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從傳統(tǒng)電子戰(zhàn)到認知電子戰(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、雷達基地發(fā)射了百余枚“戰(zhàn)斧”式巡航導彈，“沙漠風暴”行動由此開始。美軍以EF-111A、EC-130H、EA-6B等電子干擾飛機和地面電子戰(zhàn)設備，在廣闊的空間施放電子干擾，使伊軍地空通訊、地面雷達、飛機和導彈中的雷達制導系統(tǒng)全部失靈。這場戰(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。

這場戰(zhàn)爭可以說是利用電子戰(zhàn)技術獲得壓制性的標志性現(xiàn)代戰(zhàn)爭，由此電子戰(zhàn)進入一個快速發(fā)展的時期，各種電子對抗設備層出不窮，戰(zhàn)場電磁環(huán)境變得日益復雜多變。隨著數(shù)字技術、射頻技術、人工智能等新興科技的發(fā)展和應用，傳統(tǒng)電子戰(zhàn)系統(tǒng)需要逐漸具有“智能”或“認知”的能力。

圖1 3架F-111轟炸機和1架EF-111電子戰(zhàn)飛機編隊執(zhí)行轟炸任務

2010年，美空軍研究實驗室（AFRL）在“頻譜擁塞與認知雷達”一文中明確提出：“認知”能力是在頻譜密集的環(huán)境下實現(xiàn)自主發(fā)現(xiàn)、跟蹤、瞄準、交戰(zhàn)與評估目標的關鍵能力。2015年，美國戰(zhàn)略與預算評估中心（CSBA）發(fā)布了一篇名為《電波致勝：重拾美國在電磁頻譜領域主宰地位》的研究報告，該報告明確指出自適應化/認知化是未來電子頻譜戰(zhàn)中的關鍵技術與重點發(fā)展能力。

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認知電子戰(zhàn)

01認知電子戰(zhàn)概述

認知電子戰(zhàn)是以具備認知性能的電子戰(zhàn)裝備為基礎，注重自主交互式的電磁環(huán)境學習能力與動態(tài)智能化的對抗任務處理能力的電子戰(zhàn)作戰(zhàn)行動，是電子戰(zhàn)從“人工認知”向機器“自動認知”的升級。圖2給出了認知電子戰(zhàn)系統(tǒng)的組成框圖，主要包括環(huán)境感知、決策行動和效能評估三個模塊。

• 環(huán)境感知：完成對作戰(zhàn)環(huán)境的感知，采用機器學習算法和特征學習技術，通過與環(huán)境的不斷交互持續(xù)地學習環(huán)境，在先驗知識的支持下，進而分析出目標威脅信號的特征，并將特征信息傳給決策行動模塊。

  
  

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

  
  

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

  
  

圖2 認知電子戰(zhàn)系統(tǒng)組成框圖

02認知電子戰(zhàn)系統(tǒng)架構

在認知電子戰(zhàn)技術架構方面，目前已經(jīng)提出了以下幾種架構：美國喬治亞技術研究所（GTRI）開展的CORA項目的架構、美國羅克韋爾·柯林斯公司于2013年申請的認知網(wǎng)絡電子戰(zhàn)（CNEW）專利中的架構以及土耳其下一代無線通信實驗室于2015年提出的認知電子對抗系統(tǒng)架構等。本文主要以典型的CNEW為例來介紹認知電子戰(zhàn)架構。

圖3為軟件定義非閉環(huán)CNEW系統(tǒng)開放架構框圖，以開放性、可擴展、結(jié)構精簡的硬件為通用平臺，并采用模塊化的軟件功能，使得系統(tǒng)結(jié)構通用，功能實現(xiàn)靈活，升級更為方便。同時由于系統(tǒng)的主要功能都是由軟件實現(xiàn)，也可以方便地采用各種新的信號處理手段，如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡、殘差網(wǎng)絡等算法，來提高認知學習服務性能、增強功能，并且能在線實現(xiàn)信號處理算法更新和升級。

