摘要

太空電磁頻譜已經(jīng)成為信息時代不可或缺的國家戰(zhàn)略資源，面對越來越復(fù)雜的電磁頻譜環(huán)境所帶來的重大挑戰(zhàn),，電磁頻譜空間研究對未來頻譜共享,、無線電秩序管理以及電磁頻譜戰(zhàn)有著重要意義。太空空間通信主要應(yīng)用的也是電磁頻譜和激光通信,。本文從頻譜態(tài)勢理論模型,、廣域頻譜態(tài)勢感知、動態(tài)頻譜態(tài)勢生成和頻譜態(tài)勢高效利用4個方面,，綜述了對電磁頻譜空間認(rèn)知基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀,，并指出將孤立、分散,、靜態(tài)的頻譜數(shù)據(jù)整合成一個整體,、動態(tài)、關(guān)聯(lián),、可視的異構(gòu)數(shù)據(jù)集合是頻譜態(tài)勢未來的發(fā)展方向,，為未來移動通信系統(tǒng)提升動態(tài)頻譜效率、無線電秩序管理中提高惡意用戶檢測概率與虛警概率性能,、對抗條件下增強頻譜效能比,，提供理論與技術(shù)支撐。

隨著信息時代的飛速發(fā)展,，頻譜資源越來越緊張,，無線電秩序與頻譜安全的隱患越來越嚴(yán)重，電磁頻譜在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的地位越來越重要,。在未來移動通信系統(tǒng)頻譜共享,、無線電秩序管理、電磁頻譜戰(zhàn)的需求牽引下,，靜態(tài)管理模式正向動態(tài)管理模式轉(zhuǎn)型,，電磁頻譜空間認(rèn)知與基于頻譜態(tài)勢的智能頻譜管理已成為研究的核心課題。

美軍電磁頻譜域的指揮控制尚不能確定的原因,，但美軍對電磁頻譜域進行指揮控制又是切實需要的,。美軍條令明確，電磁頻譜內(nèi)的作戰(zhàn)行動也必須像在空中,、海上,、陸地、太空和賽博空間那樣進行指揮控制,。美軍的電磁頻譜作戰(zhàn)域,，可以結(jié)合《JP3-85聯(lián)合電磁頻譜作戰(zhàn)條令》、電磁戰(zhàn)斗管理的進展和其他資料,，了解目前美軍電磁頻譜域的指揮控制,。

（1）電磁頻譜域相比其他幾個域比較特殊。在美國國防部層面,，電磁頻譜域尚未是一個獨立的作戰(zhàn)域,，且電磁頻譜域和其他五個域關(guān)系密切，難以分離,。在討論電磁頻譜域指揮控制時很難把握和其他作戰(zhàn)域的關(guān)系和聯(lián)系,，而且可能涉及各軍種、各機構(gòu)之間復(fù)雜的難以協(xié)調(diào)的指控關(guān)系,。

（2）在美軍概念下,，電磁頻譜域中的軍事活動不等于美軍聯(lián)合電磁頻譜作戰(zhàn)條令明確的電磁頻譜作戰(zhàn)活動，在討論指控關(guān)系時,，有些活動沒法歸類,。近年來美軍關(guān)于電磁頻譜作戰(zhàn)的概念內(nèi)涵不斷變化延伸，但類似于通信,、雷達感知等活動目前尚不是電磁頻譜作戰(zhàn)中的一部分,，但它們毫無疑問在電磁頻譜域作戰(zhàn)活動中極為重要。美軍雖然發(fā)布了新的聯(lián)合電磁頻譜作戰(zhàn)條令,，但也未明確提及通信,、雷達等活動的指控。

（3）目前美軍電磁戰(zhàn)斗管理系統(tǒng)的兼容性較差,。電磁戰(zhàn)斗管理流程和系統(tǒng)是美軍現(xiàn)階段正大力開發(fā)的,，目的就是管理電磁頻譜作戰(zhàn)活動，支持電磁頻譜作戰(zhàn)的指揮控制,。電磁戰(zhàn)斗管理將是聯(lián)合全域指揮控制的主要電磁頻譜解決方案,，同時也是電磁頻譜作戰(zhàn)自成體系的關(guān)鍵。美國各軍種此前均獨立探索這種系統(tǒng),，例如美陸軍的電子戰(zhàn)規(guī)劃與管理工具（EWPMT）,，美海軍的實時頻譜作戰(zhàn)（RTSO），但目前各系統(tǒng)之間兼容性較差,。在國防部層面,，美軍全球電磁頻譜信息系統(tǒng)（GEMSIS）增量3將重點關(guān)注電磁戰(zhàn)斗管理能力，但目前也尚未有統(tǒng)一的系統(tǒng)工具,，美軍想要集成聯(lián)合統(tǒng)一的電磁戰(zhàn)斗管理仍然還有很長的路要走,。

