战场电磁环境对C3I系统性能影响分析

余 辉,石景岚,刘 荣,童 力

(中国人民解放军63891部队,河南洛阳471003)

0 引言

战场电磁环境越来越复杂。C3I系统是未来信息化战场的神经中枢,各种电子信息装备之间的紧密协调和威力的发挥都依赖于指挥控制系统作用的发挥,而指挥控制系统作用的发挥又极大地依赖于其通信系统,通信系统的失效直接影响到情报信息的及时传递,进而影响战术决策的正确性和指挥控制的有效性。这里分析了战场电磁环境对指挥控制系统通信系统性能的影响途径,结合一个实例研究分析了系统内外部电磁环境对C3I系统无线通信性能的影响。

1 C3I系统面临的战场电磁环境

1.1 系统内的电磁环境

系统内的电磁环境主要包括电子射频设备通过天线、壳体、电源线、控制线以及信号线的电磁发射和电磁耦合,如C3I系统中通信网配置的多种无线电发射机,还有防空作战指挥系统中,雷达站会对通信机产生连续性的干扰;具有数字和开关电路的设备,经壳体和电源线、互联线的电磁发射和电磁耦合;电源和互联导线的传到导辐射、油机发电机和汽车点火系统的电磁耦合。

1.2 系统外的战场电磁环境

在未来信息化战场中,C3I系统主要面临着电子干扰环境和电磁应用环境的影响。电子干扰环境是构成战场电磁环境的重要组成部分,电子干扰严重威胁着电子战作战指挥系统的正常工作。随着电子战技术的迅速发展,干扰装备型号种类应有尽有,频率覆盖广,射频对抗的频率范围为 3 MHz～300GHz,分布范围宽,信号交叠严重,干扰样式有:噪声调频、噪声调相、调幅噪声、移频和伪码等。电磁应用环境是诸如雷达和通信等各种电磁应用系统产生的电磁辐射环境,它不同于电子干扰环境,这些电磁应用环境可能来自于敌方,也可能来自于己方,主要有雷达环境和通信环境。现代雷达频谱和工作带宽逐步拓展,频谱将扩展到5 MHz～140 GHz,采用了频率捷变、信号分集和扩频技术后,工作带宽也随之增加。由于相控阵雷达、脉冲压缩雷达、单脉冲雷达、脉冲多普勒雷达、多参数捷变雷达、噪声雷达、合成孔径雷达和毫米波雷达等新体制雷达不断投入战场使用,导致雷达信号波形日趋复杂,辐射源数目大量增加。据估计,未来的信号环境密度最高可达120万脉冲/s,相当于1 600个辐射源。通信装备频谱迅速扩展,目前美军无线电通信频率从极低频至光波频段,几乎覆盖了全频段。新的通信技术使其信号特征更加复杂,导致辐射源密度增加。

战场电磁环境对C3I系统的主要影响表现在:直接通过天线,造成电子设备损坏、性能下降或产生差错;经缝隙与电子设备及电缆耦合进而对系统产生影响。

1.3 自然电磁危害源

静电放电、沉积静电和雷电是普遍存在于作战空间不可避免的自然因素。静电放电有时可以形成高电位、强电场和瞬时大电流,并产生强烈的电磁辐射而形成电磁脉冲。作为一种近场危害源,它可干扰电子系统,可使燃油、电爆装置意外燃烧和爆炸。

雷电电磁脉冲场是伴随雷电放电过程的电磁辐射,雷电电磁脉冲可以以瞬时大电流、浪涌电压等形式,从电源线、信号线传导到电子装备,也可以通过电容性耦合、电感性耦合或等效天线耦合将脉冲能量耦合到武器装备上。

