肖蕾 沈?qū)毚?張佳男 焦春波 李妍 何相勇

(1 火箭軍裝備部駐北京地區(qū)第八軍代室, 北京 100085; 2 火箭軍裝備部駐北京地區(qū)軍代局, 北京 100085; 3 西安愛邦電磁技術(shù)有限責(zé)任公司 陜西 西安710074)

0 引言

從近幾年幾場局部戰(zhàn)爭和沖突來看，雙方在電磁領(lǐng)域開展了針鋒相對的戰(zhàn)斗，參戰(zhàn)各方高度重視信息化戰(zhàn)爭下的制電磁權(quán)[1,2]，車載指揮信息系統(tǒng)的戰(zhàn)場安全關(guān)系著部隊(duì)指揮鏈完整和部隊(duì)作戰(zhàn)任務(wù)順利完成。由于車載指揮信息系統(tǒng)電磁特征顯著[3]，面臨各類偵察監(jiān)視衛(wèi)星、察打一體無人機(jī)、電磁脈沖炸彈及自然強(qiáng)電磁環(huán)境威脅，其戰(zhàn)場生存與安全問題需要引起高度重視。隨著系統(tǒng)集成高度發(fā)展，車載指揮信息系統(tǒng)成為一個(gè)包含了通信樞紐、會(huì)議室、作戰(zhàn)室、指揮中心等多系統(tǒng)、多要素的綜合集成體。由于系統(tǒng)功能復(fù)雜、大量電子信息設(shè)備集成、面臨多種形式電磁安全風(fēng)險(xiǎn)[4,5,6]：（1）自身的電磁暴露征候，被敵方偵察設(shè)備發(fā)現(xiàn)；（2）涉密電磁信息泄露，指揮所的關(guān)鍵信息被敵方監(jiān)聽獲取；（3）敵方大功率干擾機(jī)、電磁脈沖炸彈、高功率微波武器系統(tǒng)，我方雷達(dá)、電子對抗裝備以及雷電等自然電磁環(huán)境導(dǎo)致的裝備功能失效、物理損傷等。因此，針對上述設(shè)備進(jìn)行電磁安全防護(hù)具有重要的軍事意義。本文在分析指揮方艙結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部主要設(shè)備在強(qiáng)電磁脈沖作用下?lián)p傷機(jī)理和電磁信息泄露途徑的基礎(chǔ)上，根據(jù)國軍標(biāo)要求，研究方艙強(qiáng)電磁環(huán)境電磁防護(hù)和信息安全方案。

1 車載指揮信息系統(tǒng)面臨的電磁安全問題

1.1 車載指揮信息系統(tǒng)電磁安全風(fēng)險(xiǎn)

1.1.1 電磁特征暴露問題

和地面固定指揮所相似，車載指揮信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜，是滿足作戰(zhàn)要求的指揮和會(huì)議系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、機(jī)電控制一體化的綜合集成。整個(gè)系統(tǒng)具有空間小、設(shè)備組成復(fù)雜、天線數(shù)量多、線纜敷設(shè)密集等特點(diǎn)，系統(tǒng)內(nèi)大量電磁特征顯著的電子電氣設(shè)備，這些設(shè)備產(chǎn)生的電磁發(fā)射信號(hào)在通過天線之間耦合及內(nèi)部導(dǎo)線、共用電源、共用地回路之間耦合等途徑相互干擾的同時(shí)，也導(dǎo)致電磁能量向外輻射的問題[7]。這些電磁輻射構(gòu)成了車載指揮信息系統(tǒng)顯著的電磁特征，極容易被電子偵察衛(wèi)星、無人機(jī)電子偵察吊艙等識(shí)別跟蹤，是重要的戰(zhàn)場暴露征候，易引發(fā)重大的威脅。

