首发 | 兰德报告《在电磁频谱中智胜敏捷对手》解读
导 语
2023年1月19日，美国智库兰德公司发布一份名为《在电磁频谱中智胜敏捷对手》（Outsmarting Agile Adversaries in the Electromagnetic Spectrum）的研究报告，该报告指出电磁频谱（Electromagnetic Spectrum，EMS）优势在锻造强大军事实力过程中发挥着越来越重要的作用，也对美国空军电子战综合重编程（Electronic Warfare Integrated Reprogramming，EWIR）程序机构带来了巨大挑战。本文主要解释电磁频谱为何在美军中占据重要地位，介绍兰德公司“空军项目”(PAF)对此展开的具体研究、美空军电子战综合重编程序设想的愿景以及“空军项目”有关的对策建议，为准确研究和把握当前美国在电磁频谱作战领域的最新动向及发展特点提供参考和借鉴，供读者学习交流。
图1：原报告封面
✦✦
01
电磁频谱的重要地位
从近几次美国发动的局部高科技军事行动来看，电磁频谱领域已经成为军事争夺的热点。美国在其大国竞争战略指出，现在的竞争对手和以往存在根本区别，美军若想继续抢占电磁频谱领域优势，就不得不做出相应改进。
（一）电磁频谱的历史沿革
获得并有效利用电磁频谱的能力对于持续稳定发挥军事优势来说越来越重要。英国通过收集信号情报（Signals Intelligence，SIGINT）和利用无线电波电子干扰技术击败了德国，成为首个在第二次世界大战中尝到电磁频谱甜头的国家。当前，电磁频谱中除无线电频率（Radio Frequency，RF）的那部分外，利用先进的情报技术规避威胁等领域正在被广泛探索和开发利用。因此对于美空军而言，在制信息权的世界里，能够感知和掌握电磁操作环境（Electromagnetic Operating Environment，EMOE）比以往任何时候都更加重要。（二）重编程程序定义及对应组织长期以来，美国空军旗下的EWIR机构负责编译对手在电磁频谱领域（特别是雷达和干扰器）的各类情报，并以数字化方式更新配置电子战（Electronic Warfare，EW）设备，包括上传更新数据、编写新的软件代码以及更换硬件或软件设备等其他手段，此类过程被称为重编程序。据了解，EWIR机构主要依托美国国家航空航天情报中心（National Air and Space Intelligence Center，NASIC）和在2021年成立的第350频谱战联队（Spectrum Warfare Wing，SWW）等组织来完成此项任务。事实上，新配置后的电子战设备能够使美空军作战飞机或其他平台在电磁频谱不利的环境中及时做出反应或回击。当前，EWIR机构主要通过以下三种形式完成目标：一是改变战机的作战任务程序；二是更新机载任务数据文件——即包含预先感知威胁的特征特点或对该威胁做出相应的反应程序；三是调整硬件设施，包括提高或改进传感器的处理能力。（三）适应大国竞争的迫切需要报告称电磁频谱的更新速度远远要比EWIR机构创立之初设定的目标快得多。因此，美空军正在积极探索如何实现更加主动、更快且更先进的电磁频谱有关能力的提升。对此，兰德公司的PAF做了大量研究，包括对手在电磁频谱中的能力是如何发展的、软件重编程序需要多快才能应对与电子战有关的威胁、当前从获取情报到重编程序中还存在怎样的障碍以及哪些技术在当下还有改进的必要等。此外，“空军项目”并不局限于目前EWIR机构所要求的任务，还涉及更广泛的问题，包括数据支持、军事规划、战略预算以及其他操作程序等。值得一提的是，该报告研究的重点是实现美空军在执行任务时软件重编程序中各项指标的建设，帮助进一步增强机器学习算法（Machine Learning, ML）。换言之，将电子战和电磁频谱作战管理的数据能够通过软件让机器正确理解，最终使美空军武器平台能够自主学习、重编程序、适应并回击飞行中遇到的各类威胁，而这种基于机器学习的能力被称为认知型电子战。该报告称，美国现如今在电磁频谱中的作战优势正在被对手和竞争者们逐步抵消，这对美军运用电子战造成了困难。为了适应大国竞争战略的需要，美国国防部在2020年发布了《电磁频谱优势战略》，该文件进一步阐明了要建设一支完全整合、以作战任务为牵引的，为大国竞争而服务的电磁频谱组织机构，同时强调未来的电磁频谱能力必须能够有效应对日益复杂的外部环境威胁，确保任务顺利执行。✦✦
