人工智能與電磁頻譜戰(zhàn)

◎王沙飛院士

一、電磁頻譜戰(zhàn)概念演進(jìn)

（一）電磁空間相關(guān)概念

美軍《JP6-01聯(lián)合電磁頻譜管理作戰(zhàn)》將電磁頻譜定義為一個(gè)基于物理空間的機(jī)動(dòng)（maneuver）空間，其實(shí)質(zhì)是控制整個(gè)軍事行動(dòng)期間的電磁行動(dòng)環(huán)境。我國(guó)2011版《中國(guó)人民解放軍軍語(yǔ)》定義電磁空間為由電磁波構(gòu)成的物理空間，是自然空間的組成部分。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，電磁空間與陸、海、空、天并稱(chēng)為五維作戰(zhàn)空間。

（二）美軍電磁頻譜戰(zhàn)概念演進(jìn)

美國(guó)軍方各軍種根據(jù)自身需求，先后提出多個(gè)新概念以指導(dǎo)自身在這一領(lǐng)域的具體行動(dòng)。電磁頻譜戰(zhàn)概念演進(jìn)過(guò)程如圖1。

早在2010年老烏鴉協(xié)會(huì)就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，2013年美國(guó)空軍提出頻譜戰(zhàn)，2014年美國(guó)陸軍提出網(wǎng)絡(luò)電磁行動(dòng)（CEMA），2014年美國(guó)海軍提出電磁機(jī)動(dòng)戰(zhàn)（EMMW），而到近期，美國(guó)一些智庫(kù)又對(duì)該概念進(jìn)行了進(jìn)一步闡述，如2017年10月，《決勝灰色地帶》智庫(kù)研究報(bào)告提出了電磁戰(zhàn)。特別是在2017年1月，美國(guó)國(guó)防部還發(fā)布了《電子戰(zhàn)戰(zhàn)略》。

圖1 電磁頻譜戰(zhàn)概念演進(jìn)過(guò)程圖

綜上，我們認(rèn)為電磁空間是指由依存于電磁頻譜的各類(lèi)傳感器、通信和武器系統(tǒng)及其相關(guān)信息活動(dòng)所構(gòu)成的物理空間。電磁空間是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)作戰(zhàn)概念和技術(shù)發(fā)展到一定階段后才被認(rèn)知的域，并成為了新的作戰(zhàn)空間。在構(gòu)成上，既包括戰(zhàn)場(chǎng)各類(lèi)傳感器、通信終端以及武器系統(tǒng)等實(shí)體，也包括各類(lèi)信息系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁波和信息流。

電磁頻譜戰(zhàn)是電子對(duì)抗的自然延續(xù)和發(fā)展，是指發(fā)生在電磁空間并依賴(lài)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。電磁頻譜戰(zhàn)將傳統(tǒng)電子對(duì)抗的概念進(jìn)一步向電子戰(zhàn)+電磁頻譜控制，甚至整個(gè)電磁頻譜領(lǐng)域（包括電子戰(zhàn)、通信、傳感器）的斗爭(zhēng)拓展。

二、基于認(rèn)知的電磁頻譜戰(zhàn)

（一）認(rèn)知相關(guān)概念

在牛津英文字典中認(rèn)知（Cognition）被解釋為“KNOWING, PERCEIVING, OR CONCEIVING AS AN ACT”，即行為理解、行為感知和行為設(shè)想。生物的基本認(rèn)知過(guò)程是通過(guò)反饋信息感知、分析其行為作用結(jié)果，利用經(jīng)驗(yàn)調(diào)整其行為活動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)、智能的行為控制，并學(xué)習(xí)更新其經(jīng)驗(yàn)知識(shí)。將認(rèn)知思想應(yīng)用到無(wú)線(xiàn)工程領(lǐng)域，人們提出了基于認(rèn)知的電子信息系統(tǒng)的概念，這種智能的信息系統(tǒng)與生物認(rèn)知特性有著對(duì)應(yīng)的關(guān)系，如表1所示。

基于認(rèn)知的電子信息系統(tǒng)具備四種能力。一是環(huán)境感知能力，能夠從復(fù)雜環(huán)境中自主快速獲取信息；二是學(xué)習(xí)推理能力，能夠根據(jù)感知信息或環(huán)境變化，快速自主學(xué)習(xí)并進(jìn)行智能調(diào)整改變；三是評(píng)估判斷能力，能夠?qū)χ悄芨淖兯a(chǎn)生的結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估并反饋；四是記憶存儲(chǔ)能力，能夠?qū)Ξa(chǎn)生有效改變所對(duì)應(yīng)的環(huán)境感知信息和自適應(yīng)調(diào)整參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。

