如何“轻快好省”地搭建认知电子战原型验证系统？

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从传统电子战到认知电子战

1991年的1月17日凌晨，停泊在海湾地区的美国军舰向伊拉克防空阵地、雷达基地发射了百余枚“战斧”式巡航导弹，“沙漠风暴”行动由此开始。美军以EF-111A、EC-130H、EA-6B等电子干扰飞机和地面电子战设备，在广阔的空间施放电子干扰，使伊军地空通讯、地面雷达、飞机和导弹中的雷达制导系统全部失灵。这场战争仅持续43天就宣告结束，伊军全线溃败，伤亡2.5万人，被俘10万人，被缴获坦克2500辆，而美军只有148人阵亡，4508人受伤。

这场战争可以说是利用电子战技术获得压制性的标志性现代战争，由此电子战进入一个快速发展的时期，各种电子对抗设备层出不穷，战场电磁环境变得日益复杂多变。随着数字技术、射频技术、人工智能等新兴科技的发展和应用，传统电子战系统需要逐渐具有“智能”或“认知”的能力。

图1 3架F-111轰炸机和1架EF-111电子战飞机编队执行轰炸任务

2010年，美空军研究实验室（AFRL）在“频谱拥塞与认知雷达”一文中明确提出：“认知”能力是在频谱密集的环境下实现自主发现、跟踪、瞄准、交战与评估目标的关键能力。2015年，美国战略与预算评估中心（CSBA）发布了一篇名为《电波致胜：重拾美国在电磁频谱领域主宰地位》的研究报告，该报告明确指出自适应化/认知化是未来电子频谱战中的关键技术与重点发展能力。

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认知电子战

01认知电子战概述

认知电子战是以具备认知性能的电子战装备为基础，注重自主交互式的电磁环境学习能力与动态智能化的对抗任务处理能力的电子战作战行动，是电子战从“人工认知”向机器“自动认知”的升级。图2给出了认知电子战系统的组成框图，主要包括环境感知、决策行动和效能评估三个模块。

• 环境感知：完成对作战环境的感知，采用机器学习算法和特征学习技术，通过与环境的不断交互持续地学习环境，在先验知识的支持下，进而分析出目标威胁信号的特征，并将特征信息传给决策行动模块。

  
  

• 决策行动：根据环境感知模块对环境信息的认知，自动合成能够有效对抗的措施，快速确定最佳攻击策略，优化干扰波形，自适应分配干扰资源。

  
  

• 效能评估：由接收到发射的反馈，根据威胁信号在干扰下产生的明显变化评估所采取措施的干扰效果。

  
  

图2 认知电子战系统组成框图

02认知电子战系统架构

在认知电子战技术架构方面，目前已经提出了以下几种架构：美国乔治亚技术研究所（GTRI）开展的CORA项目的架构、美国罗克韦尔·柯林斯公司于2013年申请的认知网络电子战（CNEW）专利中的架构以及土耳其下一代无线通信实验室于2015年提出的认知电子对抗系统架构等。本文主要以典型的CNEW为例来介绍认知电子战架构。

图3为软件定义非闭环CNEW系统开放架构框图，以开放性、可扩展、结构精简的硬件为通用平台，并采用模块化的软件功能，使得系统结构通用，功能实现灵活，升级更为方便。同时由于系统的主要功能都是由软件实现，也可以方便地采用各种新的信号处理手段，如卷积神经网络、残差网络等算法，来提高认知学习服务性能、增强功能，并且能在线实现信号处理算法更新和升级。

图3 非闭环系统开放架构框图

根据认知电子战技术的发展趋势、功能特性和架构平台等方面得出，认知电子战的机器学习、智能博弈的设计、验证、测试都需要在博弈对抗的试验环境中开展，而这种博弈对抗试验环境可以是全数字的，或者半实物的，甚至实装的，且通常后两者的试验环境构建复杂度和成本都很高昂。以半实物的电子对抗设备模拟器为例，比如有雷达侦察模拟器、雷达信号干扰模拟器、雷达模拟器、雷达目标模拟器、辐射源仿真器、通信侦察模拟器、通信干扰模拟器、通信仿真模拟器、导航干扰模拟器、导航仿真模拟器等。这些模拟器设备大都是以定制化的硬件和软件架构设计，其开发、生产、调试、维护、升级成本都很高昂，研制周期也都很长，以致试验环境成为研制认知电子战系统的一个重要门槛和挑战。

目前，美国在认知电子战领域处于领先地位，各军兵种实验室与科研院所、军工企业进行广泛的合作，开展从理论架构到型号装备的研发工作。而国内目前仍处于算法理论研究阶段，缺少信号级的仿真论证。

这就面临一个问题，如何构建信号级认知电子战仿真试验平台？

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认知电子战系统仿真平台

以CNEW这样的非闭环的开放系统架构来搭建认知电子战系统，需要先构建类似架构体系的仿真平台用以搭建系统原型、验证处理算法和评估对抗效能。该仿真平台需要具备：

• 开放性、可扩展、结构精简的硬件为通用平台；

  
  

• 采用模块化的软件功能，使得系统结构通用，功能实现灵活，升级更为方便；

  
  

• 具备人工智能计算加速能力，如卷积神经网络、残差网络等先进算法，来提高性能、增强功能，并且能够在线实现信号处理算法更新和升级。

  
  

