻譜，電磁頻譜、外太空和賽博空間是決定未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)勝負(fù)的關(guān)鍵”。

2 電磁頻譜戰(zhàn)核心能力與技術(shù)挑戰(zhàn)

作為新型作戰(zhàn)力量的重要組成部分，電磁頻譜戰(zhàn)在未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中起著至關(guān)重要的作用，獲取制電磁權(quán)是取得戰(zhàn)爭(zhēng)勝利的核心。趙波等[11]對(duì)我國(guó)電磁空間面臨的威脅進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，并提出了相應(yīng)的對(duì)策建議。本文對(duì)電磁頻譜戰(zhàn)的核心能力電磁頻譜偵察能力、進(jìn)攻能力、防御能力以及管控能力進(jìn)行梳理分析，并提出了現(xiàn)階段電磁頻譜戰(zhàn)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，如表1所示。

2.1 電磁頻譜偵察能力

依據(jù)電子偵察、通信偵察、光電偵察、雷達(dá)偵察等偵察技術(shù)的概念和內(nèi)涵，電磁頻譜偵察是利用相應(yīng)的技術(shù)和設(shè)備搜集敵方設(shè)備發(fā)射的電磁信號(hào)，通過(guò)對(duì)其信號(hào)的分析，獲取敵方設(shè)備技術(shù)參數(shù)，并通過(guò)對(duì)參數(shù)進(jìn)行分析確定設(shè)備類型、數(shù)量、用途，獲取設(shè)備位置等，為進(jìn)一步分析敵方組織架構(gòu)等提供支撐。其中涉及到的技術(shù)參數(shù)可以是敵方發(fā)射機(jī)的方位、調(diào)制方式等，或者發(fā)射信號(hào)的發(fā)射頻率、波長(zhǎng)、信號(hào)強(qiáng)度等。

電磁頻譜偵察是電磁頻譜攻擊、防御、管控的前提，只有在對(duì)電磁頻譜信號(hào)進(jìn)行精準(zhǔn)獲取、深入全面分析的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)敵方兵力部署的有效推演，達(dá)到知彼知己，才能實(shí)現(xiàn)下一步的實(shí)時(shí)攻擊。國(guó)內(nèi)外學(xué)者從頻譜監(jiān)測(cè)硬件、軟件、算法、監(jiān)測(cè)方案、頻譜監(jiān)測(cè)頻段等角度全方位進(jìn)行研究： Lu等[12]對(duì)我國(guó)邊境地區(qū)無(wú)線電頻譜監(jiān)測(cè)情況進(jìn)行了概述； 羅越[13]研究了電磁頻譜監(jiān)測(cè)硬件設(shè)計(jì)和信號(hào)處理軟件及算法設(shè)計(jì)； Kulin等[14]提出了一種應(yīng)用于頻譜監(jiān)測(cè)的無(wú)線信號(hào)識(shí)別的深度學(xué)習(xí)方法，Bergh等[15]提出了一種基于分布式、協(xié)同的眾包頻譜監(jiān)測(cè)方案； Krutova[16]提出了甚高頻/超高頻頻率范圍內(nèi)頻譜監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃程序； Chen等[17]分析了噪聲閾值估計(jì)對(duì)頻譜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析的影響并對(duì)噪聲閾值的設(shè)置提出了建議等，以上研究豐富了頻譜監(jiān)測(cè)體系，為充分利用頻譜資源提供了參考。

表1 電磁頻譜戰(zhàn)核心能力及相關(guān)研究

隨著戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)要素不斷豐富，體系化作戰(zhàn)需求更加迫切，面對(duì)越來(lái)越復(fù)雜的電磁環(huán)境，如何保持較好的電磁頻譜偵察能力，尤其是實(shí)現(xiàn)對(duì)弱信號(hào)超可靠無(wú)源全息感知是未來(lái)電磁頻譜戰(zhàn)中面臨的一大挑戰(zhàn)。

2.2 電磁頻譜攻擊能力

電磁頻譜攻擊主要通過(guò)電磁技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)敵方電磁設(shè)備、電磁頻譜的秩序、電磁波傳遞方向等的擾亂和破壞，粉碎敵方電磁作戰(zhàn)的一種作戰(zhàn)樣式，實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)行動(dòng)中電磁頻譜的優(yōu)先制勝權(quán)。這種攻擊方式避開(kāi)了傳統(tǒng)作戰(zhàn)中對(duì)敵力量的正面進(jìn)攻，通過(guò)對(duì)各種作戰(zhàn)設(shè)備頻譜信號(hào)的攻擊達(dá)到制勝目的，是旁道攻擊的一種。

