美国国防机构对电磁防御问题的判断及对策

曾 鹏，廖龙文，陈军燕，张夏彬，郭熠玮，谢丰宇

(西北核技术研究所，陕西 西安 710024)

0 引言

美国军方对电磁防御问题的研究已经有数十年的历史，其重要性也随着现代电子信息技术和设备愈加广泛的应用而变的更为凸显。尤其是集成电路、无线网络的广泛应用和物联网的发展，使电磁频谱渗透到军用和民用领域的方方面面，但对这些系统可能带来的潜在威胁目前尚缺乏全面的认识。

为保持美国在电磁频谱领域的技术领先地位，应对电磁频谱威胁，美国空军培训和训练司令部牵头成立了电磁防御工作组(EDTF)，2018年8月20—22日，该电磁防御工作组在美国华盛顿举行了第一次研讨会。在研讨会会议成果的基础上，美国空军大学LeMay条令制订与培训中心于2018年11月28日发布了《电磁防御工作组2018年报告》(以下简称报告)，报告主要阐述了美国及北约在电磁脉冲和地磁干扰、敌方5G网络战略威胁、定向能和高功率微波系统、电磁频谱政策、管理和机构等4个电磁防御领域存在的问题，并提出了相应对策建议。

1 电磁防御工作组研讨会过程简介

EDTF工作组由来自国防机构、研究机构和私企等40多个单位的电磁频谱领域著名专家、战略家和学者组成，其主要参与单位如表1所示。

表1 电磁防御工作组主要参与单位

在研讨会期间，工作组的专家被分为7个小组，每个组由不同背景的技术专家和战略学者组成。各组开始讨论时，先被分配了5个想定方案，这些方案涵盖敌人最具创造性和破坏性的攻击方式。由于这些方案的敏感性，报告中未包括这些方案。

各小组在此基础上就前述4个领域的问题进行讨论，并从电磁频谱的预防(Prevention)、防护(mitigation)和恢复(recovery)三个方面进行评估和对策考量。然后进行小组间的讨论和意见交流。最后，在经过长达2000多个小时的分组讨论、专题讨论和兵棋推演后，提出美国和北约在各个层级(国家层面、地区层面、本地层面)加强电磁频谱防护的若干建议。

2 EMS领域存在的主要问题

经过讨论，EDTF认为自由和安全的电磁频谱是主权国家军事、政府和商业得以维持和保持正常运行的“生命维持系统”。虽然在军民领域存在的电磁频谱漏洞和威胁已逐渐凸显，但美国甚至国际上预防或防护此类威胁和漏洞的能力尚不完善，甚至缺失。而在某些情况下，传统威慑工作在防止敌人不利的电磁频谱行动方面几乎没有效用。

从国家国防角度来看，将敌对行为归咎于行为者的能力是战略威慑(如进行反击)的必要条件。但由于电磁频谱破坏可能来自于敌人，也可能来自于自身，甚至太阳或地磁干扰，对这一行动的归因非常困难或几乎不可能。因此，当一个侵略者无法被识别出来时，这可能会鼓励或使得潜在敌人更具有侵略性(特别是它相信自身能够在攻击中保持隐形时)。此时，电磁频谱威胁可能处于战争与和平中间不可归因的灰色地带之中，如图1所示。

图1 突出战略威慑中理论空白的冲突谱(Stuckenberg模型)

战略性的EMS灰色地带问题可能会威胁到一个国家的生存。而军用和民用系统均没有为可能造成严重后果的电磁频谱威胁做好准备。报告致力于分析不断提升的电磁频谱依赖性所带来的风险，并建议将电磁频谱确定为和陆、海、空、天并列的一个作战领域。

2.1 问题领域1：电磁脉冲和地磁干扰

2.1.1 优先事项1：核电恢复力

专家们一致认为，如果地磁干扰(GMD)或电磁脉冲(EMP)使电网失效，电网可能会在几周到几个月内处于故障状态。那么，在数小时内为核电站反应堆和乏燃料池提供持续电冷却能力将成为电力恢复最为首要的任务。对这一问题，民用和军用系统都没做好充足的应对。

若电磁频谱导致核电站控制系统的后勤中断，在某些情况下，电站的电池将有大约16 h电量来继续冷却反应堆和乏燃料池。在最糟糕的情况下，所有受电磁频谱影响区域内的反应堆可能同时受到影响。那么在美国，这可能会导致大约60个电站和99个核反应堆中有超过60000吨的乏燃料融化，造成严重的放射性污染(如图2所示)，从而对经济和公共健康造成灾难性的后果。对军事和其他设施造成的影响类似。