在軍事領(lǐng)域，認(rèn)知思想得到了廣泛運(yùn)用，近年來(lái)，逐漸提出了認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電、認(rèn)知雷達(dá)、認(rèn)知電子戰(zhàn)等新概念。1999年，瑞典皇家技術(shù)學(xué)院的Joseph Mitola博士和Gerald Q.Maguire.JR教授在IEEE Personal Communications雜志上發(fā)表文章，提出了“認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電”（Cognitive Radio）的概念，其基本特征歸結(jié)為具有認(rèn)知能力和重構(gòu)能力，一種以軟件無(wú)線(xiàn)電為平臺(tái)的智能無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。2006年，加拿大皇家學(xué)會(huì)院士Simon Haykin教授提出了認(rèn)知雷達(dá)（Cognitive Radar）的概念，通過(guò)將腦科學(xué)和人工智能融入雷達(dá)系統(tǒng)，使得其可以感知環(huán)境、理解環(huán)境、學(xué)習(xí)推理和判斷決策，指出具有認(rèn)知功能是新一代雷達(dá)系統(tǒng)的重要標(biāo)志，其技術(shù)思想如圖2所示。2010年7月，DARPA發(fā)布自適應(yīng)電子戰(zhàn)行為學(xué)習(xí)項(xiàng)目（BLADE），第一次將機(jī)器學(xué)習(xí)理論應(yīng)用到通信電子戰(zhàn)領(lǐng)域，具有革命性意義。

表1 基于認(rèn)知的電子信息系統(tǒng)與生物認(rèn)知特性的對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖2 認(rèn)知雷達(dá)的技術(shù)思想圖

認(rèn)知電子戰(zhàn)（Cognitive EW）可以描述為一個(gè)智能的電子戰(zhàn)系統(tǒng)，它能夠自主感知電磁環(huán)境，通過(guò)學(xué)習(xí)和推理，實(shí)時(shí)改變干擾策略，并評(píng)估干擾效果，以達(dá)到對(duì)威脅目標(biāo)（已知或未知）的自適應(yīng)對(duì)抗。

（二）解決的主要問(wèn)題

2015年12月2日，美國(guó)智囊戰(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》報(bào)告，首次提出了以“電磁頻譜戰(zhàn)”（EMS warfare）代替“電子戰(zhàn)”概念，提出未來(lái)電磁頻譜作戰(zhàn)系統(tǒng)應(yīng)具有“認(rèn)知”等能力。將人工智能理論應(yīng)用于電磁頻譜戰(zhàn)，主要解決三個(gè)方面的問(wèn)題：一是復(fù)雜電磁環(huán)境下未知威脅和網(wǎng)絡(luò)化目標(biāo)偵察識(shí)別問(wèn)題，采用人工智能方法，綜合輻射源時(shí)、頻、空、能等多維信息，提高電子戰(zhàn)系統(tǒng)對(duì)電磁態(tài)勢(shì)感知和未知威脅快速識(shí)別能力等；二是對(duì)抗新型未知信號(hào)和網(wǎng)絡(luò)化多目標(biāo)的問(wèn)題，通過(guò)基于機(jī)器學(xué)習(xí)的自主推理，自動(dòng)形成優(yōu)化干擾波形和干擾策略，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)快速對(duì)新型雷達(dá)/通信威脅的對(duì)抗，以及“多對(duì)多”的對(duì)抗；三是干擾效果在線(xiàn)檢測(cè)評(píng)估的問(wèn)題，通過(guò)人工智能算法，檢測(cè)威脅目標(biāo)干擾前后的變化，實(shí)時(shí)評(píng)估干擾效果。

綜上所述，基于認(rèn)知的電磁頻譜戰(zhàn)提高了復(fù)雜電磁環(huán)境下對(duì)未知目標(biāo)威脅信號(hào)，以及網(wǎng)絡(luò)化目標(biāo)的自主感知、智能干擾決策和干擾效果在線(xiàn)評(píng)估能力，提升電子對(duì)抗觀(guān)察-判斷-決策-行動(dòng)（OODA）環(huán)路的自適應(yīng)能力和智能化水平，并縮短反應(yīng)時(shí)間。

三、關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題思考

支撐構(gòu)建完整、閉環(huán)的電磁頻譜戰(zhàn)OODA環(huán)路，實(shí)現(xiàn)電磁空間裝備智能化，主要關(guān)鍵技術(shù)包括頻譜認(rèn)知理論和方法、電磁行為智能感知與威脅自主識(shí)別技術(shù)、頻譜學(xué)習(xí)推理的自適應(yīng)對(duì)抗技術(shù)等。