電磁頻譜攻擊威力巨大，2019年3月，委內(nèi)瑞拉總統(tǒng)指責(zé)美國(guó)對(duì)該國(guó)電力系統(tǒng)進(jìn)行高科技“電磁攻擊”破壞其電力系統(tǒng)，引起國(guó)內(nèi)動(dòng)蕩。核武器發(fā)射與起爆都離不開(kāi)電子元器件，電磁脈沖產(chǎn)生的巨大磁場(chǎng)會(huì)嚴(yán)重破壞這些器件，從而導(dǎo)致核武器的發(fā)射，而核電磁脈沖甚至?xí)?duì)航母進(jìn)行攻擊，因此各國(guó)在設(shè)計(jì)水面艦艇之初都會(huì)考慮電磁攻擊這一威脅。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)是通過(guò)保護(hù)電子設(shè)備或降低電磁干擾、降低電磁偽造數(shù)據(jù)攻擊等對(duì)電磁攻擊進(jìn)行防御。譚劍鋒等[18]提出了一種利用能量選擇表面(ESS)保護(hù)電子設(shè)備免受大功率電磁武器攻擊的新方法； Sharifi等[19]針對(duì)存在的頻譜感知數(shù)據(jù)偽造問(wèn)題(SSDF)提出了攻擊感知防御方案； Lee等[20]提出擴(kuò)頻時(shí)鐘產(chǎn)生的擴(kuò)頻方法降低電磁干擾； Wang等[21]研究了利用復(fù)雜信號(hào)頻譜變換技術(shù)抑制通信系統(tǒng)中的有意電磁干擾等。

現(xiàn)有電磁攻擊研究更側(cè)重于對(duì)敵攻擊能力的提升，但隨著戰(zhàn)爭(zhēng)形式越來(lái)越嚴(yán)峻，各個(gè)國(guó)家都在不斷提升自身的作戰(zhàn)能力，電磁攻擊能力不進(jìn)則退，要提升作戰(zhàn)勝利幾率，在電磁頻譜攻擊中，不僅是實(shí)現(xiàn)對(duì)敵方設(shè)備的有效攻擊，同時(shí)也需要重視保持己方的隱蔽性。因此電磁攻擊對(duì)敵破壞性和對(duì)隱蔽性的綜合優(yōu)化，也是未來(lái)電磁頻譜作戰(zhàn)中需要重視的技術(shù)挑戰(zhàn)。

2.3 電磁頻譜防御能力

電磁頻譜防御指在作戰(zhàn)過(guò)程中利用較低的發(fā)射功率或無(wú)源的設(shè)備或認(rèn)知水平較高的設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)敵方電磁攻擊的同時(shí)隱藏或降低己方被敵方發(fā)現(xiàn)的電磁活動(dòng)。

美國(guó)空軍科學(xué)研究處Kaplan[22]在對(duì)國(guó)防部電磁頻譜策略的解析中提到，在對(duì)抗電磁干擾中，軍方的目標(biāo)是在保護(hù)己方行動(dòng)的同時(shí)，影響、破壞對(duì)手及潛在對(duì)手的決策。

在體系融合、協(xié)同作戰(zhàn)的趨勢(shì)下，同一戰(zhàn)役中可能存在多種用頻設(shè)備，且在時(shí)域、頻域、空域用頻方式同時(shí)存在且靈活多變，面對(duì)這一復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，開(kāi)發(fā)可以應(yīng)對(duì)智能化進(jìn)攻的統(tǒng)一防御體系對(duì)保護(hù)己方正常用頻，有效打擊敵方意義重大。

2.4 電磁資源管控能力

電磁頻譜當(dāng)前面臨“電磁頻譜資源有限，用頻需求不斷增加，頻譜利用率低下”的嚴(yán)峻形勢(shì)，現(xiàn)實(shí)發(fā)展趨勢(shì)要求在保證滿足大量用戶用頻需求的同時(shí)，不對(duì)其他用戶形成干擾，保證每個(gè)用戶的用頻質(zhì)量； 同時(shí)，不同用頻設(shè)備之間的電磁頻譜兼容問(wèn)題突出，頻譜管理往往也貫穿于電磁頻譜管控過(guò)程中。

