車輛平臺(tái)電磁安全威脅量化分析*

鄭浩月，賀志昂，宋 滔，陳益龍，賀 宇，何小東

（1.中國電子科技網(wǎng)絡(luò)信息安全有限公司，四川 成都 610041；2.東風(fēng)越野車有限公司，湖北 十堰 442000）

0 引 言

復(fù)雜電磁環(huán)境下，電磁安全威脅與防護(hù)問題日益突出，電子設(shè)備和計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)成為強(qiáng)電磁脈沖攻擊的“頭號目標(biāo)”[1]。作為重要機(jī)動(dòng)指揮與任務(wù)保障的車輛平臺(tái)，電子化程度越來越高，車輛行車控制、通信保障等計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)不斷增加，車輛內(nèi)部鏈路數(shù)激增，導(dǎo)致電磁脈沖敏感源和耦合路徑不斷增多。信息化水平在提高車輛平臺(tái)任務(wù)保障能力的同時(shí)，使得其面臨著越來越嚴(yán)重的強(qiáng)電磁脈沖攻擊威脅。為了提升車輛平臺(tái)在強(qiáng)電磁環(huán)境條件下的適應(yīng)性，首先要獲取脈沖能量在車輛內(nèi)部耦合產(chǎn)生的效應(yīng)數(shù)值，其次評估強(qiáng)電磁脈沖對車輛產(chǎn)生的威脅程度，最后有針對性地進(jìn)行電磁安全防護(hù)設(shè)計(jì)。本文從強(qiáng)電磁脈沖對車輛平臺(tái)的耦合路徑和毀傷效應(yīng)兩方面進(jìn)行電磁安全威脅分析研究，建立電磁仿真模型，量化分析在50 kV/m核電磁脈沖攻擊下車輛平臺(tái)的效應(yīng)數(shù)值，以期為電磁安全防護(hù)的設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)輸入和理論支撐。

1 強(qiáng)電磁脈沖耦合機(jī)理

強(qiáng)電磁脈沖輻射源是一種利用強(qiáng)電磁能量對目標(biāo)進(jìn)行攻擊的裝置，從產(chǎn)生形式上分為高空核電磁脈沖、高功率微波以及電磁炸彈。輻射源以高功率、寬頻譜的方式對目標(biāo)進(jìn)行輻射，使得電子設(shè)備感應(yīng)電壓強(qiáng)度超過器件耐壓閾值，從而造成系統(tǒng)損壞或癱瘓[1]。

車輛平臺(tái)電子設(shè)備分布在任務(wù)系統(tǒng)和底盤電氣系統(tǒng)中。任務(wù)系統(tǒng)主要指通信系統(tǒng)，包含車輛艙室內(nèi)接收設(shè)備和車頂天線兩部分。底盤電氣系統(tǒng)主要由電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU）、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及內(nèi)部的信號傳輸線纜組成。強(qiáng)電磁脈沖通過“前門”耦合和“后門”耦合兩種方式將脈沖能量耦合到車輛平臺(tái)電子設(shè)備中， 如圖1所示。

圖1 強(qiáng)電磁脈沖耦合途徑

“前門”耦合的主要對象是帶有天線的任務(wù)系統(tǒng)。電磁脈沖能量通過前門耦合進(jìn)入接收設(shè)備，并在車輛內(nèi)部形成強(qiáng)電磁輻射場，對車內(nèi)電子設(shè)備產(chǎn)生作用。“后門”耦合的主要對象是車體縫隙、玻璃、孔洞以及處于輻射區(qū)域的底盤電控系統(tǒng)線纜等。強(qiáng)電磁脈沖通過后門耦合進(jìn)入車輛內(nèi)部，對車內(nèi)電子設(shè)備及車輛平臺(tái)電控系統(tǒng)產(chǎn)生作用。

