復雜電磁環境下無人戰車面臨的挑戰與對策

王彪，李小健，熊瑛

（中國北方車輛研究所，北京 100071）

引言

隨著人工智能和機器學習技術的不斷發展，未來地面戰場無人化、智能化、類人化的程度將會越來越高，促使陸軍武器裝備體系朝著無人化方向發展[1,2]。近期俄烏戰爭中，俄羅斯首次出動了具備人機協同作戰能力的“標記”無人戰車，該車作為俄軍當下地面智能化無人戰斗車輛的典型車輛，在戰場上除了承擔相應的偵察、運輸、通信以及搜救任務外，還擔任著以單車或小編隊偷襲、伏擊以及人機協同作戰等在內的多種地面作戰任務，從而讓俄軍能以最小的作戰成本摧毀更多烏克蘭軍隊的作戰力量[3,4]。

無人戰車以其機動性高、隱蔽性好、火力強大且精度高等優點，在作戰過程中遭到攻擊，也不會危害到遠程操縱人員的生命安全。從技術層面上看，無人戰車作戰性能的運轉離不開電磁環境這個關鍵因素，也正是無人戰車對電磁環境的高度依賴，而導致無人戰車存在這個致命弱點[5]。在現代信息化的戰爭中，面臨日益復雜的電磁環境，如何提高無人戰車抗電磁干擾能力，保障取得戰爭勝利的主動權，已成為當前對無人戰車的一個重要課題。重慶理工大學魯毅學者通過仿真手段對整車抗電磁干擾性能進行了預測，研究了車輛內部電場的分布情況，確定了車載天線的準確建模對于提高整車抗電磁干擾仿真精度的重要性[6]。符興鋒學者針對車載動力電池包在充電和使用過程中存在的電磁干擾問題進行了研究，通過重新設計電池包管理系統的硬件電路，提高電池管理系統的抗電磁干擾性能[7]。徐文兵學者通過研究無人電車電源管理系統的電磁干擾問題，通過硬件隔離和軟件濾波結合手段，提高電源管理系統的抗干擾性能。藺安坤學者通過對車載通信總線的場線耦合及其防護性能進行研究，確定了通信總線終端模型、場線耦合模型及其防護屏蔽效能仿真模型等，從而提高車載總線在負載電磁環境下的抗電磁干擾性能[8]。Paul學者基于多導體傳輸線理論建立了多芯屏蔽電纜評估法，通過將多芯屏蔽電纜的內導體、屏蔽層以及屏蔽層外等效為傳輸線，建立控制方程，從而得到了傳輸線上的耦合電壓和電流[9]。意大利的M.D Amore學者通過將空間電磁場與屏蔽電纜間的耦合問題等效成內外傳輸線系統問題，通過轉移阻抗及轉移導納將其聯系在一起進行分析[10]。

本文從戰場電磁環境對無人戰車的影響因素入手，分析無人戰車的電磁損傷現象，提出增強無人戰車抗電磁干擾能力的對策，為降低電磁環境對無人戰車的影響提供技術支撐。

1 戰場復雜電磁環境

1.1 戰場復雜電磁環境構成

戰場復雜電磁環境是信息化時代的產物，現代軍事行動從“有形”物理世界進入到電磁場與電磁波構成的“無形”物理世界后，敵我雙方激烈對抗下產生的全頻譜、多類型、高密度的電磁輻射信號，以及我方大量使用電子設備引起的相互影響和干擾，造成在頻譜上擁擠重疊、空域上縱橫交錯、時域上突發多變，對戰場上無人戰車作戰效能的發揮產生嚴重的影響[11,12]?，F代戰場電磁環境由自然環境干擾源和人為電磁干擾源組成，其中自然環境干擾源分為雷電電磁輻射源、靜電放電電磁輻射源、地球和大氣層電磁場、以及太陽系和星際電磁輻射源；人為電磁干擾源分為無意干擾源和有意干擾源，無意干擾源由系統內電磁干擾和系統外電磁感染組成，有意干擾源包括電子戰、強電磁脈沖和定向能武器等。

1.2 戰場復雜電磁環境特征

由于戰場復雜電磁環境受參戰地域裝備的分布情況、工作頻率、輻照場強、輻照方式、所處地理環境、氣象條件等多種因素的影響，戰場復雜電磁環境特征主要表現為：種類多樣性、空間交織性、頻譜重疊性、以及能域不均勻性[13,14]。

