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從傳統(tǒng)電子戰(zhàn)到認(rèn)知電子戰(zhàn)

1991年的1月17日凌晨，停泊在海灣地區(qū)的美國軍艦向伊拉克防空陣地、雷達(dá)基地發(fā)射了百余枚“戰(zhàn)斧”式巡航導(dǎo)彈，“沙漠風(fēng)暴”行動(dòng)由此開始。美軍以EF-111A、EC-130H、EA-6B等電子干擾飛機(jī)和地面電子戰(zhàn)設(shè)備，在廣闊的空間施放電子干擾，使伊軍地空通訊、地面雷達(dá)、飛機(jī)和導(dǎo)彈中的雷達(dá)制導(dǎo)系統(tǒng)全部失靈。這場(chǎng)戰(zhàn)爭僅持續(xù)43天就宣告結(jié)束，伊軍全線潰敗，傷亡2.5萬人，被俘10萬人，被繳獲坦克2500輛，而美軍只有148人陣亡，4508人受傷。

這場(chǎng)戰(zhàn)爭可以說是利用電子戰(zhàn)技術(shù)獲得壓制性的標(biāo)志性現(xiàn)代戰(zhàn)爭，由此電子戰(zhàn)進(jìn)入一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)期，各種電子對(duì)抗設(shè)備層出不窮，戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境變得日益復(fù)雜多變。隨著數(shù)字技術(shù)、射頻技術(shù)、人工智能等新興科技的發(fā)展和應(yīng)用，傳統(tǒng)電子戰(zhàn)系統(tǒng)需要逐漸具有“智能”或“認(rèn)知”的能力。

圖1 3架F-111轟炸機(jī)和1架EF-111電子戰(zhàn)飛機(jī)編隊(duì)執(zhí)行轟炸任務(wù)

2010年，美空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）在“頻譜擁塞與認(rèn)知雷達(dá)”一文中明確提出：“認(rèn)知”能力是在頻譜密集的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)自主發(fā)現(xiàn)、跟蹤、瞄準(zhǔn)、交戰(zhàn)與評(píng)估目標(biāo)的關(guān)鍵能力。2015年，美國戰(zhàn)略與預(yù)算評(píng)估中心（CSBA）發(fā)布了一篇名為《電波致勝：重拾美國在電磁頻譜領(lǐng)域主宰地位》的研究報(bào)告，該報(bào)告明確指出自適應(yīng)化/認(rèn)知化是未來電子頻譜戰(zhàn)中的關(guān)鍵技術(shù)與重點(diǎn)發(fā)展能力。

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認(rèn)知電子戰(zhàn)

01認(rèn)知電子戰(zhàn)概述

認(rèn)知電子戰(zhàn)是以具備認(rèn)知性能的電子戰(zhàn)裝備為基礎(chǔ)，注重自主交互式的電磁環(huán)境學(xué)習(xí)能力與動(dòng)態(tài)智能化的對(duì)抗任務(wù)處理能力的電子戰(zhàn)作戰(zhàn)行動(dòng)，是電子戰(zhàn)從“人工認(rèn)知”向機(jī)器“自動(dòng)認(rèn)知”的升級(jí)。圖2給出了認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)的組成框圖，主要包括環(huán)境感知、決策行動(dòng)和效能評(píng)估三個(gè)模塊。

• 環(huán)境感知：完成對(duì)作戰(zhàn)環(huán)境的感知，采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法和特征學(xué)習(xí)技術(shù)，通過與環(huán)境的不斷交互持續(xù)地學(xué)習(xí)環(huán)境，在先驗(yàn)知識(shí)的支持下，進(jìn)而分析出目標(biāo)威脅信號(hào)的特征，并將特征信息傳給決策行動(dòng)模塊。

  
  

• 決策行動(dòng)：根據(jù)環(huán)境感知模塊對(duì)環(huán)境信息的認(rèn)知，自動(dòng)合成能夠有效對(duì)抗的措施，快速確定最佳攻擊策略，優(yōu)化干擾波形，自適應(yīng)分配干擾資源。

  
  

• 效能評(píng)估：由接收到發(fā)射的反饋，根據(jù)威脅信號(hào)在干擾下產(chǎn)生的明顯變化評(píng)估所采取措施的干擾效果。

  
  

圖2 認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)組成框圖

02認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)架構(gòu)

