車載指揮信息系統電磁安全與防護方法研究

肖蕾 沈寶春 張佳男 焦春波 李妍 何相勇

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

0 引言

從近幾年幾場局部戰爭和沖突來看，雙方在電磁領域開展了針鋒相對的戰斗，參戰各方高度重視信息化戰爭下的制電磁權[1,2]，車載指揮信息系統的戰場安全關系著部隊指揮鏈完整和部隊作戰任務順利完成。由于車載指揮信息系統電磁特征顯著[3]，面臨各類偵察監視衛星、察打一體無人機、電磁脈沖炸彈及自然強電磁環境威脅，其戰場生存與安全問題需要引起高度重視。隨著系統集成高度發展，車載指揮信息系統成為一個包含了通信樞紐、會議室、作戰室、指揮中心等多系統、多要素的綜合集成體。由于系統功能復雜、大量電子信息設備集成、面臨多種形式電磁安全風險[4,5,6]：（1）自身的電磁暴露征候，被敵方偵察設備發現；（2）涉密電磁信息泄露，指揮所的關鍵信息被敵方監聽獲取；（3）敵方大功率干擾機、電磁脈沖炸彈、高功率微波武器系統，我方雷達、電子對抗裝備以及雷電等自然電磁環境導致的裝備功能失效、物理損傷等。因此，針對上述設備進行電磁安全防護具有重要的軍事意義。本文在分析指揮方艙結構及其內部主要設備在強電磁脈沖作用下損傷機理和電磁信息泄露途徑的基礎上，根據國軍標要求，研究方艙強電磁環境電磁防護和信息安全方案。

1 車載指揮信息系統面臨的電磁安全問題

1.1 車載指揮信息系統電磁安全風險

1.1.1 電磁特征暴露問題

和地面固定指揮所相似，車載指揮信息系統結構組成復雜，是滿足作戰要求的指揮和會議系統、通信系統、電力系統、機電控制一體化的綜合集成。整個系統具有空間小、設備組成復雜、天線數量多、線纜敷設密集等特點，系統內大量電磁特征顯著的電子電氣設備，這些設備產生的電磁發射信號在通過天線之間耦合及內部導線、共用電源、共用地回路之間耦合等途徑相互干擾的同時，也導致電磁能量向外輻射的問題[7]。這些電磁輻射構成了車載指揮信息系統顯著的電磁特征，極容易被電子偵察衛星、無人機電子偵察吊艙等識別跟蹤，是重要的戰場暴露征候，易引發重大的威脅。

1.1.2 戰場強電磁干擾毀傷問題

戰場強電磁環境主要包括雷電等自然電磁環境、民用電磁環境、己方自擾互擾電磁環境、敵方電磁干擾攻擊環境等。強電磁環境的主要特征是脈沖上升時間短、幅度大、瞬時峰值功率高、頻譜覆蓋寬，能在很寬的頻率范圍內對以“場-場耦合”和“場-線耦合”的方式對指揮車造成干擾和損毀[8]。強電磁能量會通過前門（天饋端口）和后門（電纜、電源線、方艙孔洞和縫隙等）兩種方式耦合進入到各個電子信息系統內部，對電子信息網絡、射頻、通信導航、傳輸鏈路和存儲等系統產生影響和破壞，對車載指揮信息系統影響巨大。

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。從當前公開的文件來看，以美國國家安全局、中央情報局為代表的西方國家安全及情報機構擁有先進網絡技術（Advenced Network Technology，ANT）、Vault7 等全套的涵蓋電磁手段的網絡攻擊工具，具有強大的信息收集和分析能力，可以繞過傳統渠道和主要防護措施，通過未設防或難以設防的部位深入目標網絡或信息系統內部。最新資料表明，美軍將利用“網絡子彈”入侵無線網絡，美MQ-1C“灰鷹”無人機上的干擾吊艙可以對地面所有的評估點進行掃描，利用高性能的電磁信號接收裝備，對紅信號特征標量進行判別及泄漏還原，從而獲得敏感信息，進而識別該區域內的重點目標和網絡薄弱環節。

1.2 研究與工程應用存在的問題

車載指揮信息系統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方面。當前車載指揮信息系統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構：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要部門考慮，電磁干擾與毀傷在作戰（電子對抗）部門考慮；從解決方案上講，電磁兼容在各個配套設備層面解決；信息安全在使用環境由使用單位解決；強電磁環境防護設計更是分散在器件、設備配套部門解決。因此，當前車載指揮信息系統電磁安全存在諸多盲區和空隙帶。綜上所述，在高強度戰場電磁環境和長期作戰機動或者待機條件下，車載指揮信息系統作為前線指揮中樞，是召開各種作戰會議、下達指揮指令等重要場所，現有的防護手段顯著不足，無法滿足電磁防護和信息安全保護的要求。

