復雜電磁環(huán)境效應分析與解讀

張江明，付茂才，劉 青

（中國電波傳播研究所，山東 青島 266107）

電子信息系統(tǒng)復雜電磁環(huán)境效應是復雜的電磁環(huán)境對電子信息系統(tǒng)的影響的統(tǒng)稱，國外一般稱為E3（Electromagnetic Environment Effects）問題。電磁環(huán)境效應具體內(nèi)容主要包括電磁干擾（EMI）、電磁輻射（EMR）、靜電沉積、靜電放電（ESD）、電子防護（EP）、電磁兼容性（EMC）、電磁脈沖（EMP）、電磁易損性（EMV）危害等。

受復雜電磁環(huán)境效應影響，電磁空間內(nèi)的電子信息系統(tǒng)、用頻裝備效能發(fā)揮程度高低不一，部分裝備甚至無法正常使用。更大的威脅在于電磁環(huán)境效應會對通信指揮網(wǎng)絡產(chǎn)生級聯(lián)影響，嚴重時使整體作戰(zhàn)能力無形中大打折扣[1]。事實證明，復雜多變的電磁環(huán)境效應，對其范圍內(nèi)的電子信息系統(tǒng)影響巨大，對通信設備可能產(chǎn)生傳不遠、聽不清、誤碼高的影響，對雷達設備可能產(chǎn)生看不遠、辨不清的影響，對導航設備可能產(chǎn)生被誤導、被誘騙的影響。

基于此，復雜電磁環(huán)境效應的研究工作有其重要性和緊迫性。本文從復雜電磁環(huán)境定義、基本特征、構(gòu)成因素等方面對復雜電磁環(huán)境效應進行分析與解讀。

1 復雜電磁環(huán)境定義

戰(zhàn)場復雜電磁環(huán)境指的是在一定的空域、時域、頻域和功率域上，多種電磁信號同時存在，對用頻裝備運用和作戰(zhàn)行動產(chǎn)生一定影響的電磁環(huán)境[2]。具體來說，就是在特定的戰(zhàn)場空間內(nèi)，電磁輻射源種類多、輻射強度差別大、信號分布密集、信號形式多樣，能對指揮通信、雷達偵察、電子裝備運用產(chǎn)生嚴重威脅和影響的電磁環(huán)境[3]。

2 復雜電磁環(huán)境特征

電磁環(huán)境復雜性主要有如下體現(xiàn)。

電磁頻譜覆蓋范圍廣。電磁頻譜既是傳遞信息的載體，又是獲取信息的重要手段，是一種重要的戰(zhàn)略資源，是電子對抗中的爭斗焦點。當前，電子信息系統(tǒng)的頻譜幾乎占據(jù)了整個電磁頻譜，涵蓋所有頻段，特別是超寬帶技術(shù)的興起，單設備工作所占用的頻帶較之前有很大的改變[4]。

輻射源數(shù)量多、密度高。電子信息系統(tǒng)種類多、數(shù)量大，各種業(yè)務需求衍生出的不同技術(shù)體制的電子信息系統(tǒng)數(shù)以億計，擁擠在有限的頻段、空間內(nèi)，電磁環(huán)境的信號密度變得越來越高。如移動通信基站設備全球保有數(shù)量急劇增加，從2008 年的351.6 萬個到2013 年的779.3 萬個，3G 通信基站數(shù)量持續(xù)增加的同時，4G 通信基站近兩年迎來飛速發(fā)展，2015 年中國4G 基站規(guī)模已接近150 萬個，占全球4G 基站數(shù)量50%以上。

信號與調(diào)制類型的多樣化。目前，各類電子信息系統(tǒng)廣泛采用了復雜的信號調(diào)制樣式，同時新技術(shù)體制設備的投入使用進一步加劇了這種情況，如現(xiàn)代通信系統(tǒng)采用了正交頻分多址（OFDMA）[5]、寬帶碼分多址（WCDMA）[6]、時分同步碼分多址（TD-SCDMA）[7]、單載波頻分多址（SC-FDMA）[8]等體制。