1.1.2 戰(zhàn)場強(qiáng)電磁干擾毀傷問題

戰(zhàn)場強(qiáng)電磁環(huán)境主要包括雷電等自然電磁環(huán)境、民用電磁環(huán)境、己方自擾互擾電磁環(huán)境、敵方電磁干擾攻擊環(huán)境等。強(qiáng)電磁環(huán)境的主要特征是脈沖上升時(shí)間短、幅度大、瞬時(shí)峰值功率高、頻譜覆蓋寬，能在很寬的頻率范圍內(nèi)對以“場-場耦合”和“場-線耦合”的方式對指揮車造成干擾和損毀[8]。強(qiáng)電磁能量會(huì)通過前門（天饋端口）和后門（電纜、電源線、方艙孔洞和縫隙等）兩種方式耦合進(jìn)入到各個(gè)電子信息系統(tǒng)內(nèi)部，對電子信息網(wǎng)絡(luò)、射頻、通信導(dǎo)航、傳輸鏈路和存儲(chǔ)等系統(tǒng)產(chǎn)生影響和破壞，對車載指揮信息系統(tǒng)影響巨大。

1.1.3 電磁信息安全問題

電磁安全問題主要指由電磁信息泄漏所帶來的安全隱患：主要分為基于軟件木馬的電磁信息泄漏、基于硬件木馬的電磁信息泄漏與無木馬配合的電磁信息泄漏。從當(dāng)前公開的文件來看，以美國國家安全局、中央情報(bào)局為代表的西方國家安全及情報(bào)機(jī)構(gòu)擁有先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（Advenced Network Technology，ANT）、Vault7 等全套的涵蓋電磁手段的網(wǎng)絡(luò)攻擊工具，具有強(qiáng)大的信息收集和分析能力，可以繞過傳統(tǒng)渠道和主要防護(hù)措施，通過未設(shè)防或難以設(shè)防的部位深入目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)或信息系統(tǒng)內(nèi)部。最新資料表明，美軍將利用“網(wǎng)絡(luò)子彈”入侵無線網(wǎng)絡(luò)，美MQ-1C“灰鷹”無人機(jī)上的干擾吊艙可以對地面所有的評估點(diǎn)進(jìn)行掃描，利用高性能的電磁信號(hào)接收裝備，對紅信號(hào)特征標(biāo)量進(jìn)行判別及泄漏還原，從而獲得敏感信息，進(jìn)而識(shí)別該區(qū)域內(nèi)的重點(diǎn)目標(biāo)和網(wǎng)絡(luò)薄弱環(huán)節(jié)。

1.2 研究與工程應(yīng)用存在的問題

車載指揮信息系統(tǒng)的電磁安全包含電磁兼容、防信息泄漏和防電磁干擾與毀傷三個(gè)方面。當(dāng)前車載指揮信息系統(tǒng)的電磁安全需求論證、方案研究和工程解決分散在不同的部門和機(jī)構(gòu)：從需求上說，電磁兼容通常在裝備部門考慮，信息安全歸保密和機(jī)要部門考慮，電磁干擾與毀傷在作戰(zhàn)（電子對抗）部門考慮；從解決方案上講，電磁兼容在各個(gè)配套設(shè)備層面解決；信息安全在使用環(huán)境由使用單位解決；強(qiáng)電磁環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì)更是分散在器件、設(shè)備配套部門解決。因此，當(dāng)前車載指揮信息系統(tǒng)電磁安全存在諸多盲區(qū)和空隙帶。綜上所述，在高強(qiáng)度戰(zhàn)場電磁環(huán)境和長期作戰(zhàn)機(jī)動(dòng)或者待機(jī)條件下，車載指揮信息系統(tǒng)作為前線指揮中樞，是召開各種作戰(zhàn)會(huì)議、下達(dá)指揮指令等重要場所，現(xiàn)有的防護(hù)手段顯著不足，無法滿足電磁防護(hù)和信息安全保護(hù)的要求。

2 車載指揮信息系統(tǒng)電磁安全與防護(hù)解決方案

本文從車載指揮信息系統(tǒng)整體電磁防護(hù)出發(fā)，按照“理論分析、仿真計(jì)算、需求確認(rèn)、設(shè)計(jì)試驗(yàn)、評估優(yōu)化”的指導(dǎo)思路，選取典型方艙結(jié)構(gòu)與設(shè)備、典型強(qiáng)電磁脈沖環(huán)境、典型電磁信息泄露途徑開展研究，一體化設(shè)計(jì)、分項(xiàng)分步驗(yàn)證、綜合性評估，完成整個(gè)指揮車的電磁防護(hù)設(shè)計(jì)。

