認知通信電子戰關鍵技術分析

張冠杰

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引 言

“認知”的概念應用于電磁頻譜領域最早出現于認知無線電。隨后，Simon Haykin教授提出了認知雷達的概念[1]。近年來，美軍將“認知”的思想引入到對抗領域，提出了認知通信電子戰的概念，以提高現役裝備的認知能力。認知通信電子戰具有自主態勢感知、智能決策和自適應策略優化等優勢，是未來通信電子戰裝備的發展方向之一。

傳統通信電子戰在復雜電磁環境下，可以對抗已知威脅目標，但對于未知威脅目標則基本束手無策，并且在網絡化通信系統對抗方面，存在干擾資源調動和協同能力弱的問題。因此需要設計認知通信電子戰對抗系統。文獻[2]主要介紹了認知電子戰技術研究的必要性。文獻[3]詳細介紹了美國國防部的自適應電子戰行為學習(BLADE)的設計思路以及項目進展。文獻[3]和文獻[4]介紹了認知無線電的概念、關鍵技術和主要技術特點。文獻[5]介紹了復雜戰場環境下通信電子戰面臨的挑戰。然而，文獻[3]和文獻[4]對認知電子戰進行了系統性介紹，并未針對通信電子戰進行深入的分析。

基于以上工作，本文分析了認知通信電子戰系統的構成以及關鍵技術，構建了基于認知偵察、干擾效果在線評估以及對抗措施合成等部分的組成框架，并闡述了認知通信電子戰系統的關鍵技術。

1 認知通信電子戰需求分析

隨著軍事裝備的發展，通信電子戰裝備面臨的戰場電磁環境越來越復雜，同時，戰場通信系統網絡化以及大量的抗干擾技術的應用，都對通信電子戰的發展提出了嚴峻的挑戰[5]。通信電子戰系統面臨的挑戰主要來自以下3個方面：

(1) 復雜的戰場電磁環境帶來的挑戰

現代戰場上，電磁環境越來越復雜。一方面，作戰電子系統眾多，各系統的頻段不斷擴寬，信號樣式不斷增加，應用方式復雜多變；另一方面，戰場地形復雜，給對抗系統的偵察和干擾造成嚴重的影響。傳統的電子戰系統對各種新體制通信信號、新型抗干擾信號等威脅輻射源偵察識別能力較弱，不能及時有效地制定對抗決策。

(2) 通信系統網絡化帶來的挑戰

現代通信系統已經普遍網絡化，通信得以實現多路由傳輸，網格化多路由傳輸能夠實現很好的抗干擾，對傳統通信電子戰系統來說，僅僅對幾條通信鏈路實施干擾，并不能很好地完成攻擊任務，無法對抗網絡化信息系統。

(3) 通信抗干擾技術帶來的挑戰

現代通信系統中有大量抗干擾技術的應用，比如，空域干擾抑制技術、高增益擴頻技術、突發通信技術等。這些抗干擾技術的應用無一例外都極大地消耗了通信電子戰裝備的干擾資源，降低了通信電子戰裝備的干擾效果。

總之，通信電子戰經過幾十年的發展，面臨的挑戰越來越多，亟需轉變思路，研究通信電子戰的新體制和新技術，使通信電子戰具有“認知”能力。

2 認知電子戰國內外發展現狀

2.1 國外發展現狀

2018年6月27日，美國國防部下令建立聯合人工智能中心(JAIC),該中心將成為軍事人工智能研究的核心樞紐，英國、韓國、日本以及以色列等發達國家也相繼成立AI實驗室等類似機構。其中，美國在認知電子戰系統方面走到了世界的前列，下面介紹美國防部的幾個主要項目。

