基于認(rèn)知的艦船電子對抗系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張建華，沈振惠，馬 騰，張雅秋

(1.中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院，北京 100094;2.天津天獅學(xué)院，天津 301700)

艦船認(rèn)知電子對抗系統(tǒng)是一種能夠根據(jù)艦船周圍電磁環(huán)境的變化，不斷交互得到新的知識(shí)積累，不斷地調(diào)整偵察設(shè)備和干擾設(shè)備，自適應(yīng)地偵察和干擾電磁輻射目標(biāo)的系統(tǒng)。隨著認(rèn)知無線電技術(shù)、高速跳頻技術(shù)、相控陣波形優(yōu)化生成技術(shù)等技術(shù)的發(fā)展，艦船電子對抗系統(tǒng)的主要作戰(zhàn)對象如雷達(dá)、通信等電子信息裝備開始逐步向認(rèn)知方向發(fā)展，具備很強(qiáng)的自主學(xué)習(xí)、推理、決策與行動(dòng)能力，不僅能夠自重構(gòu)預(yù)先編程的波形，還能夠自己“創(chuàng)造”波形。海上電磁頻譜變得越來越擁擠，軍民領(lǐng)域內(nèi)的新波形不斷發(fā)展，使得艦船電子對抗裝備的作戰(zhàn)環(huán)境日益變得復(fù)雜［1-2］。為完成艦艇周圍電磁環(huán)境認(rèn)知感知、電子攻擊和電子防護(hù)任務(wù)，確保掌控電磁頻譜，實(shí)現(xiàn)從預(yù)編程對抗向自適應(yīng)實(shí)時(shí)對抗轉(zhuǎn)變，艦船電子對抗系統(tǒng)必須變得更加智能，即必須采用認(rèn)知技術(shù)。

本文首先分析了國外認(rèn)知電子對抗的研究進(jìn)展情況，提出了適合作戰(zhàn)對象向認(rèn)知轉(zhuǎn)變的艦船電子對抗系統(tǒng)架構(gòu)方案，并就其中涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)討論。

1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

目前，從公開的文獻(xiàn)可以看出，國外十分重視認(rèn)知電子對抗的研究，尤其是美國將其作為未來電子對抗的重點(diǎn)發(fā)展方向。國防部高級研究計(jì)劃局(DARPA)、空軍、陸軍、海軍研究辦公室(ONR)等均安排了認(rèn)知電子對抗相關(guān)的研究項(xiàng)目，如電子對抗技術(shù)項(xiàng)目(2013年度)、自適應(yīng)雷達(dá)對抗(ARC)、學(xué)習(xí)型自適應(yīng)電子對抗(BLADE)、極端射頻頻譜條件下的通信(COMMEX)、認(rèn)知干擾機(jī)(Cognitive jammer)、大功率射頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器(HiPERDAC)，如表1 所示［3］。

表1 國外認(rèn)知電子對抗相關(guān)項(xiàng)目列表

其中，自適應(yīng)雷達(dá)對抗(ARC)、學(xué)習(xí)型自適應(yīng)電子對抗(BLADE)兩個(gè)重大項(xiàng)目分別側(cè)重于對抗捷變頻雷達(dá)和自適應(yīng)無線電通信等，研究工作主要聚焦于軟件、組網(wǎng)及其它方面，改善電子對抗系統(tǒng)的工作模式，不涉及天線、發(fā)射機(jī)和接收機(jī)等射頻部分。

1)電子對抗技術(shù)項(xiàng)目(2013年度)

該技術(shù)開發(fā)計(jì)劃為美國海軍研究辦公室(ONR)發(fā)布，旨在通過利用、欺騙或拒絕敵方使用的頻譜，同時(shí)確保美國及其盟國使用的電磁頻譜，從而加強(qiáng)海軍和海軍陸戰(zhàn)隊(duì)的電磁頻譜控制能力。該計(jì)劃的目標(biāo)是為海軍和海軍陸戰(zhàn)隊(duì)提供威脅預(yù)警系統(tǒng)升級、電子戰(zhàn)支援(ES)、武器跟蹤制導(dǎo)系統(tǒng)的誘餌和反制、針對敵方C4ISR的電子攻擊(EA)以及美國及其盟國的武器和C4ISR的電子防護(hù)(EP)，主要任務(wù)包括自適應(yīng)認(rèn)知電子對抗技術(shù)、高吞吐量和快速可編程電子對抗系統(tǒng)技術(shù)、自適應(yīng)針對性的電子對抗仿真環(huán)境和創(chuàng)新電子對抗概念。

