认知电子战理论及关键技术研究-李原

指挥控制理论与体系结构·73·认知电子战理论及关键技术研究李原，杨明川，王钢，刘晓锋（哈尔滨工业大学电子与信息工程学院，黑龙江哈尔滨150001）摘要：为了适应越来越复杂的战场电磁环境，认知电子战的概念应运而生。通过跟踪国外最新的电子战发展动态，在分析了认知电子战发展现状的基础上，对认知电子战的发展趋势和特点进行了研究。最后，对认知电子战的关键模块和技术进行了探讨。关键词：认知电子战；智能干扰；电子对抗ResearchontheTheoryandCrucialTechnologyofCognitiveElectronicWarfareLIYuan，YANGMing-chuan，WANGGang，LIUXiao-feng（SchoolofElectronicsandInformationEngineering，HarbinInstituteofTechnology，HarbinHeilongjiang150001，China）Abstract:Theconceptofcognitiveelectronicwarfareisraisedinresponsetoadapttotheelectromagneticenvironmentofthebattlefield,whichisbecomingmoreandmorecomplicated.Aftertrackingandstudyingthelatestelectronicwarfareprojectsdevelopedbyforeigncountries,thispaperanalyzesthedevelopingconditionofcognitiveelectronicwarfare.Andbasedonthat,itsfeatureanddevelopingtrendareinvestigated.Atlast,thekeymodulesandcrucialtechnologiesarediscussedinthispaper.Keywords:cognitiveelectronicwarfare;intelligentjamming;electroniccountermeasures0引言认知电子战是认知理论与现代电子战概念相结合的产物，其核心思想是使传统电子战系统和装备具有自动对战场环境进行感知的能力，并能够对感知结果进行快速决策，同时需要将这种决策转变为实际的作战响应。从而达到快速发现敌方威胁，并“手术刀”式快速对威胁进行打击的目的。因此，认知电子战概念一经提出就受到了广泛的关注[1-3]。本文首先通过跟踪美国目前正在研究的认知电子战项目的最新进展，分析了认知电子战的发展现状。接下来归纳总结了认知电子战的发展趋势和主要特点。最后通过分析认知电子战系统的组成架构，对认知电子战的一些关键技术进行了探讨。1认知电子战发展现状正在进行的现代军事革命使得新的科技不断被研发和运用到当前的军事装备当中，而在电子战领域同样进行着装备和技术的革命。以美国为代表的军事强国，已经在发展认知装备的认知能力方面有了很大的投入。早在2008年，美国国防部就开始资助用于下一代电子战的先进认知干扰技术和人工智能技术研究项目，并且，从2009年起，美军逐渐将认知理论引入到雷达、通信和电子战装备中[4]。表1统计了近年来美国开展的认知电子战项目。从表1中可以看出，虽然认知电子战的研究近年来才刚刚起步，但是它已经渗入到美国陆海空三军的不同战术场景当中。1.1自适应电子战行为学习（BLADE）项目“自适应电子战行为学习”（BLADE）项目的主要目标是开发一种能够实时检测、分析、对抗无线通信的组网的战术级电子攻击系统，能够实时自动干扰新出现的无线通信威胁。BLADE系统部署战场后，用户（战术部队）将能够快速分析与对抗各种威胁（主要是敌方14作者简介：李原（1992—），男（汉），云南楚雄人，硕士研究生，主要研究领域为:认知无线电、深空通信。