1）種類多樣性。從戰場復雜電磁環境構成可以看出，干擾源包括敵我雙方進行有意干擾時發射的電磁波和電子設備產生的電磁能量，還有系統內外的人為電磁無意干擾源以及自然界產生的干擾源等。由于電子技術的不斷發展，各種雷達、通信等電子設備使用了更加復雜的電磁波信號形式。目前世界上通信信號種類多達上百種，進一步增加了電磁環境的復雜性。

2）空間交織性。在戰場復雜電磁環境中，敵我雙方為削弱甚至破壞對方電子裝備作戰性能，保障己方設備性能的正常工作，將會在陸地、海上、空中乃至太空等多維空間開展電磁頻譜主導權的戰爭。敵我雙方相互爭奪和使用的電磁空間里，由于電磁頻譜獨特的物理特性，使得雙方的電磁信號相互交織在一起。主要表現在空域上的縱橫交叉、時域上的連續交錯、頻域上的密集重疊和能域上的強弱參差。

3）頻譜重疊性。由于電子信息技術飛速發展，在一定頻域、時域、空域上的電子信息裝備大量使用，使得電磁波更加密集、工作頻率越加集中，導致戰場上電磁環境更加惡劣，使得戰場上電磁信號所占頻譜越占越寬。

4）能域不均勻性。在信息化戰場上，由于輻射源種類繁多、電波傳播過程中各種傳播因素影響以及敵我雙方電磁攻擊目標位置不同，致使戰場電磁能域隨雙方在電磁斗爭態勢的不斷變化而變化，導致戰場空間電磁能量時高時低，很不均勻，并且有些地方能量集中，有些地方能量分散。

2 戰場電磁環境中無人戰車面臨的挑戰

無人戰車作戰效能是通過準確獲取電磁信號為基礎的，信息化戰場上電磁環境異常復雜使得作戰信息獲取通道不暢，準確、及時感知戰場態勢難度增大，導致無人戰車作戰效能下降。

2.1 降低作戰指揮的可靠性

無人戰車作為未來戰場的神經中樞，擔負著作戰指揮、情報傳遞、保障預警、導航制導等多種作戰任務，極易受到敵方的有意干擾和己方的無意干擾，影響無人戰車對戰場態勢感知判斷的準確性。尤其是新型電子裝備不斷涌現并投入戰場，使得運載平臺向多維化、立體化和網絡化方向發展，被裝配在無人戰車上的通信設備，面臨與中繼設備、定位設備、數據終端、武器控制等多種電子設備共同生存的復雜電磁環境。多種用頻設備被集中在一定區域中，往往會導致有限頻帶內工作頻點密集、單位空間中功率密度大，高靈敏度接收設備與大功率發射設備共存等問題，使得原本有限的空間內電磁頻譜更加擁擠。觀測和感知戰場態勢的過程本質是從電磁環境中獲取有用信號的過程，復雜擁擠的電磁環境將嚴重干擾無人戰車戰場態勢感知的能力。戰場電磁信號的紛繁復雜導致電子設備戰場感知錯亂，從而降低無人戰車戰場感知的準確性。

信息化戰場上，無人戰車之間以及無人戰車與指揮平臺之間的聯系，都需要通過電磁波傳遞數據、指令以及協同信息。由于戰場上雜亂無章的電磁輻射在空域上交錯、時域上集中、頻域上擁擠、能域上起伏，使戰車無線通信性能降低。尤其是新型用頻裝備不斷涌現并投入戰場，使得運載平臺向多維化、立體化和網絡化方向發展，被裝配在無人戰車上的通信設備，面臨與中繼設備、定位設備、數據終端、武器控制等多種電子設備共同生存的復雜電磁環境。多種用頻設備集中在一定區域中，往往會導致：有限頻帶內工作頻點密集、單位空間中功率密度大，高靈敏度接收設備與大功率發射設備共存等問題，使得原本有限的空間內電磁頻譜更加擁擠。復雜擁擠的電磁環境將干擾通信設備的正常工作，大大縮短通信距離，并使語音通話質量變差、噪聲增大、誤碼率提高，甚至通信信道阻塞進而導致整個通信系統癱瘓。從而影響無人戰車協同作戰的性能，導致作戰指揮的可靠性和穩定性面臨威脅。