要解決以上問(wèn)題，需要從不同角度對(duì)電磁頻譜資源實(shí)施管控，現(xiàn)有的研究主要有： (1)基于應(yīng)用場(chǎng)景的研究，Yu等[23]提出了一種艦隊(duì)電磁頻譜管理系統(tǒng)建模新方法； Lai[24]研究了衛(wèi)星無(wú)線電通信系統(tǒng)頻譜管理模型，提出電磁干擾的計(jì)算方法，給出了基于EMC的頻譜管理模式。(2)基于算法策略的研究，2010年預(yù)備役電磁頻譜管理中心成立，段國(guó)棟[25]等研究了基于規(guī)則推理的電磁頻譜管理輔助決策方法； 雒瑞森等[26]結(jié)合當(dāng)前人工智能技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于廣播關(guān)鍵詞進(jìn)行自動(dòng)無(wú)線電頻譜信號(hào)管控的方法等。(3)基于電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)的研究，Karpenko等[27]介紹了烏克蘭國(guó)家無(wú)線電頻率中心在2012年歐洲足球錦標(biāo)賽期間在烏克蘭開(kāi)展的頻率規(guī)劃和頻譜監(jiān)測(cè)活動(dòng)，該中心通過(guò)頻譜監(jiān)測(cè)為許多無(wú)線電電子設(shè)施提供電磁兼容和無(wú)干擾的工作； Cohen等[28]分析了特定頻段擁擠電磁環(huán)境下頻譜分析和測(cè)量對(duì)利用有限頻譜資源的方法和意義。

實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁頻譜資源的有效管控是保持頻譜資源合理利用的前提。在復(fù)雜電磁環(huán)境下作戰(zhàn)，智能化作戰(zhàn)迫切需要電磁管控以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)頻譜感知和分配、頻譜兼容等，并實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)時(shí)緊需條件下滿足民用頻譜授權(quán)用戶正常使用情況下借用軍用，達(dá)到有限資源下攻防效益最大化。

3 群體智能賦能的電磁頻譜戰(zhàn)

未來(lái)電磁頻譜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境瞬息萬(wàn)變，存在大量動(dòng)態(tài)不確定性影響因素，隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)作戰(zhàn)域、作戰(zhàn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，作戰(zhàn)形式越來(lái)越多樣化，協(xié)同作戰(zhàn)要求不斷提高。2016年8月，美國(guó)國(guó)防部發(fā)布了《自主性(Autonomy)》，指出未來(lái)人工智能戰(zhàn)爭(zhēng)不可避免； 2017年7月，美國(guó)DAPRA發(fā)布《人工智能與國(guó)家安全(Artificial Intelligence and National Security)》，再次指出人工智能技術(shù)是國(guó)家安全的顛覆性技術(shù)[1]。

如何取得電磁頻譜戰(zhàn)的優(yōu)先制勝權(quán)，不僅要求單一的平臺(tái)、系統(tǒng)、設(shè)備能夠智能實(shí)現(xiàn)電磁頻譜數(shù)據(jù)的感知、預(yù)處理、統(tǒng)計(jì)/分析、建模、決策、反饋、評(píng)估等，還要實(shí)現(xiàn)平臺(tái)之間、系統(tǒng)之間、設(shè)備之間乃至平臺(tái)系統(tǒng)和設(shè)備相互之間的智能傳輸決策，以達(dá)到高效智能決策，使電磁頻譜戰(zhàn)的一系列主要活動(dòng)，包括電磁態(tài)勢(shì)感知、電磁頻譜應(yīng)用、電磁管控、電磁頻譜進(jìn)攻、電磁防御取得理想效果。群體智能為解決技術(shù)挑戰(zhàn)、支撐核心能力提供了新的發(fā)展機(jī)遇，如何保證智能化程度的正確性，減小智能決策誤差，本文提出面向電磁頻譜戰(zhàn)的群體智能概念。

