基于認(rèn)知云的無人機(jī)群組信息對抗系統(tǒng)

蘇 抗，朱偉強(qiáng)，田 達(dá)，楊綠溪

(1.中國航天科工集團(tuán)8511研究所，江蘇 南京 210007；2.東南大學(xué)信息與工程學(xué)院，江蘇 南京 210096)

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基于認(rèn)知云的無人機(jī)群組信息對抗系統(tǒng)

蘇 抗1，2，朱偉強(qiáng)1，田 達(dá)1，楊綠溪2

(1.中國航天科工集團(tuán)8511研究所，江蘇 南京 210007；2.東南大學(xué)信息與工程學(xué)院，江蘇 南京 210096)

基于認(rèn)知云的無人機(jī)群組信息對抗系統(tǒng)由長航時、低成本的電子戰(zhàn)無人機(jī)群組和云計算網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。偵察無人機(jī)負(fù)責(zé)有限范圍內(nèi)的信息偵收，云計算網(wǎng)絡(luò)融合無人機(jī)群感知結(jié)果，生成廣域信息態(tài)勢，動態(tài)制定系統(tǒng)層對抗策略，調(diào)度攻擊無人機(jī)實(shí)施電磁頻譜壓制或信息接入攻擊，同時評估對抗效能，實(shí)現(xiàn)信息攻防閉環(huán)。無人機(jī)群組抵近工作，可顯著降低載荷設(shè)計復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)小型化、低功耗與有效性的統(tǒng)一設(shè)計。

認(rèn)知；云計算；信息對抗；無人機(jī)；協(xié)同

0 引言

認(rèn)知源于生物學(xué)，是指人們認(rèn)識其所處環(huán)境的有意識心理活動，內(nèi)容包括感覺、思考、推理、判斷、問題解答和記憶，“智能”是認(rèn)知活動的核心基礎(chǔ)。近年來認(rèn)知的概念被逐步引入信息科學(xué)，從認(rèn)知無線電、認(rèn)知雷達(dá)到認(rèn)知電子戰(zhàn)，認(rèn)知技術(shù)通過信息處理流程的閉環(huán)，能夠顯著提升信息設(shè)備/信息系統(tǒng)的工作效能，因而迅速成為現(xiàn)階段各領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

在信息對抗領(lǐng)域，雖然認(rèn)知技術(shù)被廣泛看好，具備廣闊發(fā)展空間，但是，現(xiàn)階段獨(dú)立的設(shè)備/系統(tǒng)形態(tài)制約了技術(shù)的發(fā)展：態(tài)勢感知能力有限，難以為有效認(rèn)知提供充裕的觀測信息；信息處理能力有限，難以適應(yīng)態(tài)勢快速變化并作出響應(yīng)；組網(wǎng)協(xié)同能力有限，高價值觀測結(jié)果難以獲得充分利用。

云計算是一種全新的計算和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模式，旨在通過網(wǎng)絡(luò)把一系列分散的資源整合起來，形成一個動態(tài)的、易擴(kuò)展的、能力強(qiáng)大的系統(tǒng)，為用戶提供高性能服務(wù)。將云計算技術(shù)應(yīng)用于認(rèn)知信息對抗，能夠顯著拓展態(tài)勢認(rèn)知的信息來源，構(gòu)建更為有效、可靠、易于共享的動態(tài)信息庫，快速形成系統(tǒng)層次對抗決策及資源調(diào)度方案，引導(dǎo)攻防任務(wù)高效實(shí)施，克服制約認(rèn)知信息對抗技術(shù)發(fā)展的約束限制，進(jìn)而為認(rèn)知技術(shù)在信息對抗領(lǐng)域應(yīng)用開辟了新的發(fā)展空間。

1 認(rèn)知電子戰(zhàn)

將認(rèn)知的概念引入信息系統(tǒng)，最初源于通信技術(shù)。認(rèn)知通信是為了充分利用有限的頻譜資源，采取對環(huán)境等要素認(rèn)知的方法實(shí)現(xiàn)一種智能的通信方式，而這一點(diǎn)恰巧也具有了對電子干擾認(rèn)知和規(guī)避的能力，即具有了與電子戰(zhàn)系統(tǒng)一樣的電磁態(tài)勢感知和智能決策能力，形成了與電子戰(zhàn)相對應(yīng)的設(shè)備級對抗能力。

