美國國防機構對電磁防御問題的判斷及對策

曾 鵬，廖龍文，陳軍燕，張夏彬，郭熠瑋，謝豐宇

(西北核技術研究所，陜西 西安 710024)

0 引言

美國軍方對電磁防御問題的研究已經有數十年的歷史，其重要性也隨著現代電子信息技術和設備愈加廣泛的應用而變的更為凸顯。尤其是集成電路、無線網絡的廣泛應用和物聯網的發展，使電磁頻譜滲透到軍用和民用領域的方方面面，但對這些系統可能帶來的潛在威脅目前尚缺乏全面的認識。

為保持美國在電磁頻譜領域的技術領先地位，應對電磁頻譜威脅，美國空軍培訓和訓練司令部牽頭成立了電磁防御工作組(EDTF)，2018年8月20—22日，該電磁防御工作組在美國華盛頓舉行了第一次研討會。在研討會會議成果的基礎上，美國空軍大學LeMay條令制訂與培訓中心于2018年11月28日發布了《電磁防御工作組2018年報告》(以下簡稱報告)，報告主要闡述了美國及北約在電磁脈沖和地磁干擾、敵方5G網絡戰略威脅、定向能和高功率微波系統、電磁頻譜政策、管理和機構等4個電磁防御領域存在的問題，并提出了相應對策建議。

1 電磁防御工作組研討會過程簡介

EDTF工作組由來自國防機構、研究機構和私企等40多個單位的電磁頻譜領域著名專家、戰略家和學者組成，其主要參與單位如表1所示。

表1 電磁防御工作組主要參與單位

在研討會期間，工作組的專家被分為7個小組，每個組由不同背景的技術專家和戰略學者組成。各組開始討論時，先被分配了5個想定方案，這些方案涵蓋敵人最具創造性和破壞性的攻擊方式。由于這些方案的敏感性，報告中未包括這些方案。

各小組在此基礎上就前述4個領域的問題進行討論，并從電磁頻譜的預防(Prevention)、防護(mitigation)和恢復(recovery)三個方面進行評估和對策考量。然后進行小組間的討論和意見交流。最后，在經過長達2000多個小時的分組討論、專題討論和兵棋推演后，提出美國和北約在各個層級(國家層面、地區層面、本地層面)加強電磁頻譜防護的若干建議。

2 EMS領域存在的主要問題

經過討論，EDTF認為自由和安全的電磁頻譜是主權國家軍事、政府和商業得以維持和保持正常運行的“生命維持系統”。雖然在軍民領域存在的電磁頻譜漏洞和威脅已逐漸凸顯，但美國甚至國際上預防或防護此類威脅和漏洞的能力尚不完善，甚至缺失。而在某些情況下，傳統威懾工作在防止敵人不利的電磁頻譜行動方面幾乎沒有效用。

從國家國防角度來看，將敵對行為歸咎于行為者的能力是戰略威懾(如進行反擊)的必要條件。但由于電磁頻譜破壞可能來自于敵人，也可能來自于自身，甚至太陽或地磁干擾，對這一行動的歸因非常困難或幾乎不可能。因此，當一個侵略者無法被識別出來時，這可能會鼓勵或使得潛在敵人更具有侵略性(特別是它相信自身能夠在攻擊中保持隱形時)。此時，電磁頻譜威脅可能處于戰爭與和平中間不可歸因的灰色地帶之中，如圖1所示。

圖1 突出戰略威懾中理論空白的沖突譜(Stuckenberg模型)

戰略性的EMS灰色地帶問題可能會威脅到一個國家的生存。而軍用和民用系統均沒有為可能造成嚴重后果的電磁頻譜威脅做好準備。報告致力于分析不斷提升的電磁頻譜依賴性所帶來的風險，并建議將電磁頻譜確定為和陸、海、空、天并列的一個作戰領域。

