王彪，李小健，熊瑛

（中國北方車輛研究所，北京 100071）

引言

隨著人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的不斷發(fā)展，未來地面戰(zhàn)場無人化、智能化、類人化的程度將會越來越高，促使陸軍武器裝備體系朝著無人化方向發(fā)展[1,2]。近期俄烏戰(zhàn)爭中，俄羅斯首次出動了具備人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)能力的“標(biāo)記”無人戰(zhàn)車，該車作為俄軍當(dāng)下地面智能化無人戰(zhàn)斗車輛的典型車輛，在戰(zhàn)場上除了承擔(dān)相應(yīng)的偵察、運輸、通信以及搜救任務(wù)外，還擔(dān)任著以單車或小編隊偷襲、伏擊以及人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)等在內(nèi)的多種地面作戰(zhàn)任務(wù)，從而讓俄軍能以最小的作戰(zhàn)成本摧毀更多烏克蘭軍隊的作戰(zhàn)力量[3,4]。

無人戰(zhàn)車以其機(jī)動性高、隱蔽性好、火力強(qiáng)大且精度高等優(yōu)點，在作戰(zhàn)過程中遭到攻擊，也不會危害到遠(yuǎn)程操縱人員的生命安全。從技術(shù)層面上看，無人戰(zhàn)車作戰(zhàn)性能的運轉(zhuǎn)離不開電磁環(huán)境這個關(guān)鍵因素，也正是無人戰(zhàn)車對電磁環(huán)境的高度依賴，而導(dǎo)致無人戰(zhàn)車存在這個致命弱點[5]。在現(xiàn)代信息化的戰(zhàn)爭中，面臨日益復(fù)雜的電磁環(huán)境，如何提高無人戰(zhàn)車抗電磁干擾能力，保障取得戰(zhàn)爭勝利的主動權(quán)，已成為當(dāng)前對無人戰(zhàn)車的一個重要課題。重慶理工大學(xué)魯毅學(xué)者通過仿真手段對整車抗電磁干擾性能進(jìn)行了預(yù)測，研究了車輛內(nèi)部電場的分布情況，確定了車載天線的準(zhǔn)確建模對于提高整車抗電磁干擾仿真精度的重要性[6]。符興鋒學(xué)者針對車載動力電池包在充電和使用過程中存在的電磁干擾問題進(jìn)行了研究，通過重新設(shè)計電池包管理系統(tǒng)的硬件電路，提高電池管理系統(tǒng)的抗電磁干擾性能[7]。徐文兵學(xué)者通過研究無人電車電源管理系統(tǒng)的電磁干擾問題，通過硬件隔離和軟件濾波結(jié)合手段，提高電源管理系統(tǒng)的抗干擾性能。藺安坤學(xué)者通過對車載通信總線的場線耦合及其防護(hù)性能進(jìn)行研究，確定了通信總線終端模型、場線耦合模型及其防護(hù)屏蔽效能仿真模型等，從而提高車載總線在負(fù)載電磁環(huán)境下的抗電磁干擾性能[8]。Paul學(xué)者基于多導(dǎo)體傳輸線理論建立了多芯屏蔽電纜評估法，通過將多芯屏蔽電纜的內(nèi)導(dǎo)體、屏蔽層以及屏蔽層外等效為傳輸線，建立控制方程，從而得到了傳輸線上的耦合電壓和電流[9]。意大利的M.D Amore學(xué)者通過將空間電磁場與屏蔽電纜間的耦合問題等效成內(nèi)外傳輸線系統(tǒng)問題，通過轉(zhuǎn)移阻抗及轉(zhuǎn)移導(dǎo)納將其聯(lián)系在一起進(jìn)行分析[10]。

本文從戰(zhàn)場電磁環(huán)境對無人戰(zhàn)車的影響因素入手，分析無人戰(zhàn)車的電磁損傷現(xiàn)象，提出增強(qiáng)無人戰(zhàn)車抗電磁干擾能力的對策，為降低電磁環(huán)境對無人戰(zhàn)車的影響提供技術(shù)支撐。