2.1 典型電磁作用下車載指揮信息系統(tǒng)內(nèi)外部環(huán)境

以作戰(zhàn)演練及其戰(zhàn)場環(huán)境分析為依據(jù)，參照國軍標(biāo)及美軍標(biāo)，選擇核電磁脈沖、雷電電磁脈沖、高功率微波作為車載指揮信息系統(tǒng)防護(hù)的典型電磁環(huán)境。其中主要指標(biāo)有：

2.1.1 核電磁脈沖

GJB151B中RS105規(guī)定的試驗(yàn)波形：波形上升時(shí)間tr=1.8ns～2.8ns（允許誤差為10%～90%）；半峰值脈沖寬度：tf=23ns±5ns；持續(xù)時(shí)間：t=200ns；電場峰值強(qiáng)度為Ep=50kV/m。核電磁脈沖波形如圖1（a）所示。

2.1.2 雷電電磁脈沖

GJB8848規(guī)定的雷電試驗(yàn)波形電流分量A：峰值Ip=200kA±10%；上升時(shí)間：6.4μs（允許誤差為10%～90%），半峰值脈沖寬度：25.6μs；在總的持續(xù)時(shí)間不超過t<500us的時(shí)間內(nèi)，作用積分2×106A2s±20%。雷電電磁脈沖波形如圖1（b）所示。

圖1 核電磁脈沖與雷電電磁脈沖電流A分量 Fig.1 Nuclear EMP and Lighting EMP

2.1.3 高功率微波

表1[9]給出了當(dāng)前主要類型的高功率微波武器的性能參數(shù)，本文研究中參數(shù)取峰：頻率從100MHz到3GHz，峰值功率為3GW，脈沖寬度5ns-1us，天線的實(shí)際面積為A=120m2，天線的輻射效率為50%。

表1 當(dāng)前高功率微波武器水平Table1 the level of current high power microwave weapon

2.2 電磁安全與防護(hù)綜合解決方案

2.2.1 艙體強(qiáng)電磁脈沖與電磁安全防護(hù)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)理論分析與數(shù)值仿真研究確定的系統(tǒng)外部和內(nèi)部的電磁環(huán)境，對現(xiàn)有電磁防護(hù)與信息安全設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化：（1）艙體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)選用導(dǎo)磁系數(shù)高的材料，選用屏蔽材料對艙體表面/蒙皮進(jìn)行處理，以吸收或反射空間電磁波，如坡莫合金，硅鋼片、夾心吸波蜂窩板等，且不要太薄，屏蔽要求較高時(shí)，還可以采用多層屏蔽；（2）車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，接縫要盡量少且連接緊密，盡量減少氣隙；（3）艙體的等電位連接/搭接設(shè)計(jì)，避免電位差引起艙體表面電流造成艙內(nèi)的電磁干擾[10]，達(dá)到防護(hù)強(qiáng)電磁脈沖干擾目的；（4）方艙結(jié)構(gòu)的金屬框架/網(wǎng)絡(luò)良好接地，避免由電磁感應(yīng)而降低艙體的屏蔽性能，將耦合的電流有效泄放到大地。

2.2.2 孔縫、通風(fēng)口、門窗電磁屏蔽設(shè)計(jì)

理論上磁導(dǎo)系數(shù)較高的金屬外殼可以實(shí)現(xiàn)較好的整車電磁屏蔽，但在實(shí)踐中，總有一些孔縫、進(jìn)出線口、通風(fēng)換氣口、出入門等結(jié)構(gòu)，使得電磁場漏進(jìn)屏蔽艙體內(nèi)或者泄出屏蔽艙體外。在處理孔縫結(jié)構(gòu)時(shí)，需采用焊接或鉚接的方式對艙體孔縫和開孔進(jìn)行處理以消除縫隙中的不連續(xù)點(diǎn)，最大限度地阻止電磁波進(jìn)入艙體內(nèi)部。門窗、通氣孔、空調(diào)管路等結(jié)構(gòu)的內(nèi)邊緣四周安裝導(dǎo)電襯墊或屏蔽膠條，實(shí)現(xiàn)整體的電連續(xù)性，必要時(shí)內(nèi)焊接金屬蜂窩波導(dǎo)窗，有效隔離強(qiáng)電磁輻射，并保證正常通風(fēng)[11]。