02
美空军EWIR现状及设想的愿景
美空军认为，正因为当前EWIR的整体过程存在诸多障碍，无法从容应对未来可能遇到的威胁。因此，该报告也对美空军的建设愿景做了相关介绍。
（一）当前美空军重编程序的速度和面临的障碍以往，美空军收集对手雷达和干扰系统的电子情报相对容易，以至于情报产品能够定期更新和及时开发。但随着对手变得更为敏捷加之作战环境日益复杂，美空军重编程序面临诸多挑战。表1：当前EWIR过程预测所需的时间
根据上图列举的各类时间，该报告认为当前的重编程序过程之所以效率不高，主要存在以下五大障碍：一是人工操作步骤的增加降低了流程改进效率；二是无法回避的漫长安全认证和硬件更换过程；三是缺乏强大的计算能力和专业化人才，延误了EWIR过程；四是各机构对任务需求和相关背景缺乏了解和沟通；五是对数据记录、存储和共享的限制抑制了管线数据的发展。
图2：与威胁同步所需的EWIR的速度
但该报告也认为，当前对手在电磁频谱领域对美国构成的威胁相对较小，这为美空军EWIR机构更新相关任务数据文档提供了时机，并且不会对作战效果产生负面影响。同时，该报告强调如果现在进行一次性大规模的技术变革，会打乱美空军当前的任务部署，代价高昂且无法实现。因此，实现美空军建设愿景应当是循序渐进的。
（二）美空军EWIR设想的愿景为了使美空军在电磁频谱领域中保持竞争力以及具备适应不断变化威胁的能力，该报告认为美空军应在短期内采取以下几个步骤，同时逐步改进结构性问题，以维持其优势地位。一是首先识别眼下依旧可能存在的制约因素并据此确定投资的优先次序；二是根据现有的EWIR流程，力求进一步实现自动化；三是重新设计软件和硬件的开发流程，加快使EWIR能力趋于实战化，发展和维持未来的自主学习能力；四是实现配套的电子战能力建设；五是探索认知型电子战能力。此外，该报告进一步指出：一是在电磁频谱中必须能够快速重编程序，包括评估作战环境、检测对手动向以及做出适当反应，这必须要在几秒到几分钟之内完成；二是需要制定敏捷的软件解决方案，包括硬件更新升级、加强数据工程建设以及强化各系统之间的互操作性；三是需要在政策制定、组织任务统筹、人员专业培训以及计算机指标方面作出相应的改变。基于对重编程序路径分析，该报告探讨出四种类型的发展状况，认知电子战算法的开发、管线数据、软件架构和硬件能力，强调了四种技术相互关联，共同支撑着未来自主重编程序能力的发展。✦✦
03
“空军项目”案例研究的结果
“空军项目”重点进行了对四个相互关联技术案例的研究，这些案例共同构成了开发实时、自主、平台软件重编程序能力所必需的基本要素，更确切的说，将人工智能向认知电子战赋能——使用机器学习算法（ML）、让平台能够自主学习、进而重编程序以应对不断变化的威胁挑战。为了实现美空军的最终愿景，该报告认为需要关注以下四个方面：
（一）认知型电子战的操作路径为了获得快速有效的电磁操作环境，报告认为美空军必须采用新的电磁战系统，同时强调自适应和认知型的电子战系统将利用现代化的硬件设施和软件技术来提供强大的电子战能力，尤其是要加大对软件定义雷达（Software-defined Radar，SDR）技术的掌握。主要可以通过将一个升级的飞行计划任务（Operational Flight Program，OFP）添加到雷达警告接收器（Radar Warning Receiver，RWR）中，但这种EWIR过程是相当困难且耗时的，往往需要几个月甚至数年的时间才能实现。该报告多次提到人工智能、机器学习（ML）、深度学习以及认知型电子战（Electronic Warfare，EW）。下图是这些术语之间的关系：图3：相关术语之间的关系图