強(qiáng)電磁脈沖產(chǎn)生的高電壓大電流對電子設(shè)備產(chǎn)生高壓擊穿、微波加熱、器件燒毀、電涌浪擊、瞬態(tài)干擾等效應(yīng)，從而導(dǎo)致車輛平臺(tái)任務(wù)系統(tǒng)功能失效或車輛喪失機(jī)動(dòng)性[2]。

2 強(qiáng)電磁脈沖作用效應(yīng)

強(qiáng)電磁脈沖作用效應(yīng)是指電磁脈沖源產(chǎn)生電磁脈沖能量，通過各種耦合途徑將電磁能量傳輸?shù)矫舾性O(shè)備，從而對敏感設(shè)備的正常運(yùn)行造成影響的過程。如表1所示，根據(jù)不同作用級別，將強(qiáng)電磁脈沖對目標(biāo)的作用效應(yīng)分為功能紊亂和系統(tǒng)毀傷[3]。

表1 強(qiáng)電磁脈沖對電子設(shè)備的作用效應(yīng)

功能紊亂是指電磁脈沖能量造成的瞬態(tài)干擾電壓進(jìn)入目標(biāo)電路的信號傳輸鏈路中，電路中原始信息沒有改變，但在傳輸途中被干擾，導(dǎo)致輸出結(jié)果發(fā)生變化，使得系統(tǒng)功能異常。通信系統(tǒng)鏈路被干擾會(huì)引起通信中斷，喪失任務(wù)功能或降低功能指標(biāo)。底盤電控系統(tǒng)鏈路被干擾會(huì)引起控制電路邏輯指令出錯(cuò)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作紊亂，導(dǎo)致車輛工作異常。

系統(tǒng)毀傷是指進(jìn)入電子設(shè)備的強(qiáng)電磁脈沖能量在設(shè)備元器件上或組件輸入端產(chǎn)生的電流、電壓超過元器件本身的閾值，造成器件或組件的擊穿、燒毀等永久性失效。任務(wù)系統(tǒng)中的通信電臺(tái)、信息處理設(shè)備以及電控系統(tǒng)中的電控單元（ECU）和各類傳感器基本都是集成電路，其受損或被破壞的效應(yīng)閾值非常低。在功率密度為1～100 W/cm2（自由空間條件下，波阻抗為120 Ω，計(jì)算得出的場強(qiáng)值為2 000～20 000 V/m）的電磁脈沖環(huán)境下，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中敏感器件將會(huì)發(fā)生物理性損毀[3]。

3 強(qiáng)電磁脈沖效應(yīng)量化計(jì)算

3.1 算法描述

電子設(shè)備在高場強(qiáng)高電壓下會(huì)產(chǎn)生功能紊亂和系統(tǒng)毀傷效應(yīng)。為了對車輛平臺(tái)進(jìn)行電磁安全防護(hù)設(shè)計(jì)，需要知道強(qiáng)電磁脈沖攻擊環(huán)境下，響應(yīng)場強(qiáng)和電壓是否達(dá)到了功能紊亂和系統(tǒng)毀傷的量值。一般通過攻擊效應(yīng)試驗(yàn)測試或理論計(jì)算的方法，得到車輛內(nèi)部產(chǎn)生的場強(qiáng)和電子設(shè)備上耦合到的瞬態(tài)電壓值。

車輛平臺(tái)尺寸較大，攻擊試驗(yàn)實(shí)施難度高，且屬于毀傷性試驗(yàn)，試驗(yàn)成本高昂。因此，在前期研究過程中，采取數(shù)學(xué)計(jì)算方式，將其等效為電磁場工程問題進(jìn)行理論求解。電磁場工程問題的解決一般要進(jìn)行理論公式推導(dǎo)，建立解析方程，然后求出精確解。對于車輛平臺(tái)這種復(fù)雜目標(biāo)，只能將物理問題抽象為計(jì)算模型，借助計(jì)算機(jī)仿真模擬，采用電磁場仿真算法，即可用仿真結(jié)果實(shí)現(xiàn)物理問題的求解。