2.1.1 算法戰“Project Maven”項目

2017年4月，美國防部時任副部長羅伯特·沃克啟動“Project Maven”項目，該計劃的目的在于將國防部海量數據快速轉變為可用于行動的情報。該項目啟動剛滿一年，所開發的算法已經部署到美國非洲司令部、中央司令部等多個地點，幫助情報分析人員從“掃描鷹”、MQ-9“死神”等無人機拍攝到的數百萬小時視頻圖像中，自主識別感興趣的物體。“Project Maven”利用機器學習技術挖掘作戰數據的具體做法如下：

(1) 采用“三步走”策略處理原始數據。

第一步，對數據進行編目和標注，使其可用于訓練算法；第二步，在谷歌等承包商的幫助下，操作員利用已標注數據為特定任務和地區量身定制一套算法；第三步，將該算法交付部隊，并探索如何最好地對其加以利用。

(2) 注重算法的反復訓練。算法不會在部署后立即完美地發揮作用，在部署后對算法進行多次“重新訓練”才能使算法獲得“令人印象深刻的性能水平”。

2.1.2 自適應電子戰行為學習項目

BLADE項目是美國國防部認知通信電子戰的開拓項目，于2010年啟動。該項目的重點是開發新的算法和技術，使通信電子戰系統能夠在戰場上自主學習干擾新的通信威脅，并不涉及硬件設備研制，目的是對抗敵方自適應無線通信系統帶來的威脅[2]。

BLADE項目開發的機器學習算法和技術能夠快速探測和表征新的無線電威脅，動態形成新的對抗策略，并基于威脅的變化情況，提供精確的電子戰損毀評估。該項目將基于實驗室的電子對抗方式轉變為自適應現場實時的對抗方式，可以在幾分鐘時間內，探測、表征、對抗先進無線通信威脅。更為重要的是，該技術為作戰人員提供了對抗那些可以快速適應或改變電子剖面的新的或先進威脅的能力。

2016年6月，洛克希德·馬丁公司和美國防部DARPA成功地在政府試驗靶場針對典型威脅環境進行了一系列的飛行試驗。試驗期間，洛克希德·馬丁公司的工程師們駕駛一架改裝的Piper Navajo飛機，針對軍用無線電信號、手機和專用數據鏈等射頻信號進行采集，政府機構的25名代表觀看了BLADE系統在各種戰術情況下動態感應、表征和干擾自適應無線通信威脅的場景。

2.2 國內發展現狀

目前，國內在認知電子戰領域的研究工作還處于剛剛起步階段，多數工作集中于系統的理論研究方面，通過跟蹤國外相關項目的研究動態，借鑒和吸收相關項目的研究經驗教訓，積極跟進理論研究，為我國認知電子戰系統的開發奠定基礎。

3 認知電子戰系統組成及關鍵技術

3.1 系統組成

典型的具有認知能力的通信電子戰系統由認知偵察、對抗措施合成、干擾效果在線評估和動態知識庫組成，如圖1所示。

圖1 認知通信電子戰工作流程圖

3.1.1 認知偵察模塊

認知偵察模塊是認知通信電子戰的基礎，由環境感知、信號分類、信號識別以及輻射源特征描述等部分組成。針對感興趣頻段范圍內的所有電磁信號，利用聚類等無監督學習、深度神經網絡、貝葉斯網絡推理技術、模糊推理技術等機器學習技術，自主提取和推理輻射源的特征參數、類別以及輻射源的狀態等功能，確定需要對抗的威脅輻射源及其相應的工作狀態、電磁行為、威脅等級等信息，最終形成威脅輻射源報告。

3.1.2 對抗措施合成模塊

對抗措施合成模塊是認知通信電子戰的核心，由對抗策略搜索、對抗措施配置、效能推演評估以及對抗措施實施等部分組成。針對需要干擾的威脅輻射源以及干擾效果在線評估結果，利用強化學習、案例推理、模糊推理等機器學習技術在對抗策略庫中搜索相對應的對抗措施類別，并完成對抗措施配置，根據模擬數據實現效能推演評估，以效能推演評估結果為依據完成對干擾措施配置的優化，實現干擾措施的閉環決策，最后實施對威脅目標輻射源的干擾。