2.1 問題領域1：電磁脈沖和地磁干擾

2.1.1 優先事項1：核電恢復力

專家們一致認為，如果地磁干擾(GMD)或電磁脈沖(EMP)使電網失效，電網可能會在幾周到幾個月內處于故障狀態。那么，在數小時內為核電站反應堆和乏燃料池提供持續電冷卻能力將成為電力恢復最為首要的任務。對這一問題，民用和軍用系統都沒做好充足的應對。

若電磁頻譜導致核電站控制系統的后勤中斷，在某些情況下，電站的電池將有大約16 h電量來繼續冷卻反應堆和乏燃料池。在最糟糕的情況下，所有受電磁頻譜影響區域內的反應堆可能同時受到影響。那么在美國，這可能會導致大約60個電站和99個核反應堆中有超過60000噸的乏燃料融化，造成嚴重的放射性污染(如圖2所示)，從而對經濟和公共健康造成災難性的后果。對軍事和其他設施造成的影響類似。

圖2 美國核廢料庫存，乏燃料池需電力水冷，干法存儲不需電力

日本的福島第一核電站災難就是由于核電站長時間失去外部和內部電力引起的。值得注意的是，福島核電站采用通用電氣反應堆(general electric reactor)；日本的監管結構以美國為藍本，工廠的工作人員按照美國的標準和程序接受培訓；一切都是符合美國最先進標準的。但災難導致的損失也有目共睹。

2011年福島事故后，美國核管理委員會(NRC)成立了專門負責評估經驗教訓的研究小組。目前，核管理委員會(NRC)正在根據工作組的建議制定新的燃料儲存標準。EDTF還建議為這些反應堆加裝抗電磁頻譜的備用發電機，并保證備用發電機具有至少7天的工作時間。

2.1.2 優先事項2：軍事設施戰地指揮所(關鍵基礎設施)

2017年，美軍一個地區的主要軍事指揮控制(C2)設施受到當地洪水的侵襲，使該地區后續幾天內的軍事行動都受到影響。多年來，對軍事設施關鍵依賴性的評估一直在開展，以便確保國防和民用設施能夠在最低要求下持續運行。

從對手的角度來看，軍事設施在戰略層面代表了國防力量的最后屏障。對軍事設施的打擊也是作戰的主要手段。如果有意或自然的電磁頻譜影響了軍事設施的指揮所，那么相關部隊的能力很可能會降低甚至失效。

在適當的條件下，對手可能同時對美國大多數軍事設施的通信系統造成影響。因此參謀長聯席會議(CJCSI)6811.01指令要求國防部確保在遭受電磁脈沖(EMP)或地磁干擾(GMD)后仍能保持作戰能力。美國的各軍兵種都有義務實現這一目標。但由于該問題過于普遍，使得該指令的效力大打折扣。因此，大多數軍事設施響應計劃通常會忽略EMP / GMD意外事件后的維護或恢復計劃，如美國空軍(見圖3)。

圖3 美國空軍軍事設施斷電后的理想規劃及考慮EMP的補充

2.1.3 優先事項3：真實的演習和訓練

從軍事設施指揮官的角度來看，專門建立EMS響應也十分困難。如果是地磁干擾，由于它只會影響電網的元件，如大型電力變壓器等，后果不會非常嚴重。但電磁脈沖會導致許多依賴于電源和計算機電路(如手機和GPS)的設備同時失效。

此外，對電磁頻譜的聯合防護大多數都以預警系統為基礎，當預警系統發出電磁脈沖攻擊或地磁干擾信號后才會對重要資產進行保護。但精明的敵人可能更愿意采用不具備任何警告或先兆信號且不可歸因的電磁頻譜攻擊能力，這時候預警系統將形同虛設，正如二戰時期法國的馬其諾防線一般。