（E-mail：[e-mail]）·74·第三届中国指挥控制大会论文集（上册）表1近年来美国开展的认知电子战项目时间/年研究机构项目名称项目概述2010DARPA自适应电子战行为学习（BLADE）开发新型机器学习算法技术，快速感知新型无线通信威胁，建立一个自动化的电子攻击系统，对战场上威胁信号进行自动干扰2012DARPA自适应雷达对抗（ARC）开发雷达系统的电子战能力，以对抗敌方自适应雷达系统的空中信号2010AFRL认知干扰机（CJ）通过提高干扰机的干扰效率来提升美国空军对电磁频谱的控制能力，同时有效降低自扰2010DARPA极端射频条件下的通信（COMMEX）开发在与当前电磁环境的性能水平相似并且没有干扰的环境当中重建通信过程的能力2013AFRL电子战高级部件（ACE）研究超一流的电子战部件和技术以对抗新型的潜在威胁2013ONR美国海军电子通信对抗技术通过利用、欺骗或拒止敌方使用电磁频谱来保证己方及友军的电磁频谱使用权通信信号）或压制那些用以引爆无线电简易爆炸装置的无线信号[5]。“自适应电子战行为学习”项目于2010年提出，根据预期应该在2012年完成开发，并投入最后的测试工作，但是到目前为止，该项目还在进行研发。BLADE项目主要分为3个阶段进行研究，如图1所示。图1BLADE项目开发阶段根据部高级计划研究局（DARPA）发布的综合性部局公告，截止到2014年2月，该项目已经进入到第三阶段的研发过程[6]。目前的工作主要是研发能够对抗自适应无线通信威胁的技术，使美军电子战系统具备学习自动干扰新的射频威胁的能力。BLADE项目研究的初衷是为了建立能够对抗战术环境和战术相关时间内的自适应通信威胁的能力，而目前项目进展的重点是建立一个自动化的电子攻击系统，该系统能够对战场上新出现的无线通信威胁进行自动干扰。为了实现这一功能，该系统需要对新威胁进行认知和识别，通过机器学习快速有效地对威胁进行干扰，并且对战场干扰效果进行准确评估。根据DARPA发布的这份公告，BLADE项目在开发的每一个阶段中都取得了阶段性的突破和进展。在BLADE项目的第一阶段，项目组验证了机器学习算法在认知和识别通信网络、优化干扰波形以及实时战损评估方面的可行性。在该项目的第二阶段，BLADE系统首次实现了闭环机器学习功能，并且能够根据已知或未知的射频通信系统生成干扰波形。经过前两个阶段的研究，项目研究团队开发出了一款无线数字收发机的BLADE软件，该软件能够从射频前端的模拟信号和后端的数字信号处理过程中对信号进行感知。由于系统的闭环特性，在设计该系统对应的硬件架构时必须考虑实时性能、子系统之间同步和系统整体延迟这几个因素。此外，在设计系统架构时，为了保证系统的实时吞吐量，需要引入可编程逻辑阵列（FPGA）作为支持。在BLADE项目的第三阶段，研究的主要任务是扩展该系统的作战范围，主要方法是将算法集成到实际的通信干扰平台上。该平台在设计时需要考虑诸多实际因素的限制，如多径效应、电磁环境的复杂性、平台的便携性和目标的位置的不确定性。该系统还需要在美军典型的战场环境下进行测试，即将前期的软件和算法集成到专用的电子战硬件开发平台中，并在地面和空中两种战场环境下进行测试。项目的第三阶段预期在2015年10月完成。1.2自适应雷达对抗项目“自适应雷达对抗”（ARC）项目是由美国国防部高级计划研究局于2012年提出的认知电子战项目，2013年2月，美国Helios公司和密歇根理工大学研究所（MTRI）也参与了该项目的研发工作。“自适应雷达对抗”项目旨在开发电子战能力，以对抗敌方自适应雷达系统的空中信号[7]。项目重点关注的威胁是能够执行多种任务的地对空和空对空相控阵雷达系统，如监视、目标线索捕获、跟踪、非合作目标识别以及导弹追踪，其目的是使得美军雷达具有灵活的波束转向、波形、编码和脉冲重复间隔。为了实现上述功能，Helios公司和MTRI将开发新型处理技术和算法，识别敌方雷达系统特征，进行电子干扰，并评估对抗的有效性。