2.2.3 內(nèi)部設(shè)備的強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)仿真計(jì)算和試驗(yàn)測試研究確定的內(nèi)部設(shè)備互連電纜上的感應(yīng)等級，對系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備進(jìn)行電磁防護(hù)設(shè)計(jì)：艙內(nèi)部的設(shè)備互連電纜選用屏蔽電纜，并且在設(shè)備接口安裝綜合防護(hù)抑制產(chǎn)品；在線纜進(jìn)口設(shè)置鍍鋅材質(zhì)的轉(zhuǎn)接板，艙體表面屏蔽層采用法蘭壓接，保證接縫屏蔽效能滿足整體要求；轉(zhuǎn)接板上設(shè)計(jì)光纖波導(dǎo)管、各型穿艙座和EMP信號(hào)防護(hù)模塊。電氣電子設(shè)備強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)設(shè)備外部電磁環(huán)境、電磁屏蔽指標(biāo)、干擾電磁波的頻段、安裝位置、重要程度綜合考慮。

3 某型方艙設(shè)計(jì)、仿真與試驗(yàn)評估案例

以某型指揮車強(qiáng)電磁環(huán)境防護(hù)與電磁安全防護(hù)需求出發(fā)，設(shè)計(jì)并加工原理樣間，驗(yàn)證車載廂體結(jié)構(gòu)、重要管線、門窗、通風(fēng)口、天線等重要部件的防護(hù)方法。受大功率、大尺寸試驗(yàn)件的核電磁脈沖、高功率微波試驗(yàn)條件的限制，本文采用試驗(yàn)與仿真相結(jié)合，對其防護(hù)性能進(jìn)行評估[12,13]：即對關(guān)鍵器件等效電磁脈沖注入與屏效測試試驗(yàn)、低功率整艙電磁屏蔽效能測試試驗(yàn)；對整艙進(jìn)行核電磁脈沖、雷電電磁脈沖、高功率微波與雷電等電磁脈沖效應(yīng)仿真。

3.1 方艙總體設(shè)計(jì)

原理樣間以車廂為基礎(chǔ)，進(jìn)行屏蔽改造的殼體，尺寸3.0m（長）×2.9m（寬）×2.7m（高）,設(shè)置有電磁屏蔽門、過壁設(shè)備安裝箱、電源濾波器、通風(fēng)波導(dǎo)窗、電源信號(hào)轉(zhuǎn)接口板、光線波導(dǎo)管等設(shè)備。樣間外形與主要部件如圖2所示。

圖2 樣間外形及主要部件示意圖Fig.2 Schematic diagram of the appearance and main components of the sample room

3.1.1 電磁屏蔽艙體

電磁屏蔽艙體以鋼質(zhì)車廂外殼為基礎(chǔ)，焊縫連續(xù)不漏電磁波，保證屏蔽效能滿足要求。在屏蔽殼體一側(cè)設(shè)計(jì)屏蔽過壁區(qū)，安裝電源濾波器、通風(fēng)波導(dǎo)窗和信號(hào)過壁裝置等。鍍鋅鋼板滿足GB/T2520-2008《冷軋電鍍鋅板及鋼帶》標(biāo)準(zhǔn)要求，接縫采用墊襯加焊接，同時(shí)滿足屏蔽效能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

3.1.2 電源引入防護(hù)方案

電源引入滿足GJB3928-2018《防護(hù)工程防電磁脈沖設(shè)計(jì)規(guī)范》和GJB5792-2006《軍用涉密信息系統(tǒng)電磁屏蔽體等級劃分和測量方法》的要求。電源防護(hù)單元由電源轉(zhuǎn)接口（航空插頭）、核與非核脈沖防護(hù)電源濾波器、雷電防浪涌器件組成，安裝在屏蔽過壁區(qū)內(nèi)。

