摘要：蘭德公司于2023年1月19日釋出報告《在電磁頻譜中智勝靈活對手》（174頁）。報告稱，美國空軍的電子戰綜合重新程式設計 (EWIR) 機構負責編譯關于電磁頻譜中發出的敵方威脅（特别是雷達和幹擾器）的情報，并配置電子戰（EW）裝置以使飛機或其它美國空軍資源能夠做出反應和應對電磁頻譜環境中的不利變化。美國的敵人和競争對手們正在尋求通過增加其系統的複雜性和适應性來抵消前者多年來擷取的在電磁頻譜領域和通過電磁頻譜作戰的能力，美軍識别、跟蹤和響應其電子戰資産所需的更新速度要遠比EWIR機構創立之初的設定目标快得多。研究團隊開發了四個互相關聯的技術案例研究，這些案例研究共同構成了開發近實時、自主、機上軟體重新程式設計能力以及由人工智能賦能的認知電子戰所必需的基本要素。研究團隊還強調了現有 EWIR 機構的重要持續作用，即使美國空軍正朝着認知未來邁進。
關鍵詞：美國，空軍，電磁頻譜，認知電子戰，電子戰綜合重新程式設計
獲得電磁頻譜(EMS)的使用權和優勢對于確定軍事優勢變得越來越重要。自第二次世界大戰以來，電磁頻譜的軍事用途（通常集中在頻譜的射頻(RF)部分）在範圍和複雜性方面都有所發展。目前，電磁頻譜的軍事用途正在經曆另一次“複興”，過去的能力将不再适用于一個由資訊控制和資訊傳播手段主導既有武器和武器使用概念的世界。報告認為，美國的敵人和競争對手們正在尋求通過增加其系統的複雜性和适應性來抵消前者多年來擷取的在電磁頻譜領域和通過電磁頻譜作戰的能力。基于以上原因，美國國防部(DoD)的頻譜優勢戰略闡明了發展“一個完全內建、以作戰為重點且專為大國競争而設計的電磁頻譜機構”的需求，其未來的電磁頻譜能力必須“可執行”、“可作戰”和“适應”日益複雜的威脅環境。
這對美國空軍(USAF)的電子戰綜合重新程式設計(EWIR)過程提出了巨大挑戰，該過程依賴于國家航空航天情報中心和第350頻譜戰聯隊（the 350th Spectrum Warfare Wing）等關鍵組織。美國空軍的EWIR機構負責全部內建行動，即編譯關于電磁頻譜中發出的敵方威脅（特别是雷達和幹擾器）的情報，并配置電子戰（EW）裝置以使飛機或其它美國空軍資源能夠做出反應和應對電磁頻譜環境中的不利變化。最近幾年，電磁頻譜威脅的仍然以相對較低的速度變化，EWIR機構對于任務資料文檔(MDF)更新的執行以及其長達數月的作戰飛行計劃更新并不會對作戰産生負面影響。然而，随着電子戰技術的不斷進步，對手獲得了複雜多樣的電磁頻譜能力，美軍識别、跟蹤和響應其電子戰資産所需的更新速度要遠比EWIR機構創立之初的設定目标快得多。
圖1-蘭德公司于2023年1月19日釋出報告《在電磁頻譜中智勝靈活對手》
研究方法與空軍EWIR未來願景
蘭德公司的空軍項目(PAF)對以下問題進行了研究：電磁頻譜中的對手能力進展狀況，與EW相關的軟體重新程式設計需要多快才能跟上威脅的變化速度，目前情報重新程式設計過程中存在哪些障礙，以及需要對哪些先進技術進行必要的改進。PAF的工作圍繞電子戰綜合重新程式設計（EWIR）展開，但其範圍涵蓋了與電磁頻譜作戰中資料和軟體支援作用相關的更廣泛的問題。
PAF主要依據主題專家訪談和外場觀測（例如，概念演習的空中部分排練）、過程分析和技術預測分析等方法開展了此項研究工作。該方法的核心是開發了四個互相關聯的技術案例研究，這些案例研究共同構成了開發近實時、自主、機上軟體重新程式設計能力以及由人工智能賦能的認知電子戰所必需的基本要素。
改進美國空軍EWIR機構的願景：
- 确定仍然存在的制約因素，并确定相應投資優先級；
- 對一些現有流程進行進一步有限自動化；
- 重新設計軟體和硬體開發流程，以提高部署EWIR能力的速度，并開發和維持未來的自主能力；
- 建立自适應電子戰能力；
- 建立認知電子戰能力。
圖2-改進美國空軍EWIR機構的願景
美國空軍如何實作以上願景？
1.認知電子戰的作戰化