電磁戰(zhàn)斗管理和聯(lián)合電磁頻譜作戰(zhàn)屬于兩個不同維度,，就如條令中所述，電磁戰(zhàn)斗管理是指對聯(lián)合電磁頻譜作戰(zhàn)的動態(tài)監(jiān)控,、評估,、計劃和指導(dǎo)，以支援指揮官的行動方案,。電磁戰(zhàn)斗管理提供聯(lián)合電磁頻譜作戰(zhàn)方法,，以確保對電磁作戰(zhàn)環(huán)境的有效控制。

電磁頻譜作戰(zhàn)包含了電磁頻譜管理,、電磁戰(zhàn),、信號情報等作戰(zhàn)模式，這些作戰(zhàn)模式之間可協(xié)同,、相互使能（圖2中的橫向）,，每種作戰(zhàn)模式都可實現(xiàn)OODA閉環(huán)（圖2中的縱向）。然而,，電磁戰(zhàn)斗管理與電磁頻譜作戰(zhàn)之間沒有直接的隸屬關(guān)系,，二者之間可視作一種“正交”關(guān)系：電磁戰(zhàn)斗管理的管理對象就是電磁頻譜作戰(zhàn)的OODA環(huán)的閉環(huán)過程。

參考連接：https:///military/vom8qel.html

其中應(yīng)重點區(qū)分電磁戰(zhàn)斗管理和電磁頻譜管理的關(guān)系,。電磁頻譜管理屬于電磁頻譜作戰(zhàn)的一部分,，主要管理對象是電磁頻譜本身，而電磁戰(zhàn)斗管理的主要管理對象是聯(lián)合電磁頻譜作戰(zhàn),。聯(lián)合電磁頻譜管理由電磁戰(zhàn)斗管理流程支持,，從而確保聯(lián)合部隊對電磁作戰(zhàn)環(huán)境的利用、攻擊和防護行動可以最有效和高效的方式充分整合到擁塞和對抗的電磁作戰(zhàn)環(huán)境中,。

電磁戰(zhàn)斗管理可以在決策支持和指控層面產(chǎn)生很大的增益,。由于電磁戰(zhàn)斗管理的“輸入”通常是作戰(zhàn)任務(wù)本身的需求，因此決策支持與指控也相應(yīng)地從傳統(tǒng)模式轉(zhuǎn)型為面向任務(wù)的指控,、以決策為中心的作戰(zhàn)（決策中心戰(zhàn)）新模式,。此外，隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展,，這種模式還將大幅提升“控制”的效率與能力,，最終實現(xiàn)一種“人工指揮+機器控制”的新模式。

在整個電磁頻譜作戰(zhàn)中,，指揮控制的活動就是電磁戰(zhàn),、電磁頻譜管理和信號情報。其中電磁戰(zhàn)主要包括電磁攻擊,、電磁支援,、電磁防護三大部分：

電磁攻擊涉及使用電磁能（包括定向能或反輻射武器）攻擊人員、設(shè)施或設(shè)備，其目的是削弱,、壓制或摧毀敵方的作戰(zhàn)能力,，典型的電磁攻擊能力包括電磁干擾和電磁入侵；

電磁支援涉及作戰(zhàn)指揮官分配的行動或由作戰(zhàn)指揮官直接控制的行動,，對有意或無意的電磁輻射源進行搜索,、截獲、識別和定位,，以便立即識別威脅,、規(guī)避威脅,，標(biāo)定目標(biāo),、制定規(guī)劃和執(zhí)行未來作戰(zhàn)行動；

電磁防護是指為保護人員,、設(shè)施和裝備免受己方,、中立方、對手或敵方使用電磁頻譜的任何影響,，以及自然現(xiàn)象的影響,，而導(dǎo)致己方戰(zhàn)斗力被削弱、壓制或破壞而采取的行動,。

電磁頻譜管理是指通過作戰(zhàn),、工程和管理上的程序，規(guī)劃,、協(xié)調(diào)和管理電磁頻譜的聯(lián)合使用,，主要包括頻率管理、東道國協(xié)調(diào)和聯(lián)合頻譜干擾解決方案三部分,。

信號情報是一種情報類別,，可以是單一的通信情報、電子情報（ELINT）和外國儀器信號情報,，也可以是所有這些情報的任意組合,。信號情報是描述電磁作戰(zhàn)環(huán)境的基礎(chǔ)，包括與無線電,、雷達,、紅外設(shè)備和定向能系統(tǒng)相關(guān)的那些頻率。JP3-85首次明確將信號情報納入聯(lián)合電磁頻譜作戰(zhàn)中,，體現(xiàn)了電磁頻譜作戰(zhàn)域各作戰(zhàn)活動的融合化趨勢,，實際上電磁支援和信號情報行動通常共享相同或相似的資產(chǎn)和資源，并且可能要同時收集滿足兩方要求的信息,。

