基于认知的舰船电子对抗系统设计

张建华，沈振惠，马 腾，张雅秋

(1.中国船舶工业系统工程研究院，北京 100094;2.天津天狮学院，天津 301700)

舰船认知电子对抗系统是一种能够根据舰船周围电磁环境的变化，不断交互得到新的知识积累，不断地调整侦察设备和干扰设备，自适应地侦察和干扰电磁辐射目标的系统。随着认知无线电技术、高速跳频技术、相控阵波形优化生成技术等技术的发展，舰船电子对抗系统的主要作战对象如雷达、通信等电子信息装备开始逐步向认知方向发展，具备很强的自主学习、推理、决策与行动能力，不仅能够自重构预先编程的波形，还能够自己“创造”波形。海上电磁频谱变得越来越拥挤，军民领域内的新波形不断发展，使得舰船电子对抗装备的作战环境日益变得复杂［1-2］。为完成舰艇周围电磁环境认知感知、电子攻击和电子防护任务，确保掌控电磁频谱，实现从预编程对抗向自适应实时对抗转变，舰船电子对抗系统必须变得更加智能，即必须采用认知技术。

本文首先分析了国外认知电子对抗的研究进展情况，提出了适合作战对象向认知转变的舰船电子对抗系统架构方案，并就其中涉及的关键技术进行了相关讨论。

1 国内外发展现状

目前，从公开的文献可以看出，国外十分重视认知电子对抗的研究，尤其是美国将其作为未来电子对抗的重点发展方向。国防部高级研究计划局(DARPA)、空军、陆军、海军研究办公室(ONR)等均安排了认知电子对抗相关的研究项目，如电子对抗技术项目(2013年度)、自适应雷达对抗(ARC)、学习型自适应电子对抗(BLADE)、极端射频频谱条件下的通信(COMMEX)、认知干扰机(Cognitive jammer)、大功率射频数模转换器(HiPERDAC)，如表1 所示［3］。

表1 国外认知电子对抗相关项目列表

其中，自适应雷达对抗(ARC)、学习型自适应电子对抗(BLADE)两个重大项目分别侧重于对抗捷变频雷达和自适应无线电通信等，研究工作主要聚焦于软件、组网及其它方面，改善电子对抗系统的工作模式，不涉及天线、发射机和接收机等射频部分。

1)电子对抗技术项目(2013年度)

该技术开发计划为美国海军研究办公室(ONR)发布，旨在通过利用、欺骗或拒绝敌方使用的频谱，同时确保美国及其盟国使用的电磁频谱，从而加强海军和海军陆战队的电磁频谱控制能力。该计划的目标是为海军和海军陆战队提供威胁预警系统升级、电子战支援(ES)、武器跟踪制导系统的诱饵和反制、针对敌方C4ISR的电子攻击(EA)以及美国及其盟国的武器和C4ISR的电子防护(EP)，主要任务包括自适应认知电子对抗技术、高吞吐量和快速可编程电子对抗系统技术、自适应针对性的电子对抗仿真环境和创新电子对抗概念。

其中，自适应认知电子对抗将包括应用自适应机器学习算法取代传统的静态辐射源数据库和预编程对抗措施，以对抗那些波形带宽灵活、功能多样、具备电子保护模式的电子对抗系统。自适应针对性的电子对抗仿真环境将重点开发仿真射频环境或建模仿真环境，以开发测试和验证先进自适应针对性的电子对抗技术和系统。

2)自适应雷达对抗(ARC)

为寻求探测和对抗行为未知且波形捷变的数字可编程雷达系统的技术解决方案，该项目于2012年由DARAP提出，目的是使美国的机载电子对抗系统能够根据战场实时可观测的空中威胁行为，自动生成针对性的、未知的和自适应雷达系统的有效对抗措施。

3)学习型自适应电子对抗(BLADE)

该项目由DARPA提出，旨在开发能够自主地学习在短时间内对抗战术环境内的自适应无线通信威胁的电子对抗能力。在此，“无线通信威胁”包括了敌方用以实现指挥、控制与通信(C3)的无线电台和网络，以及无线电遥控的简易爆炸装置(RCIED)。BLADE是一个包含了探测和描述模块、干扰波形优化模块和战场毁坏情况评估模块等3个功能模块的闭环系统，该系统的处理结果通过人机接口提供给电子战军官以供环境认知，指挥官通过系统接口，干扰威胁分析，决定执行干扰作战时，直接发出干扰命令即可。

4)认知干扰机(Cognitive jammer)