認(rèn)知電子戰(zhàn)是近年來提出的新概念，根據(jù)美國認(rèn)知電子戰(zhàn)項(xiàng)目介紹來看，其內(nèi)涵可理解為：依據(jù)實(shí)時環(huán)境態(tài)勢感知、對抗效能評估以及知識學(xué)習(xí)、累積的結(jié)果，動態(tài)地自主調(diào)整電子對抗策略，通過流程的閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)智能、高效的信息對抗。圖1給出了認(rèn)知電子戰(zhàn)概念的進(jìn)一步描述。

圖1 認(rèn)知電子戰(zhàn)構(gòu)成

認(rèn)知電子戰(zhàn)主要構(gòu)成包括以下幾個方面：1)環(huán)境態(tài)勢感知與攻擊任務(wù)執(zhí)行是認(rèn)知電子戰(zhàn)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，需要具備功能重構(gòu)能力的載荷實(shí)現(xiàn)；2)通過自主學(xué)習(xí)構(gòu)建動態(tài)目標(biāo)信息庫，實(shí)現(xiàn)知識學(xué)習(xí)與積累；3)采用模式識別與推理方法，評估目標(biāo)威脅性，預(yù)測目標(biāo)行為與威脅性變化趨勢；4)依據(jù)目標(biāo)信息庫知識以及態(tài)勢感知結(jié)果，自主制定對抗攻防策略、完成資源調(diào)度；5)通過對抗效能評估實(shí)現(xiàn)對抗流程閉環(huán)，評估結(jié)果參與下一輪知識學(xué)習(xí)。

實(shí)現(xiàn)信息對抗流程的閉環(huán)是認(rèn)知電子戰(zhàn)的最大特點(diǎn)。它使得信息對抗設(shè)備/系統(tǒng)具備了一定“智能”，通過自主學(xué)習(xí)適應(yīng)目標(biāo)的未知工作模式，形成具備自適應(yīng)/認(rèn)知能力目標(biāo)的對抗能力，甚至未知類型目標(biāo)的對抗能力，同時還能有效提高對抗資源的使用效率。

目前，美國國防高級研究計劃局(DARPA)已經(jīng)開始了一系列認(rèn)知電子戰(zhàn)項(xiàng)目，其中最具代表性的項(xiàng)目包括自適應(yīng)雷達(dá)對抗(ARC)項(xiàng)目、自適應(yīng)電子戰(zhàn)行為學(xué)習(xí)(BLADE)項(xiàng)目、極端射頻頻譜條件下通信(COMMEX)項(xiàng)目。此外，美軍認(rèn)知電子戰(zhàn)項(xiàng)目還包括：美國空軍開發(fā)的認(rèn)知干擾機(jī)(CJ)項(xiàng)目和電子戰(zhàn)高級部件(ACE)項(xiàng)目、美國陸軍開發(fā)的“城市軍刀”項(xiàng)目、美國海軍開發(fā)的認(rèn)知通信電子戰(zhàn)項(xiàng)目和電子戰(zhàn)技術(shù)(2013年度)項(xiàng)目等?，F(xiàn)階段美軍認(rèn)知電子戰(zhàn)技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)是將自適應(yīng)方法和機(jī)器學(xué)習(xí)方法應(yīng)用到電子戰(zhàn)中，同時采用功能可重構(gòu)的載荷架構(gòu)：提供實(shí)時的頻譜和威脅環(huán)境學(xué)習(xí)能力，給出直觀結(jié)果；針對當(dāng)前頻譜態(tài)勢和威脅知識進(jìn)行推理，實(shí)時制定電子攻擊策略和優(yōu)化資源配置；評估對抗效能，動態(tài)優(yōu)化攻防策略，實(shí)現(xiàn)更高效、更隱蔽的電子對抗新途徑。