對于頻譜態(tài)勢,，目前還沒有一種權(quán)威的定義，從態(tài)勢概念本源出發(fā)可以這樣理解：頻譜態(tài)勢是指電磁環(huán)境的當(dāng)前狀態(tài)、綜合形勢和發(fā)展趨勢,。頻譜態(tài)勢研究的核心是將復(fù)雜電磁環(huán)境映射到信息空間中,，形成虛擬的電磁頻譜空間，為未來移動通信系統(tǒng)提升動態(tài)頻譜效率,、無線電秩序管理中提高惡意用戶檢測概率與虛警概率性能,、對抗條件下降低頻譜降效比提供理論與技術(shù)支撐。

本文面向未來移動通信系統(tǒng)頻譜共享,、無線電秩序管理,、電磁頻譜戰(zhàn)需求。

首先,，針對目前頻譜態(tài)勢研究缺乏整體性,、針對性，從現(xiàn)代系統(tǒng)論出發(fā),，構(gòu)建頻譜態(tài)勢體系架構(gòu)與模型,，從頻譜態(tài)勢體系模型、頻譜態(tài)勢數(shù)學(xué)建模,、頻譜態(tài)勢優(yōu)化機制3方面入手,，通過模型假設(shè)、構(gòu)成,、分析,、求解、檢驗,、應(yīng)用等步驟,，運用數(shù)理邏輯方法和數(shù)學(xué)語言建構(gòu)的一組頻譜態(tài)勢數(shù)學(xué)模型，精確描述頻譜態(tài)勢體系結(jié)構(gòu)的特征及其內(nèi)部關(guān)系或與外界聯(lián)系,；

其次,，分析廣域頻譜態(tài)勢感知、動態(tài)頻譜態(tài)勢生成和頻譜態(tài)勢高效利用3個關(guān)鍵技術(shù)問題：

(1) 構(gòu)建頻譜態(tài)勢體系架構(gòu),、建立頻譜態(tài)勢數(shù)學(xué)模型,、揭示頻譜態(tài)勢優(yōu)化機理；

(2) 廣域感知網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化部署,、大規(guī)模協(xié)作壓縮感知,、海量感知數(shù)據(jù)高效匯聚；

(3) 多維頻譜空間態(tài)勢補全,、頻譜態(tài)勢多視角呈現(xiàn),、頻譜態(tài)勢數(shù)據(jù)可視分析和頻譜態(tài)勢演化預(yù)測。

從不同層面,，展開電磁頻譜空間認(rèn)知研究與分析,。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

如何構(gòu)建電磁頻譜圖是電磁頻譜空間認(rèn)知研究首先遇到的難題,。文獻[1]首次提出了射頻環(huán)境地圖(Radio environmental maps，REMs)的概念與模型,，隨后,，REMs又被進一步深化，從而提供一種可視化頻譜環(huán)境地圖,。文獻[2]通過提供時-空-頻三維獲取功率頻譜密度圖和局部信道增益圖,。除頻譜態(tài)勢圖之外，目前學(xué)者們的研究重點在于頻譜態(tài)勢感知,、生成,、利用3方面，它們各自的研究現(xiàn)狀如下：

頻譜態(tài)勢感知是頻譜態(tài)勢生成與利用的基石,，其主要目標(biāo)是獲取頻譜空間的當(dāng)前狀態(tài),，包括頻譜忙閑情況、頻譜輻射功率,、頻譜調(diào)制方式,、以及頻譜接入?yún)f(xié)議等,。

頻譜態(tài)勢生成是在頻譜態(tài)勢感知獲取頻譜空間的當(dāng)前狀態(tài)基礎(chǔ)上,，分析預(yù)測頻譜空間的綜合形勢和未來發(fā)展趨勢。文獻[3, 4]提出了基于隱馬爾科夫模型和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的態(tài)勢估計方法,。文獻[5]梳理上述工作后提出了頻譜狀態(tài)演化可預(yù)測性的概念和度量指標(biāo),。隨后，頻域相關(guān)性現(xiàn)象(即不同信道頻譜狀態(tài)演化之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系)逐漸引起研究者們的關(guān)注,。文獻[6]基于稀疏空間采樣實現(xiàn)了空域干擾圖的構(gòu)建,。專利CN104486015A給出一種電磁空間頻譜態(tài)勢的構(gòu)建方法[7]，一些研究團隊利用熱力地圖展現(xiàn)電視信號的頻譜使用情況,，如利用Cellular Expert^TM軟件可以開展無線頻率規(guī)劃和管理等任務(wù),，或在CORNET3D中實時呈現(xiàn)頻譜態(tài)勢并進行可視分析。