最終目标是将認知電子戰系統投入實際使用，該系統可以評估态勢、做出決策并從經驗中持續學習。第一步是定義所需的結束狀态。自适應和認知電子戰系統将需要定義明确的資料管道、建構和訓練機器學習（ML）模型的流程以及快速作戰部署。美國空軍軟體開發人員需要一個生命周期工作流程，以支援認知和自适應模型的訓練/再訓練、調整和部署。持續訓練（CT）是必要的，因為模型的預測能力會随着資料配置文檔的不斷變化而降低。容器化（見後文）是一項關鍵技術，它将允許美國空軍維持對模型更新的疊代。研究審查了目前國防部和行業在建構自适應電子戰和認知電子戰功能方面的相關工作。
2.雲內建與資料工程
EWIR的實時自主将需要标準化的資料定義，以支援從多傳感器平台以及未來的分布式和複雜的系統之系統中收集、檢索和分類原始資料。簡而言之，資料必須經過工程設計。實時自主EWIR将需要可持續的資料整合和資料管道管理方法。這些方法與ML模型開發、訓練和部署（即MLOps）緊密內建。研究審查了目前的開發工作，包括邊緣資料收集、存儲、計算和帶有支援裝置的資料傳輸選項，例如快速反應儀器包（QRIP）和知識管理/快速分析處理獨立部署系統（KM/RAPIDS）。
3.飛行程序軟體與容器化微服務
容器化是一種軟體部署架構，允許将軟體打包到特定服務元件或微服務中并在任何平台或環境中始終如一地運作。容器化簡化了能力和更新的部署，非常适合在不同平台（即具有廣泛差異的計算基礎設施，包括作業系統和計算硬體的平台）上進行大規模部署。但是，這需要設計針對特定服務的容器化元件或微服務，以便彼此之間的依賴性相對較低。事實上，容器的目标是為應用程序、資料庫、庫等成分容納完整運作環境。目前以 EW 為中心的作戰飛行軟體（OFP）的部署架構應該更新，以允許在不同容器中執行的服務容器化并且可以在不影響其它飛機飛行控制軟體的情況下獨立更新增強功能（或新功能）。
支援容器部署的工具通常在雲計算環境（或使用現有機載計算系統建立的小型雲或邊緣雲）中執行時提供自動縮放和工作負載管理服務。這些服務允許計算資源根據需要優化利用，這對于自适應或認知模型的高速處理至關重要。研究讨論了容器編配工具 Kubernetes 最近在 F-16 等平台上的測試。該報告還讨論了美國空軍軟體工廠的工作，例如Platform One和Cloud One提供了核心容器存儲庫和其它服務，用于空軍部的各種自動化項目。
4.機載高性能計算
目前的平台，特别是傳統平台，不具備處理機上大量資料和認知算法所需的計算能力。此外，并不是所有傳統平台都能滿足内嵌編配支援工具的容器化 OFP 的計算資源需求。研究讨論了傳統平台所需的硬體更新以及目前具有 ML 計算能力的選項，例如 FPGA 和 GPU。該報告還介紹了硬體小型化和機載高性能嵌入式處理功能方面的最新創新，這些功能将支援邊緣的ML處理，例如Agile Condor和邊緣雲。
結論
為了保持競争力并适應不斷變化的威脅，美國空軍在電磁頻譜中作戰必須能夠在幾秒鐘到幾分鐘的範圍内快速重新程式設計（包括評估環境、探測對手活動和合成恰當反應）。
- 靈活軟體解決方案、硬體更新、資料工程以及與其它系統的互操作性對于實作速度要求是必需的。
- 還需要在政策、組織任務調整、人員和計算可用性以及人員專業發展方面進行相應的變化。
建議
- 美國空軍應該從現在開始着力加速開發和內建實作認知電子戰所需的技術。步驟包括：1）支援向容器化微服務等軟體架構轉變，這将允許更快地功能部署和更新以提高重新程式設計速度，并為未來在平台上部署認知電子戰算法提供支援；2）增強機載高性能計算；3）擴大實驗和早期技術采用；4）優先考慮允許更好的資料收集、标準化、分類、通路和內建過程的政策和技術；5）鑒于關鍵技術之間的高度互相依賴性，確定這些活動的投資與執行相适應。
- 美國空軍還應立即采取措施采用新的軟體部署架構，以加快部署能力并在戰區實施快速機載任務資料文檔（MDF）更新。這需要對現有政策進行重大修改、人員專業發展、技術審查，以及對軟體架構标準、機載處理、計算和戰鬥“邊緣”連接配接（即在任務期間由飛機進行）的投資。