1 戰(zhàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境

1.1 戰(zhàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境構(gòu)成

戰(zhàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境是信息化時代的產(chǎn)物，現(xiàn)代軍事行動從“有形”物理世界進(jìn)入到電磁場與電磁波構(gòu)成的“無形”物理世界后，敵我雙方激烈對抗下產(chǎn)生的全頻譜、多類型、高密度的電磁輻射信號，以及我方大量使用電子設(shè)備引起的相互影響和干擾，造成在頻譜上擁擠重疊、空域上縱橫交錯、時域上突發(fā)多變，對戰(zhàn)場上無人戰(zhàn)車作戰(zhàn)效能的發(fā)揮產(chǎn)生嚴(yán)重的影響[11,12]?，F(xiàn)代戰(zhàn)場電磁環(huán)境由自然環(huán)境干擾源和人為電磁干擾源組成，其中自然環(huán)境干擾源分為雷電電磁輻射源、靜電放電電磁輻射源、地球和大氣層電磁場、以及太陽系和星際電磁輻射源；人為電磁干擾源分為無意干擾源和有意干擾源，無意干擾源由系統(tǒng)內(nèi)電磁干擾和系統(tǒng)外電磁感染組成，有意干擾源包括電子戰(zhàn)、強(qiáng)電磁脈沖和定向能武器等。

1.2 戰(zhàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境特征

由于戰(zhàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境受參戰(zhàn)地域裝備的分布情況、工作頻率、輻照場強(qiáng)、輻照方式、所處地理環(huán)境、氣象條件等多種因素的影響，戰(zhàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境特征主要表現(xiàn)為：種類多樣性、空間交織性、頻譜重疊性、以及能域不均勻性[13,14]。

1）種類多樣性。從戰(zhàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境構(gòu)成可以看出，干擾源包括敵我雙方進(jìn)行有意干擾時發(fā)射的電磁波和電子設(shè)備產(chǎn)生的電磁能量，還有系統(tǒng)內(nèi)外的人為電磁無意干擾源以及自然界產(chǎn)生的干擾源等。由于電子技術(shù)的不斷發(fā)展，各種雷達(dá)、通信等電子設(shè)備使用了更加復(fù)雜的電磁波信號形式。目前世界上通信信號種類多達(dá)上百種，進(jìn)一步增加了電磁環(huán)境的復(fù)雜性。

2）空間交織性。在戰(zhàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境中，敵我雙方為削弱甚至破壞對方電子裝備作戰(zhàn)性能，保障己方設(shè)備性能的正常工作，將會在陸地、海上、空中乃至太空等多維空間開展電磁頻譜主導(dǎo)權(quán)的戰(zhàn)爭。敵我雙方相互爭奪和使用的電磁空間里，由于電磁頻譜獨特的物理特性，使得雙方的電磁信號相互交織在一起。主要表現(xiàn)在空域上的縱橫交叉、時域上的連續(xù)交錯、頻域上的密集重疊和能域上的強(qiáng)弱參差。

3）頻譜重疊性。由于電子信息技術(shù)飛速發(fā)展，在一定頻域、時域、空域上的電子信息裝備大量使用，使得電磁波更加密集、工作頻率越加集中，導(dǎo)致戰(zhàn)場上電磁環(huán)境更加惡劣，使得戰(zhàn)場上電磁信號所占頻譜越占越寬。

4）能域不均勻性。在信息化戰(zhàn)場上，由于輻射源種類繁多、電波傳播過程中各種傳播因素影響以及敵我雙方電磁攻擊目標(biāo)位置不同，致使戰(zhàn)場電磁能域隨雙方在電磁斗爭態(tài)勢的不斷變化而變化，導(dǎo)致戰(zhàn)場空間電磁能量時高時低，很不均勻，并且有些地方能量集中，有些地方能量分散。