图2 美国核废料库存，乏燃料池需电力水冷，干法存储不需电力

日本的福岛第一核电站灾难就是由于核电站长时间失去外部和内部电力引起的。值得注意的是，福岛核电站采用通用电气反应堆(general electric reactor)；日本的监管结构以美国为蓝本，工厂的工作人员按照美国的标准和程序接受培训；一切都是符合美国最先进标准的。但灾难导致的损失也有目共睹。

2011年福岛事故后，美国核管理委员会(NRC)成立了专门负责评估经验教训的研究小组。目前，核管理委员会(NRC)正在根据工作组的建议制定新的燃料储存标准。EDTF还建议为这些反应堆加装抗电磁频谱的备用发电机，并保证备用发电机具有至少7天的工作时间。

2.1.2 优先事项2：军事设施战地指挥所(关键基础设施)

2017年，美军一个地区的主要军事指挥控制(C2)设施受到当地洪水的侵袭，使该地区后续几天内的军事行动都受到影响。多年来，对军事设施关键依赖性的评估一直在开展，以便确保国防和民用设施能够在最低要求下持续运行。

从对手的角度来看，军事设施在战略层面代表了国防力量的最后屏障。对军事设施的打击也是作战的主要手段。如果有意或自然的电磁频谱影响了军事设施的指挥所，那么相关部队的能力很可能会降低甚至失效。

在适当的条件下，对手可能同时对美国大多数军事设施的通信系统造成影响。因此参谋长联席会议(CJCSI)6811.01指令要求国防部确保在遭受电磁脉冲(EMP)或地磁干扰(GMD)后仍能保持作战能力。美国的各军兵种都有义务实现这一目标。但由于该问题过于普遍，使得该指令的效力大打折扣。因此，大多数军事设施响应计划通常会忽略EMP / GMD意外事件后的维护或恢复计划，如美国空军(见图3)。

图3 美国空军军事设施断电后的理想规划及考虑EMP的补充

2.1.3 优先事项3：真实的演习和训练

从军事设施指挥官的角度来看，专门建立EMS响应也十分困难。如果是地磁干扰，由于它只会影响电网的元件，如大型电力变压器等，后果不会非常严重。但电磁脉冲会导致许多依赖于电源和计算机电路(如手机和GPS)的设备同时失效。

此外，对电磁频谱的联合防护大多数都以预警系统为基础，当预警系统发出电磁脉冲攻击或地磁干扰信号后才会对重要资产进行保护。但精明的敌人可能更愿意采用不具备任何警告或先兆信号且不可归因的电磁频谱攻击能力，这时候预警系统将形同虚设，正如二战时期法国的马其诺防线一般。

常言道：平时多流汗，战时少流血。今天，部队需要更真实环境下的演习、训练和危机应对计划。从战争的历史及其本身的复杂程度考虑，军队训练的目标必须是精明的敌人，而不应是可预测行动方式的敌人；必须是可能遇到的敌人，而不是希望遇到的敌人。未来，美国及其盟友的对手很有可能开展非线性的竞争，而这种竞争充满了创造性与不对称性，它会采用各种电磁频谱手段进行攻击，以期实现前述战略活动灰色地带的战略目标。

2.2 问题领域2：来自对手5G网络的战略威胁

这也是优先事项4：竞争对手控制所有数字信息。

5G是一种划时代的安全通信技术，具有几乎无限的带宽而延迟几乎可以忽略。5G移动技术和网络的发展将是通信领域的一次巨大飞跃，并且技术的进步已经为5G的部署做好了准备。因此，5G网络的发展需要特别加以考虑。

预计到2022年，5G技术可以为美国带来300万个就业岗位和5000亿美元的GDP增长。预计到2035年，5G在全球的经济产出将达到12.3万亿美元。

届时，控制5G网络技术的国家或机构将能够决定或控制所有数据通信，包括共享和接收信息的能力。因此可以说谁控制了5G技术，谁就控制了未来的互联网。而目前中国控制了大部分5G硬件制造所需的元件和天线(占市场份额的41%，并在不断上升)。此外，5G技术所用的毫米波段对所有军事行动，特别是军事指挥和控制系统来说也至关重要。这都对美国的国家安全造成了威胁。

专家认为，5G的市场份额可能会被美国的竞争对手在三年内“锁定”，而美国将没有第二次机会参与竞争。

2.3 问题领域3：定向能和高功率微波系统

2.3.1 优先事项5：机械、设备和关键资产

电磁脉冲并不新颖，早在第一次核试验期间电磁脉冲就是核试验需要研究的效应之一。但我们对电磁频谱效应的集体认知却处于历史上的最低点，而相应设备的广泛应用却使得电磁频谱造成的风险和威胁处于历史上的最高点。可以说，美国就是建立在基于数字技术和电磁频谱技术的机械、设备和关键物联网资产上的。当前，人们已经很少直接操作这些机械、设备和关键资产，对电磁频谱可能造成的影响缺乏直接的认识，并因此造成了几起重要的事故。

