無人機群組認(rèn)知電子戰(zhàn)概述及關(guān)鍵技術(shù)*

邢強，賈鑫，朱衛(wèi)綱，張維坤

(1.裝備學(xué)院 光電裝備系，北京 101416；2.中國人民解放軍31436部隊，遼寧 沈陽 110001)

0 引言

隨著科技的進步與電子信息技術(shù)的發(fā)展，電子信息裝備在戰(zhàn)場大量使用，當(dāng)前電磁環(huán)境變得日益復(fù)雜，常規(guī)電子戰(zhàn)的作戰(zhàn)效能下降，其主要面臨的主要問題有：電磁環(huán)境越來越復(fù)雜，對情報的偵察、獲取及分析提出挑戰(zhàn)；電子技術(shù)的發(fā)展，使得電子裝備趨于智能化，其抗干擾能力越來越強，干擾手段也亟需改進與提升；對于新威脅，傳統(tǒng)干擾方式合成實時性不夠；非合作情況下，干擾方無法獲取被干擾方的干擾效果；目前并沒有針對組網(wǎng)裝備協(xié)同作戰(zhàn)的良好干擾措施，等等[1]。在此背景下，認(rèn)知電子戰(zhàn)(cognitive electronic warfare，CEW)應(yīng)運而生并迅速發(fā)展[2]，這是認(rèn)知與現(xiàn)代電子相結(jié)合的產(chǎn)物。

同時，為改變現(xiàn)有軍力投射困境，開發(fā)低成本、低風(fēng)險、高效率裝備，在拒止環(huán)境中與反介入系統(tǒng)時，增強無人機自主執(zhí)行任務(wù)的能力，美軍已經(jīng)著手研究無人機(unmanned aerial vehicle，UAV)蜂群技術(shù)，該技術(shù)將催生新的作戰(zhàn)指揮平臺，并有望改變未來戰(zhàn)爭模式。

因此，以無人機蜂群為作戰(zhàn)指揮平臺，搭載認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)，執(zhí)行偵察、打擊以及效果評估等電子戰(zhàn)任務(wù)，形成智能閉環(huán)系統(tǒng)，不僅降低軍力投射成本，減免飛行員傷亡風(fēng)險，增強了拒止環(huán)境與反介入系統(tǒng)中無人機自主執(zhí)行任務(wù)的能力，還解決了常規(guī)電子戰(zhàn)不能解決的問題?？梢灶A(yù)言，無人機群組認(rèn)知電子戰(zhàn)是未來電子戰(zhàn)的發(fā)展模式。

1 認(rèn)知電子戰(zhàn)

認(rèn)知在心理學(xué)中指的是通過形成概念、知覺、判斷或想象等心理活動，來獲取知識的過程。在自然科學(xué)方面，Mitola博士最早將認(rèn)知一次應(yīng)用于無線電領(lǐng)域，于1999年提出認(rèn)知無線電[3]，認(rèn)知無線電起源于軟件無線電，旨在不斷感知周圍無線電環(huán)境，依據(jù)一定的學(xué)習(xí)決策算法，自適應(yīng)的改變通信系統(tǒng)的發(fā)射功率，信號參數(shù)，實時進行高效通信，提高頻譜利用率。隨后，Simon Haykin教授于2006年提出認(rèn)知雷達概念[4]，并拓展到認(rèn)知雷達網(wǎng)，提高雷達的檢測、抗干擾等能力。電子戰(zhàn)中有抗干擾就有干擾，隨著電子裝備智能性與抗干擾能力的增強，針對電子裝備干擾技術(shù)的研究也快速發(fā)展，美國最早開始認(rèn)知電子戰(zhàn)方面的研究，并開展了一系列項目，如表 1所示。

其中BLADE與ARC項目進展迅速，2016年6月2日，在機載測試中，DARPA與洛克希德·馬丁公司共同演示了BLADE項目的機載通信干擾技術(shù)。2016年11月4日，BAE系統(tǒng)公司宣布已經(jīng)獲得DARPA授出的合同[5]，繼續(xù)為DARPA研制“自適應(yīng)雷達對抗”(ARC)系統(tǒng)，幫助機載電子戰(zhàn)系統(tǒng)對抗新的未知的自適應(yīng)雷達。