其中，自適應(yīng)認(rèn)知電子對抗將包括應(yīng)用自適應(yīng)機(jī)器學(xué)習(xí)算法取代傳統(tǒng)的靜態(tài)輻射源數(shù)據(jù)庫和預(yù)編程對抗措施，以對抗那些波形帶寬靈活、功能多樣、具備電子保護(hù)模式的電子對抗系統(tǒng)。自適應(yīng)針對性的電子對抗仿真環(huán)境將重點(diǎn)開發(fā)仿真射頻環(huán)境或建模仿真環(huán)境，以開發(fā)測試和驗(yàn)證先進(jìn)自適應(yīng)針對性的電子對抗技術(shù)和系統(tǒng)。

2)自適應(yīng)雷達(dá)對抗(ARC)

為尋求探測和對抗行為未知且波形捷變的數(shù)字可編程雷達(dá)系統(tǒng)的技術(shù)解決方案，該項(xiàng)目于2012年由DARAP提出，目的是使美國的機(jī)載電子對抗系統(tǒng)能夠根據(jù)戰(zhàn)場實(shí)時(shí)可觀測的空中威脅行為，自動(dòng)生成針對性的、未知的和自適應(yīng)雷達(dá)系統(tǒng)的有效對抗措施。

3)學(xué)習(xí)型自適應(yīng)電子對抗(BLADE)

該項(xiàng)目由DARPA提出，旨在開發(fā)能夠自主地學(xué)習(xí)在短時(shí)間內(nèi)對抗戰(zhàn)術(shù)環(huán)境內(nèi)的自適應(yīng)無線通信威脅的電子對抗能力。在此，“無線通信威脅”包括了敵方用以實(shí)現(xiàn)指揮、控制與通信(C3)的無線電臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)，以及無線電遙控的簡易爆炸裝置(RCIED)。BLADE是一個(gè)包含了探測和描述模塊、干擾波形優(yōu)化模塊和戰(zhàn)場毀壞情況評估模塊等3個(gè)功能模塊的閉環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的處理結(jié)果通過人機(jī)接口提供給電子戰(zhàn)軍官以供環(huán)境認(rèn)知，指揮官通過系統(tǒng)接口，干擾威脅分析，決定執(zhí)行干擾作戰(zhàn)時(shí)，直接發(fā)出干擾命令即可。

4)認(rèn)知干擾機(jī)(Cognitive jammer)

該項(xiàng)目為2010年由DARPA、空軍安排，研制目標(biāo)為基于網(wǎng)絡(luò)化軟件定義結(jié)構(gòu)(SDA)的自適應(yīng)、多功能(通信雷達(dá))干擾機(jī)，側(cè)重于研究認(rèn)知干擾機(jī)的概念、方法，技術(shù)成熟度達(dá)到3級以上。

為了適應(yīng)典型艦船電子對抗作戰(zhàn)對象如雷達(dá)、通信等向自適應(yīng)、認(rèn)知的技術(shù)轉(zhuǎn)變，國內(nèi)一些從事電子信息系統(tǒng)、電子武器系統(tǒng)的專業(yè)科研機(jī)構(gòu)和高校，最近幾年來也陸續(xù)開始積極跟蹤、研究認(rèn)知電子對抗相關(guān)技術(shù)如認(rèn)知雷達(dá)、認(rèn)知無線電、自適應(yīng)對抗等，初步提出了一些有關(guān)任務(wù)規(guī)劃、綜合控制、流程調(diào)度、知識(shí)庫的想法。不過，總的來說處于起步階段。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)體系框架

