認(rèn)知通信電子戰(zhàn)關(guān)鍵技術(shù)分析

張冠杰

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引 言

“認(rèn)知”的概念應(yīng)用于電磁頻譜領(lǐng)域最早出現(xiàn)于認(rèn)知無線電。隨后，Simon Haykin教授提出了認(rèn)知雷達(dá)的概念[1]。近年來，美軍將“認(rèn)知”的思想引入到對(duì)抗領(lǐng)域，提出了認(rèn)知通信電子戰(zhàn)的概念，以提高現(xiàn)役裝備的認(rèn)知能力。認(rèn)知通信電子戰(zhàn)具有自主態(tài)勢(shì)感知、智能決策和自適應(yīng)策略優(yōu)化等優(yōu)勢(shì)，是未來通信電子戰(zhàn)裝備的發(fā)展方向之一。

傳統(tǒng)通信電子戰(zhàn)在復(fù)雜電磁環(huán)境下，可以對(duì)抗已知威脅目標(biāo)，但對(duì)于未知威脅目標(biāo)則基本束手無策，并且在網(wǎng)絡(luò)化通信系統(tǒng)對(duì)抗方面，存在干擾資源調(diào)動(dòng)和協(xié)同能力弱的問題。因此需要設(shè)計(jì)認(rèn)知通信電子戰(zhàn)對(duì)抗系統(tǒng)。文獻(xiàn)[2]主要介紹了認(rèn)知電子戰(zhàn)技術(shù)研究的必要性。文獻(xiàn)[3]詳細(xì)介紹了美國(guó)國(guó)防部的自適應(yīng)電子戰(zhàn)行為學(xué)習(xí)(BLADE)的設(shè)計(jì)思路以及項(xiàng)目進(jìn)展。文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]介紹了認(rèn)知無線電的概念、關(guān)鍵技術(shù)和主要技術(shù)特點(diǎn)。文獻(xiàn)[5]介紹了復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下通信電子戰(zhàn)面臨的挑戰(zhàn)。然而，文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]對(duì)認(rèn)知電子戰(zhàn)進(jìn)行了系統(tǒng)性介紹，并未針對(duì)通信電子戰(zhàn)進(jìn)行深入的分析。

基于以上工作，本文分析了認(rèn)知通信電子戰(zhàn)系統(tǒng)的構(gòu)成以及關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建了基于認(rèn)知偵察、干擾效果在線評(píng)估以及對(duì)抗措施合成等部分的組成框架，并闡述了認(rèn)知通信電子戰(zhàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

1 認(rèn)知通信電子戰(zhàn)需求分析

隨著軍事裝備的發(fā)展，通信電子戰(zhàn)裝備面臨的戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境越來越復(fù)雜，同時(shí)，戰(zhàn)場(chǎng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化以及大量的抗干擾技術(shù)的應(yīng)用，都對(duì)通信電子戰(zhàn)的發(fā)展提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[5]。通信電子戰(zhàn)系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)主要來自以下3個(gè)方面：

(1) 復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境帶來的挑戰(zhàn)

現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)上，電磁環(huán)境越來越復(fù)雜。一方面，作戰(zhàn)電子系統(tǒng)眾多，各系統(tǒng)的頻段不斷擴(kuò)寬，信號(hào)樣式不斷增加，應(yīng)用方式復(fù)雜多變；另一方面，戰(zhàn)場(chǎng)地形復(fù)雜，給對(duì)抗系統(tǒng)的偵察和干擾造成嚴(yán)重的影響。傳統(tǒng)的電子戰(zhàn)系統(tǒng)對(duì)各種新體制通信信號(hào)、新型抗干擾信號(hào)等威脅輻射源偵察識(shí)別能力較弱，不能及時(shí)有效地制定對(duì)抗決策。

(2) 通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化帶來的挑戰(zhàn)

現(xiàn)代通信系統(tǒng)已經(jīng)普遍網(wǎng)絡(luò)化，通信得以實(shí)現(xiàn)多路由傳輸，網(wǎng)格化多路由傳輸能夠?qū)崿F(xiàn)很好的抗干擾，對(duì)傳統(tǒng)通信電子戰(zhàn)系統(tǒng)來說，僅僅對(duì)幾條通信鏈路實(shí)施干擾，并不能很好地完成攻擊任務(wù)，無法對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)化信息系統(tǒng)。

(3) 通信抗干擾技術(shù)帶來的挑戰(zhàn)