目前來講，認(rèn)知電子戰(zhàn)無明確定義，大家普遍認(rèn)可的認(rèn)知電子戰(zhàn)內(nèi)涵是：具備快速自主態(tài)勢感知，通過學(xué)習(xí)，自主合成對抗策略以及對作戰(zhàn)效能實時評估與反饋的電子戰(zhàn)系統(tǒng)。認(rèn)知電子戰(zhàn)的架構(gòu)如圖 1所示[6]。

認(rèn)知電子戰(zhàn)與傳統(tǒng)電子戰(zhàn)的區(qū)別如表2所示。

從表2中可看出，認(rèn)知電子戰(zhàn)與傳統(tǒng)電子戰(zhàn)相比具有明顯的特點，主要包括以下幾個方面：

(1) 認(rèn)知電子戰(zhàn)具備實時精確的態(tài)勢感知，以及對環(huán)境、目標(biāo)記憶和學(xué)習(xí)的能力。

(2) 認(rèn)知電子戰(zhàn)能夠通過分析周圍環(huán)境合成并優(yōu)化干擾策略[9]。

(3) 認(rèn)知電子戰(zhàn)能夠依據(jù)對外界環(huán)境的探測、分析，評估干擾效果。

(4) 認(rèn)知電子戰(zhàn)能夠形成閉環(huán)反饋，根據(jù)評估反饋結(jié)果，自動調(diào)整干擾樣式和參數(shù)。

(5) 能有效對抗認(rèn)知系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)。

表1 認(rèn)知電子戰(zhàn)主要項目列表Table 1 List of major programs of cognitive electronic warfare

圖1 認(rèn)知電子戰(zhàn)架構(gòu)Fig.1 CEW architecture

傳統(tǒng)電子戰(zhàn)認(rèn)知電子戰(zhàn)功能單一同時對抗多種類型威脅及組網(wǎng)裝備限于單節(jié)點或?qū)Ｓ闷脚_可分布式、網(wǎng)絡(luò)化或單平臺反饋能力弱閉環(huán)回路，具有反饋信息環(huán)境感知能力差實時動態(tài)感知周圍環(huán)境按事先編程實施智能自主決策不在頻段內(nèi)無法工作根據(jù)周圍環(huán)境，調(diào)整工作頻段

2 無人機群組作戰(zhàn)指揮平臺

自然界中，蜜蜂在受到攻擊時，就會全部出動，依靠自身數(shù)量多、體積小、飛行靈活等優(yōu)勢群起而攻之，在此情況下，就算是皮糙肉厚的動物也只能逃之夭夭。在軍費投射困難、拒止環(huán)境以及反介入系統(tǒng)的限制下[11]，美軍正是利用自然界蜜蜂的這一特點，仿生開展了對無人機蜂群技術(shù)的研究。

無人機蜂群技術(shù)是指具有自主能力的無人機通過自主或人為控制，無人機之間進行組網(wǎng)、通信、數(shù)據(jù)共享，在發(fā)射或投放出去后能自主編隊，集中到一起，互相配合，完成對區(qū)域目標(biāo)的電子戰(zhàn)任務(wù)命令。該項技術(shù)包含不同作戰(zhàn)樣式：可搭載不同類型電子戰(zhàn)裝備與傳感器，通過資源合理配置，完成對大范圍區(qū)域目標(biāo)的偵察、探測與跟蹤；釋放假目標(biāo)，欺騙敵防空指揮系統(tǒng)，誘騙敵方雷達開機，從而對其定位，掌握其防空部署或摧毀敵雷達；對敵飽和攻擊，掩蓋己方實際作戰(zhàn)實力，耗費敵防空作戰(zhàn)資源，為后續(xù)打擊奠定基礎(chǔ)。

