戰(zhàn)場電磁環(huán)境對C3I系統(tǒng)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(duì),河南洛陽471003)

0 引言

戰(zhàn)場電磁環(huán)境越來越復(fù)雜。C3I系統(tǒng)是未來信息化戰(zhàn)場的神經(jīng)中樞,各種電子信息裝備之間的緊密協(xié)調(diào)和威力的發(fā)揮都依賴于指揮控制系統(tǒng)作用的發(fā)揮,而指揮控制系統(tǒng)作用的發(fā)揮又極大地依賴于其通信系統(tǒng),通信系統(tǒng)的失效直接影響到情報信息的及時傳遞,進(jìn)而影響戰(zhàn)術(shù)決策的正確性和指揮控制的有效性。這里分析了戰(zhàn)場電磁環(huán)境對指揮控制系統(tǒng)通信系統(tǒng)性能的影響途徑,結(jié)合一個實(shí)例研究分析了系統(tǒng)內(nèi)外部電磁環(huán)境對C3I系統(tǒng)無線通信性能的影響。

1 C3I系統(tǒng)面臨的戰(zhàn)場電磁環(huán)境

1.1 系統(tǒng)內(nèi)的電磁環(huán)境

系統(tǒng)內(nèi)的電磁環(huán)境主要包括電子射頻設(shè)備通過天線、殼體、電源線、控制線以及信號線的電磁發(fā)射和電磁耦合,如C3I系統(tǒng)中通信網(wǎng)配置的多種無線電發(fā)射機(jī),還有防空作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)中,雷達(dá)站會對通信機(jī)產(chǎn)生連續(xù)性的干擾;具有數(shù)字和開關(guān)電路的設(shè)備,經(jīng)殼體和電源線、互聯(lián)線的電磁發(fā)射和電磁耦合;電源和互聯(lián)導(dǎo)線的傳到導(dǎo)輻射、油機(jī)發(fā)電機(jī)和汽車點(diǎn)火系統(tǒng)的電磁耦合。

1.2 系統(tǒng)外的戰(zhàn)場電磁環(huán)境

在未來信息化戰(zhàn)場中,C3I系統(tǒng)主要面臨著電子干擾環(huán)境和電磁應(yīng)用環(huán)境的影響。電子干擾環(huán)境是構(gòu)成戰(zhàn)場電磁環(huán)境的重要組成部分,電子干擾嚴(yán)重威脅著電子戰(zhàn)作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)的正常工作。隨著電子戰(zhàn)技術(shù)的迅速發(fā)展,干擾裝備型號種類應(yīng)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(yán)重,干擾樣式有:噪聲調(diào)頻、噪聲調(diào)相、調(diào)幅噪聲、移頻和偽碼等。電磁應(yīng)用環(huán)境是諸如雷達(dá)和通信等各種電磁應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁輻射環(huán)境,它不同于電子干擾環(huán)境,這些電磁應(yīng)用環(huán)境可能來自于敵方,也可能來自于己方,主要有雷達(dá)環(huán)境和通信環(huán)境?，F(xiàn)代雷達(dá)頻譜和工作帶寬逐步拓展,頻譜將擴(kuò)展到5 MHz～140 GHz,采用了頻率捷變、信號分集和擴(kuò)頻技術(shù)后,工作帶寬也隨之增加。由于相控陣?yán)走_(dá)、脈沖壓縮雷達(dá)、單脈沖雷達(dá)、脈沖多普勒雷達(dá)、多參數(shù)捷變雷達(dá)、噪聲雷達(dá)、合成孔徑雷達(dá)和毫米波雷達(dá)等新體制雷達(dá)不斷投入戰(zhàn)場使用,導(dǎo)致雷達(dá)信號波形日趨復(fù)雜,輻射源數(shù)目大量增加。據(jù)估計(jì),未來的信號環(huán)境密度最高可達(dá)120萬脈沖/s,相當(dāng)于1 600個輻射源。通信裝備頻譜迅速擴(kuò)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(shù)使其信號特征更加復(fù)雜,導(dǎo)致輻射源密度增加。

戰(zhàn)場電磁環(huán)境對C3I系統(tǒng)的主要影響表現(xiàn)在:直接通過天線,造成電子設(shè)備損壞、性能下降或產(chǎn)生差錯;經(jīng)縫隙與電子設(shè)備及電纜耦合進(jìn)而對系統(tǒng)產(chǎn)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(zhàn)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(qiáng)電場和瞬時大電流,并產(chǎn)生強(qiáng)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(tǒng),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(dǎo)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(zhàn)場中,C3I系統(tǒng)面臨的戰(zhàn)場電磁環(huán)境如圖1所示。