3.1.3 有線和無線通信信號(hào)引入

有線和無線通信信號(hào)引入需滿足GJB3928-2018《防護(hù)工程防電磁脈沖設(shè)計(jì)規(guī)范》和BMB3-1999《處理涉密信息的電磁屏蔽室的技術(shù)要求和測試方法》的要求。防護(hù)單元由專用防浪涌模塊、信號(hào)轉(zhuǎn)接板和光纖波導(dǎo)管組成。

信號(hào)轉(zhuǎn)接板上有光纖波導(dǎo)管、N型、SMA型和BNC型穿艙座，穿艙座上安裝衛(wèi)星天線、導(dǎo)航天線、4G網(wǎng)絡(luò)、5G網(wǎng)絡(luò)和電話接口等防護(hù)模塊，將此類信號(hào)安全引到艙內(nèi)。光纖波導(dǎo)管將光纖信號(hào)引入到室內(nèi)。轉(zhuǎn)接板及防護(hù)模塊滿足GJB3928-2018的屏蔽效能要求。

3.1.4 電磁屏蔽隔音門窗與通風(fēng)系統(tǒng)

電磁屏蔽隔音門是電磁脈沖防護(hù)的關(guān)鍵設(shè)備之一，供平時(shí)人員和設(shè)備出入。電動(dòng)插刀式屏蔽隔音門采用高性能的雙簧片屏蔽門結(jié)構(gòu)和三層隔音結(jié)構(gòu)，隔音效果滿足40dB要求。波導(dǎo)管用于光纖、水管、氣管、空調(diào)液等過壁。波導(dǎo)管具有確定的截止頻率，當(dāng)電磁波的頻率低于該截止頻率時(shí)，電磁波不能穿過波導(dǎo)管，由此起到了屏蔽作用。核電磁脈沖、雷電電磁脈沖等主要能量的頻率集中在10G以下，因此采用截止頻率10GHz、內(nèi)徑15mm的波導(dǎo)管可滿足GJB3928-2018第2級要求。通風(fēng)波導(dǎo)窗屏蔽原理和波導(dǎo)管相同，結(jié)構(gòu)上可視為多根波導(dǎo)管的組合以滿足通風(fēng)量要求，在新風(fēng)送風(fēng)口、自然溢出風(fēng)口、事故排風(fēng)及泄壓口處、緩沖區(qū)的對流通風(fēng)口等部位。樣間通風(fēng)波導(dǎo)窗采用真空銅釬焊六角形蜂巢式波導(dǎo)窗，波導(dǎo)窗單個(gè)孔徑5.6毫米，截止頻率亦為10GHz。

3.2 關(guān)鍵防護(hù)部件的防護(hù)性能試驗(yàn)評估

選擇方艙全部轉(zhuǎn)接信號(hào)類型的防護(hù)模塊如表2所示，開展雷電與核電磁脈沖插針注入試驗(yàn)以評估對外部線纜感應(yīng)的浪涌的抑制能力，開展屏蔽效能試驗(yàn)以評估模塊及其過壁結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能。

表2 典型試驗(yàn)對象列表Table 2 List of typical test subjects

3.2.1 防護(hù)模塊的插針注入試驗(yàn)

通過插針注入試驗(yàn)，對防護(hù)模塊的濾波/抑制防護(hù)電路抑制性能測試，確定評估雷電電磁脈沖和核電磁脈沖等防護(hù)性能。依據(jù)DO160G開展雷電插針注入試驗(yàn)，試驗(yàn)波形選擇A組（波形3和波形4），具體如表3所列。試驗(yàn)布置如圖3所示。

表3 雷電插針注入試驗(yàn)參數(shù)表Table 3 parameters table of lightning pin injection test

圖3 雷電電磁脈沖插針注入試驗(yàn)布置圖Fig.3 Layout of lightning EMP pin injection test

參考GJB 3622-1999《通信和指揮自動(dòng)化地面設(shè)施對高空核電磁脈沖的防護(hù)要求》中方法，注入雙指數(shù)脈沖電流，采用線-地（wire to ground）注入方式，峰值電流為1kA、2kA、3.5kA，對防護(hù)模塊進(jìn)行測試。