無人機作戰(zhàn)指揮平臺是仿生自然界中蜜蜂群居以及受到攻擊時群起而攻之的特性而提出的，該項技術(shù)結(jié)合了無人機的技術(shù)優(yōu)勢與蜂群群居的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在：

(1) 無人機群組作戰(zhàn)指揮平臺解放了人力，避免了飛行員的傷亡。

(2) 無人機群組作戰(zhàn)指揮平臺采用體積小、成本低，靈活性好的無人機，降低了作戰(zhàn)的成本。

(3) 無人機群組為作戰(zhàn)平臺，可搭載不同電子戰(zhàn)系統(tǒng)，催生了新的作戰(zhàn)模式。

(4) 分布式的無人機群組作戰(zhàn)指揮平臺，可以實現(xiàn)相互通信，數(shù)據(jù)共享，相互配合，并非群組內(nèi)只有一個指揮中心，在被摧毀后就無法繼續(xù)作戰(zhàn)，因此到達了去中心化的目的，降低系統(tǒng)被破壞的敏感性。

(5) 單個無人機不會對敵造成嚴(yán)重的威脅，但無人機群組能利用數(shù)量優(yōu)勢，產(chǎn)生驚人的力量，給敵方造成威脅。

然而，有優(yōu)勢就有不足，無人機群組作戰(zhàn)指揮平臺并非完美無缺的，同時也存在一些不足，主要體現(xiàn)在：

(1) 無人機飛行速度慢，最快可達250 km/h，飛行速度慢容易成為戰(zhàn)斗機靶標(biāo)，也給予防空作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)以更多的反應(yīng)時間。

(2) 無人機航程短，雖然現(xiàn)在技術(shù)快速發(fā)展，但小型無人機本身的體積小，所攜帶燃料少，而電動無人機的續(xù)航能力則比油動的更弱，因此其作戰(zhàn)半徑小，增加了發(fā)射無人機平臺被戰(zhàn)斗機打擊的風(fēng)險。

(3) 制空能力弱，相比于戰(zhàn)斗機，無人機靠軟件控制，在可以預(yù)見的未來，無人機還不是戰(zhàn)斗機的對手。

目前，無人機蜂群技術(shù)快速發(fā)展，主要項目介紹如表3所示。

3 無人機群組認(rèn)知電子戰(zhàn)概述及關(guān)鍵技術(shù)

3.1 無人機群組認(rèn)知電子戰(zhàn)概述

目前，關(guān)于該方向研究的公開文獻鳳毛麟角，2016年，蘇抗等人發(fā)表文章，提出基于認(rèn)知云的無人機群組信息對抗系統(tǒng)[17]，突破了傳統(tǒng)電子戰(zhàn)的模式，文中通過云計算網(wǎng)，融合無人機群感知結(jié)果，形成總體態(tài)勢感知，再制定干擾策略，調(diào)度無人機實施攻擊。該方法的認(rèn)知云計算中心被摧毀后，無人機群組就無法繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)；若為防護云計算中心，使云計算中心在距離較遠的后方，則無人機群組與云計算中心的實時可靠通信可能無法保障，在拒止環(huán)境與反介入系統(tǒng)中，無人機群組與云計算中心的通信會被打斷。

表3 無人機蜂群作戰(zhàn)技術(shù)主要項目列表Table 3 List of main programs of UAV bee colony warfare technology

在人工智能與電子戰(zhàn)技術(shù)快速發(fā)展的今天，智能化的電子戰(zhàn)裝備無疑是電子戰(zhàn)裝備發(fā)展的趨勢。近年來，追求成本低，靈活性好，具有數(shù)量規(guī)模優(yōu)勢以及能夠避免飛行員傷亡的無人機蜂群技術(shù)也快速發(fā)展，且認(rèn)知電子戰(zhàn)技術(shù)與無人機蜂群技術(shù)都分別進行了原理樣機與投放實驗，且2016年，無人機載電子干擾系統(tǒng)綜合微波組件、“光矛”無人機載干擾機、先進雷達檢測系統(tǒng)(ARDS)等系統(tǒng)均取得不同程度進展。因此，本文提出基于無人群組平臺的認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)，這在理論上是可行的。