2 戰(zhàn)場電磁環(huán)境中無人戰(zhàn)車面臨的挑戰(zhàn)

無人戰(zhàn)車作戰(zhàn)效能是通過準(zhǔn)確獲取電磁信號為基礎(chǔ)的，信息化戰(zhàn)場上電磁環(huán)境異常復(fù)雜使得作戰(zhàn)信息獲取通道不暢，準(zhǔn)確、及時感知戰(zhàn)場態(tài)勢難度增大，導(dǎo)致無人戰(zhàn)車作戰(zhàn)效能下降。

2.1 降低作戰(zhàn)指揮的可靠性

無人戰(zhàn)車作為未來戰(zhàn)場的神經(jīng)中樞，擔(dān)負(fù)著作戰(zhàn)指揮、情報傳遞、保障預(yù)警、導(dǎo)航制導(dǎo)等多種作戰(zhàn)任務(wù)，極易受到敵方的有意干擾和己方的無意干擾，影響無人戰(zhàn)車對戰(zhàn)場態(tài)勢感知判斷的準(zhǔn)確性。尤其是新型電子裝備不斷涌現(xiàn)并投入戰(zhàn)場，使得運載平臺向多維化、立體化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，被裝配在無人戰(zhàn)車上的通信設(shè)備，面臨與中繼設(shè)備、定位設(shè)備、數(shù)據(jù)終端、武器控制等多種電子設(shè)備共同生存的復(fù)雜電磁環(huán)境。多種用頻設(shè)備被集中在一定區(qū)域中，往往會導(dǎo)致有限頻帶內(nèi)工作頻點密集、單位空間中功率密度大，高靈敏度接收設(shè)備與大功率發(fā)射設(shè)備共存等問題，使得原本有限的空間內(nèi)電磁頻譜更加擁擠。觀測和感知戰(zhàn)場態(tài)勢的過程本質(zhì)是從電磁環(huán)境中獲取有用信號的過程，復(fù)雜擁擠的電磁環(huán)境將嚴(yán)重干擾無人戰(zhàn)車戰(zhàn)場態(tài)勢感知的能力。戰(zhàn)場電磁信號的紛繁復(fù)雜導(dǎo)致電子設(shè)備戰(zhàn)場感知錯亂，從而降低無人戰(zhàn)車戰(zhàn)場感知的準(zhǔn)確性。

信息化戰(zhàn)場上，無人戰(zhàn)車之間以及無人戰(zhàn)車與指揮平臺之間的聯(lián)系，都需要通過電磁波傳遞數(shù)據(jù)、指令以及協(xié)同信息。由于戰(zhàn)場上雜亂無章的電磁輻射在空域上交錯、時域上集中、頻域上擁擠、能域上起伏，使戰(zhàn)車無線通信性能降低。尤其是新型用頻裝備不斷涌現(xiàn)并投入戰(zhàn)場，使得運載平臺向多維化、立體化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，被裝配在無人戰(zhàn)車上的通信設(shè)備，面臨與中繼設(shè)備、定位設(shè)備、數(shù)據(jù)終端、武器控制等多種電子設(shè)備共同生存的復(fù)雜電磁環(huán)境。多種用頻設(shè)備集中在一定區(qū)域中，往往會導(dǎo)致：有限頻帶內(nèi)工作頻點密集、單位空間中功率密度大，高靈敏度接收設(shè)備與大功率發(fā)射設(shè)備共存等問題，使得原本有限的空間內(nèi)電磁頻譜更加擁擠。復(fù)雜擁擠的電磁環(huán)境將干擾通信設(shè)備的正常工作，大大縮短通信距離，并使語音通話質(zhì)量變差、噪聲增大、誤碼率提高，甚至通信信道阻塞進(jìn)而導(dǎo)致整個通信系統(tǒng)癱瘓。從而影響無人戰(zhàn)車協(xié)同作戰(zhàn)的性能，導(dǎo)致作戰(zhàn)指揮的可靠性和穩(wěn)定性面臨威脅。