圖3 非閉環(huán)系統(tǒng)開放架構框圖

根據(jù)認知電子戰(zhàn)技術的發(fā)展趨勢、功能特性和架構平臺等方面得出，認知電子戰(zhàn)的機器學習、智能博弈的設計、驗證、測試都需要在博弈對抗的試驗環(huán)境中開展，而這種博弈對抗試驗環(huán)境可以是全數(shù)字的，或者半實物的，甚至實裝的，且通常后兩者的試驗環(huán)境構建復雜度和成本都很高昂。以半實物的電子對抗設備模擬器為例，比如有雷達偵察模擬器、雷達信號干擾模擬器、雷達模擬器、雷達目標模擬器、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、導航干擾模擬器、導航仿真模擬器等。這些模擬器設備大都是以定制化的硬件和軟件架構設計，其開發(fā)、生產(chǎn)、調(diào)試、維護、升級成本都很高昂，研制周期也都很長，以致試驗環(huán)境成為研制認知電子戰(zhàn)系統(tǒng)的一個重要門檻和挑戰(zhàn)。

目前，美國在認知電子戰(zhàn)領域處于領先地位，各軍兵種實驗室與科研院所、軍工企業(yè)進行廣泛的合作，開展從理論架構到型號裝備的研發(fā)工作。而國內(nèi)目前仍處于算法理論研究階段，缺少信號級的仿真論證。

這就面臨一個問題，如何構建信號級認知電子戰(zhàn)仿真試驗平臺？

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認知電子戰(zhàn)系統(tǒng)仿真平臺

以CNEW這樣的非閉環(huán)的開放系統(tǒng)架構來搭建認知電子戰(zhàn)系統(tǒng)，需要先構建類似架構體系的仿真平臺用以搭建系統(tǒng)原型、驗證處理算法和評估對抗效能。該仿真平臺需要具備：

• 開放性、可擴展、結(jié)構精簡的硬件為通用平臺；

  
  

• 采用模塊化的軟件功能，使得系統(tǒng)結(jié)構通用，功能實現(xiàn)靈活，升級更為方便；

  
  

• 具備人工智能計算加速能力，如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡、殘差網(wǎng)絡等先進算法，來提高性能、增強功能，并且能夠在線實現(xiàn)信號處理算法更新和升級。

  
  

立思方作為國內(nèi)雷達、通信、對抗和通用電子測試仿真解決方案的高新技術企業(yè)，針對認知電子戰(zhàn)的研究需求，搭建了一套基于柔性通用架構的仿真試驗平臺。

01認知電子戰(zhàn)系統(tǒng)仿真平臺架構

立思方搭建的基于柔性通用架構的仿真試驗平臺以軟件無線電和認知無線電為設計理念，采用模塊化設計，是硬件通用、功能軟件可升級的開放式系統(tǒng)架構。該仿真試驗平臺以開放性、可擴展、結(jié)構精簡的硬件為通用平臺，把環(huán)境感知、決策行動和效能評估等功能用立思方可升級的弦豐^®軟件平臺來實現(xiàn)。同時，由于系統(tǒng)的主要功能都是由軟件實現(xiàn)，立思方的弦豐^®軟件平臺提供開放的設備和信號API接口，同時也具備可擴展的計算能力，支持如深度學習這樣對算力有很高要求的人工智能算法的開發(fā)和運行，提升系統(tǒng)智能化水平。

圖4 基于柔性通用架構的認知電子戰(zhàn)仿真平臺

此外，立思方基于柔性通用架構的仿真試驗平臺也可以很好適配諸如CNEW認知電子戰(zhàn)架構：

• 控制器作為該平臺的“大腦”，能夠控制任務管理、策略引擎生成、知識庫更新、網(wǎng)絡通訊及優(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/傳感器服務的硬件平臺，并實現(xiàn)相應的功能服務；

  
  

• FPGA協(xié)處理器與GPU協(xié)處理器用于信號處理以及海量數(shù)據(jù)監(jiān)測、管理等，其中GPU協(xié)處理器內(nèi)置了神經(jīng)網(wǎng)絡的計算加速單元，同時通用的浮點計算能力也大幅高于DSP，能夠更好的服務認知算法；

  
  

• 存儲模塊作為認知電子戰(zhàn)仿真平臺的存儲設備，采用高性能RAID技術，可用于數(shù)據(jù)樣本和知識庫數(shù)據(jù)的高速大容量存儲，便于為后續(xù)策略優(yōu)化服務。

  
  