圖4 核電磁脈沖插針注入試驗(yàn)布置圖Fig.4 Layout of nuclear EMP pin injection test

3.2.2 安裝防護(hù)模塊的過壁結(jié)構(gòu)屏蔽效能測試

按照GJB 6190-2008《電磁屏蔽材料屏蔽效能測量方法》屏蔽室法，利用0.6m屏蔽窗口對安裝有防護(hù)模塊的過壁結(jié)構(gòu)屏蔽效能進(jìn)行測試，如圖5所示： 測試結(jié)果見表4。

圖5 防護(hù)模塊屏蔽效能測試試驗(yàn)Fig.5 The protection Model electromagnetic shielding test

表4 防護(hù)測試結(jié)果Table 4 Test result of protection

3.3 整艙防護(hù)性能仿真分析與試驗(yàn)測試

3.3.1 整艙強(qiáng)電磁環(huán)境防護(hù)性能仿真分析

電磁脈沖間接效應(yīng)仿真中使用COMSOL軟件的AC/DC模塊計(jì)算電磁脈沖電磁場分布問題，主要參數(shù)按照2.1節(jié)中有關(guān)數(shù)據(jù)給出；由COMSOL軟件計(jì)算出電磁場分布，統(tǒng)計(jì)線纜周圍的電磁場強(qiáng)度，將其作為線纜耦合仿真的激勵(lì)源；通過CST軟件中的線纜庫可以根據(jù)實(shí)際線纜型號(hào)快捷地建立線纜的模型；在電路模塊中給線纜的各端口進(jìn)行匹配電阻、接地、探針等設(shè)置。通過CST軟件進(jìn)行線纜耦合仿真時(shí)選擇傳輸線矩陣法進(jìn)行求解。電場屏蔽效能公式使用公式SE=20lg(E1E2? ) 計(jì)算。

圖6 方艙建模Fig.6 Square cabin modeling

圖7 六角窗防護(hù)結(jié)構(gòu)模型Fig.7 Model of hexagonal window protection structure

圖8 反射式百葉窗模型Fig.8 Model of Reflective shutter

表5 仿真計(jì)算結(jié)果Table 5 Simulation result of protection

3.3.2 整艙電磁屏蔽效能試驗(yàn)測試

按照《軍用電子設(shè)備方艙屏蔽效能測試方法》（GJB6785-2009）進(jìn)行方艙屏蔽效能測試，測試頻點(diǎn)：14kHz、200kHz、450MHz、950MHz、3GHz、6GHz、10GHz、18GHz。測量儀器：發(fā)射信號(hào)源為10kHz～18GHz鎖相信號(hào)源。測試結(jié)果表明艙體整體屏蔽性能大于40dB。

4 結(jié)論

通過分析車載指揮信息系統(tǒng)在戰(zhàn)場上面臨的電磁環(huán)境，確定了電磁安全防護(hù)需求，開展車載廂體結(jié)構(gòu)、重要管線、門窗、通風(fēng)口、天線等重要部件的防護(hù)，綜合采用先進(jìn)屏蔽材料與結(jié)構(gòu)、電磁脈沖抑制器/濾波器、接地方式等防護(hù)手段，優(yōu)化組合，形成了強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)方案；開展關(guān)鍵器件防護(hù)性能驗(yàn)證性試驗(yàn)，仿真和試驗(yàn)方法相結(jié)合對防護(hù)整體性能進(jìn)行評估，結(jié)果表明該樣間防護(hù)性能良好，防護(hù)方案可行性高，可以應(yīng)用于類似方艙的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在后續(xù)的研究中，可以進(jìn)一步考慮聲屏蔽和激光振動(dòng)竊聽等信息泄露途徑的防護(hù)，進(jìn)一步提高車載指揮信息系統(tǒng)的戰(zhàn)場綜合信息安全性。