對(duì)群體智能這一概念發(fā)展脈絡(luò)進(jìn)行梳理，并結(jié)合群體智能的自組織自適應(yīng)思想，對(duì)電磁頻譜戰(zhàn)的核心能力所相關(guān)的核心技術(shù)進(jìn)行分析，如圖1所示。在頻譜感知時(shí)可以針對(duì)5G時(shí)代頻譜感知器件種類泛化、感知靈敏度不斷提升、感知數(shù)據(jù)傳輸速率高、時(shí)延低等突出性特點(diǎn)，將來(lái)自不同終端的經(jīng)過(guò)處理的異構(gòu)感知數(shù)據(jù)進(jìn)行融合支撐決策； 在頻譜態(tài)勢(shì)推理技術(shù)層面，通過(guò)群體感知獲取數(shù)據(jù)，群體中的每個(gè)感知器件具有一定智能行為，可以自主完善自己能力范圍內(nèi)的態(tài)勢(shì)推理，從而達(dá)到從不同視角對(duì)缺失的頻譜態(tài)勢(shì)進(jìn)行補(bǔ)全，或者對(duì)下一階段范圍內(nèi)態(tài)勢(shì)的預(yù)測(cè)； 在頻譜趨勢(shì)預(yù)測(cè)方面，當(dāng)前人們生產(chǎn)生活以及作戰(zhàn)樣式的豐富催生了海量頻譜數(shù)據(jù)，并且信息的時(shí)效性縮短，如何在越來(lái)越短的時(shí)間內(nèi)通過(guò)對(duì)已有頻譜數(shù)據(jù)的分析，迅速對(duì)下一時(shí)段頻譜狀態(tài)做出預(yù)測(cè)，這不僅會(huì)提高人們?nèi)粘Ｉ畹谋憬莩潭龋泳珳?zhǔn)的預(yù)測(cè)還會(huì)為戰(zhàn)爭(zhēng)取得優(yōu)于敵方的戰(zhàn)略決策先機(jī)，對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)的勝利至關(guān)重要。

圖1 基于群體智能的電磁頻譜戰(zhàn)

3.1 群體智能行為概述

群體智能[29]源于對(duì)生物集群現(xiàn)象的研究，鳥(niǎo)類、蟻群、蜂群、狼群等各種群居性生物，為了適應(yīng)環(huán)境，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期演化，激發(fā)涌現(xiàn)出高度協(xié)調(diào)一致的集群活動(dòng)。如蟻群在尋找和搬運(yùn)食物的過(guò)程中，每只螞蟻只遵循兩條基本規(guī)則： (1) 尋找到食物的螞蟻在更容易找到食物的路線上留下信息； (2) 將最新信息及時(shí)反饋給其他螞蟻，如路線信息和當(dāng)前道路上的食物情況。由于每只螞蟻的自主識(shí)別與螞蟻間的智能溝通協(xié)調(diào)，從而使蟻群能找到高品質(zhì)食物和最佳路線。生物群體中的個(gè)體雖然智能程度不高，但是通過(guò)對(duì)感知到的外界信息進(jìn)行自我消化吸收產(chǎn)生自主決策，并通過(guò)與群體內(nèi)其他個(gè)體間的信息交互調(diào)整自身狀態(tài)，最終使整個(gè)群體的活動(dòng)呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)調(diào)整能力、協(xié)同一致性、穩(wěn)定性以及對(duì)環(huán)境的高度適應(yīng)性[30]。從某種程度上來(lái)說(shuō)，人腦的智能和蟻群、蜂群的智能是相似的，單個(gè)的神經(jīng)元和群體中的個(gè)體一樣并不存在智能，但是通過(guò)神經(jīng)元之間的相關(guān)聯(lián)通，從而使人腦展現(xiàn)出一種高度智能。

群體智能指的是受自然界群居性動(dòng)物集體行為的啟發(fā)而進(jìn)行設(shè)計(jì)求解算法和分布式系統(tǒng)的理論與方法。群體智能最早被用于設(shè)計(jì)優(yōu)化算法，其代表為1991年意大利學(xué)者Dorigo提出的蟻群優(yōu)化算法(Ant Colony Optimization，ACO)和1995年Kennedy和Eber-hart提出的粒子群優(yōu)化算法(Particle Swarm Optimization，PSO)。ACO采用啟發(fā)式概率搜索方式，易于找到全局最優(yōu)解，已在組合優(yōu)化問(wèn)題求解以及電力、通信、交通等多個(gè)領(lǐng)域中得到應(yīng)用； PSO算法由于其概念簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)等特性在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練、參數(shù)識(shí)別、模型優(yōu)化、交通事故探測(cè)等方面得到廣泛應(yīng)用。