该项目为2010年由DARPA、空军安排，研制目标为基于网络化软件定义结构(SDA)的自适应、多功能(通信雷达)干扰机，侧重于研究认知干扰机的概念、方法，技术成熟度达到3级以上。

为了适应典型舰船电子对抗作战对象如雷达、通信等向自适应、认知的技术转变，国内一些从事电子信息系统、电子武器系统的专业科研机构和高校，最近几年来也陆续开始积极跟踪、研究认知电子对抗相关技术如认知雷达、认知无线电、自适应对抗等，初步提出了一些有关任务规划、综合控制、流程调度、知识库的想法。不过，总的来说处于起步阶段。

2 系统总体设计

2.1 系统体系框架

根据国外认知电子对抗技术研究的情况分析，结合国内舰船的实际情况和未来发展可能，初步提出舰船认知电子对抗系统的技术框架［4-5］。该系统由综合控制分系统、认知侦察分系统、智能干扰分系统、电子防护分系统和综合对抗数据库等组成，结构如图1所示。

图1 舰船认知电子对抗系统结构框图

其中，综合控制分系统是系统的神经中枢，通过推理、学习、优化、策略等，完成对系统所属认知侦察分系统、智能干扰分系统、电子防护分系统的综合控制，向电子对抗指挥官提供电磁环境认知手段，学习如何对抗威胁的能力。包含先验知识数据库、动态知识数据库的综合对抗数据库为舰船认知电子对抗系统提供对应的环境、目标频谱特征、资源策略。

认知侦察分系统，按照综合控制分系统的指令，选择最优化侦察方式，进行认知信号智能侦察。舰船宽频段、信道化数字接收机截获到舰艇周围雷达、通信等电磁信号后，采用先进的新目标威胁学习算法和特征学习技术将信号分类，分析出该信号的特征，完成对作战对象如认知雷达、认知无线电等认知信号和常规信号的处理与分析，并将电子对抗侦察信息上报到综合控制分系统。

智能干扰分系统，根据综合控制分系统命令完成干扰信号产生和干扰效能评估。其中，干扰波形优化模块，根据无源被动侦察信号、综合控制分系统传来的有源主动探测(如雷标信号、学习信号)来的信息，自动合成能够高效打击探测到的雷达、通信威胁辐射源的对抗手段，并优化分配有限的有源或无源干扰资源。干扰效果评估模块，结合认知侦察分系统送来的认知信息，现场给出我方实施干扰后导致威胁目标的信号变化情况，评估干扰效果，并将评估结果传递给干扰波形优化模块，帮助其持续优化干扰响应，从而实现闭环对抗。

电子防护分系统，在综合控制分系统的管理控制下完成舰船用频装备的电子防护任务，如舰船用频装备的电磁频谱使用规划、兼容协调与频谱辐射控制。通过利用认知电子对抗技术，检测在时域、空域、频域、能域、码域和极化域中可以被利用的频谱资源，并将频谱使用情况提供给我方的雷达、通信、导航、电子对抗等，利用空闲频谱确保雷达有效探测、信息能够无扰传递、干扰能无害实施。

舰船认知电子对抗系统基本运行工作原理如图2所述。

图2 舰船认知电子对抗系统运行原理

2.2 系统硬件设计

图3是舰船认知电子对抗系统的硬件结构设计，主要包括射频综合集成、共用信息处理平台和综合信息处理终端等几个核心处理单元。其中，射频综合集成部分基于多功能干扰信号发生器和孔径资源管理，通过发射阵列天线和接收阵列天线、通用发射机和接收机等实现了雷达、通信、网络等电子侦察和干扰功能。共用信息处理平台采用开放式架构，主要通过接收认知电子侦察信号，实现雷达、通信和网络等多源信号与异构数据深化处理。综合信息处理终端采用通用的显示控制硬件，完成系统的综合显控、情报分析处理和数据库服务支持。

图3 舰船认知电子对抗系统硬件结构设计

2.3 系统软件设计

舰船认知电子对抗系统所属的综合控制、雷达对抗、通信对抗、光电对抗、网络对抗、电子防护等对抗资源或手段存在信息实时性要求各异、传输介质多样、异构操作系统等复杂信息交换环境，对舰船电子对抗系统的总体设计、集成和验证带来了挑战。因此，如何建立一个系统统一的开放式软件集成体系框架，实现对舰船认知电子对抗各分系统的实时高效信号集成、信息集成共享和综合管理是舰船认知电子对抗系统设计必须面对的问题。其中，数据分发式服务(Data Distribution Service，DDS)规范描述了分布式实时系统中数据分发、传递和接收的标准接口和行为，定义了以数据为中心的发布/订阅机制，提供了一个与平台无关的数据共享模型，在“宙斯盾”开放式架构武器系统、TACTICOS作战管理系统、UlTra Electronics等多个领域或系统得到了应用。