当前，许多电传操纵(fly-by-wire)飞机在美国和其他国家空域内飞行，在某一区域内因电磁脉冲损失多架飞机可能会造成重大的生命和财产损失。而在本报告发布时，EMS测试(特别是电磁脉冲EMP和高空电磁脉冲HEMP测试)仍未包括在新的采购要求中，例如美国空军的KC-46 Pegasus加油机或大多数依赖电传操纵的空中客车系统。依靠电传操纵系统的飞机具有独特的脆弱性，若其受到电磁脉冲影响，可能无法恢复到手动控制状态，只能等待灾难性的后果。

对于军事设施来说，目前大部分军事设备的操作人员不知道如何对设备进行电磁频谱防护，更缺乏设备失效后的恢复手段。当这些设备严重损坏后，面临的可能将是永远失效。这些是作战计划需要考虑的问题之一。应当从系统的观点看待任务关键设备，将其视为整个设备系统的一部分。如果不能了解整个系统及其相互之间的依赖性，就有可能导致任务最终失败或某些关键操作的失误。

2.3.2 优先事项6：物理和生物学影响

电磁脉冲、地磁干扰和其他电磁频谱现象虽不会对人类造成直接伤害，但某些影响可能极其危险，甚至威胁生命，如在睡觉时对其造成创伤性脑损伤。

随着电磁频谱技术的发展，它在战略灰色地带的使用将更加多样化。再加上它溯源的难度，电磁频谱武器将来可能比动能武器更为常用。

定向能武器、激光武器等若不造成显著影响，通常无法探测。但一旦造成影响后，再想亡羊补牢却为时已晚。因此，未来无人机、船舶和其他车辆可能要加装手动防御机制。随着军事硬件的强化，这时候操作人员反而可能成为攻击目标，如在保障船舶完好的情况下使船员失能或死亡。

2.4 问题领域4：电磁频谱政策、管理和机构

这也是优先事项7：复杂性、所有权和投资。

大量的电磁频谱活动需要健康的管理系统，但目前的机构管理存在复杂、重复和不完整等问题。如在整个北约范围内，各伙伴国之间的沟通往往互相不兼容，甚至无法通讯，严重制约了军事指挥和控制能力。而美国和北约要防止侵略，必须对改进电磁频谱协同管理给与足够的重视和关注。

考虑到电磁频谱主要在空间传播，因此将电磁频谱归入未来的天军(space force)或太空战司令部(space combatant command)统一管理。将电磁频谱管理整合到一个新的组织中，这样就有机会建立一个健全而深思熟虑的架构。

虽然从经济和国防的角度来看，未来的互联网依赖于5G技术，美国及其盟国也应该继续投资，但5G不是电磁频谱技术的终极状态，也应把量子通信考虑在内，而中国在这一方面已经走在了前列。量子通信不仅是一种安全、不可截获的通信方式，它还可以激活离网(无Wifi或其他信号)微嵌入式设备。

3 解决问题的主要建议

当今世界，社会、政府和安全的所有方面都依赖于电磁频谱。但电网、通信和许多指挥和控制系统在设计时并未考虑恶劣的电磁频谱环境。一旦这些系统受到地磁干扰等自然现象或电磁脉冲等人为因素的破坏，可能需要数月到数年才能将网络和其他重要功能恢复到最初状态。而且多个对手同时发动攻击将使结果变得更糟。

EDTF对各种电磁频谱活动进行了广泛的评估，确定了4个主要问题和7个优先事项，进而确定了应对行动的三个关键阶段：

1)预防(Prevention)：利用可信的反应以及使敌对行动无法取得成果的确定性，预先防止敌对国家及其支持的行为者采取行动。

2)防护(mitigation)：在事件发生之前采取措施，以减少实际电磁频谱影响的严重性和持续时间。

3)恢复(recovery)：重建关键基础设施的事后行动。

上述阶段和对策都应考虑军用和民用以及两者的结合及其之间的依赖关系。

3.1 三级应对措施

EDTF认为要想重振美国和北约在电磁频谱领域的领先地位，可以参照曼哈顿工程时所建立的命令构架，在多个层次上扭转相关的公众认知和政府政策，具体可分为国家、地区、本地三个层面。