群體智能以其簡(jiǎn)單性、分布性、健壯性等優(yōu)點(diǎn)在組合優(yōu)化問(wèn)題、通信網(wǎng)絡(luò)等眾多研究領(lǐng)域呈現(xiàn)出巨大的潛力。2012年以來(lái)，李未院士提出從研究因特網(wǎng)上客觀存在的“海量信息系統(tǒng)”轉(zhuǎn)為研究基于人機(jī)物融合的“群體智能系統(tǒng)”，并在群體智能系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)理、行為分析與軟件方法研究方面取得了一系列原創(chuàng)性成果。此外，李未院士等[31]提出推進(jìn)“群體智能”相關(guān)研究，被列入2016年中國(guó)工程院發(fā)布的《中國(guó)人工智能2.0計(jì)劃》，并成為國(guó)家“科技創(chuàng)新2030”重大計(jì)劃的重要內(nèi)容。

2017年7月，國(guó)務(wù)院發(fā)布的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中明確提出群體智能作為五個(gè)研究方向之一，并且明晰了群體智能四個(gè)基礎(chǔ)理論研究任務(wù)、八個(gè)關(guān)鍵共性技術(shù)研究任務(wù)[32]，揭示了人工智能將更加注重基于群體智能的知識(shí)獲取和生成技術(shù)，將從傳統(tǒng)強(qiáng)調(diào)專家系統(tǒng)的個(gè)體智能走向群體智能。2018年，段海濱等[30]著《基于群體智能的無(wú)人機(jī)集群自主控制》一書(shū)，系統(tǒng)深入地論述了基于群體智能的無(wú)人機(jī)集群自主控制的原理、模型、理論、仿真及驗(yàn)證，樊邦奎院士認(rèn)為該書(shū)對(duì)新一代人工智能顛覆性技術(shù)在無(wú)人機(jī)集群系統(tǒng)中的應(yīng)用必將起到重要的推動(dòng)作用。

3.2 基于群體智能的電磁頻譜狀態(tài)感知

頻譜感知指認(rèn)知用戶通過(guò)信號(hào)檢測(cè)和處理等技術(shù)得到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的頻譜使用信息的技術(shù)，主要涉及物理層和數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)。頻譜感知是實(shí)現(xiàn)電磁資源有效管控的關(guān)鍵技術(shù)，是頻譜分析的前提，對(duì)實(shí)施電磁頻譜攻擊和防御意義重大。

隨著可用頻譜資源與頻譜資源需求不對(duì)等現(xiàn)象劇增，傳統(tǒng)固定頻譜分配管理方式的弊端與日凸顯，動(dòng)態(tài)頻譜接入技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，該技術(shù)希望達(dá)到的理想狀態(tài)是實(shí)現(xiàn)授權(quán)用戶正常通信的同時(shí)非授權(quán)用戶可以接入空閑頻譜資源，從而提升頻譜資源利用率。這對(duì)頻譜數(shù)據(jù)感知的實(shí)時(shí)性具有極高要求，現(xiàn)階段無(wú)線電子元器件趨向于小型化、便攜化，器件的靈敏性、5G數(shù)據(jù)傳輸速率大大提升，便攜無(wú)線終端全面普及指日可待，如果嘗試基于群體智能思想進(jìn)行電磁頻譜數(shù)據(jù)感知，充分利用大眾手中的便攜無(wú)線設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)同一地域范圍內(nèi)頻譜數(shù)據(jù)分布式采集和不同地域內(nèi)不同頻譜數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，在云端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合，大大降低數(shù)據(jù)感知成本。但個(gè)人便攜無(wú)線設(shè)備存在質(zhì)量參差不齊，無(wú)法保證數(shù)據(jù)感知質(zhì)量，容易出現(xiàn)大量異常感知數(shù)據(jù)，也易受敵方數(shù)據(jù)欺騙的干擾。對(duì)此，丁國(guó)如等[33]通過(guò)分析異常數(shù)據(jù)對(duì)感知性能的影響，設(shè)計(jì)了稀疏矩陣統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)算法對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行凈化，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)健時(shí)域頻譜數(shù)據(jù)感知，并通過(guò)大量仿真實(shí)驗(yàn)檢測(cè)算法性能，證明該算法在不同異常數(shù)據(jù)比例/強(qiáng)度、不同信道環(huán)境、不同融合準(zhǔn)則下的性能優(yōu)越性，為基于群體智能的電磁頻譜數(shù)據(jù)感知提供有效參考。