2.2 影響戰(zhàn)車電磁兼容性能

無人戰(zhàn)車是無人系統(tǒng)向更高技術(shù)和更強(qiáng)作戰(zhàn)能量方向深入發(fā)展的一種全新武器系統(tǒng)，內(nèi)部含有多種高低壓用電設(shè)備高壓大功率供配電設(shè)備、電能傳輸系統(tǒng)、以及控制裝置等等。戰(zhàn)車內(nèi)部的多種電壓設(shè)備的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致車內(nèi)存在更多的干擾源和耦合路徑，電源變換裝置中開關(guān)功率器件的高頻開關(guān)動作會產(chǎn)生大量電磁噪聲，給設(shè)備自身和車倆內(nèi)部其他設(shè)備的電磁安全帶來嚴(yán)重隱患。一方面，無人裝備瓶體內(nèi)部包含信號采集、低壓控制等低壓敏感部件，抗擾能力有限。另一方面，平臺內(nèi)部存在眾多的電磁敏感單元，在遭受一定量級的電磁干擾時，極有可能導(dǎo)致性能下降或失效。無人裝備典型故障現(xiàn)象包括總線錯誤幀突增，控制失效、高壓掉線、傳感器信號采集錯誤等。

2.3 戰(zhàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境特征

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)飛速發(fā)展，基于電磁技術(shù)的作戰(zhàn)系統(tǒng)和電磁武器裝備正在加速改變現(xiàn)代戰(zhàn)爭的作戰(zhàn)體系和攻防樣式。戰(zhàn)場上無人戰(zhàn)車作戰(zhàn)行動依賴電磁信號，而異常復(fù)雜的電磁環(huán)境對無人戰(zhàn)車的戰(zhàn)場生存能力產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。對無人戰(zhàn)車造成損害的主要形式有：電效應(yīng)損傷和熱效應(yīng)損傷。電效應(yīng)損傷是高功率輻射源發(fā)射的輻射信號輻照在無人戰(zhàn)車金屬外表或傳輸線上而產(chǎn)生的耦合電壓或耦合電流，從而對無人戰(zhàn)車內(nèi)部電子設(shè)備造成損害；熱效應(yīng)損傷是無人戰(zhàn)車在高功率微波源的輻照下，內(nèi)部熱量聚集而產(chǎn)生損傷的現(xiàn)象。戰(zhàn)場上電磁干擾信號通過前門和后門等各種途徑耦合到無人站車內(nèi)部，對其造成瞬時干擾甚至永久性損傷。半導(dǎo)體器件作為電子系統(tǒng)中最為重要的組成部分，是最為敏感和最為脆弱的單元，在強(qiáng)電磁脈沖作用下極易受到損傷。

在強(qiáng)電磁脈沖輻射下，半導(dǎo)體器件所表現(xiàn)出的失效模式主要有：高壓擊穿，電磁波被接受后轉(zhuǎn)化成高電壓或大電流，回導(dǎo)致結(jié)點、部件或回路之間的擊穿效應(yīng)；器件燒毀，包括半導(dǎo)體器件的結(jié)燒毀、連線熔斷等；電涌沖擊，脈沖高電壓、大電流進(jìn)入到系統(tǒng)內(nèi)部，會像電涌一樣對器件進(jìn)行燒毀；瞬時干擾，當(dāng)進(jìn)入較低功率干擾時，導(dǎo)致電路出現(xiàn)干擾現(xiàn)象，影響其正常工作。

3 戰(zhàn)場電磁環(huán)境中無人戰(zhàn)車的應(yīng)對策略

3.1 增強(qiáng)抗干擾通信技術(shù)