頻譜態(tài)勢利用的研究還處于初步階段,，主要集中在頻譜資源決策,、頻譜安全和頻譜對抗。文獻[8]利用博弈論的方法,，對頻譜接入中的信道選擇問題進行了研究,，還有基于隨機幾何[9]、頻譜拍賣模型[10]的頻譜資源決策研究,。在頻譜安全方面,，各種頻譜態(tài)勢的異常值層出不窮，如頻譜數(shù)據(jù)篡改,、模擬主用戶和竊聽等[11-12]討論了異常值的檢測,。在頻譜對抗方面，電磁頻譜已成為可以與機械動力、火力相提并論的新型戰(zhàn)斗力和戰(zhàn)爭資源,，但如何與頻譜態(tài)勢結(jié)合,，研究還非常少。

原文連接

https://www./articles/electronic-warfare-the-forgotten-discipline/

綜上所述,，頻譜態(tài)勢感知,、生成等單項技術(shù)研究成果已有比較豐富的積累，但頻譜態(tài)勢整體性研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,，尚未形成一體化的理論體系,。而且，大規(guī)模頻譜監(jiān)測與用頻網(wǎng)絡(luò),、海量頻譜數(shù)據(jù)與頻譜可視化,、廣域頻譜空間復(fù)雜決策與安全維護等的發(fā)展，使得頻譜態(tài)勢研究面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn),。

2 頻譜態(tài)勢體系與建模

相比頻譜數(shù)據(jù),，在頻譜態(tài)勢中的數(shù)據(jù)研究的整體性更強，內(nèi)容更豐富,，機理更復(fù)雜,。本文從頻譜態(tài)勢體系結(jié)構(gòu)、頻譜態(tài)勢數(shù)學(xué)建模,、頻譜態(tài)勢優(yōu)化機制3方面進行頻譜態(tài)勢建模的分析,。

體系結(jié)構(gòu)，是對復(fù)雜事物的一種抽象?，F(xiàn)有認(rèn)知模型都缺乏整體性,，頻譜態(tài)勢體系結(jié)構(gòu)如圖 1所示，集體系模型,、功能模型與環(huán)境模型于一體,，指導(dǎo)頻譜態(tài)勢系統(tǒng)整體、內(nèi)在要素,、外部環(huán)境三者的相互關(guān)系和變動規(guī)律,。

圖 1 頻譜態(tài)勢體系結(jié)構(gòu)研究方案

Figure 1 Structure of spectrum situation system

數(shù)學(xué)模型，是指那些反映了特定問題或具體事物系統(tǒng)的數(shù)學(xué)關(guān)系結(jié)構(gòu),，歷來是研究難點問題,。電磁環(huán)境具有開放性和平衡性，與其他空間有著物質(zhì)和能量的交換,；電磁信號的產(chǎn)生與消失均具有突變性或快變性,；電磁空間包含了復(fù)雜多樣的用頻系統(tǒng)和干擾系統(tǒng)，協(xié)同論基于“很多子系統(tǒng)的合作受相同原理支配而與子系統(tǒng)特性無關(guān)”的原理,，可以促進異構(gòu)系統(tǒng)遵循相同或相近原理協(xié)同工作,。因此引入融合了耗散結(jié)構(gòu)論,、突變論、協(xié)同論等新興科學(xué)理論的現(xiàn)代系統(tǒng)論可有效指導(dǎo)對頻譜態(tài)勢理論模型的構(gòu)建,。其中,，局部互利模型[13]以全網(wǎng)吞吐量為目標(biāo)，最大化其自身和鄰居用戶收益和

上述博弈為精確勢能博弈,，最優(yōu)解為該博弈純粹納什均衡,，突破了傳統(tǒng)非合作博弈中個體理性假設(shè)和合作博弈中的集體理性假設(shè)，提出局部理性的假設(shè),；“黑灰白”頻譜機會數(shù)學(xué)模型[14],，把空時頻譜機會檢測建模為如下復(fù)合假設(shè)檢驗問題，首次定義了異構(gòu)頻譜檢測的用戶級和網(wǎng)絡(luò)級性能度量指標(biāo)

但是,，單憑頻譜態(tài)勢體系架構(gòu)構(gòu)建與數(shù)學(xué)建模研究,，定性定量地描述頻譜態(tài)勢系統(tǒng)特征與內(nèi)在聯(lián)系，還不能完全回答頻譜態(tài)勢研究價值以及如何更好的實現(xiàn)頻譜態(tài)勢價值的問題,。頻譜態(tài)勢資源優(yōu)化機理,，正是研究頻譜態(tài)勢系統(tǒng)局部優(yōu)化與全局優(yōu)化、靜態(tài)優(yōu)化和動態(tài)優(yōu)化,、確定條件下的優(yōu)化和模糊條件下的優(yōu)化,、最優(yōu)化和次優(yōu)化等優(yōu)化機理，可修正體系結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型,，最終實現(xiàn)優(yōu)化決策,。