同時(shí)，頻譜數(shù)據(jù)感知在早期階段主要側(cè)重于獨(dú)立的空域或者時(shí)域感知，且大多建立在同構(gòu)頻譜環(huán)境下，實(shí)際應(yīng)用中授權(quán)用戶/感知用戶的發(fā)射機(jī)/接收機(jī)位置、功率、噪聲以及信道質(zhì)量等影響因素實(shí)時(shí)變動(dòng)，建立空時(shí)異構(gòu)頻譜感知更能符合需求。

3.3 基于群體智能的電磁頻譜形勢(shì)推理

頻譜形勢(shì)推理是通過(guò)對(duì)已知頻譜數(shù)據(jù)內(nèi)部相關(guān)性進(jìn)行挖掘和分析，推理出未知頻譜狀態(tài)數(shù)據(jù)的過(guò)程[34-35]，準(zhǔn)確的頻譜推理可以及時(shí)獲取信道狀態(tài)，縮短非授權(quán)用戶信道分配時(shí)延，推斷敵方頻譜網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，為頻譜感知和管理提供了新視角。

隨著機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能技術(shù)水平的不斷提高，其數(shù)據(jù)分析和智能識(shí)別、推理能力引起了各個(gè)領(lǐng)域?qū)＜业闹匾?，在頻譜推理問(wèn)題上，周佳宇等[36]對(duì)現(xiàn)有頻譜推理算法進(jìn)行了分析，并提出基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)頻二維頻譜推理法和時(shí)-空-頻三維頻譜推理法； 黃川林等[37]研究了基于本體的電磁頻譜態(tài)勢(shì)推理技術(shù)框架的構(gòu)建方法； 丁國(guó)如[38]提出了基于深度學(xué)習(xí)和遷移學(xué)習(xí)的高動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下深度頻譜推理理念； Kumar等[39]提出了一種基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(FNN)的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)頻譜管理推理學(xué)習(xí)方法； 吳東民等[40]提出一種可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻譜接入(DSA)態(tài)勢(shì)感知和決策的隨機(jī)推理方法等。

基于群體智能的頻譜態(tài)勢(shì)推理吸納了機(jī)器學(xué)習(xí)人工智能等現(xiàn)行智能系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，使得態(tài)勢(shì)推理具有較好的容錯(cuò)性和更高的可靠性。具體解決思路包括但不限于： (1) 作為網(wǎng)絡(luò)外部觀察者，利用監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)得到的有限信息，對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行識(shí)別，重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通聯(lián)關(guān)系； (2) 在集中式拓?fù)涓兄幕A(chǔ)上，研究多個(gè)傳感器對(duì)同一網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，通過(guò)數(shù)據(jù)融合(包括同構(gòu)數(shù)據(jù)融合和異構(gòu)數(shù)據(jù)融合)增加拓?fù)涓兄木取?/p>

3.4 基于群體智能的電磁頻譜趨勢(shì)預(yù)測(cè)

頻譜預(yù)測(cè)是一種通過(guò)分析歷史頻譜數(shù)據(jù)獲得頻譜使用規(guī)律，從而預(yù)測(cè)未來(lái)頻譜使用狀態(tài)的技術(shù)。該技術(shù)已經(jīng)引起國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的廣泛研究，主要包括： (1) 維度預(yù)測(cè)，頻譜預(yù)測(cè)早期主要是分別從時(shí)域、頻域或者空域單一維度進(jìn)行預(yù)測(cè)，隨著研究的拓展，將單一域頻譜預(yù)測(cè)向多域融合預(yù)測(cè)發(fā)展。(2) 驅(qū)動(dòng)方式，包括利用現(xiàn)有頻譜使用模型驅(qū)動(dòng)和基于頻譜數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)兩種方式。由于頻譜使用模型是針對(duì)不同物理需求進(jìn)行相關(guān)參數(shù)及模式設(shè)計(jì)，模型間兼容性和適用的普遍性較差，而基于數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)方式依賴于海量完整性較高的歷史頻譜數(shù)據(jù)，才能保證模型建立的可靠性和未來(lái)頻譜預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。(3) 不同算法模型在頻譜預(yù)測(cè)中有不同的應(yīng)用，如高翔等[41]提出了基于SVM的頻譜預(yù)測(cè)算法應(yīng)用于信道占用狀態(tài)快速變化狀態(tài)下； Sun等[42]提出了一種圖像推理視角對(duì)長(zhǎng)期頻譜狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)； Zhang等[43]提出基于改進(jìn)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知無(wú)線電頻譜預(yù)測(cè)方案； Ge等[44]針對(duì)魯棒長(zhǎng)期頻譜預(yù)測(cè)中存在缺失值和稀疏異?，F(xiàn)象提出魯棒長(zhǎng)期譜預(yù)測(cè)方案； Yu等[45]構(gòu)造了一個(gè)由長(zhǎng)短時(shí)記憶(LSTM)層組成的頻譜預(yù)測(cè)模型等。