2 車載指揮信息系統電磁安全與防護解決方案

本文從車載指揮信息系統整體電磁防護出發，按照“理論分析、仿真計算、需求確認、設計試驗、評估優化”的指導思路，選取典型方艙結構與設備、典型強電磁脈沖環境、典型電磁信息泄露途徑開展研究，一體化設計、分項分步驗證、綜合性評估，完成整個指揮車的電磁防護設計。

2.1 典型電磁作用下車載指揮信息系統內外部環境

以作戰演練及其戰場環境分析為依據，參照國軍標及美軍標，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防護的典型電磁環境。其中主要指標有：

2.1.1 核電磁脈沖

GJB151B中RS105規定的試驗波形：波形上升時間tr=1.8ns～2.8ns（允許誤差為10%～90%）；半峰值脈沖寬度：tf=23ns±5ns；持續時間：t=200ns；電場峰值強度為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規定的雷電試驗波形電流分量A：峰值Ip=200kA±10%；上升時間：6.4μs（允許誤差為10%～90%），半峰值脈沖寬度：25.6μs；在總的持續時間不超過t<500us的時間內，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]給出了當前主要類型的高功率微波武器的性能參數，本文研究中參數取峰：頻率從100MHz到3GHz，峰值功率為3GW，脈沖寬度5ns-1us，天線的實際面積為A=120m2，天線的輻射效率為50%。

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

2.2 電磁安全與防護綜合解決方案

2.2.1 艙體強電磁脈沖與電磁安全防護總體設計

根據理論分析與數值仿真研究確定的系統外部和內部的電磁環境，對現有電磁防護與信息安全設計進行優化：（1）艙體結構設計時選用導磁系數高的材料，選用屏蔽材料對艙體表面/蒙皮進行處理，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，還可以采用多層屏蔽；（2）車體結構設計時，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/搭接設計，避免電位差引起艙體表面電流造成艙內的電磁干擾[10]，達到防護強電磁脈沖干擾目的；（4）方艙結構的金屬框架/網絡良好接地，避免由電磁感應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、通風口、門窗電磁屏蔽設計

理論上磁導系數較高的金屬外殼可以實現較好的整車電磁屏蔽，但在實踐中，總有一些孔縫、進出線口、通風換氣口、出入門等結構，使得電磁場漏進屏蔽艙體內或者泄出屏蔽艙體外。在處理孔縫結構時，需采用焊接或鉚接的方式對艙體孔縫和開孔進行處理以消除縫隙中的不連續點，最大限度地阻止電磁波進入艙體內部。門窗、通氣孔、空調管路等結構的內邊緣四周安裝導電襯墊或屏蔽膠條，實現整體的電連續性，必要時內焊接金屬蜂窩波導窗，有效隔離強電磁輻射，并保證正常通風[11]。

2.2.3 內部設備的強電磁脈沖防護設計

根據仿真計算和試驗測試研究確定的內部設備互連電纜上的感應等級，對系統內部設備進行電磁防護設計：艙內部的設備互連電纜選用屏蔽電纜，并且在設備接口安裝綜合防護抑制產品；在線纜進口設置鍍鋅材質的轉接板，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；轉接板上設計光纖波導管、各型穿艙座和EMP信號防護模塊。電氣電子設備強電磁脈沖防護設計時，應根據設備外部電磁環境、電磁屏蔽指標、干擾電磁波的頻段、安裝位置、重要程度綜合考慮。

3 某型方艙設計、仿真與試驗評估案例

以某型指揮車強電磁環境防護與電磁安全防護需求出發，設計并加工原理樣間，驗證車載廂體結構、重要管線、門窗、通風口、天線等重要部件的防護方法。受大功率、大尺寸試驗件的核電磁脈沖、高功率微波試驗條件的限制，本文采用試驗與仿真相結合，對其防護性能進行評估[12,13]：即對關鍵器件等效電磁脈沖注入與屏效測試試驗、低功率整艙電磁屏蔽效能測試試驗；對整艙進行核電磁脈沖、雷電電磁脈沖、高功率微波與雷電等電磁脈沖效應仿真。

3.1 方艙總體設計

原理樣間以車廂為基礎，進行屏蔽改造的殼體，尺寸3.0m（長）×2.9m（寬）×2.7m（高）,設置有電磁屏蔽門、過壁設備安裝箱、電源濾波器、通風波導窗、電源信號轉接口板、光線波導管等設備。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車廂外殼為基礎，焊縫連續不漏電磁波，保證屏蔽效能滿足要求。在屏蔽殼體一側設計屏蔽過壁區，安裝電源濾波器、通風波導窗和信號過壁裝置等。鍍鋅鋼板滿足GB/T2520-2008《冷軋電鍍鋅板及鋼帶》標準要求，接縫采用墊襯加焊接，同時滿足屏蔽效能和結構強度要求。