在認(rèn)知電子戰(zhàn)技術(shù)架構(gòu)方面，目前已經(jīng)提出了以下幾種架構(gòu)：美國喬治亞技術(shù)研究所（GTRI）開展的CORA項(xiàng)目的架構(gòu)、美國羅克韋爾·柯林斯公司于2013年申請(qǐng)的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)電子戰(zhàn)（CNEW）專利中的架構(gòu)以及土耳其下一代無線通信實(shí)驗(yàn)室于2015年提出的認(rèn)知電子對(duì)抗系統(tǒng)架構(gòu)等。本文主要以典型的CNEW為例來介紹認(rèn)知電子戰(zhàn)架構(gòu)。

圖3為軟件定義非閉環(huán)CNEW系統(tǒng)開放架構(gòu)框圖，以開放性、可擴(kuò)展、結(jié)構(gòu)精簡的硬件為通用平臺(tái)，并采用模塊化的軟件功能，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通用，功能實(shí)現(xiàn)靈活，升級(jí)更為方便。同時(shí)由于系統(tǒng)的主要功能都是由軟件實(shí)現(xiàn)，也可以方便地采用各種新的信號(hào)處理手段，如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、殘差網(wǎng)絡(luò)等算法，來提高認(rèn)知學(xué)習(xí)服務(wù)性能、增強(qiáng)功能，并且能在線實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理算法更新和升級(jí)。

圖3 非閉環(huán)系統(tǒng)開放架構(gòu)框圖

根據(jù)認(rèn)知電子戰(zhàn)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)、功能特性和架構(gòu)平臺(tái)等方面得出，認(rèn)知電子戰(zhàn)的機(jī)器學(xué)習(xí)、智能博弈的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、測(cè)試都需要在博弈對(duì)抗的試驗(yàn)環(huán)境中開展，而這種博弈對(duì)抗試驗(yàn)環(huán)境可以是全數(shù)字的，或者半實(shí)物的，甚至實(shí)裝的，且通常后兩者的試驗(yàn)環(huán)境構(gòu)建復(fù)雜度和成本都很高昂。以半實(shí)物的電子對(duì)抗設(shè)備模擬器為例，比如有雷達(dá)偵察模擬器、雷達(dá)信號(hào)干擾模擬器、雷達(dá)模擬器、雷達(dá)目標(biāo)模擬器、輻射源仿真器、通信偵察模擬器、通信干擾模擬器、通信仿真模擬器、導(dǎo)航干擾模擬器、導(dǎo)航仿真模擬器等。這些模擬器設(shè)備大都是以定制化的硬件和軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)，其開發(fā)、生產(chǎn)、調(diào)試、維護(hù)、升級(jí)成本都很高昂，研制周期也都很長，以致試驗(yàn)環(huán)境成為研制認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)的一個(gè)重要門檻和挑戰(zhàn)。

目前，美國在認(rèn)知電子戰(zhàn)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，各軍兵種實(shí)驗(yàn)室與科研院所、軍工企業(yè)進(jìn)行廣泛的合作，開展從理論架構(gòu)到型號(hào)裝備的研發(fā)工作。而國內(nèi)目前仍處于算法理論研究階段，缺少信號(hào)級(jí)的仿真論證。

這就面臨一個(gè)問題，如何構(gòu)建信號(hào)級(jí)認(rèn)知電子戰(zhàn)仿真試驗(yàn)平臺(tái)？

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認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)仿真平臺(tái)

以CNEW這樣的非閉環(huán)的開放系統(tǒng)架構(gòu)來搭建認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)，需要先構(gòu)建類似架構(gòu)體系的仿真平臺(tái)用以搭建系統(tǒng)原型、驗(yàn)證處理算法和評(píng)估對(duì)抗效能。該仿真平臺(tái)需要具備：

• 開放性、可擴(kuò)展、結(jié)構(gòu)精簡的硬件為通用平臺(tái)；

  
  

• 采用模塊化的軟件功能，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通用，功能實(shí)現(xiàn)靈活，升級(jí)更為方便；

  
  

• 具備人工智能計(jì)算加速能力，如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、殘差網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)算法，來提高性能、增強(qiáng)功能，并且能夠在線實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理算法更新和升級(jí)。

  
  

立思方作為國內(nèi)雷達(dá)、通信、對(duì)抗和通用電子測(cè)試仿真解決方案的高新技術(shù)企業(yè)，針對(duì)認(rèn)知電子戰(zhàn)的研究需求，搭建了一套基于柔性通用架構(gòu)的仿真試驗(yàn)平臺(tái)。

01認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)仿真平臺(tái)架構(gòu)