3 頻譜態(tài)勢關(guān)鍵技術(shù)

3.1 廣域頻譜態(tài)勢感知

廣域頻譜態(tài)勢感知是指多域聯(lián)合頻譜態(tài)勢信息的可靠精確獲取,，重點在于“態(tài)”的高效獲取問題,。由圖 2可見，廣域頻譜態(tài)勢感知方案包含廣域頻譜感知網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化部署,、大規(guī)模協(xié)作壓縮頻譜感知以及海量頻譜數(shù)據(jù)高效匯聚3方面,。

圖 2 廣域頻譜態(tài)勢感知方案

Figure 2 Scheme of spectrum situation sensing in wide area

廣域頻譜態(tài)勢數(shù)據(jù)獲取的基礎(chǔ)是基于群智感知網(wǎng)絡(luò)和大規(guī)模頻譜感知專用網(wǎng)絡(luò)的混合優(yōu)化。首先,，采用隨機幾何理論對頻譜感知網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進行建模分析,，通過齊次泊松點過程刻畫群體用戶和感知節(jié)點的空間幾何分布；其次,，采用隨機幾何中的網(wǎng)絡(luò)容量分析理論,，定量分析感知網(wǎng)絡(luò)容量與感知節(jié)點密度之間的折中關(guān)系，實現(xiàn)感知節(jié)點的優(yōu)化部署,；再次,，采用基于大規(guī)模智能終端的群體協(xié)作感知網(wǎng)絡(luò)理論，節(jié)省專用頻譜感知節(jié)點的部署密度及網(wǎng)絡(luò)成本,；最后,，專用頻譜感知網(wǎng)絡(luò)與群智感知網(wǎng)絡(luò)結(jié)合實現(xiàn)混合優(yōu)化部署,，最小化頻譜感知網(wǎng)絡(luò)的部署成本。

壓縮感知是大規(guī)模協(xié)作頻譜態(tài)勢感知中不可或缺的一部分,，其原因是認(rèn)知協(xié)作無線網(wǎng)絡(luò)中無線頻譜和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點產(chǎn)生錯誤的感知數(shù)據(jù)具有稀疏性,。例如，待感知的無線頻譜很寬,，同時其中只有少數(shù)頻譜被占用,。考慮到頻譜感知節(jié)點的帶寬和能量受限,，需要網(wǎng)絡(luò)資源受限的協(xié)作壓縮頻譜感知方法,、多維信號的自適應(yīng)壓縮感知算法、合適的稀疏基和稀疏空間以及多維壓縮感知信號的低復(fù)雜度稀疏重構(gòu)方法,，深度挖掘無線頻譜態(tài)勢信息,。舉例來說，如果待感知的無線頻譜很寬,，同時其中只有少數(shù)頻譜被占用,，即無線頻譜的被使用狀況具有稀疏性。不失一般性,，第m個感知網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的時域接收信號表示為

圖 3 不同頻譜忙閑稀疏比下各種頻譜感知方案的檢測概率和虛警概率

Figure 3 Detection probability and false alarm probability of various spectrum sensing schemes under different spectrum busy free sparse ratios

海量感知數(shù)據(jù)生成以后,，接著匯聚到數(shù)據(jù)中心進行處理，需要高效的匯聚理論機制來保證傳輸容量和可靠性并降低匯聚傳輸?shù)臅r延,?？紤]到感知網(wǎng)絡(luò)的有限帶寬資源、無線衰落和噪聲干擾等不利因素的影響,，需要通過網(wǎng)絡(luò)感知節(jié)點的大規(guī)模協(xié)作理論與方法,，得出分布式感知節(jié)點的協(xié)作波束成形、機會中繼選擇,、以及協(xié)作資源分配優(yōu)化等傳輸容量提升方法,，在滿足頻譜觀測數(shù)據(jù)傳輸時延和可靠性要求的前提下，最大限度地提高頻譜感知網(wǎng)絡(luò)的傳輸容量,。

3.2 動態(tài)頻譜態(tài)勢生成

動態(tài)頻譜態(tài)勢生成,，是在頻譜態(tài)勢感知并獲取頻譜空間當(dāng)前狀態(tài)的基礎(chǔ)上，進一步分析預(yù)測頻譜空間的綜合形勢和未來發(fā)展趨勢,，并揭示頻譜演化規(guī)律對于頻譜態(tài)勢中“勢”的作用,。具體內(nèi)容包括多維空間頻譜態(tài)勢補全、頻譜態(tài)勢多視角呈現(xiàn),、頻譜態(tài)勢數(shù)據(jù)可視分析,、頻譜態(tài)勢演化預(yù)測4個方面，如圖 4所示,。