该项目所面临的主要挑战是：如何清晰地隔离敌对信号、友军信号和中性信号；找出威胁信号源；干扰信号。Helios公司和MTRI将尝试通过实时分析所检测的空中信号的属性和行为，对抗自适应雷达威胁。该项目将开发一种闭环系统，可进行信号分析和指挥控制理论与体系结构·75·表征、联合对抗以及对抗效果评估。该系统不仅能自动学习应对新的雷达威胁，而且也能使操作人员指挥和接受系统反馈。根据项目预期，ARC系统应该能够在密集复杂的电磁环境下隔离灵活未知的雷达威胁，并对抗这些威胁，还能提供对抗有效性的实时反馈。此外，该系统应能同时对抗多个威胁，支持单平台或分布式多平台操作，支持自主和人为循环操作，采用标准化、模块化、开放可扩展的软件架构，能够存储和下载新知识和新策略从而进行任务总结分析。“自适应雷达对抗”项目为期5年，分3个阶段进行：第一阶段重点是算法开发和组件水平测试；第二阶段重点是系统开发；第三阶段重点是建造一个实时ARC原型系统。1.3认知干扰机项目2010年1月，美国空军研究实验室（AFRL）签发了一份信息请求公告，寻求最新的技术手段和设计理念来开发新一代的认知干扰机（CognitiveJammer，CJ）系统[8]，自此，美国空军拉开了研究新一代认知干扰机的序幕。AFRL认为，传统的电子对抗策略往往只针对雷达和通信过程，并且这些对抗手段适应性差，只能对抗已知的电磁威胁。目前正在开发和研究的动态频谱接入新技术（如软件无线电、认知无线电及其衍生技术）将对未来电子战领域带来更大的挑战。认知干扰机项目的研究目的是通过提高干扰机的干扰效率来提升美国空军对电磁频谱的控制能力，同时有效降低自扰。美国空军研究实验室将开发一种多功能的自适应跨层干扰系统，该系统不仅能够对抗敌方通信系统，还能破坏敌方雷达和干扰敌方的导航系统等。认知干扰机系统由软件定义体系网络构成，具有对不同战场电磁环境的适应能力。此外，下一代干扰机也是美国海军在寻求干扰与赛博武器结合时感兴趣的装备。美国海军希望把下一代干扰机集成到各种类型的无人打击飞机上，并计划2018年在其战术生存能力强、战斗机大小的飞机上装备赛博攻击系统。1.4极端射频条件下的通信项目“极端射频条件下的通信”（COMMEX）项目是由美国国防部高级计划研究局（DARPA）于2010年提出的认知电子战项目。DARPA在2010年9月发布的综合性部局公告中指出：“极端射频条件下的通信”项目需要开发具备对抗以下4种干扰能力的通信系统[9]。①能够使接收机产生交调失真甚至致盲的大功率干扰。②传统的电磁干扰。③自适应的电磁干扰。④来自多个分布式干扰源的干扰。“极端射频条件下的通信”项目的核心思想是在与当前电磁环境的性能水平相似并且没有干扰的环境当中重建通信过程。DARPA研究该项目的主要目的是开发一种新型的技术手段，使得美军能够充分利用各方面的战略资源（如时间、频谱、空间、信号波形、MAC层和网络层面的资源等），从而自适应地抑制敌方干扰。DARPA在公告中指出，“极端射频条件下的通信”系统可能需要具备的能够抑制敌方干扰的能力包括：（1）对多节点的联合干扰网络的特性和行为进行识别的能力；（2）时域和频域的敏捷性；（3）智能天线技术；（4）先进的电路和组件设计以及先进的接收机架构；（5）线性和非线性的自适应信号处理技术；（6）自适应调制和差错控制模型优化；（7）自适应组网和多元网络技术。此外，DARPA还要求“极端射频条件下的通信”技术能够被搭载到多种具有不同任务限制和要求的通信平台上，如舰船、飞机、战车、手持终端或声呐等系统。“极端射频条件下的通信”项目第一阶段主要任务是技术开发，预期持续时间不超过24个月。在接下来的阶段当中，项目将进入全程研发阶段，对系统可操作性和实用性进行验证。1.5电子战高级部件项目美国空军研究实验室（AFRL）于2012年9月发布了一份综合性局部公告BAA-PRQS-2013-0001，该公告向美国各大工业生产商和研究机构提供了关于电子战高级