現(xiàn)代戰(zhàn)爭不再是裝備性能的單純比拼，而是作戰(zhàn)體系的綜合對抗，考驗陸、海、空、天多軍中協(xié)同作戰(zhàn)能力。在戰(zhàn)場頻域、時域、空域上，敵我雙方大量使用電子設(shè)備，電磁波異常密集，工作頻率十分集中，導(dǎo)致戰(zhàn)場上的電磁環(huán)境極端復(fù)雜。為保障無人戰(zhàn)車通信系統(tǒng)的正常工作，解決自組網(wǎng)、測控鏈、探測雷達(dá)等用頻設(shè)備的自擾、互擾問題，就必須提高其抗干擾性能。而提高通訊抗干擾技術(shù)主要采用的手段：調(diào)頻技術(shù)、擴(kuò)頻技術(shù)、智能天線技術(shù)和多手段融合技術(shù)。

調(diào)頻技術(shù)可以根據(jù)給定規(guī)律，進(jìn)行無線電頻率跳變，頻率帶寬越寬、跳變速度越快，抗干擾能力越強(qiáng)。擴(kuò)頻技術(shù)通過把頻譜進(jìn)行擴(kuò)寬，將有用信號隱藏在其中，達(dá)到抗干擾和保密的要求。智能天線技術(shù)由天線陣、波束網(wǎng)絡(luò)、波束算法構(gòu)成，利用智能化算法對陣元信號進(jìn)行調(diào)整，主瓣只服務(wù)于特定用戶，后瓣服務(wù)于非特定用戶，既能減小電磁污染，又能保障用戶通訊質(zhì)量。多手段融合技術(shù)采用多種技術(shù)融合大大提高抗干擾的效果，從而彌補(bǔ)每種抗干擾技術(shù)的局限性。但融合技術(shù)異常復(fù)雜，需要克服技術(shù)難題，降低成本。

3.2 提升電磁兼容性能技術(shù)

無人戰(zhàn)車的電磁兼容性是指無人戰(zhàn)車內(nèi)部設(shè)備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)在共同的電磁環(huán)境中能夠互不干擾，而能夠正常工作的狀態(tài)。無人戰(zhàn)車是集多種高壓大功率設(shè)備、弱電信號控制、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備等多電子設(shè)備于一體的復(fù)雜系統(tǒng)。無人戰(zhàn)車內(nèi)部電磁騷擾源眾多，形成機(jī)理和干擾特性也多種多樣，抑制或消除潛在干擾源，控制輻射發(fā)射和傳導(dǎo)發(fā)射，一般采用屏蔽、接地、濾波等技術(shù)阻斷干擾傳播途徑，提高其電磁兼容性能。

1）屏蔽設(shè)計。屏蔽技術(shù)作為確保無人戰(zhàn)車電磁兼容性能的一項重要參數(shù)，屏蔽提選擇銅、鋁、鋼等高導(dǎo)電的材料或金屬鍍層、導(dǎo)電涂層作為屏蔽材料，減小機(jī)械不連續(xù)性，接縫處保證電連續(xù)性。使用電磁密封材料控制泄漏輻射；對于通風(fēng)口應(yīng)使用直徑足夠小的穿孔金屬板；對于易產(chǎn)生干擾或易受干擾的電纜，采用屏蔽設(shè)計。

2）接地設(shè)計。無人戰(zhàn)車作為一個與地面有相對運動的系統(tǒng)，車體接地點和設(shè)備接地點的距離應(yīng)盡可能接近，還需保證接地線與設(shè)備、車體接地點的電連續(xù)性良好，同時還要保證連接的可靠性。條件允許的情況下，應(yīng)設(shè)置多個相互平行的地線匯流排，確保敏感設(shè)備和強(qiáng)干擾設(shè)備使用不同的接地點。

3）濾波設(shè)計。濾波是用來降低電子器件傳導(dǎo)和提高抗擾度的重要方式。一般安裝在屏蔽體入口處或其周圍，濾波器外殼與支架或車體以低阻抗和低感抗連接，使濾波器漏電流通過低阻抗和低感抗流向車體地；輸入輸出線纜分開布設(shè)，若濾波器裝配區(qū)域處于屏蔽區(qū)外，則濾波器到電子器件之間線路應(yīng)進(jìn)行屏蔽。