電波環(huán)境非穩(wěn)態(tài)時變。受傳播介質(zhì)、地形變化等因素的影響，無線電波在傳播過程中是非穩(wěn)定、時刻變化的，這也導致了電波環(huán)境的非穩(wěn)態(tài)時變特性。如地面反射、大地吸收、地質(zhì)變化、建筑物的反射和邊緣繞射等地理因素造成的多徑效應，入射至電離層的線極化波再返回地面時將發(fā)生角度偏轉(zhuǎn)[9-10]引起的極化狀態(tài)變化，這些因素均加劇了電磁環(huán)境的復雜多變性。

3 復雜電磁環(huán)境構(gòu)成因素

造成戰(zhàn)場電磁環(huán)境復雜多變的因素較多，其主要構(gòu)成因素如下所述。

3.1 電磁干擾環(huán)境

電磁干擾環(huán)境主要指對抗方利用電子戰(zhàn)裝備實施的全方位、高強度、有針對性的電磁干擾輻射。這是造成戰(zhàn)場電磁環(huán)境復雜性最突出的關(guān)鍵因素，它對電子裝備運用、指揮通信以及作戰(zhàn)行動構(gòu)成嚴重威脅。電磁干擾來源主要有：①空中電子干擾。空中電子干擾主要來源于干擾機，現(xiàn)今各國都在大力研發(fā)空中電子戰(zhàn)飛機，空中電子干擾將越來越多，干擾威脅大大增加。如美軍EA-18G“咆哮者”電子戰(zhàn)飛機[11]、EC-130H 通信干擾飛機[12]等。②地面電磁干擾。地面電子干擾輻射源種類繁多，如地對地短波、超短波干擾，地對空雷達干擾裝備以及專門的通信干擾裝備。③海上電子干擾。海上電子干擾包括艦載電子戰(zhàn)系統(tǒng)以及艦載干擾彈。如美軍的AN/SLQ-32 型艦載電子戰(zhàn)系統(tǒng)[13]，其主要功能包括識別、預警反艦導彈目標并可進行強力的定向無源干擾。

3.2 非干擾用頻裝備輻射環(huán)境

非干擾用頻裝備輻射環(huán)境主要是指偵查探測、防空反導以及指揮通信等電子信息系統(tǒng)威脅環(huán)境，主要有：①偵察監(jiān)視系統(tǒng)，包括偵察衛(wèi)星、偵察飛機，如電子偵察衛(wèi)星、無人機等。美軍在伊拉克、阿富汗戰(zhàn)爭行動中，給無人機提供了廣闊的展示其作戰(zhàn)才能的舞臺，聲名赫赫的“全球鷹”無人機[14]在敵情偵察、反恐跟蹤等行動中發(fā)揮了巨大作用。2010 年3 月至5月，美國先后試驗了3 種空天型飛行器，即HTV-2 獵鷹高超速無人機、X-37B 空天無人機和X-51A 臨近空間高超聲速巡航導彈，開啟了無人機向更高、更遠、更快的空天領(lǐng)域發(fā)展的潮流[15]。②預警探測系統(tǒng)，主要有地面、海上、空中預警雷達等，如美軍E-3 空中預警機、美國AN/FPS-115“鋪路爪”遠程預警雷達。③防空反導系統(tǒng)，主要有防空導彈系統(tǒng)雷達、火控雷達，如美軍高空區(qū)域防御（THAAD）地基X 波段雷達，即“薩德”反導系統(tǒng)[16]。④無線指揮通信系統(tǒng)，主要包括各類短波、超短波、微波通信以及地空、空空、艦空、岸艦指揮、衛(wèi)星通信系統(tǒng)等。