圖 4 動態(tài)頻譜態(tài)勢生成研究方案

Figure 4 Scheme of dynamic spectrum situation generating

由于頻譜數(shù)據(jù)具有異構(gòu)多樣化,、多維空間關(guān)聯(lián)性,、來源多樣化和不完備性的特點，頻譜態(tài)勢補全是態(tài)勢生成研究中的首要環(huán)節(jié),。簡單的空域頻譜態(tài)勢補全問題可建模為正則化的核模優(yōu)化問題,，采用基于空域稀疏采樣的數(shù)據(jù)補全算法可有效提升頻譜空間復(fù)用率。除此之外,，頻譜態(tài)勢補全還包括從海量不完備的頻譜數(shù)據(jù)中挖掘出有用的信息,，根據(jù)其在多維空間上的時間相關(guān)性、空間相關(guān)性和邏輯相關(guān)性,，提取能全面反映頻譜態(tài)勢的指標(biāo)信息,，從而實現(xiàn)缺失空間頻譜態(tài)勢的補全。

經(jīng)過態(tài)勢補全后,，需將數(shù)據(jù)進行多視角快速呈現(xiàn),。整個過程分為4個階段：

(1) 預(yù)處理：對頻譜態(tài)勢的結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)統(tǒng)一進行向量化和歸一化處理。

(2) 降維：對時空維之外的屬性采用線性或非線性方法進行降維和投影,。

(3) 聚合/解聚：按照時間維,、空間維或頻率維對頻譜態(tài)勢數(shù)據(jù)進行聚合和解聚，分別對應(yīng)相應(yīng)維度的上卷和下鉆,。

(4) 渲染：針對降維和聚合處理后的不同類型數(shù)據(jù),，根據(jù)態(tài)勢感知模型設(shè)計不同的視覺模型，最終實現(xiàn)高維頻譜態(tài)勢的可視快速呈現(xiàn),。

之后進行的譜態(tài)勢數(shù)據(jù)可視分析不僅依靠計算機的計算能力和人工智能,，還有賴于人機的交互與協(xié)作，把人的認(rèn)知能力融入到頻譜態(tài)勢感知過程中,，從而構(gòu)建有效的人機混合模型,。除此之外，將人機交互與數(shù)據(jù)分析,、可視化相結(jié)合,，產(chǎn)生了以人為需求主體和分析主體的頻譜態(tài)勢數(shù)據(jù)可視分析框架：由瀏覽搜索、假設(shè)驗證和總結(jié)預(yù)測3種核心活動組成,，3種活動循環(huán)漸進，完成漸進探索式頻譜態(tài)勢數(shù)據(jù)可視分析流程,。

頻譜態(tài)勢演化預(yù)測針對頻譜具有時頻相關(guān)性及可預(yù)測性的特點,，從頻譜歷史數(shù)據(jù)和演化規(guī)律出發(fā)，結(jié)合模式識別,、歸納推理,、統(tǒng)計學(xué)等領(lǐng)域理論，通過對歷史頻譜數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)分析,、分類分析和聚類分析等,，找到頻譜數(shù)據(jù)在時,、頻、空,、能,、波束等多維空間上的特點及規(guī)律，搭建自適應(yīng),、快速時變,、多粒度的態(tài)勢演化的概率預(yù)測模型，以滿足復(fù)雜多樣的頻譜環(huán)境趨勢分析的需要,。

3.3 頻譜態(tài)勢利用

本節(jié)主要分析如何將頻譜態(tài)勢信息用于輔助基于頻譜資源態(tài)勢復(fù)雜決策,、基于頻譜安全態(tài)勢異常值監(jiān)測、基于頻譜對抗態(tài)勢的頻譜穩(wěn)健管理3方面,，分析方案如圖 5所示,。

圖 5 高效頻譜態(tài)勢利用分析方案

Figure 5 Scheme of efficient utilization of spectrum situation

基于頻譜資源態(tài)勢的復(fù)雜決策是高效頻譜態(tài)勢利用的基本核心內(nèi)容，不僅決策過程中要利用頻譜態(tài)勢信息,，而且決策結(jié)果又會影響到頻譜態(tài)勢的變化,。圖 6所示是基于圖博弈的用戶拓?fù)鋱D和博弈學(xué)習(xí)收斂結(jié)果[13]，以用戶為節(jié)點,，以用戶頻譜間干擾關(guān)系為邊,，構(gòu)建頻譜決策圖博弈，并提出一種空間自適應(yīng)行動算法,，用戶迭代更新的混合策略如下

圖 6 用戶拓?fù)鋱D和博弈學(xué)習(xí)收斂結(jié)果

Figure 6 User topology diagram and game learning convergence result

理論證明所提算法在參數(shù)β充分大的情況下,，只需要通過局部用戶的信息交互，能以任意高的概率實現(xiàn)全局網(wǎng)絡(luò)吞吐量的最優(yōu),。另外,，通過云構(gòu)架的模型，在頻譜信息數(shù)據(jù)庫的輔助之下,，將線下的分散在大空間的決策問題轉(zhuǎn)移到線上,，通過虛擬云模型進行決策，也成為了解決復(fù)雜頻譜態(tài)勢的可行辦法之一,。