常言道：平時多流汗，戰時少流血。今天，部隊需要更真實環境下的演習、訓練和危機應對計劃。從戰爭的歷史及其本身的復雜程度考慮，軍隊訓練的目標必須是精明的敵人，而不應是可預測行動方式的敵人；必須是可能遇到的敵人，而不是希望遇到的敵人。未來，美國及其盟友的對手很有可能開展非線性的競爭，而這種競爭充滿了創造性與不對稱性，它會采用各種電磁頻譜手段進行攻擊，以期實現前述戰略活動灰色地帶的戰略目標。

2.2 問題領域2：來自對手5G網絡的戰略威脅

這也是優先事項4：競爭對手控制所有數字信息。

5G是一種劃時代的安全通信技術，具有幾乎無限的帶寬而延遲幾乎可以忽略。5G移動技術和網絡的發展將是通信領域的一次巨大飛躍，并且技術的進步已經為5G的部署做好了準備。因此，5G網絡的發展需要特別加以考慮。

預計到2022年，5G技術可以為美國帶來300萬個就業崗位和5000億美元的GDP增長。預計到2035年，5G在全球的經濟產出將達到12.3萬億美元。

屆時，控制5G網絡技術的國家或機構將能夠決定或控制所有數據通信，包括共享和接收信息的能力。因此可以說誰控制了5G技術，誰就控制了未來的互聯網。而目前中國控制了大部分5G硬件制造所需的元件和天線(占市場份額的41%，并在不斷上升)。此外，5G技術所用的毫米波段對所有軍事行動，特別是軍事指揮和控制系統來說也至關重要。這都對美國的國家安全造成了威脅。

專家認為，5G的市場份額可能會被美國的競爭對手在三年內“鎖定”，而美國將沒有第二次機會參與競爭。

2.3 問題領域3：定向能和高功率微波系統

2.3.1 優先事項5：機械、設備和關鍵資產

電磁脈沖并不新穎，早在第一次核試驗期間電磁脈沖就是核試驗需要研究的效應之一。但我們對電磁頻譜效應的集體認知卻處于歷史上的最低點，而相應設備的廣泛應用卻使得電磁頻譜造成的風險和威脅處于歷史上的最高點。可以說，美國就是建立在基于數字技術和電磁頻譜技術的機械、設備和關鍵物聯網資產上的。當前，人們已經很少直接操作這些機械、設備和關鍵資產，對電磁頻譜可能造成的影響缺乏直接的認識，并因此造成了幾起重要的事故。

當前，許多電傳操縱(fly-by-wire)飛機在美國和其他國家空域內飛行，在某一區域內因電磁脈沖損失多架飛機可能會造成重大的生命和財產損失。而在本報告發布時，EMS測試(特別是電磁脈沖EMP和高空電磁脈沖HEMP測試)仍未包括在新的采購要求中，例如美國空軍的KC-46 Pegasus加油機或大多數依賴電傳操縱的空中客車系統。依靠電傳操縱系統的飛機具有獨特的脆弱性，若其受到電磁脈沖影響，可能無法恢復到手動控制狀態，只能等待災難性的后果。

對于軍事設施來說，目前大部分軍事設備的操作人員不知道如何對設備進行電磁頻譜防護，更缺乏設備失效后的恢復手段。當這些設備嚴重損壞后，面臨的可能將是永遠失效。這些是作戰計劃需要考慮的問題之一。應當從系統的觀點看待任務關鍵設備，將其視為整個設備系統的一部分。如果不能了解整個系統及其相互之間的依賴性，就有可能導致任務最終失敗或某些關鍵操作的失誤。

2.3.2 優先事項6：物理和生物學影響

電磁脈沖、地磁干擾和其他電磁頻譜現象雖不會對人類造成直接傷害，但某些影響可能極其危險，甚至威脅生命，如在睡覺時對其造成創傷性腦損傷。

隨著電磁頻譜技術的發展，它在戰略灰色地帶的使用將更加多樣化。再加上它溯源的難度，電磁頻譜武器將來可能比動能武器更為常用。

定向能武器、激光武器等若不造成顯著影響，通常無法探測。但一旦造成影響后，再想亡羊補牢卻為時已晚。因此，未來無人機、船舶和其他車輛可能要加裝手動防御機制。隨著軍事硬件的強化，這時候操作人員反而可能成為攻擊目標，如在保障船舶完好的情況下使船員失能或死亡。

