戰場電磁環境對C3I系統性能影響分析

余 輝,石景嵐,劉 榮,童 力

(中國人民解放軍63891部隊,河南洛陽471003)

0 引言

戰場電磁環境越來越復雜。C3I系統是未來信息化戰場的神經中樞,各種電子信息裝備之間的緊密協調和威力的發揮都依賴于指揮控制系統作用的發揮,而指揮控制系統作用的發揮又極大地依賴于其通信系統,通信系統的失效直接影響到情報信息的及時傳遞,進而影響戰術決策的正確性和指揮控制的有效性。這里分析了戰場電磁環境對指揮控制系統通信系統性能的影響途徑,結合一個實例研究分析了系統內外部電磁環境對C3I系統無線通信性能的影響。

1 C3I系統面臨的戰場電磁環境

1.1 系統內的電磁環境

系統內的電磁環境主要包括電子射頻設備通過天線、殼體、電源線、控制線以及信號線的電磁發射和電磁耦合,如C3I系統中通信網配置的多種無線電發射機,還有防空作戰指揮系統中,雷達站會對通信機產生連續性的干擾;具有數字和開關電路的設備,經殼體和電源線、互聯線的電磁發射和電磁耦合;電源和互聯導線的傳到導輻射、油機發電機和汽車點火系統的電磁耦合。

1.2 系統外的戰場電磁環境

在未來信息化戰場中,C3I系統主要面臨著電子干擾環境和電磁應用環境的影響。電子干擾環境是構成戰場電磁環境的重要組成部分,電子干擾嚴重威脅著電子戰作戰指揮系統的正常工作。隨著電子戰技術的迅速發展,干擾裝備型號種類應有盡有,頻率覆蓋廣,射頻對抗的頻率范圍為 3 MHz～300GHz,分布范圍寬,信號交疊嚴重,干擾樣式有:噪聲調頻、噪聲調相、調幅噪聲、移頻和偽碼等。電磁應用環境是諸如雷達和通信等各種電磁應用系統產生的電磁輻射環境,它不同于電子干擾環境,這些電磁應用環境可能來自于敵方,也可能來自于己方,主要有雷達環境和通信環境。現代雷達頻譜和工作帶寬逐步拓展,頻譜將擴展到5 MHz～140 GHz,采用了頻率捷變、信號分集和擴頻技術后,工作帶寬也隨之增加。由于相控陣雷達、脈沖壓縮雷達、單脈沖雷達、脈沖多普勒雷達、多參數捷變雷達、噪聲雷達、合成孔徑雷達和毫米波雷達等新體制雷達不斷投入戰場使用,導致雷達信號波形日趨復雜,輻射源數目大量增加。據估計,未來的信號環境密度最高可達120萬脈沖/s,相當于1 600個輻射源。通信裝備頻譜迅速擴展,目前美軍無線電通信頻率從極低頻至光波頻段,幾乎覆蓋了全頻段。新的通信技術使其信號特征更加復雜,導致輻射源密度增加。

戰場電磁環境對C3I系統的主要影響表現在:直接通過天線,造成電子設備損壞、性能下降或產生差錯;經縫隙與電子設備及電纜耦合進而對系統產生影響。

1.3 自然電磁危害源

靜電放電、沉積靜電和雷電是普遍存在于作戰空間不可避免的自然因素。靜電放電有時可以形成高電位、強電場和瞬時大電流,并產生強烈的電磁輻射而形成電磁脈沖。作為一種近場危害源,它可干擾電子系統,可使燃油、電爆裝置意外燃燒和爆炸。

雷電電磁脈沖場是伴隨雷電放電過程的電磁輻射,雷電電磁脈沖可以以瞬時大電流、浪涌電壓等形式,從電源線、信號線傳導到電子裝備,也可以通過電容性耦合、電感性耦合或等效天線耦合將脈沖能量耦合到武器裝備上。

