基于“OODA环”理论的认知电子战与赛博战探析

周 波，戴幻尧，乔会东，崔建岭，刘文钊

（中国洛阳电子装备试验中心，河南洛阳 471003）

基于“OODA环”理论的认知电子战与赛博战探析

周 波，戴幻尧，乔会东，崔建岭，刘文钊

（中国洛阳电子装备试验中心，河南洛阳 471003）

认知电子战是未来电子战的一个重要发展方向。基于“OODA环”理论，分析了认知无线电、认知雷达和以及典型认知电子战项目的认知原理，并对比赛博战的概念、特征和赛博作战认知过程，分析了认知电子战与赛博战之间的使能关系，探索认知电子战与赛博战的认知内涵。

认知电子战；认知无线电；认知雷达；赛博战；OODA环

0 引 言

自20世纪80年代“OODA（Observe+Orient+De+ cide+Act）环”理论提出以来，便以其简洁明了的方式在作战实体复杂战争行为规律描述方面得到了广泛应用［1］；该理论也逐渐成为美军描述指挥决策过程的主要模型框架［2］，为美军军队建设与战争实践发挥了重要的理论指导作用。近年来随着信息技术的飞速发展及其在军事领域的广泛应用，以“OODA环”理论为代表的认知科学越来越受到雷达、通信，以及电子战领域的关注，相继出现了以认知无线电、认知雷达和认知导航等为代表的新型智能化电子战系统。特别是在日益复杂的电磁环境中，认知电子战系统以其能够根据环境和目标特性自适应进行智能化电子防护和电子攻击等显著特点和技术优势，逐渐成为未来电子战发展的新方向、新趋势［3－6］。

雷达、通信及导航等电子战系统中认知技术的发展，必然会给与电子战紧密相关的赛博战带来巨大发展机遇。文献［7］研究了赛博战系统认知模型与关键技术，但是在电子战发展到认知时代这种新趋势下，它与赛博战之间出现的崭新关系，以及认知电子战在赛博空间中所发挥的作用还需要深入研究。另外，赛博作战的赛博空间不仅包括物理域、信息域、社会域，还包括了认知域；赛博作战的认知与认知电子战中的认知有何异同，目前还没有清晰的认识。针对这些问题，基于“OODA环”理论，从认知电子战的发展历程和美军典型认知电子战项目，以及赛博战的概念、特征和赛博作战认知过程，分析了认知电子战与赛博战之间的使能关系，探索赛博战与认知电子战的认知内涵与特点。

1 “OODA”环基本理论

“OODA环”理论由John Boyd从一对一空战经验中所提出［1］；它是由“观察”、“判断”、“决策”和“行动”四个环节构成的OODA决策环路，其中OO+ DA是这四个环节的英文首字母。“OODA环”理论的模型示意图，如图1所示。

图1 OODA环模型

由图1可看出，John Boyd的OODA环模型包含四个基本环节。

（1）观察：对战场环境进行感知或观察，从战场环境中搜集信息和数据；

（2）判断：对当前的战场态势进行分析和评估，并对相关的信息和数据进行处理；

（3）决策：根据战场环境信息和当前自身的状态制定策略，并选择合适的行动方案；

（4）行动：根据所选方案实施行动。

OODA环模型是对决策过程各环节进行的简洁描述，而且该过程是在一种动态、复杂环境中进行的，并受到不确定性等因素的影响。OODA环具有循环特性、时效性、嵌套性等特点。

OODA环在典型的军事决策与指挥控制活动中发展起来，最初是一种用于空战战术决策的模型，由于其循环特性、嵌套性及强时效性，所以可以将其看作一个动态的系统。另外，OODA环清晰合理的阶段划分及其对时效性的强调都符合指挥决策与控制过程的特点，揭示了复杂战争行为的内在规律，现在已发展成为军事指挥控制的通用模型，而且还广泛应用于其他领域，如商业活动等。其中，在众多应用领域中，为适应不同层次不同类型的需求，许多研究人员对其进行了改进，形成了很多改进型OODA模型，如扩展OODA、迭代OODA、模块化OODA，以及认知OODA。

2 认知电子战中的OODA环

2.1 认知无线电OODA环

认知无线电的概念最早是由瑞典的Joseph Mi+ tola博士于1999年提出来的，其给出的认知无线电OODA环模型［8］如图2所示。可以说，它是“OODA环”理论在无线通信领域的首次应用。