3.1.3 干擾效果在線評估模塊

干擾效果在線評估模塊是認知通信電子戰的關鍵，是認知電子戰閉環系統的重要組合部分。針對不同的通信系統，將威脅目標受干擾后物理層、鏈路層及網絡層上的特征及其變化視為目標的行為特征，采用基于貝葉斯網絡推理等智能評估方法實現干擾效果在線評估以及預測威脅目標的電磁行為。

3.2 關鍵技術

根據認知通信電子戰系統的功能結構和系統組成，初步得出認知通信電子戰系統技術體系結構包括電磁感知和認知對抗技術、基于行為學習的干擾效果在線評估技術等關鍵技術。

3.2.1 電磁感知與認知對抗技術

傳統的電子戰系統可以根據預先裝訂的對抗方案來響應威脅輻射源的變化，但當面對未知信號或者新信號時，則沒有相應的對抗方案。本技術能夠自主感知戰場電磁環境，識別威脅輻射源的狀態，推斷輻射源電磁行為并有針對性地自主配置對抗策略。首先，利用深度學習技術和貝葉斯學習技術實現對感興趣頻段范圍內的電磁信號的檢測，并提取電磁信號的傳輸方式參數、發射機參數、信道參數以及鏈路參數等信號特征；其次，根據檢測的信號波形和信號特征，利用聚類算法、深度學習算法、最近鄰算法以及模板匹配算法等技術實現已知和未知輻射源的分類，并提取分類特征；第三，利用貝葉斯網絡推理、基于案例的推理等技術識別未知威脅目標輻射源的工作模式、所屬通信網絡狀態、電磁行為分析以及意圖推斷等；第四，根據輻射源識別和分類結果，利用強化學習、基于案例的推理等技術檢索已知和未知威脅輻射源的干擾策略種類；第五，在模糊推理等機器學習技術的支撐下，實現對干擾策略的配置，并通過效能推演評估完成對干擾策略配置的優化，最后針對威脅輻射源實施快速干擾。電磁感知和認知對抗技術的處理流程圖如圖2所示。

圖2 電磁感知及認知對抗處理流程

3.2.2 基于行為學習的干擾效果在線評估技術

傳統的干擾效果評估方法是利用被干擾通信系統的最終結果來直接評估的，但是在戰時環境下，無法獲取被干擾通信系統的最終結果，實時干擾效果評估就很難進行了。本技術將威脅目標受干擾后物理層、鏈路層及網絡層上的特征及其變化視為電磁行為，通過觀察目標電磁行為的變化來間接評估干擾效果。基于行為學習的干擾效果在線評估技術采用“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信號，引導干擾機對目標信號實施干擾，然后監視被干擾目標信號的特征變化，利用已建立樣本庫的先驗知識對目標信號進行行為分析，最后利用基于案例的推理、貝葉斯網絡推理、支持向量機以及半監督學習等機器學習技術進行判別，確定干擾是否有效以及干擾有效等級，從而推斷干擾機是否應該采取進一步的措施。干擾效果評估系統處理流程框圖如圖3所示。

圖3 基于行為學習的干擾效果在線評估處理流程

4 結束語

隨著戰場環境和通信裝備的快速發展，通信電子戰裝備的作戰環境和作戰對象都發生了巨大變化，給通信電子戰裝備的發展帶來了嚴峻的挑戰。本文針對傳統通信電子戰系統面臨的變化與挑戰，簡述了認知思想在電磁頻譜領域的發展，在對美軍認知電子對抗技術進行深入研究的基礎上，牢牢把握了通信電子戰發展的新形態和新思想；分析了認知通信電子戰系統的主要構成，深化了認知通信電子戰系統的處理流程，并進一步提出了一些認知通信電子戰系統的關鍵技術以及初步的實現手段；以實現使通信電子戰裝備形成“認知”能力的目的，為推動我國認知通信電子戰裝備的發展奠定了基礎。