現(xiàn)代通信系統(tǒng)中有大量抗干擾技術(shù)的應(yīng)用，比如，空域干擾抑制技術(shù)、高增益擴(kuò)頻技術(shù)、突發(fā)通信技術(shù)等。這些抗干擾技術(shù)的應(yīng)用無一例外都極大地消耗了通信電子戰(zhàn)裝備的干擾資源，降低了通信電子戰(zhàn)裝備的干擾效果。

總之，通信電子戰(zhàn)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，面臨的挑戰(zhàn)越來越多，亟需轉(zhuǎn)變思路，研究通信電子戰(zhàn)的新體制和新技術(shù)，使通信電子戰(zhàn)具有“認(rèn)知”能力。

2 認(rèn)知電子戰(zhàn)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

2018年6月27日，美國(guó)國(guó)防部下令建立聯(lián)合人工智能中心(JAIC),該中心將成為軍事人工智能研究的核心樞紐，英國(guó)、韓國(guó)、日本以及以色列等發(fā)達(dá)國(guó)家也相繼成立AI實(shí)驗(yàn)室等類似機(jī)構(gòu)。其中，美國(guó)在認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)方面走到了世界的前列，下面介紹美國(guó)防部的幾個(gè)主要項(xiàng)目。

2.1.1 算法戰(zhàn)“Project Maven”項(xiàng)目

2017年4月，美國(guó)防部時(shí)任副部長(zhǎng)羅伯特·沃克啟動(dòng)“Project Maven”項(xiàng)目，該計(jì)劃的目的在于將國(guó)防部海量數(shù)據(jù)快速轉(zhuǎn)變?yōu)榭捎糜谛袆?dòng)的情報(bào)。該項(xiàng)目啟動(dòng)剛滿一年，所開發(fā)的算法已經(jīng)部署到美國(guó)非洲司令部、中央司令部等多個(gè)地點(diǎn)，幫助情報(bào)分析人員從“掃描鷹”、MQ-9“死神”等無人機(jī)拍攝到的數(shù)百萬小時(shí)視頻圖像中，自主識(shí)別感興趣的物體?！癙roject Maven”利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)挖掘作戰(zhàn)數(shù)據(jù)的具體做法如下：

(1) 采用“三步走”策略處理原始數(shù)據(jù)。

第一步，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編目和標(biāo)注，使其可用于訓(xùn)練算法；第二步，在谷歌等承包商的幫助下，操作員利用已標(biāo)注數(shù)據(jù)為特定任務(wù)和地區(qū)量身定制一套算法；第三步，將該算法交付部隊(duì)，并探索如何最好地對(duì)其加以利用。

(2) 注重算法的反復(fù)訓(xùn)練。算法不會(huì)在部署后立即完美地發(fā)揮作用，在部署后對(duì)算法進(jìn)行多次“重新訓(xùn)練”才能使算法獲得“令人印象深刻的性能水平”。

2.1.2 自適應(yīng)電子戰(zhàn)行為學(xué)習(xí)項(xiàng)目

BLADE項(xiàng)目是美國(guó)國(guó)防部認(rèn)知通信電子戰(zhàn)的開拓項(xiàng)目，于2010年啟動(dòng)。該項(xiàng)目的重點(diǎn)是開發(fā)新的算法和技術(shù)，使通信電子戰(zhàn)系統(tǒng)能夠在戰(zhàn)場(chǎng)上自主學(xué)習(xí)干擾新的通信威脅，并不涉及硬件設(shè)備研制，目的是對(duì)抗敵方自適應(yīng)無線通信系統(tǒng)帶來的威脅[2]。

BLADE項(xiàng)目開發(fā)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法和技術(shù)能夠快速探測(cè)和表征新的無線電威脅，動(dòng)態(tài)形成新的對(duì)抗策略，并基于威脅的變化情況，提供精確的電子戰(zhàn)損毀評(píng)估。該項(xiàng)目將基于實(shí)驗(yàn)室的電子對(duì)抗方式轉(zhuǎn)變?yōu)樽赃m應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)的對(duì)抗方式，可以在幾分鐘時(shí)間內(nèi)，探測(cè)、表征、對(duì)抗先進(jìn)無線通信威脅。更為重要的是，該技術(shù)為作戰(zhàn)人員提供了對(duì)抗那些可以快速適應(yīng)或改變電子剖面的新的或先進(jìn)威脅的能力。