2 云計算

美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)將云計算定義為：云計算是一種模型，可以隨時、隨地、隨需、便捷地從可配置計算資源共享池中獲取所需的資源(如網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲、應(yīng)用、服務(wù))，資源能夠快速供應(yīng)并釋放，使管理資源的工作量和與服務(wù)提供方的交互減小到最低限度。云計算的主要特點(diǎn)包括：1)隨需應(yīng)變地自助服務(wù)，用戶可以單方面地按需自動獲取計算能力，如服務(wù)器時間和網(wǎng)絡(luò)存儲，從而免去了與每個服務(wù)提供者進(jìn)行交互的過程；2)無處不在的網(wǎng)絡(luò)訪問，網(wǎng)絡(luò)提供的豐富可用功能，可以通過統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制從多樣化的客戶端平臺獲??；3)服務(wù)提供方將資源匯集到資源池中共享給多個用戶，根據(jù)用戶需求對不同的物理資源和虛擬資源進(jìn)行動態(tài)分配，資源類型包括存儲、處理、內(nèi)存、帶寬等；4)能夠快速、靈活地提供各種功能擴(kuò)展，能夠快速釋放資源實(shí)現(xiàn)收縮，用戶可以在任何時間使用；5)系統(tǒng)根據(jù)不同的服務(wù)類型按照一定的度量指標(biāo)進(jìn)行計量(如存儲、處理、帶寬等)，通過計量功能自動調(diào)控和優(yōu)化資源利用。

云計算具有3種服務(wù)模型：軟件即服務(wù)(SaaS)、平臺即服務(wù)(PaaS)和基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(IaaS)，可以針對不同的應(yīng)用場景，提供靈活、可配的應(yīng)用方案。

3 基于認(rèn)知云的無人機(jī)群組信息對抗系統(tǒng)

將云計算技術(shù)應(yīng)用于認(rèn)知領(lǐng)域，即可形成“認(rèn)知云”。認(rèn)知云的概念可描述為：將云計算分布式處理架構(gòu)引入認(rèn)知處理流程，如圖2所示。其中，分布式節(jié)點(diǎn)僅用于執(zhí)行面向具體應(yīng)用的低復(fù)雜度任務(wù)，如信號收發(fā)、參數(shù)測量等；高復(fù)雜度的知識學(xué)習(xí)、信息庫管理、態(tài)勢感知、任務(wù)規(guī)劃、效能評估等工作，則以云的方式綜合處理。

圖2 認(rèn)知云組成架構(gòu)

認(rèn)知云可以有效改善現(xiàn)有信息設(shè)備/系統(tǒng)形態(tài)對認(rèn)知技術(shù)發(fā)展的制約，特別是在信息對抗領(lǐng)域，優(yōu)勢更為凸顯：分布式節(jié)點(diǎn)顯著拓展了態(tài)勢感知的范圍和攻防實(shí)施的途徑；基于云的信息綜合方式，能夠支撐動態(tài)信息庫構(gòu)建的可靠構(gòu)建、靈活共享，以及對抗決策的高效制定。最終，顯著提升信息對抗系統(tǒng)的綜合效能。

基于認(rèn)知云的無人機(jī)群組信息對抗系統(tǒng)依據(jù)上述思路構(gòu)建，系統(tǒng)由功能簡單、成本低廉、具備自組網(wǎng)能力的分布式無人機(jī)群組和基于云計算的信息處理網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，如圖3所示。

圖3 基于認(rèn)知云的無人機(jī)群組信息對抗系統(tǒng)

分布式無人機(jī)群組包括偵察無人機(jī)和干擾無人機(jī)，應(yīng)用過程中采用抵近部署的方式獲取距離優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)微小型載荷的高精度偵察以及有限功率的高效干擾。

無人機(jī)群采用動態(tài)自組網(wǎng)方式，在較遠(yuǎn)距離上，允許通過多跳的方式，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)之間或無人機(jī)與云計算單元之間的信息傳輸，實(shí)現(xiàn)偵察結(jié)果的融合、學(xué)習(xí)、共享以及決策任務(wù)的調(diào)度、執(zhí)行。

4 關(guān)鍵技術(shù)