4）布線設(shè)計。由于無人戰(zhàn)車內(nèi)部具有多等級電壓的電纜，該電纜之間可能存在容性或感性耦合。若電纜平行敷設(shè)時，就會存在電容耦合，耦合大小取決于電纜平行敷設(shè)長度，電纜間距以及距地面的高度；電感耦合則是在環(huán)形導(dǎo)線內(nèi)產(chǎn)生，耦合強(qiáng)度主要由環(huán)形導(dǎo)線面積決定。

5）電源設(shè)計。供配電網(wǎng)絡(luò)是無人戰(zhàn)車傳播電磁干擾的重要耦合路徑之一。無人戰(zhàn)車的高壓配電和低壓配電應(yīng)采用兩個獨立裝置或采用分倉設(shè)計，盡可能減小設(shè)備內(nèi)部高壓模塊和低壓模塊之間的耦合。為避免用車體作為電源回路，電源系統(tǒng)應(yīng)采用雙線設(shè)計。同時，電源線纜應(yīng)用高編制密度屏體層，所有接插件涂有導(dǎo)電層，安裝時確保電源線連接器與設(shè)備連接處構(gòu)成360°端接。

6）電子元器件合理選取。無人戰(zhàn)車元器件元件應(yīng)選用標(biāo)準(zhǔn)或通用的可靠性器件，避免電子元器件因存在缺陷導(dǎo)致車輛電磁兼容下降。

3.3 影響戰(zhàn)車電磁兼容性能

強(qiáng)電磁脈沖主要攻擊無人戰(zhàn)車電子設(shè)備內(nèi)部的PCB板及電子元器件，通過干擾、翻轉(zhuǎn)、閉鎖甚至燒毀電子元器件及其線路，是電子設(shè)備進(jìn)行誤動作或者功能喪失，從而達(dá)到降低無人戰(zhàn)車作戰(zhàn)效能的目的。強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)不僅要抑制外部電磁脈沖通過各種途徑進(jìn)入到車輛內(nèi)部，還要抑制車輛內(nèi)部的電磁脈沖能力耦合。增強(qiáng)電子設(shè)備自身電磁脈沖防護(hù)能力，首先要對車體屏蔽設(shè)計，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計、搭接設(shè)計、屏蔽材料的使用等措施，提高屏蔽效能；其次采用端口隔離技術(shù)實現(xiàn)對強(qiáng)電磁脈沖產(chǎn)生前門效應(yīng)的天線隔離設(shè)計和進(jìn)出車體的線纜端口隔離設(shè)計，增強(qiáng)端口對電磁脈沖能力的抑制作用；再次通過對線纜屏蔽、線纜搭接優(yōu)化設(shè)計，降低進(jìn)入內(nèi)部的電磁脈沖對線纜的耦合特性；最后應(yīng)用不受電磁干擾影響的光纖信號傳遞技術(shù)，提升無人戰(zhàn)車 的強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)性能。

4 結(jié)束語

無人戰(zhàn)車已成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭地面作戰(zhàn)中不可或缺的軍事力量，如何應(yīng)對戰(zhàn)場惡劣電磁環(huán)境的影響，已成為一個亟待解決的課題。以無人戰(zhàn)車面臨的戰(zhàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境出發(fā)，分析了戰(zhàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境的構(gòu)成和特征，得到了戰(zhàn)場電磁環(huán)境中無人戰(zhàn)車面臨的挑戰(zhàn)，并從抗干擾通信技術(shù)、提高電磁兼容性能技術(shù)以及強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)技術(shù)方面給出了戰(zhàn)場電磁環(huán)境中無人戰(zhàn)車的應(yīng)對策略，為增強(qiáng)無人戰(zhàn)車的電磁安全性能提供了基礎(chǔ)保障。