通過上述分析,在未來信息化戰場中,C3I系統面臨的戰場電磁環境如圖1所示。

圖1 C3I系統面臨的戰場電磁環境

2 電磁環境對C3I系統影響途徑分析

電磁耦合具有復雜性、多樣性,且難以精確描述,其在電磁環境效應研究中占據著重要的地位。電磁干擾(EMI)對指揮控制(C3I)系統的耦合途徑主要包括天線間、場與線纜、線纜間以及殼體縫隙和口蓋耦合等7個方面,可以從前門耦合、后門耦合和傳輸電纜耦合3個方面來分析。天線耦合通常稱之為前門耦合;孔洞或縫隙耦合又稱后門耦合,是指電磁干擾通過裝備結構不完善屏蔽的小孔、縫隙等耦合到系統中;第3種傳輸電纜耦合是指電磁干擾通過架空的電源線、電話線或屏蔽的信號電纜、地理電纜以及地線回路耦合進入電子系統的方式。

2.1 天線耦合

對于敏感端口,除系統所具有的數字、低頻模擬及電源端口外,天線端口是最主要和最敏感的,它在一定程度上能最大限度地反映出信息系統對戰場電磁環境的適應能力。無線電設備收發天線間的干擾耦合是電磁干擾的主要途徑。干擾信號可能以多種形式進入接收機。

同頻干擾:系統工作時,由于系統內部密集的無線電發射機的寄生輻射,再加上不可避免的系統外的干擾信號,干擾信號落入接收機的頻帶內,形成同頻干擾,若干擾信號很強,能使接收信號的質量下降,甚至通信中斷。

相鄰波道干擾:由于接收機的選擇性不好或頻道設置保護的寬度不夠,也可能有來自其他系統的干擾信號,形成信道間的互相串擾。

鏡頻干擾:當干擾信號的頻率大于或低于接收信號頻率的2倍中頻時,就會在接收機混頻后產生鏡頻干擾信號。

組合交調干擾:外來干擾信號的各次諧波與接收機本振各次諧波進行混頻,形成組合頻率,落入接收機中頻通帶內。

2.2 孔洞與縫隙耦合

在實際情況中經常會遇到不完整的屏蔽,如系統的屏蔽機殼存在孔洞、縫隙、電纜孔和通風口等,這樣電磁波會通過這些縫隙和孔洞泄漏進去。電磁波將在設備內形成空間駐波波形,位于駐波波形內波腹處的部件,可能將暴露在很強的電磁場中。

2.3 傳輸電纜耦合

系統中設備之間的互連導線多,傳輸信號差別大。在頻域特性上有低頻和高頻信號;在時域特性上有大信號和小信號。互聯導線既是電磁發射源又是敏感接收器。因此在系統設計時,合理布局和布線是降低電磁干擾的重要措施,特別要注意導線的屏蔽和接地以及走向。在以電能為動力或用電子控制的指揮控制系統中,電纜都有十分重要的作用,用電纜傳遞指揮、控制和描述系統狀態的信息。對屏蔽不好的指揮控制系統來說,這些電纜通常會成為引進干擾的主要途徑,會成為感應電流及電壓通向敏感電路區的傳播途徑。

3 戰場電磁環境對C3I性能影響分析

通信系統是C3I系統的神經中樞,C3I系統中最重要的環節是通信,系統中最易暴露和最易受攻擊的部分也正是通信分系統。對于無線電數字通信,一般選用誤碼率Pe作為分析評估系統受到干擾的影響程度。未來信息化戰場中,敵方干擾進入通信系統接收設備,使其收到的信噪比SNR下降,信噪比下降將導致誤碼率的增大,導致正確接收所傳遞信息的比例降低,使通信質量惡化,信息無法恢復。誤碼率與信噪比的關系如圖2所示[3]。

圖2 誤碼率與信噪比的關系

分析戰場電磁環境對C3I系統無線通信性能的影響,主要從系統內部和外部電磁環境進行分析。下面結合一個實例來分析系統內外部電磁環境的影響,在某三級(群、營、連)戰術指揮系統群與營通信距離試驗中,當使用市電、油機通過3 kW直流穩壓電源給車上設備供電時,通信質量明顯比使用蓄電池供電時通信質量差。使用信道監測器進行通信誤幀率測試,誤幀率測試方法為:群車每次向營車發送100個數據包,營車自動轉發給群車,群車未收到的數據包數除以群車發送的數據包數作為通信誤幀率。對群車誤幀率測試結果如表1所示。

在排除外部干擾因素后,使用頻譜分析儀對群、營車方艙內部背景噪聲干擾情況進行測試,電臺同步速率為2.4 kbps,測試數據如表2所示。發現營車電源處干擾較為明顯,內部背景噪聲干擾較強,后經檢查發現,是3kW直流穩壓電源與營車連接的電源線接頭處屏蔽層由于磨損而斷開,致使3 kW直流穩壓電源的干擾傳至天線處,使營車收到的信噪比SNR下降,導致誤碼率的增大,使正確接收所傳遞信息的比例降低。