2.2 影響戰車電磁兼容性能

無人戰車是無人系統向更高技術和更強作戰能量方向深入發展的一種全新武器系統，內部含有多種高低壓用電設備高壓大功率供配電設備、電能傳輸系統、以及控制裝置等等。戰車內部的多種電壓設備的結構導致車內存在更多的干擾源和耦合路徑，電源變換裝置中開關功率器件的高頻開關動作會產生大量電磁噪聲，給設備自身和車倆內部其他設備的電磁安全帶來嚴重隱患。一方面，無人裝備瓶體內部包含信號采集、低壓控制等低壓敏感部件，抗擾能力有限。另一方面，平臺內部存在眾多的電磁敏感單元，在遭受一定量級的電磁干擾時，極有可能導致性能下降或失效。無人裝備典型故障現象包括總線錯誤幀突增，控制失效、高壓掉線、傳感器信號采集錯誤等。

2.3 戰場復雜電磁環境特征

隨著現代電子技術飛速發展，基于電磁技術的作戰系統和電磁武器裝備正在加速改變現代戰爭的作戰體系和攻防樣式。戰場上無人戰車作戰行動依賴電磁信號，而異常復雜的電磁環境對無人戰車的戰場生存能力產生嚴重的影響。對無人戰車造成損害的主要形式有：電效應損傷和熱效應損傷。電效應損傷是高功率輻射源發射的輻射信號輻照在無人戰車金屬外表或傳輸線上而產生的耦合電壓或耦合電流，從而對無人戰車內部電子設備造成損害；熱效應損傷是無人戰車在高功率微波源的輻照下，內部熱量聚集而產生損傷的現象。戰場上電磁干擾信號通過前門和后門等各種途徑耦合到無人站車內部，對其造成瞬時干擾甚至永久性損傷。半導體器件作為電子系統中最為重要的組成部分，是最為敏感和最為脆弱的單元，在強電磁脈沖作用下極易受到損傷。

在強電磁脈沖輻射下，半導體器件所表現出的失效模式主要有：高壓擊穿，電磁波被接受后轉化成高電壓或大電流，回導致結點、部件或回路之間的擊穿效應；器件燒毀，包括半導體器件的結燒毀、連線熔斷等；電涌沖擊，脈沖高電壓、大電流進入到系統內部，會像電涌一樣對器件進行燒毀；瞬時干擾，當進入較低功率干擾時，導致電路出現干擾現象，影響其正常工作。

3 戰場電磁環境中無人戰車的應對策略

3.1 增強抗干擾通信技術

現代戰爭不再是裝備性能的單純比拼，而是作戰體系的綜合對抗，考驗陸、海、空、天多軍中協同作戰能力。在戰場頻域、時域、空域上，敵我雙方大量使用電子設備，電磁波異常密集，工作頻率十分集中，導致戰場上的電磁環境極端復雜。為保障無人戰車通信系統的正常工作，解決自組網、測控鏈、探測雷達等用頻設備的自擾、互擾問題，就必須提高其抗干擾性能。而提高通訊抗干擾技術主要采用的手段：調頻技術、擴頻技術、智能天線技術和多手段融合技術。

調頻技術可以根據給定規律，進行無線電頻率跳變，頻率帶寬越寬、跳變速度越快，抗干擾能力越強。擴頻技術通過把頻譜進行擴寬，將有用信號隱藏在其中，達到抗干擾和保密的要求。智能天線技術由天線陣、波束網絡、波束算法構成，利用智能化算法對陣元信號進行調整，主瓣只服務于特定用戶，后瓣服務于非特定用戶，既能減小電磁污染，又能保障用戶通訊質量。多手段融合技術采用多種技術融合大大提高抗干擾的效果，從而彌補每種抗干擾技術的局限性。但融合技術異常復雜，需要克服技術難題，降低成本。