2.4 問題領域4：電磁頻譜政策、管理和機構

這也是優先事項7：復雜性、所有權和投資。

大量的電磁頻譜活動需要健康的管理系統，但目前的機構管理存在復雜、重復和不完整等問題。如在整個北約范圍內，各伙伴國之間的溝通往往互相不兼容，甚至無法通訊，嚴重制約了軍事指揮和控制能力。而美國和北約要防止侵略，必須對改進電磁頻譜協同管理給與足夠的重視和關注。

考慮到電磁頻譜主要在空間傳播，因此將電磁頻譜歸入未來的天軍(space force)或太空戰司令部(space combatant command)統一管理。將電磁頻譜管理整合到一個新的組織中，這樣就有機會建立一個健全而深思熟慮的架構。

雖然從經濟和國防的角度來看，未來的互聯網依賴于5G技術，美國及其盟國也應該繼續投資，但5G不是電磁頻譜技術的終極狀態，也應把量子通信考慮在內，而中國在這一方面已經走在了前列。量子通信不僅是一種安全、不可截獲的通信方式，它還可以激活離網(無Wifi或其他信號)微嵌入式設備。

3 解決問題的主要建議

當今世界，社會、政府和安全的所有方面都依賴于電磁頻譜。但電網、通信和許多指揮和控制系統在設計時并未考慮惡劣的電磁頻譜環境。一旦這些系統受到地磁干擾等自然現象或電磁脈沖等人為因素的破壞，可能需要數月到數年才能將網絡和其他重要功能恢復到最初狀態。而且多個對手同時發動攻擊將使結果變得更糟。

EDTF對各種電磁頻譜活動進行了廣泛的評估，確定了4個主要問題和7個優先事項，進而確定了應對行動的三個關鍵階段：

1)預防(Prevention)：利用可信的反應以及使敵對行動無法取得成果的確定性，預先防止敵對國家及其支持的行為者采取行動。

2)防護(mitigation)：在事件發生之前采取措施，以減少實際電磁頻譜影響的嚴重性和持續時間。

3)恢復(recovery)：重建關鍵基礎設施的事后行動。

上述階段和對策都應考慮軍用和民用以及兩者的結合及其之間的依賴關系。

3.1 三級應對措施

EDTF認為要想重振美國和北約在電磁頻譜領域的領先地位，可以參照曼哈頓工程時所建立的命令構架，在多個層次上扭轉相關的公眾認知和政府政策，具體可分為國家、地區、本地三個層面。

3.1.1 國家層面的建議

1)由總統任命管理電磁頻譜的執行機構；

2)作為對執行機構的支持，推動如下政策：①立即優先保護核電站；②加快5G投資，確保在全球市場中的競爭力；③為政府和民間社區開展有關保護措施的培訓；④制定總統指令，提升美國對EMP/GMD的警惕性和恢復能力；⑤實施國家阻遏戰略，消除對手使用電磁頻譜攻擊的可能性；⑥國會參與EMP防護的公共/行業政策和激勵措施；⑦建議為飛機、船舶和車輛建立國家電磁頻譜標準；⑧投資下一代量子通信研究和其他新興的電磁頻譜現象；⑨著力推動美國太空部隊架構，以承擔所有電磁頻譜活動的管理工作。