根據(jù)國外認(rèn)知電子對抗技術(shù)研究的情況分析，結(jié)合國內(nèi)艦船的實(shí)際情況和未來發(fā)展可能，初步提出艦船認(rèn)知電子對抗系統(tǒng)的技術(shù)框架［4-5］。該系統(tǒng)由綜合控制分系統(tǒng)、認(rèn)知偵察分系統(tǒng)、智能干擾分系統(tǒng)、電子防護(hù)分系統(tǒng)和綜合對抗數(shù)據(jù)庫等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 艦船認(rèn)知電子對抗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

其中，綜合控制分系統(tǒng)是系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，通過推理、學(xué)習(xí)、優(yōu)化、策略等，完成對系統(tǒng)所屬認(rèn)知偵察分系統(tǒng)、智能干擾分系統(tǒng)、電子防護(hù)分系統(tǒng)的綜合控制，向電子對抗指揮官提供電磁環(huán)境認(rèn)知手段，學(xué)習(xí)如何對抗威脅的能力。包含先驗(yàn)知識(shí)數(shù)據(jù)庫、動(dòng)態(tài)知識(shí)數(shù)據(jù)庫的綜合對抗數(shù)據(jù)庫為艦船認(rèn)知電子對抗系統(tǒng)提供對應(yīng)的環(huán)境、目標(biāo)頻譜特征、資源策略。

認(rèn)知偵察分系統(tǒng)，按照綜合控制分系統(tǒng)的指令，選擇最優(yōu)化偵察方式，進(jìn)行認(rèn)知信號(hào)智能偵察。艦船寬頻段、信道化數(shù)字接收機(jī)截獲到艦艇周圍雷達(dá)、通信等電磁信號(hào)后，采用先進(jìn)的新目標(biāo)威脅學(xué)習(xí)算法和特征學(xué)習(xí)技術(shù)將信號(hào)分類，分析出該信號(hào)的特征，完成對作戰(zhàn)對象如認(rèn)知雷達(dá)、認(rèn)知無線電等認(rèn)知信號(hào)和常規(guī)信號(hào)的處理與分析，并將電子對抗偵察信息上報(bào)到綜合控制分系統(tǒng)。

智能干擾分系統(tǒng)，根據(jù)綜合控制分系統(tǒng)命令完成干擾信號(hào)產(chǎn)生和干擾效能評估。其中，干擾波形優(yōu)化模塊，根據(jù)無源被動(dòng)偵察信號(hào)、綜合控制分系統(tǒng)傳來的有源主動(dòng)探測(如雷標(biāo)信號(hào)、學(xué)習(xí)信號(hào))來的信息，自動(dòng)合成能夠高效打擊探測到的雷達(dá)、通信威脅輻射源的對抗手段，并優(yōu)化分配有限的有源或無源干擾資源。干擾效果評估模塊，結(jié)合認(rèn)知偵察分系統(tǒng)送來的認(rèn)知信息，現(xiàn)場給出我方實(shí)施干擾后導(dǎo)致威脅目標(biāo)的信號(hào)變化情況，評估干擾效果，并將評估結(jié)果傳遞給干擾波形優(yōu)化模塊，幫助其持續(xù)優(yōu)化干擾響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)對抗。

電子防護(hù)分系統(tǒng)，在綜合控制分系統(tǒng)的管理控制下完成艦船用頻裝備的電子防護(hù)任務(wù)，如艦船用頻裝備的電磁頻譜使用規(guī)劃、兼容協(xié)調(diào)與頻譜輻射控制。通過利用認(rèn)知電子對抗技術(shù)，檢測在時(shí)域、空域、頻域、能域、碼域和極化域中可以被利用的頻譜資源，并將頻譜使用情況提供給我方的雷達(dá)、通信、導(dǎo)航、電子對抗等，利用空閑頻譜確保雷達(dá)有效探測、信息能夠無擾傳遞、干擾能無害實(shí)施。