電磁場數(shù)值仿真的計(jì)算方法有多種，如時(shí)域有限差分法（Finite Difference Time Domain，F(xiàn)DTD）、 有限元法（Finite Element Method，F(xiàn)EM）、矩量法（Method of Moments，MOM）和時(shí)域有限積分法（Finite Integration Time Domain，F(xiàn)ITD）。每個(gè)算法都有對應(yīng)解決問題的類型。車輛平臺(tái)結(jié)構(gòu)尺寸較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且強(qiáng)電磁脈沖在頻譜上呈現(xiàn)寬頻瞬態(tài)特征。因此，選用時(shí)域有限積分法（FITD）進(jìn)行強(qiáng)電磁脈沖模擬攻擊的仿真計(jì)算，建立仿真模型，通過一次激勵(lì)求解整個(gè)寬頻帶的瞬態(tài)響應(yīng)結(jié)果。

3.2 計(jì)算機(jī)建模

強(qiáng)電磁脈沖攻擊效應(yīng)發(fā)生的三要素是攻擊源（源）、傳輸路徑（路徑）和被攻擊目標(biāo)（受體），因此需要對三要素進(jìn)行計(jì)算機(jī)建模。

攻擊源建模時(shí)需要考慮脈沖能量的峰值大小、攻擊范圍以及能量在頻譜上的分布。高空核電磁脈沖具有攻擊范圍廣、場強(qiáng)幅度大、頻譜分布寬的特點(diǎn)，且脈沖能量分布在100 MHz以下[4]。車輛平臺(tái)任務(wù)系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的超短波通信電臺(tái)和底盤電控系統(tǒng)信號工作頻率都在100 MHz以下。高空核電磁脈沖能量通過輻射方式在攻擊目標(biāo)的工作頻率范圍內(nèi)進(jìn)行耦合，會(huì)對電子設(shè)備和電子系統(tǒng)產(chǎn)生更大毀傷，因此將高空核電磁脈沖參數(shù)作為典型輻射源進(jìn)行輻射源建模。

高空核電磁脈沖在理想遠(yuǎn)場輻射條件下，等效為在自由空間傳輸?shù)钠矫娌ǎ臻g波阻抗為120π Ω，時(shí)域波形用雙指數(shù)函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式表示：

式中，E0為峰值場強(qiáng)，量值為50 kV/m，k為修正系數(shù)，α為表征脈沖前沿的參數(shù)，β為表征脈沖后沿參數(shù)。表2中列出了幾種主要的電磁脈沖波形表達(dá)式參數(shù)，tr為上升時(shí)間，tf為衰落時(shí)間。

表2 三種常用高空核電磁脈沖波形參數(shù)

與貝爾實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)和1976年出版物標(biāo)準(zhǔn)相比，IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的高空核電磁脈沖波形前沿和持續(xù)時(shí)間大大減小，脈沖的前沿非常陡峭，高頻成分更加豐富，對系統(tǒng)的抗電磁脈沖能力提出了更高要求[4]。因此，選用IEC標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行建模，激勵(lì)源時(shí)域波形如圖2所示。

圖2 電磁脈沖的時(shí)域波形

被攻擊目標(biāo)（車輛平臺(tái)）模型要素包括前門耦合和后門耦合兩種耦合途徑。超短波天線模擬前門耦合途徑，電磁脈沖能量通過信號接收通道進(jìn)行耦合，考察天線端口50 Ω負(fù)載電壓和瞬時(shí)電壓在車體內(nèi)部形成的場強(qiáng)。車體結(jié)構(gòu)為理想金屬材料，不透射電磁能量，考察電磁脈沖能量通過縫隙、玻璃進(jìn)入車體內(nèi)感應(yīng)形成的場強(qiáng)和在車輛底盤電氣系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的瞬時(shí)電壓。被攻擊目標(biāo)（車輛平臺(tái)）三維模型如圖3所示。