通过上述分析,在未来信息化战场中,C3I系统面临的战场电磁环境如图1所示。

图1 C3I系统面临的战场电磁环境

2 电磁环境对C3I系统影响途径分析

电磁耦合具有复杂性、多样性,且难以精确描述,其在电磁环境效应研究中占据着重要的地位。电磁干扰(EMI)对指挥控制(C3I)系统的耦合途径主要包括天线间、场与线缆、线缆间以及壳体缝隙和口盖耦合等7个方面,可以从前门耦合、后门耦合和传输电缆耦合3个方面来分析。天线耦合通常称之为前门耦合;孔洞或缝隙耦合又称后门耦合,是指电磁干扰通过装备结构不完善屏蔽的小孔、缝隙等耦合到系统中;第3种传输电缆耦合是指电磁干扰通过架空的电源线、电话线或屏蔽的信号电缆、地理电缆以及地线回路耦合进入电子系统的方式。

2.1 天线耦合

对于敏感端口,除系统所具有的数字、低频模拟及电源端口外,天线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统对战场电磁环境的适应能力。无线电设备收发天线间的干扰耦合是电磁干扰的主要途径。干扰信号可能以多种形式进入接收机。

同频干扰:系统工作时,由于系统内部密集的无线电发射机的寄生辐射,再加上不可避免的系统外的干扰信号,干扰信号落入接收机的频带内,形成同频干扰,若干扰信号很强,能使接收信号的质量下降,甚至通信中断。

相邻波道干扰:由于接收机的选择性不好或频道设置保护的宽度不够,也可能有来自其他系统的干扰信号,形成信道间的互相串扰。

镜频干扰:当干扰信号的频率大于或低于接收信号频率的2倍中频时,就会在接收机混频后产生镜频干扰信号。

组合交调干扰:外来干扰信号的各次谐波与接收机本振各次谐波进行混频,形成组合频率,落入接收机中频通带内。

2.2 孔洞与缝隙耦合

在实际情况中经常会遇到不完整的屏蔽,如系统的屏蔽机壳存在孔洞、缝隙、电缆孔和通风口等,这样电磁波会通过这些缝隙和孔洞泄漏进去。电磁波将在设备内形成空间驻波波形,位于驻波波形内波腹处的部件,可能将暴露在很强的电磁场中。

2.3 传输电缆耦合

系统中设备之间的互连导线多,传输信号差别大。在频域特性上有低频和高频信号;在时域特性上有大信号和小信号。互联导线既是电磁发射源又是敏感接收器。因此在系统设计时,合理布局和布线是降低电磁干扰的重要措施,特别要注意导线的屏蔽和接地以及走向。在以电能为动力或用电子控制的指挥控制系统中,电缆都有十分重要的作用,用电缆传递指挥、控制和描述系统状态的信息。对屏蔽不好的指挥控制系统来说,这些电缆通常会成为引进干扰的主要途径,会成为感应电流及电压通向敏感电路区的传播途径。

3 战场电磁环境对C3I性能影响分析

通信系统是C3I系统的神经中枢,C3I系统中最重要的环节是通信,系统中最易暴露和最易受攻击的部分也正是通信分系统。对于无线电数字通信,一般选用误码率Pe作为分析评估系统受到干扰的影响程度。未来信息化战场中,敌方干扰进入通信系统接收设备,使其收到的信噪比SNR下降,信噪比下降将导致误码率的增大,导致正确接收所传递信息的比例降低,使通信质量恶化,信息无法恢复。误码率与信噪比的关系如图2所示[3]。

图2 误码率与信噪比的关系

分析战场电磁环境对C3I系统无线通信性能的影响,主要从系统内部和外部电磁环境进行分析。下面结合一个实例来分析系统内外部电磁环境的影响,在某三级(群、营、连)战术指挥系统群与营通信距离试验中,当使用市电、油机通过3 kW直流稳压电源给车上设备供电时,通信质量明显比使用蓄电池供电时通信质量差。使用信道监测器进行通信误帧率测试,误帧率测试方法为:群车每次向营车发送100个数据包,营车自动转发给群车,群车未收到的数据包数除以群车发送的数据包数作为通信误帧率。对群车误帧率测试结果如表1所示。

在排除外部干扰因素后,使用频谱分析仪对群、营车方舱内部背景噪声干扰情况进行测试,电台同步速率为2.4 kbps,测试数据如表2所示。发现营车电源处干扰较为明显,内部背景噪声干扰较强,后经检查发现,是3kW直流稳压电源与营车连接的电源线接头处屏蔽层由于磨损而断开,致使3 kW直流稳压电源的干扰传至天线处,使营车收到的信噪比SNR下降,导致误码率的增大,使正确接收所传递信息的比例降低。