無人機群組認(rèn)知電子戰(zhàn)是無人機蜂群技術(shù)與認(rèn)知電子戰(zhàn)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，其基本思想是以無人機群組為作戰(zhàn)指揮平臺，搭載認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)，在無人機群組發(fā)射或投放出后，實現(xiàn)自行編隊，分布式組網(wǎng)，對某區(qū)域或某區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)，執(zhí)行認(rèn)知電子戰(zhàn)任務(wù)。其基本架構(gòu)如圖2所示。

圖2 無人機群組認(rèn)知電子戰(zhàn)架構(gòu)Fig.2 UAV group CEW architecture

無人機群組認(rèn)知電子戰(zhàn)改變了傳統(tǒng)電子戰(zhàn)作戰(zhàn)模式單一的特點，催生了新的作戰(zhàn)模式，其主要特點有：

(1) 能夠感知環(huán)境結(jié)果，針對同一區(qū)域不同目標(biāo)分別實施不同的認(rèn)知對抗策略，即同時對抗多種類型的威脅。

(2) 其分布式的網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)，大大增強了無人機群組認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)的抗摧毀性，其中一架無人機被摧毀后，并不影響編隊中其他無人機繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)。

(3) 拒止環(huán)境與反介入系統(tǒng)中，無人機群組與認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)均可形成閉環(huán)系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)共享、智能學(xué)習(xí)后自主決策，提高系統(tǒng)的工作能力。

3.2 無人機群組認(rèn)知電子戰(zhàn)關(guān)鍵技術(shù)

在研究無人機群組認(rèn)知電子戰(zhàn)的過程中，涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要有：

(1) 無人機群組編隊技術(shù)

無人機群組在投放或發(fā)射后要自主編隊，即有效安全的自組織網(wǎng)絡(luò)，自組織網(wǎng)絡(luò)應(yīng)遵循以下原則：便于快速實現(xiàn)無人機群組間的數(shù)據(jù)共享，結(jié)構(gòu)便于信息傳輸；眾多無人機之間的能協(xié)調(diào)與配合；無人機群組間應(yīng)避免發(fā)生相互干擾。

(2) 認(rèn)知電子戰(zhàn)技術(shù)

認(rèn)知電子戰(zhàn)技術(shù)設(shè)計的主要模塊有：認(rèn)知偵察模塊、對抗措施合成模塊、干擾效果在線評估模塊以及知識庫的構(gòu)建模塊。認(rèn)知偵察模塊主要是對周圍環(huán)境感知，對目標(biāo)狀態(tài)、行為等進行識別，威脅等級評估；對抗措施合成模塊包括干擾樣式選擇、干擾波形優(yōu)化、干擾資源調(diào)度干擾；干擾效果在線評估模塊研究干擾效果的評估流程、指標(biāo)體系等；知識庫的模塊包括動態(tài)威脅庫、干擾規(guī)則庫的組成、結(jié)構(gòu)及更新。

(3) 人機交互技術(shù)

雖然高技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電子裝備，無人機群組認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)趨于智能化，人依然是決定戰(zhàn)爭勝負的因素，加之無人機遠程控制難度大，如何實現(xiàn)無人機與空中指揮機的有效信息溝通，即人機交互技術(shù)，也是研究的重點之一。

4 結(jié)束語

近年來，美國開展了多項關(guān)于認(rèn)知電子戰(zhàn)與無人機蜂群技術(shù)項目的研究，無人機群組認(rèn)知電子戰(zhàn)技術(shù)結(jié)合兩者的優(yōu)勢，即降低了電子戰(zhàn)裝備的成本，減免人員傷亡，又能自主感知周圍環(huán)境，自主生成對抗決策并進行評估，因此，該項技術(shù)催生了新的作戰(zhàn)模式，可以預(yù)見，該項技術(shù)在不就的將來將應(yīng)用于航天、智能組網(wǎng)裝備等高技術(shù)領(lǐng)域中，這是是電子戰(zhàn)發(fā)展的趨勢，但從提出到裝備研制成功還有很長的路要走。

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