3.1.2 電源引入防護方案

電源引入滿足GJB3928-2018《防護工程防電磁脈沖設計規范》和GJB5792-2006《軍用涉密信息系統電磁屏蔽體等級劃分和測量方法》的要求。電源防護單元由電源轉接口（航空插頭）、核與非核脈沖防護電源濾波器、雷電防浪涌器件組成，安裝在屏蔽過壁區內。

3.1.3 有線和無線通信信號引入

有線和無線通信信號引入需滿足GJB3928-2018《防護工程防電磁脈沖設計規范》和BMB3-1999《處理涉密信息的電磁屏蔽室的技術要求和測試方法》的要求。防護單元由專用防浪涌模塊、信號轉接板和光纖波導管組成。

信號轉接板上有光纖波導管、N型、SMA型和BNC型穿艙座，穿艙座上安裝衛星天線、導航天線、4G網絡、5G網絡和電話接口等防護模塊，將此類信號安全引到艙內。光纖波導管將光纖信號引入到室內。轉接板及防護模塊滿足GJB3928-2018的屏蔽效能要求。

3.1.4 電磁屏蔽隔音門窗與通風系統

電磁屏蔽隔音門是電磁脈沖防護的關鍵設備之一，供平時人員和設備出入。電動插刀式屏蔽隔音門采用高性能的雙簧片屏蔽門結構和三層隔音結構，隔音效果滿足40dB要求。波導管用于光纖、水管、氣管、空調液等過壁。波導管具有確定的截止頻率，當電磁波的頻率低于該截止頻率時，電磁波不能穿過波導管，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、內徑15mm的波導管可滿足GJB3928-2018第2級要求。通風波導窗屏蔽原理和波導管相同，結構上可視為多根波導管的組合以滿足通風量要求，在新風送風口、自然溢出風口、事故排風及泄壓口處、緩沖區的對流通風口等部位。樣間通風波導窗采用真空銅釬焊六角形蜂巢式波導窗，波導窗單個孔徑5.6毫米，截止頻率亦為10GHz。

3.2 關鍵防護部件的防護性能試驗評估

選擇方艙全部轉接信號類型的防護模塊如表2所示，開展雷電與核電磁脈沖插針注入試驗以評估對外部線纜感應的浪涌的抑制能力，開展屏蔽效能試驗以評估模塊及其過壁結構的防護性能。

表2 典型試驗對象列表Table 2 List of typical test subjects

3.2.1 防護模塊的插針注入試驗

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

表3 雷電插針注入試驗參數表Table 3 parameters table of lightning pin injection test

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

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

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

3.2.2 安裝防護模塊的過壁結構屏蔽效能測試

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模塊的過壁結構屏蔽效能進行測試，如圖5所示： 測試結果見表4。

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

表4 防護測試結果Table 4 Test result of protection

3.3 整艙防護性能仿真分析與試驗測試

3.3.1 整艙強電磁環境防護性能仿真分析

電磁脈沖間接效應仿真中使用COMSOL軟件的AC/DC模塊計算電磁脈沖電磁場分布問題，主要參數按照2.1節中有關數據給出；由COMSOL軟件計算出電磁場分布，統計線纜周圍的電磁場強度，將其作為線纜耦合仿真的激勵源；通過CST軟件中的線纜庫可以根據實際線纜型號快捷地建立線纜的模型；在電路模塊中給線纜的各端口進行匹配電阻、接地、探針等設置。通過CST軟件進行線纜耦合仿真時選擇傳輸線矩陣法進行求解。電場屏蔽效能公式使用公式SE=20lg(E1E2? ) 計算。

圖6 方艙建模Fig.6 Square cabin modeling

圖7 六角窗防護結構模型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 仿真計算結果Table 5 Simulation result of protection

3.3.2 整艙電磁屏蔽效能試驗測試

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

4 結論

通過分析車載指揮信息系統在戰場上面臨的電磁環境，確定了電磁安全防護需求，開展車載廂體結構、重要管線、門窗、通風口、天線等重要部件的防護，綜合采用先進屏蔽材料與結構、電磁脈沖抑制器/濾波器、接地方式等防護手段，優化組合，形成了強電磁脈沖防護方案；開展關鍵器件防護性能驗證性試驗，仿真和試驗方法相結合對防護整體性能進行評估，結果表明該樣間防護性能良好，防護方案可行性高，可以應用于類似方艙的優化設計。在后續的研究中，可以進一步考慮聲屏蔽和激光振動竊聽等信息泄露途徑的防護，進一步提高車載指揮信息系統的戰場綜合信息安全性。