02認知電子戰(zhàn)系統(tǒng)仿真平臺功能模塊

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

環(huán)境感知

認知電子戰(zhàn)系統(tǒng)對作戰(zhàn)環(huán)境的認知，通過與環(huán)境的不斷交互持續(xù)學習環(huán)境，在先驗知識庫的支持下，分析出目標威脅信號的特征，并將特征信息傳給決策行動模塊。立思方基于柔性通用架構的仿真試驗平臺提供的環(huán)境感知功能模塊能夠為有效偵測、分析與識別目標威脅信息提供基礎能力來驗證認知電子戰(zhàn)系統(tǒng)中環(huán)境感知功能。

該仿真平臺在開放的弦豐^®軟件平臺基礎上，搭配已有的雷達偵察、雷達信號脈沖分析、實時頻譜分析功能模塊，同時也支持導入用戶自定義信號分析IP，實現(xiàn)目標威脅信號的感知、分析識別、及等級劃分。立思方研發(fā)的雷達偵察模塊作為環(huán)境感知獲取信號的一種主要手段，通過基于CPU FPGA GPU的異構處理平臺，進行高性能信號分選處理和脈內(nèi)分析，能夠獲取信號數(shù)據(jù)的基本目標特征，同時也支持偵收數(shù)據(jù)接入用戶熟悉的開發(fā)環(huán)境以進行進一步的信號分析與處理。

此外，立思方提供的實時頻譜分析（RTSA）模塊也能夠?qū)墒諗?shù)據(jù)進行實時處理，其充分利用了通用無線電平臺的接收通道，采用數(shù)字化接收機方式和實時處理技術對寬帶頻譜內(nèi)目標信號進行捕獲和解析，通過重疊FFT等數(shù)字信號處理手段實現(xiàn)信號的實時觸發(fā)和捕獲，能夠可靠地檢測繁雜頻譜中的瞬態(tài)信號，并進行信號的多域（時域、頻域、空域、調(diào)制域）分析，為復雜電磁環(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

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

立思方基于柔性通用架構的仿真試驗平臺為決策行動功能模塊仿真試驗提供硬件平臺，其具備的CPU FPGA GPU異構計算能力可以快速部署各種認知算法，生成最佳干擾策略。同時，該平臺也支持用戶自定義信號處理IP和決策邏輯的導入，利用硬件平臺配置的高性能的FPGA和GPU協(xié)處理模塊進行信號識別處理，結(jié)合上位機的控制指令，引導干擾發(fā)射模塊在頻率和方位上對準雷達，發(fā)射干擾信號，完成有效戰(zhàn)術對抗的仿真試驗。

此外，立思方的弦豐^®軟件平臺提供的雷達目標信號模擬、雷達信號干擾生成、通信/導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信息和用戶自定義邏輯而做出具體應對動作，以實現(xiàn)高效的、智能化的電子對抗，為認知電子戰(zhàn)決策行動的研究提供輔助驗證。

效能評估

效能評估由接收到發(fā)射的反饋，根據(jù)威脅信號在干擾下產(chǎn)生的明顯變化評估所采取措施的干擾效果。由于效能評估涉及到對包括專家數(shù)據(jù)、經(jīng)驗數(shù)據(jù)、實戰(zhàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)等多維評估數(shù)據(jù)的融合，同時也會有定性定量相結(jié)合的評估解算和評估聚合方法，實現(xiàn)對裝備作戰(zhàn)效能的綜合評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的仿真試驗平臺具備基于CPU FPGA GPU的異構計算能力，可以很快實現(xiàn)作戰(zhàn)效能評估，比如實現(xiàn)雷達的仿真，可以現(xiàn)場評估干擾機的干擾效果或者雷達抗干擾算法的的抗干擾效果。

圖5 雷達對抗智能仿真模塊軟件界面

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總結(jié)通過對認知電子戰(zhàn)技術的發(fā)展、功能特性、系統(tǒng)架構分析，立思方構建的基于柔性通用架構的認知電子戰(zhàn)仿真平臺不僅可以為認知電子戰(zhàn)的研究提供基本的仿真硬件平臺，同時其弦豐^®軟件平臺也為認知電子戰(zhàn)的環(huán)境感知、決策行動和效能評估提供基礎的功能模塊仿真并支持用戶自定義IP導入和系統(tǒng)偵收數(shù)據(jù)對接用戶第三方開發(fā)環(huán)境，為用戶的認知電子戰(zhàn)研究提供了快速、有效和高性價比的試驗手段。

END

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