表1 群車誤幀率測試結果

表2 群營方艙內部噪聲測試數據

通過將電源線屏蔽層斷開處重新焊接,使3 kW穩壓源通過該電源線與車體連接時,能通過車體良好接地后,群營間通信時話音和數據傳輸質量明顯改善,話音單字清晰度、句子可懂度、數據傳輸首發成功率均達到要求。這種情況是一個典型的電磁干擾通過孔洞與縫隙耦合途徑對系統無線通信產生的影響。

對于系統外部電磁環境的影響,天線端口是最主要和最敏感的影響途徑,主要通過構建貼近實際作戰的戰場電磁環境,在構建的戰場電磁環境下,分析不同電磁環境對C3I系統無線通信性能的影響。例如在某三級(群、營、連)戰術指揮系統野戰綜合能力試驗中,構建一定作戰態勢如圖3所示。

圖3 某戰術指揮系統作戰態勢圖

通過背景信號模擬器產生不同復雜程度的戰場環境,在施加背景噪聲過程中,背景噪聲增至一定值時,系統基本能夠完成情報傳輸、決策與指揮控制流程,指揮周期由未施加噪聲時的 12 min,增長至15 min,指揮效率有所降低。通過干擾設備對系統中心環節的營站的無線通信電臺實施干擾,干信比為一定值時,該站無法與其上下級進行正常的話音和數據傳輸,導致整個系統的工作流程中斷。

通過上面實例分析表明C3I系統的無線通信系統容易受到電磁干擾。下面討論通信系統受到干擾后對C3I系統功能的影響。主要影響體現在:

①影響情報的傳遞。情報傳遞的功能是將收集到的資料信息傳遞到作戰指揮系統中的情報處理子要素。敵方實施強力干擾,電磁活動便可能陷入混亂,從上級、下級及友鄰部隊傳送的情報信息易被敵干擾、破壞,出現信源被破壞、信道被切斷的情況;

②影響決策的正確性。情報信息是決策分系統生成決策方案的主要依據。信息傳輸暢通才能保證決策所需信息的準確快速到達。一旦通信分系統受到電磁干擾,收不到或者收到錯誤的情報信息,決策分系統將給不出或給出錯誤的決策方案;電磁環境密集時,難以區分出哪些對決策起主要作用,哪些對決策起次要作用。缺少了及時有效的情報信息,決策就沒有依據,甚至無法制定出決策;

③影響指揮控制的有效性。控制分系統中通信子要素的作用就是完成控制信息和反饋信息的傳遞任務,對其要求是迅速、準確、連續和保密。隨著通信加密技術的發展,敵對我電磁竊密已有很大難度,因此更多的是通過諸如瞄準式、阻塞式干擾,以及高頻段大功率通信電磁干擾對我通信系統實施干擾,使信干比下降,誤信率、誤碼率增大,導致我命令、控制和反饋等指揮信息傳輸延時、錯誤,甚至無法傳輸,若指揮信息被中斷,作戰部隊即失去控制,不能有效遂行作戰任務,從而嚴重影響著C3I系統指揮控制穩定性、時效性和準確性。

由此可見,只要系統通信鏈的節點、指揮中心和樞紐站等受到破壞,C3I系統就將陷于癱瘓。

4 結束語

未來信息化條件下的作戰,戰場電磁環境極為復雜。開展戰場電磁環境對C3I系統影響的分析研究,掌握它的作用規律,采取相應的對策,奪取戰場的制電磁權,對掌握戰爭的主動權將具有十分重要的意義。上述僅初步開展了戰場電磁環境對C3I系統性能影響分析研究,C3I系統電磁環境效應評估是一項復雜程度極高的工作,在系統工程設計與靶場試驗中占據重要地位,是下一步研究中的重點工作。

[1]王汝群.戰場電磁環境[M].北京:解放軍出版社,2006.

[2]熊志昂.指揮控制系統試驗[M].北京:國防工業出版社,2004.

[3]邵國培.電子對抗作戰效能分析[M].北京:解放軍出版社,1998.

[4]侯印鳴.綜合電子戰[M].北京:國防工業出版社,2000.