当前，美空军各种适应性电子战和认知型电子战系统尽管已经开发了一段时间，但其能力依然有限，况且人工智能技术的全面应用仍处于起步阶段。为此，该报告称为了帮助美空军取得早期胜利，并为更大的转型做好准备，可以采取以下措施：一是在载有参数化发射器数据的情况下，加强信号比较的能力；二是推进开发和部署适应性的电子战系统；三是将战机执行任务中的数据直接应用在适应性和认知型电子战中。
（二）云集成和数据工程作为支撑认识电子战的另一项关键技术，这部分主要讨论数据管理问题，这是美军“以数据为中心”核心理念建设的重要体现。EWIR的实时自主需要标准化的数据定义，数据需要来自多个传感器和未来分布式、复杂的系统，并且数据必须经过工程设计。实时自主EWIR将需要可持续的数据整合和数据管道管理方法。这些方法与ML模型开发、训练和部署紧密相关。（三）飞行进程软件和容器化微服务容器化是一种软件部署架构，其工作原理是允许将软件打包到特定服务组件或微服务中，进而缩短EWIR运作的时间。但还存在以下问题：一是作战任务程序（OFP）和自动化更新任务数据文档（Mission Data File，MDF）更新过程存在的问题；二是软件更新责任分散，如图4所示：图4：涉及电子战相关子系统的责任分工
图5：涉及电子战相关子系统的责任分工
六是重新设计武器系统的软件以实现数据整合；七是及时且具有成本效益的软件安全认证；八是用于快速和持续部署的开发和集成管线。
对于认知型电子战和高级重编程序能力的发展，美空军应该考虑建立一个由多个团队构成的综合工程单位来开发和测试认知型AI/ML模型。（四）机载高性能计算报告指出，要关注依赖机载高性能计算的进展，以及在相应尺寸、重量和功率限制范围内，支持计算密集型算法对处理能力的需求。此外，该报告还重点关注将高性能计算机（High-Performance Computing，HPC）装载到能够执行EWIR任务的飞机上，旨在增强机载处理能力（onboard processing，OBP），使飞机能够在执行任务中快速重编程序。同时，飞机还能通过卫星通信和高速数据链接实现与其他武器平台的实时共享。此外，报告还列举了美空军在加里宁格勒地区进行防空系统演练和北极地区可能展开的竞争等两个事例，强调了当前美空军在EWIR程序方面的局限性。✦✦
04
相关对策建议
（一）当前的建议
一是在未来的2到5年内快速启动重编程序，改进或采用新的软件部署架构和运行方式，为认知型电子战奠定基础；二是强化对机载处理能力的认知，加快容器化软件的运用，更快提高重编程序的速度；三是美空军机构要从飞行装置中获取相关数据，并为将来在各类平台上部署认知电子战算法提供支持；四是相关技术人员需要有检测跨平台自动重编程序的能力；五是让硬件和软件为边缘计算提供平台支撑，进而在战区快速实施OFP和MDF；六是实施小规模演习，旨在检验情报、监视和侦察（Intelligence，Surveillance，and Reconnaissance，ISR）的能力；七是加大专业化人才队伍建设。（二）长远规划一是加快技术发展，鉴于电磁频谱的复杂性和操作层面具有的高难度，需要进行全面的现代化改造；二是加大对高性能计算机和机器学习的研发力度；三是建议开发由美军主导的重编程序以及关于认知型电子战领域开发和测试活动；四是改变数据分类标准和访问政策，以此建立一个安全开放的管线数据。该报告强调了技术案例研究之间的相互依赖性，毫无疑问，技术整合将是实现认知型电子战愿景的关键措施，确保进行协调投资并统筹实施这些活动。比如说美国防部应制定相关的战略文件，将容器化服务、数据工程和云计算、小型化机载处理硬件以及认知电子战算法纳入进去。图6：关键技术的相互依存关系
结 语
总的来看，《在电磁频谱中智胜敏捷对手》报告延续了拜登政府大国竞争战略的总基调。兰德公司梳理了美国空军在电子战综合重编程序中面临的困境和解决路径，为我军立足自身实际，更好推动电磁频谱技术向前发展提供了参考和借鉴。
THE END
文字 | 李伦 陈宗维
图片 | 来源于网络
编辑 | 李阳
审阅 | 李广昊
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