立思方作为国内雷达、通信、对抗和通用电子测试仿真解决方案的高新技术企业，针对认知电子战的研究需求，搭建了一套基于柔性通用架构的仿真试验平台。

01认知电子战系统仿真平台架构

立思方搭建的基于柔性通用架构的仿真试验平台以软件无线电和认知无线电为设计理念，采用模块化设计，是硬件通用、功能软件可升级的开放式系统架构。该仿真试验平台以开放性、可扩展、结构精简的硬件为通用平台，把环境感知、决策行动和效能评估等功能用立思方可升级的弦丰^®软件平台来实现。同时，由于系统的主要功能都是由软件实现，立思方的弦丰^®软件平台提供开放的设备和信号API接口，同时也具备可扩展的计算能力，支持如深度学习这样对算力有很高要求的人工智能算法的开发和运行，提升系统智能化水平。

图4 基于柔性通用架构的认知电子战仿真平台

此外，立思方基于柔性通用架构的仿真试验平台也可以很好适配诸如CNEW认知电子战架构：

• 控制器作为该平台的“大脑”，能够控制任务管理、策略引擎生成、知识库更新、网络通讯及优化；

  
  

• 射频前端协同ADC/DAC模块、FPGA协处理器以及GPU协处理器作为器件/传感器服务的硬件平台，并实现相应的功能服务；

  
  

• FPGA协处理器与GPU协处理器用于信号处理以及海量数据监测、管理等，其中GPU协处理器内置了神经网络的计算加速单元，同时通用的浮点计算能力也大幅高于DSP，能够更好的服务认知算法；

  
  

• 存储模块作为认知电子战仿真平台的存储设备，采用高性能RAID技术，可用于数据样本和知识库数据的高速大容量存储，便于为后续策略优化服务。

  
  

02认知电子战系统仿真平台功能模块

立思方基于柔性通用架构的仿真试验平台采用模块化的通用PXI平台为硬件基础，搭载开放式的弦丰^®软件平台来构建，具备了功能软件化、系统灵活化、结构紧凑化等特性的同时，也提供了丰富的功能模块以及可扩展的软件接口。

环境感知

认知电子战系统对作战环境的认知，通过与环境的不断交互持续学习环境，在先验知识库的支持下，分析出目标威胁信号的特征，并将特征信息传给决策行动模块。立思方基于柔性通用架构的仿真试验平台提供的环境感知功能模块能够为有效侦测、分析与识别目标威胁信息提供基础能力来验证认知电子战系统中环境感知功能。

该仿真平台在开放的弦丰^®软件平台基础上，搭配已有的雷达侦察、雷达信号脉冲分析、实时频谱分析功能模块，同时也支持导入用户自定义信号分析IP，实现目标威胁信号的感知、分析识别、及等级划分。立思方研发的雷达侦察模块作为环境感知获取信号的一种主要手段，通过基于CPU FPGA GPU的异构处理平台，进行高性能信号分选处理和脉内分析，能够获取信号数据的基本目标特征，同时也支持侦收数据接入用户熟悉的开发环境以进行进一步的信号分析与处理。

此外，立思方提供的实时频谱分析（RTSA）模块也能够对侦收数据进行实时处理，其充分利用了通用无线电平台的接收通道，采用数字化接收机方式和实时处理技术对宽带频谱内目标信号进行捕获和解析，通过重叠FFT等数字信号处理手段实现信号的实时触发和捕获，能够可靠地检测繁杂频谱中的瞬态信号，并进行信号的多域（时域、频域、空域、调制域）分析，为复杂电磁环境感知和解析提供了直观而可靠的判断依据。

决策行动

决策行动作为认知电子战系统的核心，基于环境感知模块的识别结果，自动合成有效对抗措施，快速确定最佳攻击策略，优化干扰波形，自适应分配干扰资源。

立思方基于柔性通用架构的仿真试验平台为决策行动功能模块仿真试验提供硬件平台，其具备的CPU FPGA GPU异构计算能力可以快速部署各种认知算法，生成最佳干扰策略。同时，该平台也支持用户自定义信号处理IP和决策逻辑的导入，利用硬件平台配置的高性能的FPGA和GPU协处理模块进行信号识别处理，结合上位机的控制指令，引导干扰发射模块在频率和方位上对准雷达，发射干扰信号，完成有效战术对抗的仿真试验。

此外，立思方的弦丰^®软件平台提供的雷达目标信号模拟、雷达信号干扰生成、通信/导航干扰生成等功能模块也可以根据环境感知得出的威胁目标信息和用户自定义逻辑而做出具体应对动作，以实现高效的、智能化的电子对抗，为认知电子战决策行动的研究提供辅助验证。

效能评估

效能评估由接收到发射的反馈，根据威胁信号在干扰下产生的明显变化评估所采取措施的干扰效果。由于效能评估涉及到对包括专家数据、经验数据、实战数据和仿真数据等多维评估数据的融合，同时也会有定性定量相结合的评估解算和评估聚合方法，实现对装备作战效能的综合评估常常涉及到大容量数据的处理。

立思方基于柔性通用架构的仿真试验平台具备基于CPU FPGA GPU的异构计算能力，可以很快实现作战效能评估，比如实现雷达的仿真，可以现场评估干扰机的干扰效果或者雷达抗干扰算法的的抗干扰效果。

图5 雷达对抗智能仿真模块软件界面

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总结通过对认知电子战技术的发展、功能特性、系统架构分析，立思方构建的基于柔性通用架构的认知电子战仿真平台不仅可以为认知电子战的研究提供基本的仿真硬件平台，同时其弦丰^®软件平台也为认知电子战的环境感知、决策行动和效能评估提供基础的功能模块仿真并支持用户自定义IP导入和系统侦收数据对接用户第三方开发环境，为用户的认知电子战研究提供了快速、有效和高性价比的试验手段。

END

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