3.1.1 国家层面的建议

1)由总统任命管理电磁频谱的执行机构；

2)作为对执行机构的支持，推动如下政策：①立即优先保护核电站；②加快5G投资，确保在全球市场中的竞争力；③为政府和民间社区开展有关保护措施的培训；④制定总统指令，提升美国对EMP/GMD的警惕性和恢复能力；⑤实施国家阻遏战略，消除对手使用电磁频谱攻击的可能性；⑥国会参与EMP防护的公共/行业政策和激励措施；⑦建议为飞机、船舶和车辆建立国家电磁频谱标准；⑧投资下一代量子通信研究和其他新兴的电磁频谱现象；⑨着力推动美国太空部队架构，以承担所有电磁频谱活动的管理工作。

3.1.2 地区层面的建议

1)将60个核场地中的乏燃料移至干法存储桶中以减少危害；

2)采取措施，使部队在失去指挥控制的情况下能够联系起来；

3)提高训练的真实性和区域性演习。

3.1.3 本地层面的建议

1)建立应急响应队(Black Start Team)；

2)建立微电网(microgrid)；

3)对军事设施进行电磁频谱防护，并与当地社区建立伙伴关系以获得支持；

4)发展社区恢复能力。

3.2 对问题领域1：电磁脉冲和地磁干扰的建议

3.2.1 优先事项1：核电恢复力

许多核电站可以通过配置抗电磁脉冲发电机，将乏燃料转移到干法存储桶中，以及为应急发电机提供额外的现场燃料(至少30天)来应对电磁频谱造成的影响。此外，国防部应就核管理委员会长时间停电的PRM 50-96规则提出意见，电磁频谱对国防基础设施造成的危害必须与民用设施一起考虑。

3.2.2 优先事项2：军事设施战地指挥所(关键基础设施)

可以为军事设施培训应急响应队(BST)，作为停电事故的应急处置者，他们的任务是在彻底失去通信联系之前，为指挥所提供保障。

3.2.3 优先事项3：真实的演习和训练

国防机构应该努力研究电磁频谱危害的早期预警，并认识到溯源的难度，这有利于认识到演习与现实的差距。电磁频谱演习应首先在美国进行，然后逐渐扩大的北约盟国，未来还可以对更多国家的部队进行电磁频谱问题培训。

3.3 对问题领域2：来自对手5G网络战略威胁的建议

即针对优先事项4：竞争对手控制所有数字信息。

在5G市场领域，美国仍有机会占领市场。首先，需要美国政府强有力的支持。其次，美国及其盟友需要采取切实的行动来维持自身在5G领域的优势。美国可以通过鼓励工业界来支持地面和空基5G网络的发展，尽量减少FCC和FAA在部署和开发相关关键技术时的阻碍，并激励国内制造业协助加强相关部件的安全性。

3.4 对问题领域3：定向能和高功率微波系统的建议

3.4.1 优先事项5：机械、设备和关键资产

应该重塑公众对于电磁频谱的认知。在军队内部，所有设备操作员都应该了解他们的系统在整个军事设备体系中所处的位置并了解备用手段，并且在尽可能的情况下知道如何保护他们负责的设备。

应该制定并采用涵盖电磁脉冲和高空核爆炸的飞机认证国家标准。确定可能导致飞机系统严重故障的隐患，例如飞机的电传操纵系统等。任何标准都应与工业界和国际民用航空组织共同制定，以确保它们能够相互协调并融入下一代设备和空中交通系统中。

3.4.2 优先事项6：物理和生物学影响

尽力为人员提供防护，并让人员充分了解定向能武器带来的新风险，包括可能伤害人员的风险。在无法实现人员防护的情况下，应考虑使用远程或分布式操作技术。

任何可能成为定向能武器或高功率微波攻击目标的设施都应配备相应仪器，以便其内部人员及时了解是否遭受攻击。

3.5 对问题领域4：电磁频谱政策、管理和机构的建议

即针对优先事项7：复杂性、所有权和投资。

振兴电磁频谱是国防的必要条件。将电磁频谱整合到一个新组织中，可以提高物联网与经济、社会以及关键基础设施内在联系的可靠性。因此，国防部应考虑将电磁频谱的管理整合到新的太空力量架构下。

4 结束语

现代战场上，电磁环境日渐复杂，电磁防御的重要性日益凸显，美国军民领域对电磁防御问题也愈加重视，并专门成立了跨机构、跨专业、跨军民领域的工作组进行研究。从工作组所确定的主要问题及提供的对策可以看出，要在电磁防御领域取得领先地位，除了在平时做好应对准备工作、着力发展先进技术外，也需要开展更有针对性、更为逼真的训练和演习，只有这样才能在战时有效应对电磁威胁，充分发挥电子装备的作战效能。