實(shí)際應(yīng)用中，信道復(fù)雜且狀態(tài)具有較高捷變性，尤其在戰(zhàn)場(chǎng)上，信道感知實(shí)時(shí)性要求高，失之毫厘將會(huì)差之千里，頻譜預(yù)測(cè)同樣要求空天地多維精密預(yù)測(cè)，同樣要求在單一域進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，能夠增加預(yù)測(cè)的廣度和深度，比如在時(shí)域上進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，不僅能夠預(yù)測(cè)下一時(shí)隙頻譜狀態(tài)，還能夠預(yù)測(cè)更長(zhǎng)時(shí)隙的頻譜狀態(tài)。將群智思維融入頻譜預(yù)測(cè)，可以嘗試將不同預(yù)測(cè)模型進(jìn)行融合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，集群體之智慧，滿足實(shí)戰(zhàn)需求。

未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)是對(duì)電磁頻譜的較量，將智能與戰(zhàn)爭(zhēng)融合必將推動(dòng)戰(zhàn)爭(zhēng)領(lǐng)域的新變革，但戰(zhàn)爭(zhēng)的毀滅性和不可重復(fù)性要求加入智能化的每一個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)，其智能程度和預(yù)判的準(zhǔn)確性誤差為零，這對(duì)智能程度提出了新的挑戰(zhàn)。群體智能是一種隨著人們對(duì)智能要求的提升和受自然界生物生存現(xiàn)象的啟發(fā)對(duì)未來(lái)智能進(jìn)行深入探索而得出的新方向。對(duì)電磁頻譜戰(zhàn)而言，基于群體智能的思維方式研究電磁頻譜戰(zhàn)的核心能力和核心技術(shù)，促使頻譜感知、推理、預(yù)測(cè)的實(shí)時(shí)性、動(dòng)態(tài)性和精確度更高，利用多智能體在交互協(xié)同中提高容錯(cuò)能力和可靠性，降低單個(gè)智能體容易產(chǎn)生的漏洞以及人工信息處理效率低等問(wèn)題，增加了奪取電磁頻譜戰(zhàn)爭(zhēng)制勝權(quán)的幾率。

4 結(jié) 束 語(yǔ)

電磁頻譜已作為第六維獨(dú)立作戰(zhàn)域引起世界各國(guó)的高度重視，人工智能在電磁頻譜戰(zhàn)中的應(yīng)用可以有效應(yīng)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境捷變性，提高戰(zhàn)爭(zhēng)中信息傳輸時(shí)效性，促進(jìn)電磁頻譜戰(zhàn)的決策智能化。王沙飛院士指出，未來(lái)由電子戰(zhàn)向電磁頻譜戰(zhàn)、電磁空間作戰(zhàn)的演變趨勢(shì)，并且人工智能技術(shù)將貫穿始終。當(dāng)前電磁頻譜戰(zhàn)正處于第三階段——低功率至零功率作戰(zhàn)，隨著新一代人工智能發(fā)展方向的變革以及信息設(shè)備性能的完善和人工智能技術(shù)的不斷成熟，將群體智能理念運(yùn)用于電磁頻譜戰(zhàn)也將成為可能。對(duì)此，本文對(duì)基于群體智能的電磁頻譜戰(zhàn)提出粗淺建議： (1) 研制群體智能電磁頻譜戰(zhàn)新戰(zhàn)法，支撐新型作戰(zhàn)力量生成； (2) 研究基于群體智能涌現(xiàn)的電磁頻譜環(huán)境感知、分析、決策、評(píng)估、反饋體系，實(shí)現(xiàn)電磁頻譜戰(zhàn)爭(zhēng)中信息精準(zhǔn)獲取，保證決策高效可行； (3) 研究基于群體智能匯聚的頻譜資源優(yōu)化與決策技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電磁頻譜資源的高效合理利用。