艦船認(rèn)知電子對抗系統(tǒng)基本運(yùn)行工作原理如圖2所述。

圖2 艦船認(rèn)知電子對抗系統(tǒng)運(yùn)行原理

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖3是艦船認(rèn)知電子對抗系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要包括射頻綜合集成、共用信息處理平臺(tái)和綜合信息處理終端等幾個(gè)核心處理單元。其中，射頻綜合集成部分基于多功能干擾信號(hào)發(fā)生器和孔徑資源管理，通過發(fā)射陣列天線和接收陣列天線、通用發(fā)射機(jī)和接收機(jī)等實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)、通信、網(wǎng)絡(luò)等電子偵察和干擾功能。共用信息處理平臺(tái)采用開放式架構(gòu)，主要通過接收認(rèn)知電子偵察信號(hào)，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)、通信和網(wǎng)絡(luò)等多源信號(hào)與異構(gòu)數(shù)據(jù)深化處理。綜合信息處理終端采用通用的顯示控制硬件，完成系統(tǒng)的綜合顯控、情報(bào)分析處理和數(shù)據(jù)庫服務(wù)支持。

圖3 艦船認(rèn)知電子對抗系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

艦船認(rèn)知電子對抗系統(tǒng)所屬的綜合控制、雷達(dá)對抗、通信對抗、光電對抗、網(wǎng)絡(luò)對抗、電子防護(hù)等對抗資源或手段存在信息實(shí)時(shí)性要求各異、傳輸介質(zhì)多樣、異構(gòu)操作系統(tǒng)等復(fù)雜信息交換環(huán)境，對艦船電子對抗系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、集成和驗(yàn)證帶來了挑戰(zhàn)。因此，如何建立一個(gè)系統(tǒng)統(tǒng)一的開放式軟件集成體系框架，實(shí)現(xiàn)對艦船認(rèn)知電子對抗各分系統(tǒng)的實(shí)時(shí)高效信號(hào)集成、信息集成共享和綜合管理是艦船認(rèn)知電子對抗系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須面對的問題。其中，數(shù)據(jù)分發(fā)式服務(wù)(Data Distribution Service，DDS)規(guī)范描述了分布式實(shí)時(shí)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)分發(fā)、傳遞和接收的標(biāo)準(zhǔn)接口和行為，定義了以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布/訂閱機(jī)制，提供了一個(gè)與平臺(tái)無關(guān)的數(shù)據(jù)共享模型，在“宙斯盾”開放式架構(gòu)武器系統(tǒng)、TACTICOS作戰(zhàn)管理系統(tǒng)、UlTra Electronics等多個(gè)領(lǐng)域或系統(tǒng)得到了應(yīng)用。

基于中間件的艦船認(rèn)知電子對抗系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)可分為3層，如圖4所示。其中，在計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)應(yīng)用軟件層主要完成對抗作戰(zhàn)管理、數(shù)據(jù)庫服務(wù)支持、情報(bào)處理分析、數(shù)據(jù)記錄維護(hù)、認(rèn)知偵察干擾、綜合電子防護(hù)等應(yīng)用業(yè)務(wù)，通過信息交換層的DDS中間件，實(shí)現(xiàn)信息的發(fā)布、訂閱以及信息分發(fā)的管理，如主題管理、訂閱匹配管理等，通過QoS策略設(shè)置參數(shù)得到數(shù)據(jù)收發(fā)質(zhì)量可系統(tǒng)通信參數(shù)控制。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

一般來說，具備自主電磁環(huán)境感知、電子攻擊策略優(yōu)化與攻擊、自主學(xué)習(xí)與經(jīng)驗(yàn)積累、自主推理與輔助決策等一種或多種能力的電子對抗技術(shù)可算作認(rèn)知電子對抗技術(shù)范疇［5］。根據(jù)艦船認(rèn)知電子對抗的作戰(zhàn)特點(diǎn)、系統(tǒng)組成等分析，可以初步得出艦船認(rèn)知電子對抗系統(tǒng)的技術(shù)體系框架如圖5所示。

1)艦船認(rèn)知電子對抗系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)技術(shù)。面向艦船電子偵察、進(jìn)攻、防御等多種對抗任務(wù)，應(yīng)用軟件無線電理論和技術(shù)，采用標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)協(xié)議規(guī)范，通過開展硬件模塊化、軟件構(gòu)件化、系統(tǒng)組合化設(shè)計(jì)，建立功能可重構(gòu)的開放式系統(tǒng)體系架構(gòu)。

圖4 艦船認(rèn)知電子對抗系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖5 艦船認(rèn)知電子對抗系統(tǒng)技術(shù)體系框架