針對超密集網(wǎng)絡(luò)的分層特性以及微小區(qū)間的相互干擾問題,，可考慮含有上層宏基站間的粗粒度頻譜分配、下層微基站間的細(xì)粒度頻譜協(xié)作的多級混合決策框架,；針對業(yè)務(wù)時空分布多樣性,，通過微小區(qū)局部協(xié)作形成簇或聯(lián)盟，可以更好地匹配分布多樣性,，并實現(xiàn)大規(guī)模決策的降維,；通過對決策信息的獲取、補全、人工評估和修正等手段,，建立基于地理頻譜數(shù)據(jù)庫知識輔助的頻譜決策模型和靈活的人機混合決策機制,，實現(xiàn)對復(fù)雜頻譜態(tài)勢的高效利用。

頻譜安全態(tài)勢異常值檢測是頻譜資源態(tài)勢決策和管理的前提條件,。頻譜態(tài)勢異常值可分為攻擊引發(fā)的異常和環(huán)境異常,，前者特指攻擊，而環(huán)境異常則指由于環(huán)境的突發(fā)變化,，如聚集的人群,、突發(fā)的運動等造成的頻譜態(tài)勢變化。顯然,，對前者要盡力消除,，而對后者要善于挖掘分析。具體地說,，首先,，利用機器學(xué)習(xí)等理論方法分析頻譜態(tài)勢數(shù)據(jù)，深入挖掘頻譜態(tài)勢特征,，及時準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)異常值,；其次，根據(jù)各種安全威脅的不同作用機理,，綜合分析異常值的特點,，徹底找出異常原因，制定有效的處置機制,；再次,，為了提升系統(tǒng)主動防御能力，分析評估系統(tǒng)抵御攻擊的能力,，構(gòu)建頻譜態(tài)勢的安全評估機制,；最后，通過綜合監(jiān)測,、處置和評估,，形成良好的反饋機制，從而切實提升頻譜態(tài)勢利用的安全質(zhì)量,。

基于頻譜對抗態(tài)勢的頻譜穩(wěn)健管理是指為了應(yīng)對電磁頻譜戰(zhàn)中的電子對抗行為,，構(gòu)建復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)下基于分布式和集中式相結(jié)合的分層、分簇模型,，建立存在各種對抗約束條件下的不同的效用函數(shù),，綜合運用博弈論、不確定優(yōu)化,、智能學(xué)習(xí)和容量分析等理論和方法，設(shè)計靈活穩(wěn)健的頻譜管理策略,。同時,，采用面向體驗質(zhì)量決策模型與方法,，在頻譜管理優(yōu)化中進行對抗條件下無線業(yè)務(wù)、防御和攻擊策略與頻譜資源的匹配優(yōu)化,，力求做到合理頻譜計劃,、有效頻譜監(jiān)視、實時頻譜管控,、靈活頻譜協(xié)同,。

4、頻譜認(rèn)知域網(wǎng)電作戰(zhàn)

頻譜態(tài)勢認(rèn)知域系統(tǒng)的核心應(yīng)該包含頻譜信號匹配采集和發(fā)射,、頻譜信號自適應(yīng)接收與處理,、頻譜信號全局反饋優(yōu)化、頻譜信號知識記憶與學(xué)習(xí)四個部分,，如圖2所示,。其中頻譜信號匹配發(fā)射是頻譜態(tài)勢認(rèn)知域系統(tǒng)根據(jù)電磁環(huán)境、雜波場景,、目標(biāo)特征,，在發(fā)射和接收端自主調(diào)整工作模式，進行波束自適應(yīng)形成,、波形優(yōu)化設(shè)計,、極化自適應(yīng)調(diào)整等處理；自適應(yīng)接收與處理是指在接收端自主選擇信號處理和數(shù)據(jù)處理方法,，學(xué)習(xí)場景特征,，并做出決策；全局反饋優(yōu)化是指系統(tǒng)內(nèi)部形成閉環(huán),，將處理端的決策反饋到發(fā)射端,；知識記憶與學(xué)習(xí)是指在上述工作過程中，不斷進行知識提取與存儲,，更新先驗知識庫,。

http://radarst./html/2021/5/202105011.html

從2008年開始，美軍先后開展了“行為學(xué)習(xí)型自適應(yīng)電子戰(zhàn)”和“自適應(yīng)電子戰(zhàn)”項目,，正式為認(rèn)知電子戰(zhàn)拉開序幕,。目前提出的典型認(rèn)知電子戰(zhàn)理論有美國喬治亞技術(shù)研究所(GTRI)開展的CORA項目、土耳其下一代無線通信實驗室于2015年提出的認(rèn)知電子對抗系統(tǒng)架構(gòu)(CECM)以及基于OODA作戰(zhàn)環(huán)的認(rèn)知電子戰(zhàn)等,，具體如圖3所示[15],。