图2 认知无线电OODA环模型

由图2的认知无线电OODA环模型可知，它通过观察外部世界来感知周围的无线电环境，先将感知到的环境信息进行解析、预处理，并基于背景知识进行推理，然后进入判断环节；在判断过程中，建立了各个优先级的进程后，即刻进行的进程直接进入行动环节，紧急情况的先进入决策环节再进行行动，而普通进程则先进入规划环节，再通过决策进入行动环节。其中在规划过程中主要对产生的备选频率进行评估，并注册当前时间。在决策环节中，通过资源分配及触发进程进入行动。这样，就完成了一个完整的 OODA环，当前行动实施之后会出现新情况，这就转入观察进行下一个OODA的循环，循环过程中需要不断对新状态进行学习以便于规划，还要对比先前状态以便于进行决策。

所以，认知无线电就是通过OODA环实现对周围电磁环境的感知，并与通信环境进行智能交流，根据交流的结果实时调整传输参数（调制方式，编码体制，发射功率，通信频率等），使通信系统的无线电参数不仅与规则相适应，而且与环境相匹配，从而实现无论何时何地都能达到通信系统的高可靠性和频谱利用的高效性的目标。

2.2 认知雷达OODA环

认知雷达概念最早由 Simon Haykin教授于2006年正式提出［9］。认知雷达顺应了自适应智能化的发展趋势，可将其理解为：通过与环境不断交互而理解环境并适应环境的一个发射－接收－发射的闭环雷达系统；也可以说，认知雷达是“OODA环”理论在雷达领域的应用，其OODA环模型基本结构如图3所示。

图3 认知雷达动态闭环反馈功能OODA模型结构示意图

从图3可以看出，认知雷达同样也是一个具有反馈功能的动态闭环系统，所以它充分体现了“OO+ DA环”理论的基本特点。

（1）接收机自适应：接收机接收雷达信号，通过对周围电磁环境的观察，在先验知识库的支持下自适应的随着对外部环境的认知改变参数，并通过与环境的不断交互及持续学习，再利用学习的信息积累新的经验知识。所以，接收机主要完成OODA环中的观察、判断，以及决策等环节。

（2）发射机自适应：发射机随外部环境变化自适应的改变发射波形，通过对环境信息重要因素的提取，以高效健壮的方式调整发射信号，并最终将决策信息自适应的发射出去，完成OODA环的行动环节。

（3）认知闭环反馈：整个认知雷达组成了一个由接收机－发射机－环境的动态闭环反馈系统，体现了OODA环的循环特性。

上述认知雷达自适应和闭环反馈功能既充分体现了雷达智能化的认知能力，也说明了认知雷达“OODA环”的基本工作原理，其中认知雷达在知识辅助处理的基础上，接收机把对环境及相关信息等知识的估计和判断返回给发射机，完成具有循环特性的闭环反馈功能，直到适应电磁环境的复杂多变。

2.3 认知电子战OODA环

美国最早意识到认知技术给电子战带来的挑战，也最先开展了认知电子战的项目研究，近年来美国开展的认知电子战的项目［10］，见表1。

表1 美国开展认知电子战研究的项目

从美国开展认知电子战研究的项目可以看出，认知电子战装备通过先验知识探测感知未知或不明确的新型电磁威胁，快速分析威胁及动态实时地采取对抗措施，并现场精确评估出采用对抗措施的效能。与传统电子战不同，认知电子战系统是一个动态、智能的闭环系统，它通过自主交互学习来感知电磁威胁环境，并可高效实时地调整干扰发射机与接收机以适应电磁环境的变化，极大提高了干扰的快速反应能力。由此可以看出，认知电子战是“OODA环”理论在电子战领域的最新应用，它的动态、智能闭环功能充分体现了OODA环的循环、实时及嵌套特性。认知电子战系统的组成框图，主要包括态势感知、对抗措施融合与效能评估三个重要模块，如图4所示。

（1）态势感知：完成对战场环境的感知，主要包括获取所需的威胁电磁环境和地理信息环境信息，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，并将特征信息传给对抗措施模块。

4 认知电子战OODA环功能组成框图

（2）对抗措施融合：根据态势感知模块对环境信息的认知，自动合成能够有效对抗措施，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。

（3）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。例如，对雷达来说，主要通过对包括威胁雷达信号波束视线角、带宽等的变化来评估对抗效果。

其中，认知电子战系统前端设备接收到电磁环境信号，态势感知对应于OODA环中的观察，对抗措施合成和效能评估则对应于OODA环中的判断、决策，前端设备发射合成后信号组对应于认知环中的行动。尽管目前还没有真正的认知电子战系统问世，但认知电子战将引领电子战的最新发展方向是可以预见的。