2016年6月，洛克希德·馬丁公司和美國(guó)防部DARPA成功地在政府試驗(yàn)靶場(chǎng)針對(duì)典型威脅環(huán)境進(jìn)行了一系列的飛行試驗(yàn)。試驗(yàn)期間，洛克希德·馬丁公司的工程師們駕駛一架改裝的Piper Navajo飛機(jī)，針對(duì)軍用無線電信號(hào)、手機(jī)和專用數(shù)據(jù)鏈等射頻信號(hào)進(jìn)行采集，政府機(jī)構(gòu)的25名代表觀看了BLADE系統(tǒng)在各種戰(zhàn)術(shù)情況下動(dòng)態(tài)感應(yīng)、表征和干擾自適應(yīng)無線通信威脅的場(chǎng)景。

2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)在認(rèn)知電子戰(zhàn)領(lǐng)域的研究工作還處于剛剛起步階段，多數(shù)工作集中于系統(tǒng)的理論研究方面，通過跟蹤國(guó)外相關(guān)項(xiàng)目的研究動(dòng)態(tài)，借鑒和吸收相關(guān)項(xiàng)目的研究經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，積極跟進(jìn)理論研究，為我國(guó)認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)的開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

3 認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)組成及關(guān)鍵技術(shù)

3.1 系統(tǒng)組成

典型的具有認(rèn)知能力的通信電子戰(zhàn)系統(tǒng)由認(rèn)知偵察、對(duì)抗措施合成、干擾效果在線評(píng)估和動(dòng)態(tài)知識(shí)庫組成，如圖1所示。

圖1 認(rèn)知通信電子戰(zhàn)工作流程圖

3.1.1 認(rèn)知偵察模塊

認(rèn)知偵察模塊是認(rèn)知通信電子戰(zhàn)的基礎(chǔ)，由環(huán)境感知、信號(hào)分類、信號(hào)識(shí)別以及輻射源特征描述等部分組成。針對(duì)感興趣頻段范圍內(nèi)的所有電磁信號(hào)，利用聚類等無監(jiān)督學(xué)習(xí)、深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)推理技術(shù)、模糊推理技術(shù)等機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，自主提取和推理輻射源的特征參數(shù)、類別以及輻射源的狀態(tài)等功能，確定需要對(duì)抗的威脅輻射源及其相應(yīng)的工作狀態(tài)、電磁行為、威脅等級(jí)等信息，最終形成威脅輻射源報(bào)告。

3.1.2 對(duì)抗措施合成模塊

對(duì)抗措施合成模塊是認(rèn)知通信電子戰(zhàn)的核心，由對(duì)抗策略搜索、對(duì)抗措施配置、效能推演評(píng)估以及對(duì)抗措施實(shí)施等部分組成。針對(duì)需要干擾的威脅輻射源以及干擾效果在線評(píng)估結(jié)果，利用強(qiáng)化學(xué)習(xí)、案例推理、模糊推理等機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)在對(duì)抗策略庫中搜索相對(duì)應(yīng)的對(duì)抗措施類別，并完成對(duì)抗措施配置，根據(jù)模擬數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)效能推演評(píng)估，以效能推演評(píng)估結(jié)果為依據(jù)完成對(duì)干擾措施配置的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)干擾措施的閉環(huán)決策，最后實(shí)施對(duì)威脅目標(biāo)輻射源的干擾。

3.1.3 干擾效果在線評(píng)估模塊

干擾效果在線評(píng)估模塊是認(rèn)知通信電子戰(zhàn)的關(guān)鍵，是認(rèn)知電子戰(zhàn)閉環(huán)系統(tǒng)的重要組合部分。針對(duì)不同的通信系統(tǒng)，將威脅目標(biāo)受干擾后物理層、鏈路層及網(wǎng)絡(luò)層上的特征及其變化視為目標(biāo)的行為特征，采用基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)推理等智能評(píng)估方法實(shí)現(xiàn)干擾效果在線評(píng)估以及預(yù)測(cè)威脅目標(biāo)的電磁行為。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)認(rèn)知通信電子戰(zhàn)系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)組成，初步得出認(rèn)知通信電子戰(zhàn)系統(tǒng)技術(shù)體系結(jié)構(gòu)包括電磁感知和認(rèn)知對(duì)抗技術(shù)、基于行為學(xué)習(xí)的干擾效果在線評(píng)估技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。

3.2.1 電磁感知與認(rèn)知對(duì)抗技術(shù)