3.1.2 地區層面的建議

1)將60個核場地中的乏燃料移至干法存儲桶中以減少危害；

2)采取措施，使部隊在失去指揮控制的情況下能夠聯系起來；

3)提高訓練的真實性和區域性演習。

3.1.3 本地層面的建議

1)建立應急響應隊(Black Start Team)；

2)建立微電網(microgrid)；

3)對軍事設施進行電磁頻譜防護，并與當地社區建立伙伴關系以獲得支持；

4)發展社區恢復能力。

3.2 對問題領域1：電磁脈沖和地磁干擾的建議

3.2.1 優先事項1：核電恢復力

許多核電站可以通過配置抗電磁脈沖發電機，將乏燃料轉移到干法存儲桶中，以及為應急發電機提供額外的現場燃料(至少30天)來應對電磁頻譜造成的影響。此外，國防部應就核管理委員會長時間停電的PRM 50-96規則提出意見，電磁頻譜對國防基礎設施造成的危害必須與民用設施一起考慮。

3.2.2 優先事項2：軍事設施戰地指揮所(關鍵基礎設施)

可以為軍事設施培訓應急響應隊(BST)，作為停電事故的應急處置者，他們的任務是在徹底失去通信聯系之前，為指揮所提供保障。

3.2.3 優先事項3：真實的演習和訓練

國防機構應該努力研究電磁頻譜危害的早期預警，并認識到溯源的難度，這有利于認識到演習與現實的差距。電磁頻譜演習應首先在美國進行，然后逐漸擴大的北約盟國，未來還可以對更多國家的部隊進行電磁頻譜問題培訓。

3.3 對問題領域2：來自對手5G網絡戰略威脅的建議

即針對優先事項4：競爭對手控制所有數字信息。

在5G市場領域，美國仍有機會占領市場。首先，需要美國政府強有力的支持。其次，美國及其盟友需要采取切實的行動來維持自身在5G領域的優勢。美國可以通過鼓勵工業界來支持地面和空基5G網絡的發展，盡量減少FCC和FAA在部署和開發相關關鍵技術時的阻礙，并激勵國內制造業協助加強相關部件的安全性。

3.4 對問題領域3：定向能和高功率微波系統的建議

3.4.1 優先事項5：機械、設備和關鍵資產

應該重塑公眾對于電磁頻譜的認知。在軍隊內部，所有設備操作員都應該了解他們的系統在整個軍事設備體系中所處的位置并了解備用手段，并且在盡可能的情況下知道如何保護他們負責的設備。

應該制定并采用涵蓋電磁脈沖和高空核爆炸的飛機認證國家標準。確定可能導致飛機系統嚴重故障的隱患，例如飛機的電傳操縱系統等。任何標準都應與工業界和國際民用航空組織共同制定，以確保它們能夠相互協調并融入下一代設備和空中交通系統中。

3.4.2 優先事項6：物理和生物學影響

盡力為人員提供防護，并讓人員充分了解定向能武器帶來的新風險，包括可能傷害人員的風險。在無法實現人員防護的情況下，應考慮使用遠程或分布式操作技術。

任何可能成為定向能武器或高功率微波攻擊目標的設施都應配備相應儀器，以便其內部人員及時了解是否遭受攻擊。

3.5 對問題領域4：電磁頻譜政策、管理和機構的建議

即針對優先事項7：復雜性、所有權和投資。

振興電磁頻譜是國防的必要條件。將電磁頻譜整合到一個新組織中，可以提高物聯網與經濟、社會以及關鍵基礎設施內在聯系的可靠性。因此，國防部應考慮將電磁頻譜的管理整合到新的太空力量架構下。

4 結束語

現代戰場上，電磁環境日漸復雜，電磁防御的重要性日益凸顯，美國軍民領域對電磁防御問題也愈加重視，并專門成立了跨機構、跨專業、跨軍民領域的工作組進行研究。從工作組所確定的主要問題及提供的對策可以看出，要在電磁防御領域取得領先地位，除了在平時做好應對準備工作、著力發展先進技術外，也需要開展更有針對性、更為逼真的訓練和演習，只有這樣才能在戰時有效應對電磁威脅，充分發揮電子裝備的作戰效能。