復雜電磁環境效應分析與解讀

張江明，付茂才，劉 青

（中國電波傳播研究所，山東 青島 266107）

電子信息系統復雜電磁環境效應是復雜的電磁環境對電子信息系統的影響的統稱，國外一般稱為E3（Electromagnetic Environment Effects）問題。電磁環境效應具體內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。

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

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

1 復雜電磁環境定義

戰場復雜電磁環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行動產生一定影響的電磁環境[2]。具體來說，就是在特定的戰場空間內，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、電子裝備運用產生嚴重威脅和影響的電磁環境[3]。

2 復雜電磁環境特征

電磁環境復雜性主要有如下體現。

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，是一種重要的戰略資源，是電子對抗中的爭斗焦點。當前，電子信息系統的頻譜幾乎占據了整個電磁頻譜，涵蓋所有頻段，特別是超寬帶技術的興起，單設備工作所占用的頻帶較之前有很大的改變[4]。

輻射源數量多、密度高。電子信息系統種類多、數量大，各種業務需求衍生出的不同技術體制的電子信息系統數以億計，擁擠在有限的頻段、空間內，電磁環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 通信基站數量持續增加的同時，4G 通信基站近兩年迎來飛速發展，2015 年中國4G 基站規模已接近150 萬個，占全球4G 基站數量50%以上。

信號與調制類型的多樣化。目前，各類電子信息系統廣泛采用了復雜的信號調制樣式，同時新技術體制設備的投入使用進一步加劇了這種情況，如現代通信系統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。

電波環境非穩態時變。受傳播介質、地形變化等因素的影響，無線電波在傳播過程中是非穩定、時刻變化的，這也導致了電波環境的非穩態時變特性。如地面反射、大地吸收、地質變化、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生角度偏轉[9-10]引起的極化狀態變化，這些因素均加劇了電磁環境的復雜多變性。

3 復雜電磁環境構成因素

造成戰場電磁環境復雜多變的因素較多，其主要構成因素如下所述。

3.1 電磁干擾環境

電磁干擾環境主要指對抗方利用電子戰裝備實施的全方位、高強度、有針對性的電磁干擾輻射。這是造成戰場電磁環境復雜性最突出的關鍵因素，它對電子裝備運用、指揮通信以及作戰行動構成嚴重威脅。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，現今各國都在大力研發空中電子戰飛機，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系統以及艦載干擾彈。如美軍的AN/SLQ-32 型艦載電子戰系統[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境

非干擾用頻裝備輻射環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威脅環境，主要有：①偵察監視系統，包括偵察衛星、偵察飛機，如電子偵察衛星、無人機等。美軍在伊拉克、阿富汗戰爭行動中，給無人機提供了廣闊的展示其作戰才能的舞臺，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、更快的空天領域發展的潮流[15]。②預警探測系統，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，主要有防空導彈系統雷達、火控雷達，如美軍高空區域防御（THAAD）地基X 波段雷達，即“薩德”反導系統[16]。④無線指揮通信系統，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、衛星通信系統等。

3.3 用頻裝備自擾互擾環境

己方用頻裝備自擾互擾環境指的是在同一時域、空域內，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、互調干擾等，這些也都會影響裝備效能的發揮，嚴重時導致電子信息系統無法工作，危及作戰行動的勝利。用頻設備在設計之初已考慮各系統間、系統內設備間的電磁兼容性，但大量傳統設備的信息化改造，加之新的電子設備的不斷應用，導致同一區域內的電磁環境密度越來越高，實際干擾電平會超出部分裝備的允許干擾電平，造成干擾。在大型作戰應用平臺上，如艦船、飛機等必須統籌考慮各電子系統間的電磁兼容問題，防止出現電磁干擾影響作戰能力的情況[17]。因此，新形勢下的大型應用平臺上各電子信息系統間電磁兼容性面臨嚴峻挑戰。

3.4 民用設備電磁輻射環境

民用設備電磁輻射環境主要指同一時域、空域內的各類民用電子設備形成的電磁環境，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，極有可能產生無意干擾，對己方裝備性能發揮、通信指揮、作戰行動帶來一定影響。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容。這表明，大功率的廣播發射源威脅航空通信安全[18]。

4 E3 問題國內外研究動態

復雜電磁環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行動。用頻設備試驗、評估實現“像作戰那樣試驗和訓練”是信息化戰爭的必然要求。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境研制程序和標準，頒布電磁環境效應頂層標準MIL-STD-464C，構建了完善的數字/半實物仿真內場試驗驗證條件，構建了基于“怎么打，怎么驗”的外場試驗驗證條件，構建了跨地域多用頻設備復雜電磁環境適應性聯合試驗能力，且保持了穩定的試驗驗證人才隊伍[19]。

隨著電磁環境相關技術研究的深入，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字仿真軟件和相適應的龐大數據庫，并及時根據發展形勢更新換代，以適應不同戰場軍用平臺的需求。涉及該領域的主要產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 無線頻譜管理系統等。

但國內復雜電磁環境研究領域仍存在許多不足之處：復雜電磁環境的定義和分類分級標準未統一；復雜電磁環境的逼真構建無標準、無固定參照對象；復雜電磁環境中干擾評估體系無標準。這些都是復雜電磁環境效應專業領域亟需加強的方向。

5 結束語

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