圖1 C3I系統(tǒng)面臨的戰(zhàn)場電磁環(huán)境

2 電磁環(huán)境對C3I系統(tǒng)影響途徑分析

電磁耦合具有復(fù)雜性、多樣性,且難以精確描述,其在電磁環(huán)境效應(yīng)研究中占據(jù)著重要的地位。電磁干擾(EMI)對指揮控制(C3I)系統(tǒng)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(jié)構(gòu)不完善屏蔽的小孔、縫隙等耦合到系統(tǒng)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(jìn)入電子系統(tǒng)的方式。

2.1 天線耦合

對于敏感端口,除系統(tǒng)所具有的數(shù)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(tǒng)對戰(zhàn)場電磁環(huán)境的適應(yīng)能力。無線電設(shè)備收發(fā)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(jìn)入接收機(jī)。

同頻干擾:系統(tǒng)工作時,由于系統(tǒng)內(nèi)部密集的無線電發(fā)射機(jī)的寄生輻射,再加上不可避免的系統(tǒng)外的干擾信號,干擾信號落入接收機(jī)的頻帶內(nèi),形成同頻干擾,若干擾信號很強(qiáng),能使接收信號的質(zhì)量下降,甚至通信中斷。

相鄰波道干擾:由于接收機(jī)的選擇性不好或頻道設(shè)置保護(hù)的寬度不夠,也可能有來自其他系統(tǒng)的干擾信號,形成信道間的互相串?dāng)_。

鏡頻干擾:當(dāng)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(jī)混頻后產(chǎn)生鏡頻干擾信號。

組合交調(diào)干擾:外來干擾信號的各次諧波與接收機(jī)本振各次諧波進(jìn)行混頻,形成組合頻率,落入接收機(jī)中頻通帶內(nèi)。

2.2 孔洞與縫隙耦合

在實(shí)際情況中經(jīng)常會遇到不完整的屏蔽,如系統(tǒng)的屏蔽機(jī)殼存在孔洞、縫隙、電纜孔和通風(fēng)口等,這樣電磁波會通過這些縫隙和孔洞泄漏進(jìn)去。電磁波將在設(shè)備內(nèi)形成空間駐波波形,位于駐波波形內(nèi)波腹處的部件,可能將暴露在很強(qiáng)的電磁場中。

2.3 傳輸電纜耦合

系統(tǒng)中設(shè)備之間的互連導(dǎo)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?；ヂ?lián)導(dǎo)線既是電磁發(fā)射源又是敏感接收器。因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dǎo)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(tǒng)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(tǒng)狀態(tài)的信息。對屏蔽不好的指揮控制系統(tǒng)來說,這些電纜通常會成為引進(jìn)干擾的主要途徑,會成為感應(yīng)電流及電壓通向敏感電路區(qū)的傳播途徑。

3 戰(zhàn)場電磁環(huán)境對C3I性能影響分析

通信系統(tǒng)是C3I系統(tǒng)的神經(jīng)中樞,C3I系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)是通信,系統(tǒng)中最易暴露和最易受攻擊的部分也正是通信分系統(tǒng)。對于無線電數(shù)字通信,一般選用誤碼率Pe作為分析評估系統(tǒng)受到干擾的影響程度。未來信息化戰(zhàn)場中,敵方干擾進(jìn)入通信系統(tǒng)接收設(shè)備,使其收到的信噪比SNR下降,信噪比下降將導(dǎo)致誤碼率的增大,導(dǎo)致正確接收所傳遞信息的比例降低,使通信質(zhì)量惡化,信息無法恢復(fù)。誤碼率與信噪比的關(guān)系如圖2所示[3]。

圖2 誤碼率與信噪比的關(guān)系

分析戰(zhàn)場電磁環(huán)境對C3I系統(tǒng)無線通信性能的影響,主要從系統(tǒng)內(nèi)部和外部電磁環(huán)境進(jìn)行分析。下面結(jié)合一個實(shí)例來分析系統(tǒng)內(nèi)外部電磁環(huán)境的影響,在某三級(群、營、連)戰(zhàn)術(shù)指揮系統(tǒng)群與營通信距離試驗(yàn)中,當(dāng)使用市電、油機(jī)通過3 kW直流穩(wěn)壓電源給車上設(shè)備供電時,通信質(zhì)量明顯比使用蓄電池供電時通信質(zhì)量差。使用信道監(jiān)測器進(jìn)行通信誤幀率測試,誤幀率測試方法為:群車每次向營車發(fā)送100個數(shù)據(jù)包,營車自動轉(zhuǎn)發(fā)給群車,群車未收到的數(shù)據(jù)包數(shù)除以群車發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)作為通信誤幀率。對群車誤幀率測試結(jié)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(nèi)部背景噪聲干擾情況進(jìn)行測試,電臺同步速率為2.4 kbps,測試數(shù)據(jù)如表2所示。發(fā)現(xiàn)營車電源處干擾較為明顯,內(nèi)部背景噪聲干擾較強(qiáng),后經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn),是3kW直流穩(wěn)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(wěn)壓電源的干擾傳至天線處,使?fàn)I車收到的信噪比SNR下降,導(dǎo)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(jié)果