3.3 用頻裝備自擾互擾環(huán)境

己方用頻裝備自擾互擾環(huán)境指的是在同一時域、空域內(nèi)，己方各類用頻裝備密集分布、同時使用時可能存在的同頻、鄰頻、互調(diào)干擾等，這些也都會影響裝備效能的發(fā)揮，嚴重時導致電子信息系統(tǒng)無法工作，危及作戰(zhàn)行動的勝利。用頻設備在設計之初已考慮各系統(tǒng)間、系統(tǒng)內(nèi)設備間的電磁兼容性，但大量傳統(tǒng)設備的信息化改造，加之新的電子設備的不斷應用，導致同一區(qū)域內(nèi)的電磁環(huán)境密度越來越高，實際干擾電平會超出部分裝備的允許干擾電平，造成干擾。在大型作戰(zhàn)應用平臺上，如艦船、飛機等必須統(tǒng)籌考慮各電子系統(tǒng)間的電磁兼容問題，防止出現(xiàn)電磁干擾影響作戰(zhàn)能力的情況[17]。因此，新形勢下的大型應用平臺上各電子信息系統(tǒng)間電磁兼容性面臨嚴峻挑戰(zhàn)。

3.4 民用設備電磁輻射環(huán)境

民用設備電磁輻射環(huán)境主要指同一時域、空域內(nèi)的各類民用電子設備形成的電磁環(huán)境，諸如廣電、移動通信基站等大功率輻射設備與己方用頻裝備工作于同一時間、同一空間、頻段相近時，極有可能產(chǎn)生無意干擾，對己方裝備性能發(fā)揮、通信指揮、作戰(zhàn)行動帶來一定影響。當飛機飛越大功率廣播電臺附近時，地空通信頻率受到干擾，并且可以聽到廣播內(nèi)容。這表明，大功率的廣播發(fā)射源威脅航空通信安全[18]。

4 E3 問題國內(nèi)外研究動態(tài)

復雜電磁環(huán)境效應的最新研究進展首先用于支撐信息化條件下的軍隊作戰(zhàn)行動。用頻設備試驗、評估實現(xiàn)“像作戰(zhàn)那樣試驗和訓練”是信息化戰(zhàn)爭的必然要求。美國在此方面的研究一直走在全球前列，美軍建立了面向用頻設備全壽命周期的電磁環(huán)境研制程序和標準，頒布電磁環(huán)境效應頂層標準MIL-STD-464C，構(gòu)建了完善的數(shù)字/半實物仿真內(nèi)場試驗驗證條件，構(gòu)建了基于“怎么打，怎么驗”的外場試驗驗證條件，構(gòu)建了跨地域多用頻設備復雜電磁環(huán)境適應性聯(lián)合試驗能力，且保持了穩(wěn)定的試驗驗證人才隊伍[19]。

隨著電磁環(huán)境相關(guān)技術(shù)研究的深入，先進國家尤其是美國已形成一整套電磁干擾分析計算的數(shù)字仿真軟件和相適應的龐大數(shù)據(jù)庫，并及時根據(jù)發(fā)展形勢更新?lián)Q代，以適應不同戰(zhàn)場軍用平臺的需求。涉及該領(lǐng)域的主要產(chǎn)品包括美國國防部的SPECTRUM XXI、美國ATDI 公司的HTZ Warfareng、英國Logica 公司的Logica 頻譜管控工具軟件、瑞典Telub 公司的Wrap 無線頻譜管理系統(tǒng)等。

但國內(nèi)復雜電磁環(huán)境研究領(lǐng)域仍存在許多不足之處：復雜電磁環(huán)境的定義和分類分級標準未統(tǒng)一；復雜電磁環(huán)境的逼真構(gòu)建無標準、無固定參照對象；復雜電磁環(huán)境中干擾評估體系無標準。這些都是復雜電磁環(huán)境效應專業(yè)領(lǐng)域亟需加強的方向。

5 結(jié)束語

美軍的研發(fā)歷程及軍事行動清晰表明，控制電磁環(huán)境、奪取并保持電磁優(yōu)勢是打贏現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭的先決條件。基于此，制電磁權(quán)和制信息權(quán)是新形勢下軍事斗爭的需求，是打贏發(fā)生在電磁空間無形戰(zhàn)場中更加激烈的戰(zhàn)斗[20]、贏得未來戰(zhàn)爭主動權(quán)的重要因素。