立思方搭建的基于柔性通用架構(gòu)的仿真試驗(yàn)平臺(tái)以軟件無線電和認(rèn)知無線電為設(shè)計(jì)理念，采用模塊化設(shè)計(jì)，是硬件通用、功能軟件可升級(jí)的開放式系統(tǒng)架構(gòu)。該仿真試驗(yàn)平臺(tái)以開放性、可擴(kuò)展、結(jié)構(gòu)精簡的硬件為通用平臺(tái)，把環(huán)境感知、決策行動(dòng)和效能評(píng)估等功能用立思方可升級(jí)的弦豐^®軟件平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，由于系統(tǒng)的主要功能都是由軟件實(shí)現(xiàn)，立思方的弦豐^®軟件平臺(tái)提供開放的設(shè)備和信號(hào)API接口，同時(shí)也具備可擴(kuò)展的計(jì)算能力，支持如深度學(xué)習(xí)這樣對(duì)算力有很高要求的人工智能算法的開發(fā)和運(yùn)行，提升系統(tǒng)智能化水平。

圖4 基于柔性通用架構(gòu)的認(rèn)知電子戰(zhàn)仿真平臺(tái)

此外，立思方基于柔性通用架構(gòu)的仿真試驗(yàn)平臺(tái)也可以很好適配諸如CNEW認(rèn)知電子戰(zhàn)架構(gòu)：

• 控制器作為該平臺(tái)的“大腦”，能夠控制任務(wù)管理、策略引擎生成、知識(shí)庫更新、網(wǎng)絡(luò)通訊及優(yōu)化；

  
  

• 射頻前端協(xié)同ADC/DAC模塊、FPGA協(xié)處理器以及GPU協(xié)處理器作為器件/傳感器服務(wù)的硬件平臺(tái)，并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能服務(wù)；

  
  

• FPGA協(xié)處理器與GPU協(xié)處理器用于信號(hào)處理以及海量數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、管理等，其中GPU協(xié)處理器內(nèi)置了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算加速單元，同時(shí)通用的浮點(diǎn)計(jì)算能力也大幅高于DSP，能夠更好的服務(wù)認(rèn)知算法；

  
  

• 存儲(chǔ)模塊作為認(rèn)知電子戰(zhàn)仿真平臺(tái)的存儲(chǔ)設(shè)備，采用高性能RAID技術(shù)，可用于數(shù)據(jù)樣本和知識(shí)庫數(shù)據(jù)的高速大容量存儲(chǔ)，便于為后續(xù)策略優(yōu)化服務(wù)。

  
  

02認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)仿真平臺(tái)功能模塊

立思方基于柔性通用架構(gòu)的仿真試驗(yàn)平臺(tái)采用模塊化的通用PXI平臺(tái)為硬件基礎(chǔ)，搭載開放式的弦豐^®軟件平臺(tái)來構(gòu)建，具備了功能軟件化、系統(tǒng)靈活化、結(jié)構(gòu)緊湊化等特性的同時(shí)，也提供了豐富的功能模塊以及可擴(kuò)展的軟件接口。

環(huán)境感知

認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)對(duì)作戰(zhàn)環(huán)境的認(rèn)知，通過與環(huán)境的不斷交互持續(xù)學(xué)習(xí)環(huán)境，在先驗(yàn)知識(shí)庫的支持下，分析出目標(biāo)威脅信號(hào)的特征，并將特征信息傳給決策行動(dòng)模塊。立思方基于柔性通用架構(gòu)的仿真試驗(yàn)平臺(tái)提供的環(huán)境感知功能模塊能夠?yàn)橛行蓽y(cè)、分析與識(shí)別目標(biāo)威脅信息提供基礎(chǔ)能力來驗(yàn)證認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)中環(huán)境感知功能。

該仿真平臺(tái)在開放的弦豐^®軟件平臺(tái)基礎(chǔ)上，搭配已有的雷達(dá)偵察、雷達(dá)信號(hào)脈沖分析、實(shí)時(shí)頻譜分析功能模塊，同時(shí)也支持導(dǎo)入用戶自定義信號(hào)分析IP，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)威脅信號(hào)的感知、分析識(shí)別、及等級(jí)劃分。立思方研發(fā)的雷達(dá)偵察模塊作為環(huán)境感知獲取信號(hào)的一種主要手段，通過基于CPU FPGA GPU的異構(gòu)處理平臺(tái)，進(jìn)行高性能信號(hào)分選處理和脈內(nèi)分析，能夠獲取信號(hào)數(shù)據(jù)的基本目標(biāo)特征，同時(shí)也支持偵收數(shù)據(jù)接入用戶熟悉的開發(fā)環(huán)境以進(jìn)行進(jìn)一步的信號(hào)分析與處理。