傳統(tǒng)的電子戰(zhàn)系統(tǒng)可以根據(jù)預(yù)先裝訂的對(duì)抗方案來響應(yīng)威脅輻射源的變化，但當(dāng)面對(duì)未知信號(hào)或者新信號(hào)時(shí)，則沒有相應(yīng)的對(duì)抗方案。本技術(shù)能夠自主感知戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境，識(shí)別威脅輻射源的狀態(tài)，推斷輻射源電磁行為并有針對(duì)性地自主配置對(duì)抗策略。首先，利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)和貝葉斯學(xué)習(xí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)感興趣頻段范圍內(nèi)的電磁信號(hào)的檢測(cè)，并提取電磁信號(hào)的傳輸方式參數(shù)、發(fā)射機(jī)參數(shù)、信道參數(shù)以及鏈路參數(shù)等信號(hào)特征；其次，根據(jù)檢測(cè)的信號(hào)波形和信號(hào)特征，利用聚類算法、深度學(xué)習(xí)算法、最近鄰算法以及模板匹配算法等技術(shù)實(shí)現(xiàn)已知和未知輻射源的分類，并提取分類特征；第三，利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)推理、基于案例的推理等技術(shù)識(shí)別未知威脅目標(biāo)輻射源的工作模式、所屬通信網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、電磁行為分析以及意圖推斷等；第四，根據(jù)輻射源識(shí)別和分類結(jié)果，利用強(qiáng)化學(xué)習(xí)、基于案例的推理等技術(shù)檢索已知和未知威脅輻射源的干擾策略種類；第五，在模糊推理等機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的支撐下，實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾策略的配置，并通過效能推演評(píng)估完成對(duì)干擾策略配置的優(yōu)化，最后針對(duì)威脅輻射源實(shí)施快速干擾。電磁感知和認(rèn)知對(duì)抗技術(shù)的處理流程圖如圖2所示。

圖2 電磁感知及認(rèn)知對(duì)抗處理流程

3.2.2 基于行為學(xué)習(xí)的干擾效果在線評(píng)估技術(shù)

傳統(tǒng)的干擾效果評(píng)估方法是利用被干擾通信系統(tǒng)的最終結(jié)果來直接評(píng)估的，但是在戰(zhàn)時(shí)環(huán)境下，無法獲取被干擾通信系統(tǒng)的最終結(jié)果，實(shí)時(shí)干擾效果評(píng)估就很難進(jìn)行了。本技術(shù)將威脅目標(biāo)受干擾后物理層、鏈路層及網(wǎng)絡(luò)層上的特征及其變化視為電磁行為，通過觀察目標(biāo)電磁行為的變化來間接評(píng)估干擾效果。基于行為學(xué)習(xí)的干擾效果在線評(píng)估技術(shù)采用“偵察-推理-干擾-再偵察”的工作模式，通過偵察傳感器截獲目標(biāo)信號(hào)，引導(dǎo)干擾機(jī)對(duì)目標(biāo)信號(hào)實(shí)施干擾，然后監(jiān)視被干擾目標(biāo)信號(hào)的特征變化，利用已建立樣本庫的先驗(yàn)知識(shí)對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行行為分析，最后利用基于案例的推理、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)推理、支持向量機(jī)以及半監(jiān)督學(xué)習(xí)等機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)進(jìn)行判別，確定干擾是否有效以及干擾有效等級(jí)，從而推斷干擾機(jī)是否應(yīng)該采取進(jìn)一步的措施。干擾效果評(píng)估系統(tǒng)處理流程框圖如圖3所示。

圖3 基于行為學(xué)習(xí)的干擾效果在線評(píng)估處理流程

4 結(jié)束語

隨著戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和通信裝備的快速發(fā)展，通信電子戰(zhàn)裝備的作戰(zhàn)環(huán)境和作戰(zhàn)對(duì)象都發(fā)生了巨大變化，給通信電子戰(zhàn)裝備的發(fā)展帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。本文針對(duì)傳統(tǒng)通信電子戰(zhàn)系統(tǒng)面臨的變化與挑戰(zhàn)，簡(jiǎn)述了認(rèn)知思想在電磁頻譜領(lǐng)域的發(fā)展，在對(duì)美軍認(rèn)知電子對(duì)抗技術(shù)進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，牢牢把握了通信電子戰(zhàn)發(fā)展的新形態(tài)和新思想；分析了認(rèn)知通信電子戰(zhàn)系統(tǒng)的主要構(gòu)成，深化了認(rèn)知通信電子戰(zhàn)系統(tǒng)的處理流程，并進(jìn)一步提出了一些認(rèn)知通信電子戰(zhàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)以及初步的實(shí)現(xiàn)手段；以實(shí)現(xiàn)使通信電子戰(zhàn)裝備形成“認(rèn)知”能力的目的，為推動(dòng)我國(guó)認(rèn)知通信電子戰(zhàn)裝備的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。