3.2 提升電磁兼容性能技術

無人戰車的電磁兼容性是指無人戰車內部設備、分系統、系統在共同的電磁環境中能夠互不干擾，而能夠正常工作的狀態。無人戰車是集多種高壓大功率設備、弱電信號控制、網絡通信設備等多電子設備于一體的復雜系統。無人戰車內部電磁騷擾源眾多，形成機理和干擾特性也多種多樣，抑制或消除潛在干擾源，控制輻射發射和傳導發射，一般采用屏蔽、接地、濾波等技術阻斷干擾傳播途徑，提高其電磁兼容性能。

1）屏蔽設計。屏蔽技術作為確保無人戰車電磁兼容性能的一項重要參數，屏蔽提選擇銅、鋁、鋼等高導電的材料或金屬鍍層、導電涂層作為屏蔽材料，減小機械不連續性，接縫處保證電連續性。使用電磁密封材料控制泄漏輻射；對于通風口應使用直徑足夠小的穿孔金屬板；對于易產生干擾或易受干擾的電纜，采用屏蔽設計。

2）接地設計。無人戰車作為一個與地面有相對運動的系統，車體接地點和設備接地點的距離應盡可能接近，還需保證接地線與設備、車體接地點的電連續性良好，同時還要保證連接的可靠性。條件允許的情況下，應設置多個相互平行的地線匯流排，確保敏感設備和強干擾設備使用不同的接地點。

3）濾波設計。濾波是用來降低電子器件傳導和提高抗擾度的重要方式。一般安裝在屏蔽體入口處或其周圍，濾波器外殼與支架或車體以低阻抗和低感抗連接，使濾波器漏電流通過低阻抗和低感抗流向車體地；輸入輸出線纜分開布設，若濾波器裝配區域處于屏蔽區外，則濾波器到電子器件之間線路應進行屏蔽。

4）布線設計。由于無人戰車內部具有多等級電壓的電纜，該電纜之間可能存在容性或感性耦合。若電纜平行敷設時，就會存在電容耦合，耦合大小取決于電纜平行敷設長度，電纜間距以及距地面的高度；電感耦合則是在環形導線內產生，耦合強度主要由環形導線面積決定。

5）電源設計。供配電網絡是無人戰車傳播電磁干擾的重要耦合路徑之一。無人戰車的高壓配電和低壓配電應采用兩個獨立裝置或采用分倉設計，盡可能減小設備內部高壓模塊和低壓模塊之間的耦合。為避免用車體作為電源回路，電源系統應采用雙線設計。同時，電源線纜應用高編制密度屏體層，所有接插件涂有導電層，安裝時確保電源線連接器與設備連接處構成360°端接。

6）電子元器件合理選取。無人戰車元器件元件應選用標準或通用的可靠性器件，避免電子元器件因存在缺陷導致車輛電磁兼容下降。

3.3 影響戰車電磁兼容性能

強電磁脈沖主要攻擊無人戰車電子設備內部的PCB板及電子元器件，通過干擾、翻轉、閉鎖甚至燒毀電子元器件及其線路，是電子設備進行誤動作或者功能喪失，從而達到降低無人戰車作戰效能的目的。強電磁脈沖防護不僅要抑制外部電磁脈沖通過各種途徑進入到車輛內部，還要抑制車輛內部的電磁脈沖能力耦合。增強電子設備自身電磁脈沖防護能力，首先要對車體屏蔽設計，通過結構設計、搭接設計、屏蔽材料的使用等措施，提高屏蔽效能；其次采用端口隔離技術實現對強電磁脈沖產生前門效應的天線隔離設計和進出車體的線纜端口隔離設計，增強端口對電磁脈沖能力的抑制作用；再次通過對線纜屏蔽、線纜搭接優化設計，降低進入內部的電磁脈沖對線纜的耦合特性；最后應用不受電磁干擾影響的光纖信號傳遞技術，提升無人戰車 的強電磁脈沖防護性能。

4 結束語

無人戰車已成為現代戰爭地面作戰中不可或缺的軍事力量，如何應對戰場惡劣電磁環境的影響，已成為一個亟待解決的課題。以無人戰車面臨的戰場復雜電磁環境出發，分析了戰場復雜電磁環境的構成和特征，得到了戰場電磁環境中無人戰車面臨的挑戰，并從抗干擾通信技術、提高電磁兼容性能技術以及強電磁脈沖防護技術方面給出了戰場電磁環境中無人戰車的應對策略，為增強無人戰車的電磁安全性能提供了基礎保障。