基于中间件的舰船认知电子对抗系统软件体系结构可分为3层，如图4所示。其中，在计算机操作系统及网络设施的基础上，系统应用软件层主要完成对抗作战管理、数据库服务支持、情报处理分析、数据记录维护、认知侦察干扰、综合电子防护等应用业务，通过信息交换层的DDS中间件，实现信息的发布、订阅以及信息分发的管理，如主题管理、订阅匹配管理等，通过QoS策略设置参数得到数据收发质量可系统通信参数控制。

3 关键技术分析

一般来说，具备自主电磁环境感知、电子攻击策略优化与攻击、自主学习与经验积累、自主推理与辅助决策等一种或多种能力的电子对抗技术可算作认知电子对抗技术范畴［5］。根据舰船认知电子对抗的作战特点、系统组成等分析，可以初步得出舰船认知电子对抗系统的技术体系框架如图5所示。

1)舰船认知电子对抗系统体系结构技术。面向舰船电子侦察、进攻、防御等多种对抗任务，应用软件无线电理论和技术，采用标准的技术协议规范，通过开展硬件模块化、软件构件化、系统组合化设计，建立功能可重构的开放式系统体系架构。

图4 舰船认知电子对抗系统软件结构设计

图5 舰船认知电子对抗系统技术体系框架

2)基于频谱学习的认知侦察技术。通过分析舰船认知电子对抗系统面临的新型、未知或模糊的认知电磁信号环境，研究作战对象射频系统的波形、带宽、功能、各种电子防护模式的工作机理，通过威胁特征学习和自适应信号处理获得目标信号特征，检测并学习其射频特性与行为，构建能实时描述静态和动态频谱知识的一套框架和一系列标准。

3)认知电子对抗系统辅助决策技术。研究对舰船电子对抗系统周围的电磁频谱活动情况与威胁知识进行自主推理的方法，通过威胁判断确定作战优先级，形成协调舰内、舰外有源和无源电子干扰资源应对多个威胁目标的电子攻击策略供电子对抗操作人员参考使用。

4)基于干扰效果评估的智能电子攻击技术。综合利用各种调度算法，组织实施自主频谱攻击，基于不断传送来的舰船认知电子对抗系统电磁环境认知结果，获得威胁目标在我方干扰下的信号变化情况，评估所运用的对抗措施效能，并不断优化干扰波形、策略，实现多目标自适应干扰。

4 结束语

舰船认知电子对抗系统涉及了雷达、通信、光电、计算机、电子工程、数据融合、网络、武器控制、战法战术等多个领域，属于一个不断发展、复杂、多专业综合性的电子武器系统。作为未来电子对抗的发展趋势，认知电子对抗将推动舰船电子对抗使用方式与作战方式的变革。研究认知电子对抗技术，并开发舰船认知电子对抗系统，有助于提高舰艇对复杂电磁环境的适应能力以及形成与目标电子设备技战术水平相应的智能对抗能力，这将成为业内共识。

尽管关于舰船认知电子对抗的技术研究得到了相关行业的关注，初步取得了一定的进展，但还是处于主要研究认知侦察与智能干扰技术阶段，如自适应干扰波形产生、电磁态势和知识数据库、侦察干扰一体效果评估、频谱特征学习等。但是，由于至今没有认知电子对抗系统问世，人们对舰船认知电子对抗的认识和理解仍然比较模糊。未来，在舰艇编队电子对抗的顶层牵引与体系架构下，舰船认知电子对抗系统以什么样的形式出现?与现有的舰船舰艇编队电子对抗系统如何结合?仍将是一个个值得研究的问题。根据认知电子对抗能够通过自主电磁环境扫描、自主推理、决策，并能够自适应调整干扰信号、频谱使用的特点，预计舰船认知电子对抗系统有可能向多功能、网络化、系列化方向发展。

［1］吴汉平，等.电子战基本原理［M］.北京:电子工业出版社，2004.

［2］Filippo Neri.电子防御系统概论［M］.第2版.北京:电子工业出版社，2014.

［3］陈柱文.美国海军认知电子战新技术［J］.通信电子对抗，2013(3):33-35.

［4］黎湘，等.认知雷达及其关键技术研究进展［J］.电子学报，2012(9):1863-1870.

［5］沈妮，等.认知技术在电子对抗装备中的发展分析［J］.电子信息对抗技术，2011(6):22-26.