圖3 車輛平臺(tái)模型

基于計(jì)算機(jī)輔助建模，建立強(qiáng)電磁脈沖攻擊模型，如圖4所示，由輻射源①、傳輸路徑②和攻擊目標(biāo)③組成。

圖4 強(qiáng)電磁脈沖攻擊模型

3.3 量化分析

3.3.1 天線系統(tǒng)耦合計(jì)算

車載超短波天線在50 kV/m強(qiáng)電磁信號的輻照下，天線端口耦合到的電壓瞬態(tài)響應(yīng)和經(jīng)由天線端口在車體內(nèi)產(chǎn)生的場強(qiáng)響應(yīng)結(jié)果如圖5、圖6所示。超短波天線端口耦合電壓達(dá)到1.4 kV，足以燒毀許多電子元器件；微處理器的損壞電壓為5 V，存儲(chǔ)器的毀壞電壓為7～15 V；由超短波天線耦合的能量在車內(nèi)形成的場強(qiáng)達(dá)到4 000 V/m（自由空間條件下，波阻抗為120π，等效功率密度為 32 W/cm2）。由表1可知，載體的金屬表面產(chǎn)生感應(yīng)電流、電壓，通過導(dǎo)體、電纜和各種縫隙耦合到平臺(tái)內(nèi)其他任務(wù)電子設(shè)備中，造成敏感器件發(fā)生物理性損毀，導(dǎo)致任務(wù)系統(tǒng)功能喪失。

圖5 天線端口耦合電壓

圖6 天線耦合產(chǎn)生的場強(qiáng)響應(yīng)

3.3 .2 車輛艙體耦合效應(yīng)

車輛艙體主要包含基本艙體結(jié)構(gòu)、車窗和縫隙等。基本艙體結(jié)構(gòu)由金屬材料組成，厚度大，電磁場屏蔽效能好。因此，設(shè)定強(qiáng)電磁脈沖能量通過車窗玻璃、縫隙等后門耦合的方式進(jìn)入車輛內(nèi)部。玻璃、縫隙耦合產(chǎn)生的場強(qiáng)響應(yīng)，如圖7所示。

強(qiáng)電磁脈沖通過后門耦合方式，以縫隙和玻璃兩種途徑進(jìn)入車輛艙室內(nèi)部，形成的電場場強(qiáng)瞬態(tài)值超過了5 000 V/m。這種后門耦合產(chǎn)生的場強(qiáng)比由天線系統(tǒng)前門耦合產(chǎn)生的場強(qiáng)瞬態(tài)值還要高，對艙室內(nèi)電子設(shè)備同樣造成了巨大威脅。

3.3 .3 底盤電控系統(tǒng)耦合效應(yīng)

車輛底盤電控系統(tǒng)由傳感器器、ECU和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。ECU包含了輸入、輸出以及微處理器三部分，其中微處理器包含控制模塊、存儲(chǔ)模塊、驅(qū)動(dòng)模塊和信號處理模塊等，最易受到強(qiáng)電磁脈沖的干擾，從而影響電控系統(tǒng)的正常工作。ECU內(nèi)部的控制部分根據(jù)傳感器返回的輸入信號發(fā)出相應(yīng)的執(zhí)行指令，通過輸出鏈路將指令傳輸?shù)綀?zhí)行器。因此，將ECU中的通信鏈路作為重點(diǎn)分析對象，建立通信線路耦合模型，設(shè)置單線線纜Le1、Le2表示ECU內(nèi)部的線纜結(jié)構(gòu)。兩線纜的四個(gè)端口分別表示為Necu1、Necu2、Necu3和Necu4，模型 如圖8所示。

圖7 玻璃、縫隙耦合產(chǎn)生的場強(qiáng)響應(yīng)