2)基于頻譜學(xué)習(xí)的認(rèn)知偵察技術(shù)。通過分析艦船認(rèn)知電子對抗系統(tǒng)面臨的新型、未知或模糊的認(rèn)知電磁信號(hào)環(huán)境，研究作戰(zhàn)對象射頻系統(tǒng)的波形、帶寬、功能、各種電子防護(hù)模式的工作機(jī)理，通過威脅特征學(xué)習(xí)和自適應(yīng)信號(hào)處理獲得目標(biāo)信號(hào)特征，檢測并學(xué)習(xí)其射頻特性與行為，構(gòu)建能實(shí)時(shí)描述靜態(tài)和動(dòng)態(tài)頻譜知識(shí)的一套框架和一系列標(biāo)準(zhǔn)。

3)認(rèn)知電子對抗系統(tǒng)輔助決策技術(shù)。研究對艦船電子對抗系統(tǒng)周圍的電磁頻譜活動(dòng)情況與威脅知識(shí)進(jìn)行自主推理的方法，通過威脅判斷確定作戰(zhàn)優(yōu)先級，形成協(xié)調(diào)艦內(nèi)、艦外有源和無源電子干擾資源應(yīng)對多個(gè)威脅目標(biāo)的電子攻擊策略供電子對抗操作人員參考使用。

4)基于干擾效果評估的智能電子攻擊技術(shù)。綜合利用各種調(diào)度算法，組織實(shí)施自主頻譜攻擊，基于不斷傳送來的艦船認(rèn)知電子對抗系統(tǒng)電磁環(huán)境認(rèn)知結(jié)果，獲得威脅目標(biāo)在我方干擾下的信號(hào)變化情況，評估所運(yùn)用的對抗措施效能，并不斷優(yōu)化干擾波形、策略，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)自適應(yīng)干擾。

4 結(jié)束語

艦船認(rèn)知電子對抗系統(tǒng)涉及了雷達(dá)、通信、光電、計(jì)算機(jī)、電子工程、數(shù)據(jù)融合、網(wǎng)絡(luò)、武器控制、戰(zhàn)法戰(zhàn)術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域，屬于一個(gè)不斷發(fā)展、復(fù)雜、多專業(yè)綜合性的電子武器系統(tǒng)。作為未來電子對抗的發(fā)展趨勢，認(rèn)知電子對抗將推動(dòng)艦船電子對抗使用方式與作戰(zhàn)方式的變革。研究認(rèn)知電子對抗技術(shù)，并開發(fā)艦船認(rèn)知電子對抗系統(tǒng)，有助于提高艦艇對復(fù)雜電磁環(huán)境的適應(yīng)能力以及形成與目標(biāo)電子設(shè)備技戰(zhàn)術(shù)水平相應(yīng)的智能對抗能力，這將成為業(yè)內(nèi)共識(shí)。

盡管關(guān)于艦船認(rèn)知電子對抗的技術(shù)研究得到了相關(guān)行業(yè)的關(guān)注，初步取得了一定的進(jìn)展，但還是處于主要研究認(rèn)知偵察與智能干擾技術(shù)階段，如自適應(yīng)干擾波形產(chǎn)生、電磁態(tài)勢和知識(shí)數(shù)據(jù)庫、偵察干擾一體效果評估、頻譜特征學(xué)習(xí)等。但是，由于至今沒有認(rèn)知電子對抗系統(tǒng)問世，人們對艦船認(rèn)知電子對抗的認(rèn)識(shí)和理解仍然比較模糊。未來，在艦艇編隊(duì)電子對抗的頂層牽引與體系架構(gòu)下，艦船認(rèn)知電子對抗系統(tǒng)以什么樣的形式出現(xiàn)?與現(xiàn)有的艦船艦艇編隊(duì)電子對抗系統(tǒng)如何結(jié)合?仍將是一個(gè)個(gè)值得研究的問題。根據(jù)認(rèn)知電子對抗能夠通過自主電磁環(huán)境掃描、自主推理、決策，并能夠自適應(yīng)調(diào)整干擾信號(hào)、頻譜使用的特點(diǎn)，預(yù)計(jì)艦船認(rèn)知電子對抗系統(tǒng)有可能向多功能、網(wǎng)絡(luò)化、系列化方向發(fā)展。

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