（1）实时性：实时处理能力是传统电子战长期面临的主要难题之一。该难题不仅与软件算法方面有关，而且还与硬件（如天线、元器件等）方面有关，例如射频前端的数据采集能力和高速AD／DA采样能力等，这对态势感知和对抗措施融合都具有重要影响。软件方面可以通过不断提升算法的运算速度来不断改进，但硬件方面则需要依靠新材料、新器件的发展（如日渐成熟的GaN），或者创新技术、创新理论的出现。

认知电子战与传统电子战最大的优势就是基于认知原理的实时性，即通过使用机器学习算法及人在回路的控制来积累一定的经验性认识，这样建立在经验性认识基础上就会对处理时间的要求大大降低。例如，通过对雷达接收到信号威胁等级进行评估和分类，就积累了一定的经验模型，那么系统就可以将更多的时间用于干扰波形的优化上面，而无须花费大量的时间进行信号采集，进而能够大大节省运算处理时间。该思路对软件算法的要求比传统的信号处理方法更加苛刻，但对硬件的要求则有所降低，这也是该思路方法的主要优势之一。

（2）智能化：长期以来，人们为应对日益复杂电磁环境的严峻挑战，在雷达方面研究了诸如对接收信号的自适应处理技术（STAP）和基于知识的空时自适应处理技术（KB STAP）等，不管是传统的自适应处理技术还是基于知识的自适应处理技术［9］，针对的都是接收信号，而发射信号固定不变，这使得人们开始关注发射信号的设计与选择问题。美国海军实验室位于切萨皮克的海滩雷达具有快速变极化和波形捷变功能［11］，它的出现表明现代雷达系统已具备感知环境并根据环境调整发射波形的能力。由此可见，对雷达的发射机和接收机进行自适应联合优化成为新一代雷达智能化发展的趋势之一。

作为电子战领域最新的发展方向，认知电子战在态势感知、对抗措施融合及效能评估方面革命性的优势，给传统电子战带来极大挑战。认知电子战不仅具有传统电子战的感知能力，而且还能近实时、动态地感知周围变化的威胁环境，进而快速适应该环境，并自主生成针对该威胁环境的对抗措施；相比之下，传统电子战只能识别预设固定频谱的威胁，对抗技术也只是预先编程，不具备自适应功能，面对快速捷变的威胁将无能为力。所以，随着电磁环境愈加复杂，电子战必须在态势感知、对抗措施融合等方面提高认知和自适应能力。

认知电子战发展进程如图5所示。

图5 认知电子战发展进程示意图

随着软件无线电、认知无线电、认知雷达等的迅速发展，智能化程度越来越高，其中的关键技术也取得极大进展，如从最初软件无线电的宽带AD／DA技术到目前的高速AD／DA，处理速度得到了大幅提高。2013年推出最快的D／A变换器TDAC－25具有每秒25 G的处理能力；据报道，采用TDAC－25的电子抗干扰应用中，在宽带和低等待时间方面，该处理速度可提供2～3倍的性能［12］。而AD／DA转换技术则是实现认知电子战态势感知的一项重要使能技术，因为它是连接收发天线到数字信号处理之间的重要桥梁，不管处理器速度有多快，如果它不能及时获得数字变化的输入输出，系统就不能针对快速变化的威胁环境迅速采取相应的对抗措施。另外一个关键的使能技术则是现场可编程门阵列（FP+ GA）处理。FPGA能够迅速处理不断变化的信息，而且能够在系统运行过程中进行可重构，以适应不断变化的环境，进而为图4所示的对抗措施合成提供支持。总之，在上述关键使能技术的基础上，认知电子战技术得以迅速发展。尽管目前认知电子战装备主要集中在认知雷达、通信等装备上，但不管是认知雷达还是认知通信等领域的技术发展都是突飞猛进，例如表1中所列的匹配照射－接收技术、波形捷变技术等，这些都为实现图4组成框图中的各功能模块提供了技术储备。但是认知电子战又是一个全新的领域，目前才刚刚起步，未来战场不仅会有认知雷达、认知通信电子战装备，还会有其他类型的电子战装备。

3 赛博战及其OODA环

3.1 赛博战概念及特征

赛博战是指在电磁频谱、电子系统及全球信息栅格组成的全球信息环境域中进行的各种进攻和防御作战行动［7］。赛博战综合运用赛博攻击、赛博利用和动态赛博防御等手段，对目标计算机、电信网，以及嵌入设备、系统和基础设施中的处理控制器实施作战行动。