(a) CORA

(b) CECM

(c) 基于OODA環(huán)的認(rèn)知電子戰(zhàn)    圖3 典型認(rèn)知電子戰(zhàn)理論

分布式作戰(zhàn)、網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)等新型作戰(zhàn)概念的提出,，極大地推動了雷達與電子戰(zhàn)的協(xié)同化,、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。因此，在開展射頻一體化認(rèn)知系統(tǒng)研究的同時,，應(yīng)同步開展體系化認(rèn)知對抗技術(shù)研究,，充分利用認(rèn)知技術(shù)，采用協(xié)同,、分布式,、開放的體系架構(gòu)，發(fā)展多功能,、網(wǎng)絡(luò)化,、多源融合的認(rèn)知對抗能力，實現(xiàn)多種射頻對抗系統(tǒng)的協(xié)同工作[19],。

體系架構(gòu)設(shè)計,，體系化認(rèn)知對抗是指將作戰(zhàn)能力部署到多個平臺上，平臺間通過信息共享,、任務(wù)綜合,、資源優(yōu)化和自主協(xié)同，形成具有強敏捷性和韌性的作戰(zhàn)系統(tǒng)[20],，實現(xiàn)對抗效能最大化,，通用化體系架構(gòu)如圖6所示。因此,，體系化認(rèn)知對抗系統(tǒng)應(yīng)具備跨域分布,、高效協(xié)同、自主智能等特點,。

· 跨域分布

體系內(nèi)的作戰(zhàn)單元,，分布在空、陸,、海,、天、電磁,、賽博等不同的作戰(zhàn)域,，根據(jù)任務(wù)需求進行自適應(yīng)跨域組合，形成具有自適應(yīng)調(diào)整能力的作戰(zhàn)體系,。

· 高效協(xié)同

作戰(zhàn)單元以完成同一作戰(zhàn)任務(wù)為目標(biāo),，依托網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在時間、空間上相互配合,，實現(xiàn)多種功能的有機組合,；通過多層次、多維度信息融合,，實現(xiàn)各作戰(zhàn)單元間探測資源,、干擾資源,、打擊資源的共享與優(yōu)化配置，形成“1+1>2”的效果,。

· 自主智能

智能化技術(shù)的發(fā)展,，不斷提升作戰(zhàn)平臺,、信息系統(tǒng)以及決策系統(tǒng)的智能化水平,，使作戰(zhàn)系統(tǒng)具備在對抗環(huán)境中自我進化的能力。該能力主要包括體系架構(gòu)的自主調(diào)整,，平臺任務(wù)的自主分配,，以及作戰(zhàn)單元的自主感知、自主干擾,、自主攻擊等,。

關(guān)鍵技術(shù)

體系化認(rèn)知對抗涉及飛控、制導(dǎo),、探測感知,、電子對抗、效能評估等多個方面,，本文主要針對探測感知與電子對抗,，分析體系化認(rèn)知對抗系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

· 戰(zhàn)場態(tài)勢感知與認(rèn)知

態(tài)勢感知是體系作戰(zhàn)中任務(wù)規(guī)劃的前提,，利用信息處理,、信息融合、知識挖掘等技術(shù)處理各平臺獲取的探測信息,，實現(xiàn)對戰(zhàn)場環(huán)境態(tài)勢的認(rèn)知與理解,，并通過態(tài)勢評估，發(fā)掘指揮決策所需要的信息[21-22],。其中,，異構(gòu)傳感器信息融合、多源信息知識挖掘與表示,、態(tài)勢評估與輔助決策等技術(shù)是戰(zhàn)場態(tài)勢感知與認(rèn)知的關(guān)鍵技術(shù),。

· 體系化認(rèn)知電子對抗

電子對抗主要涉及作戰(zhàn)體系中的電磁情報偵察、信息對抗,、系統(tǒng)協(xié)同,。電磁情報偵察是指對威脅輻射源信號的偵察、分析與辨識,；信息對抗是指通過情報偵察結(jié)果采取相應(yīng)的對抗措施,，包括電子攻擊、電子支援,、電子防護等,；系統(tǒng)協(xié)同是指電子戰(zhàn)系統(tǒng)之間,、電子戰(zhàn)系統(tǒng)與雷達、通信,、火力打擊等其他系統(tǒng)之間的協(xié)同,。其中，電磁環(huán)境綜合認(rèn)知,、對抗效果實時評估與反饋,、對抗資源動態(tài)優(yōu)化配置等是體系化認(rèn)知電子對抗的關(guān)鍵技術(shù)。