1) 分布式態(tài)勢感知與攻防執(zhí)行技術(shù)

態(tài)勢感知與攻防執(zhí)行是無人機(jī)群組信息對抗系統(tǒng)有效運(yùn)行的基礎(chǔ)，在分布式架構(gòu)下，需要穩(wěn)定、可靠的信息網(wǎng)絡(luò)支撐動態(tài)規(guī)劃任務(wù)的調(diào)度和網(wǎng)絡(luò)協(xié)同任務(wù)的執(zhí)行，同時還需進(jìn)行無人機(jī)載荷的可重構(gòu)設(shè)計、微型化設(shè)計，以滿足多場景的應(yīng)用需求。

2) 具備學(xué)習(xí)能力的動態(tài)信息庫

信息庫包括威脅描述、決策規(guī)則、攻擊樣本3個部分，通過預(yù)先設(shè)定的先驗(yàn)知識和自主的學(xué)習(xí)、累積，提供目標(biāo)感知、識別、評估、預(yù)測以及任務(wù)決策、規(guī)劃的依據(jù)，而庫的動態(tài)設(shè)計則進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)對具備自適應(yīng)/認(rèn)知能力目標(biāo)和未知類型目標(biāo)的適應(yīng)能力。

3) 自主任務(wù)決策

在態(tài)勢感知、識別、評估、預(yù)測的基礎(chǔ)上，評估高威脅目標(biāo)，結(jié)合無人機(jī)群組部署與配置情況，采用人工智能方法完成未來有限時間內(nèi)的系統(tǒng)級信息攻防策略，以及對抗資源的高效調(diào)度方案。

4) 作戰(zhàn)效能評估與反饋

采用偵察、干擾分離的方式，在信息攻防過程中持續(xù)觀測態(tài)勢變化情況，實(shí)時預(yù)測目標(biāo)可能的抗干擾策略、評估當(dāng)前對抗策略的應(yīng)用效能，實(shí)現(xiàn)信息對抗流程閉環(huán)，同時將評估結(jié)果反饋?zhàn)灾鲗W(xué)習(xí)單元，為下一步對抗決策提供支撐。

5 結(jié)束語

將云計算分布式處理架構(gòu)引入認(rèn)知處理流程形成“認(rèn)知云”，在分布式無人機(jī)群組平臺的支撐下，可以較低代價獲得信息對抗能力、效率的顯著提升，改變信息對抗技術(shù)發(fā)展落后于雷達(dá)/通信技術(shù)的現(xiàn)狀，開展此項(xiàng)技術(shù)研究具備非常重要的理論研究與工程應(yīng)用價值。認(rèn)知云的研究涉及人工智能、云計算、自組網(wǎng)等多個領(lǐng)域，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。目前還有大量基礎(chǔ)性技術(shù)研究，有待通過多學(xué)科融合得以推進(jìn)?！?/p>

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UAV cluster information countermeasure system based oncognitive cloud

Su Kang1,2, Zhu Weiqiang1, Tian Da1, Yang Lüxi2

(1.No. 8511 Research Institute of CASIC, Nanjing 210007, Jiangsu, China; 2. School of Information Science and Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, Jiangsu, China)

The Cognitive-cloud information countermeasure system consists of a swarm of long-endurance, low-cost electronic warfare (EW) Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) and a cloud computing network. The electronic support (ES) UAVs are expected to collect the information on threat emitters in a timely manner. The cloud computing network fuses the sensing results, generates tactical pictures indicating the battlefield situation, plans the information operation strategy autonomously, and directs the electronic attack (EA) UAVs to fulfill the jamming or information access spoofing missions. Finally, the cloud computing network evaluates effectiveness of the countermeasure according to the information collected by the ES UAVs, thus closes the observe-orient-decide-act (OODA) loop. Stand-in operation may ease the UAV payload complexity to a certain extent, which in turn, leads to the more efficient, low power and miniaturized design.

cognition; cloud computing; information countermeasure; Unmanned Aerial Vehicle (UAV); cooperation

2016-03-16；2016-06-17修回。

蘇抗(1982-),男，高工，博士，主要研究方向?yàn)殡娮訉埂?/p>

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