頻譜認(rèn)知理論與方法包括電磁威脅建模與頻譜行為表征方法、面向非確定性小樣本空間應(yīng)用的智能頻譜戰(zhàn)學(xué)習(xí)訓(xùn)練方法、面向頻譜認(rèn)知的動(dòng)態(tài)專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)構(gòu)建技術(shù)等。電磁行為智能感知與威脅自主識(shí)別技術(shù)包括未知輻射源的頻譜行為分析技術(shù)、未知威脅自主識(shí)別技術(shù)、多智能體協(xié)同頻譜認(rèn)知方法、網(wǎng)絡(luò)化信息系統(tǒng)戰(zhàn)斗序列自主識(shí)別與行為意圖推斷技術(shù)等。頻譜學(xué)習(xí)推理的自適應(yīng)對(duì)抗技術(shù)包括基于認(rèn)知的干擾策略?xún)?yōu)化方法、智能化的干擾波形優(yōu)化生成方法、干擾效果在線(xiàn)評(píng)估技術(shù)等。

美軍將基于認(rèn)知的電磁頻譜戰(zhàn)技術(shù)作為未來(lái)電子戰(zhàn)裝備自適應(yīng)、智能化的重要支撐。各軍種都有相應(yīng)規(guī)劃，如美國(guó)防部DARPA的自適應(yīng)雷達(dá)對(duì)抗（ARC）、自適應(yīng)電子戰(zhàn)行為學(xué)習(xí)（BLADE），美國(guó)海軍的認(rèn)知電子戰(zhàn)計(jì)劃，美國(guó)空軍的認(rèn)知干擾機(jī)（CJ）。DARPA局長(zhǎng)在國(guó)會(huì)聽(tīng)證會(huì)上表示，ARC將“應(yīng)對(duì)新的雷達(dá)威脅的時(shí)間由過(guò)去幾個(gè)月到一年，縮短至幾分鐘、幾秒鐘”，這其中人工智能的應(yīng)用使得電子戰(zhàn)的技能得到了極大的提升。DARPA的自適應(yīng)電子戰(zhàn)行為學(xué)習(xí)（BLADE）將機(jī)器學(xué)習(xí)理論應(yīng)用到通信電子戰(zhàn)領(lǐng)域，對(duì)于通信電子戰(zhàn)發(fā)展具有革命性意義。美國(guó)哈里斯公司研制的自適應(yīng)電子戰(zhàn)裝備“破 壞者”SRx，實(shí)現(xiàn)了全譜覆蓋、多功能、可重構(gòu)、可編程、基于微系統(tǒng)的低成本、小型化的智能化干擾。

綜合來(lái)看，電磁行為智能感知與威脅自主識(shí)別的應(yīng)用解決了未知威脅/網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)識(shí)別的問(wèn)題，基于頻譜學(xué)習(xí)推理的自適應(yīng)對(duì)抗技術(shù)解決了自適應(yīng)干擾問(wèn)題，干擾效果在線(xiàn)評(píng)估技術(shù)解決了電磁頻譜戰(zhàn)OODA環(huán)路閉環(huán)的問(wèn)題。通過(guò)上述理論和技術(shù)的綜合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)從過(guò)去的點(diǎn)、鏈目標(biāo)的對(duì)抗轉(zhuǎn)變到網(wǎng)絡(luò)化目標(biāo)對(duì)抗，從已知目標(biāo)對(duì)抗轉(zhuǎn)變到未知威脅對(duì)抗，從過(guò)去開(kāi)環(huán)、以人為主的對(duì)抗模式向閉環(huán)、人機(jī)交互、自主決策的轉(zhuǎn)變。

結(jié)束語(yǔ)

在概念上，電磁頻譜將作為繼陸海空天網(wǎng)之后的第六維獨(dú)立作戰(zhàn)空間，并貫穿于其它空間的作戰(zhàn)中；在內(nèi)涵上，將由電子戰(zhàn)向電子戰(zhàn)+頻譜管控，甚至整個(gè)電磁頻譜所有作戰(zhàn)行動(dòng)擴(kuò)展；在特征上，更加強(qiáng)調(diào)智能化、一體化、網(wǎng)絡(luò)化等特征，特別是人工智能在電磁頻譜戰(zhàn)中的應(yīng)用。未來(lái)將實(shí)現(xiàn)由電子戰(zhàn)向電磁頻譜戰(zhàn)、向電磁空間作戰(zhàn)的演變，并且人工智能技術(shù)將貫穿始終。