表1 群车误帧率测试结果

表2 群营方舱内部噪声测试数据

通过将电源线屏蔽层断开处重新焊接,使3 kW稳压源通过该电源线与车体连接时,能通过车体良好接地后,群营间通信时话音和数据传输质量明显改善,话音单字清晰度、句子可懂度、数据传输首发成功率均达到要求。这种情况是一个典型的电磁干扰通过孔洞与缝隙耦合途径对系统无线通信产生的影响。

对于系统外部电磁环境的影响,天线端口是最主要和最敏感的影响途径,主要通过构建贴近实际作战的战场电磁环境,在构建的战场电磁环境下,分析不同电磁环境对C3I系统无线通信性能的影响。例如在某三级(群、营、连)战术指挥系统野战综合能力试验中,构建一定作战态势如图3所示。

图3 某战术指挥系统作战态势图

通过背景信号模拟器产生不同复杂程度的战场环境,在施加背景噪声过程中,背景噪声增至一定值时,系统基本能够完成情报传输、决策与指挥控制流程,指挥周期由未施加噪声时的 12 min,增长至15 min,指挥效率有所降低。通过干扰设备对系统中心环节的营站的无线通信电台实施干扰,干信比为一定值时,该站无法与其上下级进行正常的话音和数据传输,导致整个系统的工作流程中断。

通过上面实例分析表明C3I系统的无线通信系统容易受到电磁干扰。下面讨论通信系统受到干扰后对C3I系统功能的影响。主要影响体现在:

①影响情报的传递。情报传递的功能是将收集到的资料信息传递到作战指挥系统中的情报处理子要素。敌方实施强力干扰,电磁活动便可能陷入混乱,从上级、下级及友邻部队传送的情报信息易被敌干扰、破坏,出现信源被破坏、信道被切断的情况;

②影响决策的正确性。情报信息是决策分系统生成决策方案的主要依据。信息传输畅通才能保证决策所需信息的准确快速到达。一旦通信分系统受到电磁干扰,收不到或者收到错误的情报信息,决策分系统将给不出或给出错误的决策方案;电磁环境密集时,难以区分出哪些对决策起主要作用,哪些对决策起次要作用。缺少了及时有效的情报信息,决策就没有依据,甚至无法制定出决策;

③影响指挥控制的有效性。控制分系统中通信子要素的作用就是完成控制信息和反馈信息的传递任务,对其要求是迅速、准确、连续和保密。随着通信加密技术的发展,敌对我电磁窃密已有很大难度,因此更多的是通过诸如瞄准式、阻塞式干扰,以及高频段大功率通信电磁干扰对我通信系统实施干扰,使信干比下降,误信率、误码率增大,导致我命令、控制和反馈等指挥信息传输延时、错误,甚至无法传输,若指挥信息被中断,作战部队即失去控制,不能有效遂行作战任务,从而严重影响着C3I系统指挥控制稳定性、时效性和准确性。

由此可见,只要系统通信链的节点、指挥中心和枢纽站等受到破坏,C3I系统就将陷于瘫痪。

4 结束语

未来信息化条件下的作战,战场电磁环境极为复杂。开展战场电磁环境对C3I系统影响的分析研究,掌握它的作用规律,采取相应的对策,夺取战场的制电磁权,对掌握战争的主动权将具有十分重要的意义。上述仅初步开展了战场电磁环境对C3I系统性能影响分析研究,C3I系统电磁环境效应评估是一项复杂程度极高的工作,在系统工程设计与靶场试验中占据重要地位,是下一步研究中的重点工作。

[1]王汝群.战场电磁环境[M].北京:解放军出版社,2006.

[2]熊志昂.指挥控制系统试验[M].北京:国防工业出版社,2004.

[3]邵国培.电子对抗作战效能分析[M].北京:解放军出版社,1998.

[4]侯印鸣.综合电子战[M].北京:国防工业出版社,2000.