赛博战以赛博空间为基础，赛博空间是继陆、海、空、天之后的第五维作战空间，在这个新的作战空间中，赛博战作为一种全新的作战样式必将呈现出新的特征。

（1）网络化：赛博战以网络为中心，网络攻击、防御是赛博战的主要作战手段，其行动目的和行动效果扩散都依托于网络，所以网络化是其最基本的特征。

（2）快速性：赛博战中信息依靠网络进行快速传输，作战速度是战斗力的一种来源，充分利用这种高效的信息传输能力，就会产生倍增的作战效力和速率。因此，赛博战能够提供快速决策、快速打击和快速实现预期作战效果的能力。

除此之外，赛博战与传统作战样式相比，还包括时间上平战不分、地理空间上远近不分、作战目标军民不分等截然不同的特征［13］。

3.2 赛博战OODA环模型

根据赛博战概念和特征，赛博作战综合运用信息技术把观测与监视、综合与导向、评估与决策，以及打击与行动这个指挥控制流程压缩到分秒之间，从而使部队具有更快的反应能力和机动能力，所以赛博战显然符合OODA环理论模型。文献［14］根据赛博战特征提出了一种赛博战的OODA环模型，如图6所示。

图6 赛博战OODA环作战模型

图6中赛博战OODA环作战模型包含了两个循环：信息流和指挥决策流。在信息流中，总共有六个模块组成，依次为：采集融合模块、存储管理模块、分析评估模块、表示模块、共享模块和应对模块。指挥决策流包括OODA环的四个环节，它以电磁频谱为基础采用网络化信息流形式进入对方的指挥决策过程。其中，在观察环节，集成的各类传感器，如卫星、互连网、声呐等，通过对战场空间的观察，实现情报收集和信息融合；在判断环节，对采集数据和融合信息进行存储与管理，形成赛博态势感知，分析评估作战对抗效果，预测行动目标进展；在决策环节，由形成的赛博态势感知，提供共享感知和机制，分发相关数据和决策信息给网络节点；在行动环节，根据收到的决策信息，实施行动以应对对方赛博攻击、窃取和利用对方信息等。

4 认知电子战与赛博战

4.1 认知电子战与赛博战关系

电子战为赛博战提供支持，赛博战依靠电子战来实现对电磁频谱的控制和自由接入，这是电子战与赛博战关系的本质［15］。也就是说，赛博空间是电子战的一个重要作战领域，而电子战则是在赛博空间控制电磁频谱的关键手段。那么当传统电子战发展到认知电子战时，它与赛博战之间必然会出现新的使能关系。

（1）从认知电子战与赛博战的内涵来看，认知电子战强调在电子战中对电磁频谱进行接收、转换、简化、合成、储存、提取、重建、概念形成、判断，以及问题解决等信息加工处理过程，赛博战强调使用电子和电磁频谱来存储、修改或交换数据。所以两者都是对电磁环境信息的处理，但是信息处理的领域不同。

赛博战几乎囊括了电子战、网络战、信息战、心理战等现代所有一切的战争形式，在具体作战实施时，每一种形式又紧密相连，相互依存，存在着极其复杂的关系，所以如果真正实现赛博战非常困难。

（2）从作战效能发挥角度来看，赛博战与电子战之间呈现出非常紧密的相互使能关系。然而，由于存在制约，二者之间这种相互使能作用无法充分发挥。这种制约就是：电子战在态势感知、干扰与欺骗等环节的技术水平尚不足以支撑赛博战（尤其是战场赛博战）；而赛博战太过关注高层次（主要是逻辑层、应用层）信息对抗，缺乏低层次（物理层、链路层）对抗手段与技术。

认知电子战在态势感知、干扰与欺骗、乃至信息控制等方面带来的巨大技术变革，能够弥补赛博战在底层（物理层、链路层）的不足，进一步拉近了电子战与赛博战之间的距离，还将显著增强电子战与赛博战之间的相互使能作用。而这种相互使能作用的增强将为突破某些传统瓶颈技术带来巨大帮助。

另外，由于赛博战在具体实现方面的巨大困难，也可以说，认知电子战是最终实现赛博战的一个重要阶段。

4.2 认知内涵分析

认知电子战与传统电子战最大的优势在于，认知电子战系统具有OODA环的认知能力，那么它与赛博战的认知也具有一定的关系。

（1）“OODA环”理论基础

正如上面分析，认知无线电和认知雷达是“OO+ DA环”理论分别在无线通信和雷达领域的应用。美军开展的典型认知电子战项目充分体现了“OO+ DA环”认知理论，赛博战OODA作战模型也符合“OODA环”理论。