圖8 底盤電控系統(tǒng)模型

在50 kV/m的強(qiáng)電磁脈沖環(huán)境，各個(gè)線纜端所耦合到的電壓如圖9～圖12所示。

圖9 Necu1端口耦合電壓

圖10 Necu2端口耦合電壓

圖11 Necu3端口耦合電壓

圖12 Necu4端口耦合電壓

線纜端口Necu1耦合到的電壓值在600～1 000 V， 線纜端口Necu2耦合到的電壓值在500～800 V，線纜端口Necu3耦合到的電壓值在500～600 V，線纜端口Necu4耦合到的電壓值在600～700 V。由仿真結(jié)果可知，車輛ECU傳輸鏈路上耦合到的電壓為500～1 000 V。

車輛ECU不是一個(gè)單獨(dú)的模塊，有電源輸入輸出、信號接收和信號輸出。它與執(zhí)行器模塊、傳感器模塊、電源模塊以及總線模塊等都是物理連接，造成了其他關(guān)聯(lián)模塊上承受500～1 000 V的瞬時(shí)脈沖電壓。同時(shí)，車輛電控系統(tǒng)信號傳輸線纜，CAN總線、電源線都是沒有屏蔽的普通導(dǎo)線，強(qiáng)電磁脈沖能量也很容易從這些線纜耦合到信號鏈路中。

電磁脈沖干擾耦合對電子器件和信號鏈路產(chǎn)生的亂真響應(yīng)，會(huì)使信號傳輸和指令控制產(chǎn)生紊亂，造成車輛發(fā)動(dòng)機(jī)工作異常。車輛上采用的電子控制單元，都由微處理單元和其他半導(dǎo)體器件組成。模塊之間輸入輸出鏈路中都是弱電模擬信號或者邏輯時(shí)序信號，如油門信號范圍為0.75～2.2 V，排氣制動(dòng)信號為0.5～5 V，油軌壓力傳感器為0.5～5 V，轉(zhuǎn)速傳感器信號為5 V等。這些信號都是保障車輛正常工作的關(guān)鍵控制信號。速度/正時(shí)傳感器、壓力傳感器以及溫度傳感器等設(shè)備，在高壓信號干擾下，傳感器發(fā)生損壞或者數(shù)據(jù)回傳信號失真。發(fā)動(dòng)機(jī)控制電路在強(qiáng)電壓沖擊下也可能被損壞，或者控制鏈路上的執(zhí)行信號失真。上述情形的發(fā)生都可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)在控制噴油時(shí)間、噴油量時(shí)序上出現(xiàn)問題。發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，對于噴油時(shí)序、噴油量有嚴(yán)格要求。噴油時(shí)序紊亂，噴油量過多或者過少，都會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)熄火。對于這種情況，國內(nèi)已經(jīng)研制出了電磁脈沖車輛迫停裝置，通過電磁脈沖影響發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)中發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油時(shí)序和噴油量使發(fā)動(dòng)機(jī)熄火，從而達(dá)到車輛停止的目的[5-6]。因此，強(qiáng)電磁脈沖對電控系統(tǒng)的耦合量級會(huì)讓車輛平臺(tái)喪失機(jī)動(dòng)性。

4 結(jié) 語

隨著技術(shù)的發(fā)展，車輛信息化水平和強(qiáng)電磁脈輻射源的技術(shù)水平都進(jìn)入快速發(fā)展期，導(dǎo)致車輛平臺(tái)電磁安全面臨的威脅變得更加現(xiàn)實(shí)。本文基于電磁場仿真算法，對強(qiáng)電磁脈沖在車輛平臺(tái)上產(chǎn)生的效應(yīng)進(jìn)行量化計(jì)算和分析。結(jié)果表明，強(qiáng)電磁脈沖產(chǎn)生的瞬時(shí)脈沖能量通過前門耦合和后門耦合對車輛任務(wù)電子裝備和底盤電子設(shè)備造成的威脅量級足以使其喪失功能或者損毀。研究成果為電磁安全防護(hù)工程設(shè)計(jì)人員提供了量化指標(biāo)和設(shè)計(jì)輸入，對車輛平臺(tái)提升抗電磁攻擊性能具有重要意義。