表2 群營方艙內(nèi)部噪聲測試數(shù)據(jù)

通過將電源線屏蔽層斷開處重新焊接,使3 kW穩(wěn)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(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量明顯改善,話音單字清晰度、句子可懂度、數(shù)據(jù)傳輸首發(fā)成功率均達(dá)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(tǒng)無線通信產(chǎn)生的影響。

對于系統(tǒng)外部電磁環(huán)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(gòu)建貼近實(shí)際作戰(zhàn)的戰(zhàn)場電磁環(huán)境,在構(gòu)建的戰(zhàn)場電磁環(huán)境下,分析不同電磁環(huán)境對C3I系統(tǒng)無線通信性能的影響。例如在某三級(群、營、連)戰(zhàn)術(shù)指揮系統(tǒng)野戰(zhàn)綜合能力試驗(yàn)中,構(gòu)建一定作戰(zhàn)態(tài)勢如圖3所示。

圖3 某戰(zhàn)術(shù)指揮系統(tǒng)作戰(zhàn)態(tài)勢圖

通過背景信號模擬器產(chǎn)生不同復(fù)雜程度的戰(zhàn)場環(huán)境,在施加背景噪聲過程中,背景噪聲增至一定值時,系統(tǒng)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(shè)備對系統(tǒng)中心環(huán)節(jié)的營站的無線通信電臺實(shí)施干擾,干信比為一定值時,該站無法與其上下級進(jìn)行正常的話音和數(shù)據(jù)傳輸,導(dǎo)致整個系統(tǒng)的工作流程中斷。

通過上面實(shí)例分析表明C3I系統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)容易受到電磁干擾。下面討論通信系統(tǒng)受到干擾后對C3I系統(tǒng)功能的影響。主要影響體現(xiàn)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(zhàn)指揮系統(tǒng)中的情報處理子要素。敵方實(shí)施強(qiáng)力干擾,電磁活動便可能陷入混亂,從上級、下級及友鄰部隊(duì)傳送的情報信息易被敵干擾、破壞,出現(xiàn)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(tǒng)生成決策方案的主要依據(jù)。信息傳輸暢通才能保證決策所需信息的準(zhǔn)確快速到達(dá)。一旦通信分系統(tǒng)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(tǒng)將給不出或給出錯誤的決策方案;電磁環(huán)境密集時,難以區(qū)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(jù),甚至無法制定出決策;

③影響指揮控制的有效性?？刂品窒到y(tǒng)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(wù),對其要求是迅速、準(zhǔn)確、連續(xù)和保密。隨著通信加密技術(shù)的發(fā)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(zhǔn)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(tǒng)實(shí)施干擾,使信干比下降,誤信率、誤碼率增大,導(dǎo)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(zhàn)部隊(duì)即失去控制,不能有效遂行作戰(zhàn)任務(wù),從而嚴(yán)重影響著C3I系統(tǒng)指揮控制穩(wěn)定性、時效性和準(zhǔn)確性。

由此可見,只要系統(tǒng)通信鏈的節(jié)點(diǎn)、指揮中心和樞紐站等受到破壞,C3I系統(tǒng)就將陷于癱瘓。

4 結(jié)束語

未來信息化條件下的作戰(zhàn),戰(zhàn)場電磁環(huán)境極為復(fù)雜。開展戰(zhàn)場電磁環(huán)境對C3I系統(tǒng)影響的分析研究,掌握它的作用規(guī)律,采取相應(yīng)的對策,奪取戰(zhàn)場的制電磁權(quán),對掌握戰(zhàn)爭的主動權(quán)將具有十分重要的意義。上述僅初步開展了戰(zhàn)場電磁環(huán)境對C3I系統(tǒng)性能影響分析研究,C3I系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)評估是一項(xiàng)復(fù)雜程度極高的工作,在系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)與靶場試驗(yàn)中占據(jù)重要地位,是下一步研究中的重點(diǎn)工作。

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