此外，立思方提供的實(shí)時(shí)頻譜分析（RTSA）模塊也能夠?qū)墒諗?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，其充分利用了通用無線電平臺(tái)的接收通道，采用數(shù)字化接收機(jī)方式和實(shí)時(shí)處理技術(shù)對(duì)寬帶頻譜內(nèi)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行捕獲和解析，通過重疊FFT等數(shù)字信號(hào)處理手段實(shí)現(xiàn)信號(hào)的實(shí)時(shí)觸發(fā)和捕獲，能夠可靠地檢測(cè)繁雜頻譜中的瞬態(tài)信號(hào)，并進(jìn)行信號(hào)的多域（時(shí)域、頻域、空域、調(diào)制域）分析，為復(fù)雜電磁環(huán)境感知和解析提供了直觀而可靠的判斷依據(jù)。

決策行動(dòng)

決策行動(dòng)作為認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)的核心，基于環(huán)境感知模塊的識(shí)別結(jié)果，自動(dòng)合成有效對(duì)抗措施，快速確定最佳攻擊策略，優(yōu)化干擾波形，自適應(yīng)分配干擾資源。

立思方基于柔性通用架構(gòu)的仿真試驗(yàn)平臺(tái)為決策行動(dòng)功能模塊仿真試驗(yàn)提供硬件平臺(tái)，其具備的CPU FPGA GPU異構(gòu)計(jì)算能力可以快速部署各種認(rèn)知算法，生成最佳干擾策略。同時(shí)，該平臺(tái)也支持用戶自定義信號(hào)處理IP和決策邏輯的導(dǎo)入，利用硬件平臺(tái)配置的高性能的FPGA和GPU協(xié)處理模塊進(jìn)行信號(hào)識(shí)別處理，結(jié)合上位機(jī)的控制指令，引導(dǎo)干擾發(fā)射模塊在頻率和方位上對(duì)準(zhǔn)雷達(dá)，發(fā)射干擾信號(hào)，完成有效戰(zhàn)術(shù)對(duì)抗的仿真試驗(yàn)。

此外，立思方的弦豐^®軟件平臺(tái)提供的雷達(dá)目標(biāo)信號(hào)模擬、雷達(dá)信號(hào)干擾生成、通信/導(dǎo)航干擾生成等功能模塊也可以根據(jù)環(huán)境感知得出的威脅目標(biāo)信息和用戶自定義邏輯而做出具體應(yīng)對(duì)動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)高效的、智能化的電子對(duì)抗，為認(rèn)知電子戰(zhàn)決策行動(dòng)的研究提供輔助驗(yàn)證。

效能評(píng)估

效能評(píng)估由接收到發(fā)射的反饋，根據(jù)威脅信號(hào)在干擾下產(chǎn)生的明顯變化評(píng)估所采取措施的干擾效果。由于效能評(píng)估涉及到對(duì)包括專家數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)戰(zhàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)等多維評(píng)估數(shù)據(jù)的融合，同時(shí)也會(huì)有定性定量相結(jié)合的評(píng)估解算和評(píng)估聚合方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝備作戰(zhàn)效能的綜合評(píng)估常常涉及到大容量數(shù)據(jù)的處理。

立思方基于柔性通用架構(gòu)的仿真試驗(yàn)平臺(tái)具備基于CPU FPGA GPU的異構(gòu)計(jì)算能力，可以很快實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)效能評(píng)估，比如實(shí)現(xiàn)雷達(dá)的仿真，可以現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估干擾機(jī)的干擾效果或者雷達(dá)抗干擾算法的的抗干擾效果。

圖5 雷達(dá)對(duì)抗智能仿真模塊軟件界面

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總結(jié)通過對(duì)認(rèn)知電子戰(zhàn)技術(shù)的發(fā)展、功能特性、系統(tǒng)架構(gòu)分析，立思方構(gòu)建的基于柔性通用架構(gòu)的認(rèn)知電子戰(zhàn)仿真平臺(tái)不僅可以為認(rèn)知電子戰(zhàn)的研究提供基本的仿真硬件平臺(tái)，同時(shí)其弦豐^®軟件平臺(tái)也為認(rèn)知電子戰(zhàn)的環(huán)境感知、決策行動(dòng)和效能評(píng)估提供基礎(chǔ)的功能模塊仿真并支持用戶自定義IP導(dǎo)入和系統(tǒng)偵收數(shù)據(jù)對(duì)接用戶第三方開發(fā)環(huán)境，為用戶的認(rèn)知電子戰(zhàn)研究提供了快速、有效和高性價(jià)比的試驗(yàn)手段。

END

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