根据文献［16］将战争形态按照OODA环划分为冷兵器之前，热兵器到机械化，以及信息战三个阶段，认知电子战与赛博战同属于第三个阶段，即信息战阶段。而第三阶段又分为初级阶段和高级阶段，其中认知电子战处在初级阶段，在此阶段只是单纯强调信息空间对原有战斗力的强化作用，作战行动作用对象仍然是物理实体对象，即认知电子战装备，信息运行空间只是为了通过信息优势——决策优势的转换最终增强认知电子战装备中的行动能力；赛博战处在高级阶段，与第三阶段初级阶段相比最重要的区别就是将信息运行空间纳入作战域，信息运行空间中的信息、信息运行成为了作战行动的直接作用对象。与针对认知电子战装备的作用方式相比，针对信息运行空间的作战更加强调的是控制、影响，通过对信息、信息运行过程施加作用，达到对物理实体的间接控制以及对作战人员认知的影响，这是赛博空间作战行动的本质。

（2）赛博认知域与认知电子战中的认知

在赛博认知域中，认知域包含决策人员和目标受众的思想，是人们思考、意识、想像和做出决定的维度。在认知电子战中，认知意思是“会意、感知，思考、推理、记忆、想象、学习、处理信息、应用知识、改变优先权等有意识的智力活动或设想的动作”。认知电子战中的认知示意图如图7所示。

图7 认知电子战的认知示意图

具体来看，赛博认知域，是赛博空间在认知域上的体现，人的决策在此产生。传统的认知域是指包括所有参与军事活动人员的感知、意识、理解、决策、信念和价值观，它处于军事人员的脑海里。赛博空间的认知，是指参与赛博作战信息活动的人的认知，可从两个方面来认识和把握：第一，认知的最终形成由一系列的认知过程组成，认知过程每个环节形成一个小的闭合认知环路，整个认知过程形成一个完整的闭合OODA认知环。第二，认知环节中引入了人工智能技术，使认知过程具有学习和自适应能力，能对“感知一规划一决策一行动”整个动态自适应过程进行学习，并将学习到的知识用于指导未来的决策。

由于传统电子战装备认知能力有限，而认知电子战装备能够大大提升传统电子战装备的认知能力。传统电子战装备仅作为一种工具拓展了人的能力；认知电子战中装备则不是单纯的工具，而是一种智能实体，能够在人为之外自主完成一定作战任务。需要注意的是，装备离不开认为操作，当人机两种智能实体分工协作完成任务时，人主要在装备协助下提高自身的判断决策能力，以便更准确的对装备自主工作进行人为干预。

综上所述，赛博认知域主要是突出包括作战决策者和目标在内的人的认知活动，而认知电子战更强调电子战装备的认知能力。

5 结 语

面对认知电子战作为电子战未来发展的必然趋势，基于“OODA环”理论详细分析了认知无线电、认知雷达，以及认知电子战的认知内涵与OODA循环过程，通过与赛博战OODA认知过程的对比分析，得到了认知电子战与赛博战之间新的使能关系，以及两者认知内涵的异同。

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周 波（1982—），硕士，助理研究员，主要研究方向为雷达电子战、复杂电磁环境仿真与评估；

zhoubo1001＠126.com；

戴幻尧（1982—），博士／助理研究员，主要研究方向为导弹攻防电子对抗、系统仿真试验与评估；

乔会东（1982—），硕士／助理研究员，主要研究方向为电子对抗、复杂电磁环境建模与评估；

崔建岭（1982—），硕士／助理研究员，主要研究方向为雷达信号处理、系统仿真试验与评估；

刘文钊（1984—），硕士／助理研究员，主要研究方向为雷达电子对抗、复杂电磁环境建模与仿真。

Research on Recognition EW and Cyberspace Operation Based on“OODA loop”Theory

ZHOU Bo，DAIHuan+yao，QIAO Hui+dong，CUIJian+ling，LIUWen+zhao
（Luoyang Electronic Equipment Testing Center，Henan Luoyang 471003，China）

Cognitive electronic warfare is the important development orientation of the future electronic warfare.Based on“OODA loop”theory，the cognitive principle of the cognitive radio、cognitive radar、and the typical cognitive electronic items are analyzed，in comparison with the concept and characteristics of cyberspace operation and its cognitive process.The analysis of the enable relation between the cogni+ tive electronic warfare and the cyberspace operation ismade，and their cognitive connotation is discussed.

cognitive EW；cognitive radio；cognitive radar；cyberspace operation；OODA loop

TN97

：A

：1673+5692（2014）06+556+07

10.3969／j.issn.1673+5692.2014.06.002

2014+11+03

2014+11+06

国家自然科学基金资助项目（61301236），国家社科基金（13QJ004－119）