复杂电磁环境下无人战车面临的挑战与对策

王彪，李小健，熊瑛

（中国北方车辆研究所，北京 100071）

引言

随着人工智能和机器学习技术的不断发展，未来地面战场无人化、智能化、类人化的程度将会越来越高，促使陆军武器装备体系朝着无人化方向发展[1,2]。近期俄乌战争中，俄罗斯首次出动了具备人机协同作战能力的“标记”无人战车，该车作为俄军当下地面智能化无人战斗车辆的典型车辆，在战场上除了承担相应的侦察、运输、通信以及搜救任务外，还担任着以单车或小编队偷袭、伏击以及人机协同作战等在内的多种地面作战任务，从而让俄军能以最小的作战成本摧毁更多乌克兰军队的作战力量[3,4]。

无人战车以其机动性高、隐蔽性好、火力强大且精度高等优点，在作战过程中遭到攻击，也不会危害到远程操纵人员的生命安全。从技术层面上看，无人战车作战性能的运转离不开电磁环境这个关键因素，也正是无人战车对电磁环境的高度依赖，而导致无人战车存在这个致命弱点[5]。在现代信息化的战争中，面临日益复杂的电磁环境，如何提高无人战车抗电磁干扰能力，保障取得战争胜利的主动权，已成为当前对无人战车的一个重要课题。重庆理工大学鲁毅学者通过仿真手段对整车抗电磁干扰性能进行了预测，研究了车辆内部电场的分布情况，确定了车载天线的准确建模对于提高整车抗电磁干扰仿真精度的重要性[6]。符兴锋学者针对车载动力电池包在充电和使用过程中存在的电磁干扰问题进行了研究，通过重新设计电池包管理系统的硬件电路，提高电池管理系统的抗电磁干扰性能[7]。徐文兵学者通过研究无人电车电源管理系统的电磁干扰问题，通过硬件隔离和软件滤波结合手段，提高电源管理系统的抗干扰性能。蔺安坤学者通过对车载通信总线的场线耦合及其防护性能进行研究，确定了通信总线终端模型、场线耦合模型及其防护屏蔽效能仿真模型等，从而提高车载总线在负载电磁环境下的抗电磁干扰性能[8]。Paul学者基于多导体传输线理论建立了多芯屏蔽电缆评估法，通过将多芯屏蔽电缆的内导体、屏蔽层以及屏蔽层外等效为传输线，建立控制方程，从而得到了传输线上的耦合电压和电流[9]。意大利的M.D Amore学者通过将空间电磁场与屏蔽电缆间的耦合问题等效成内外传输线系统问题，通过转移阻抗及转移导纳将其联系在一起进行分析[10]。

本文从战场电磁环境对无人战车的影响因素入手，分析无人战车的电磁损伤现象，提出增强无人战车抗电磁干扰能力的对策，为降低电磁环境对无人战车的影响提供技术支撑。

1 战场复杂电磁环境

1.1 战场复杂电磁环境构成

战场复杂电磁环境是信息化时代的产物，现代军事行动从“有形”物理世界进入到电磁场与电磁波构成的“无形”物理世界后，敌我双方激烈对抗下产生的全频谱、多类型、高密度的电磁辐射信号，以及我方大量使用电子设备引起的相互影响和干扰，造成在频谱上拥挤重叠、空域上纵横交错、时域上突发多变，对战场上无人战车作战效能的发挥产生严重的影响[11,12]。现代战场电磁环境由自然环境干扰源和人为电磁干扰源组成，其中自然环境干扰源分为雷电电磁辐射源、静电放电电磁辐射源、地球和大气层电磁场、以及太阳系和星际电磁辐射源；人为电磁干扰源分为无意干扰源和有意干扰源，无意干扰源由系统内电磁干扰和系统外电磁感染组成，有意干扰源包括电子战、强电磁脉冲和定向能武器等。

1.2 战场复杂电磁环境特征

由于战场复杂电磁环境受参战地域装备的分布情况、工作频率、辐照场强、辐照方式、所处地理环境、气象条件等多种因素的影响，战场复杂电磁环境特征主要表现为：种类多样性、空间交织性、频谱重叠性、以及能域不均匀性[13,14]。

1）种类多样性。从战场复杂电磁环境构成可以看出，干扰源包括敌我双方进行有意干扰时发射的电磁波和电子设备产生的电磁能量，还有系统内外的人为电磁无意干扰源以及自然界产生的干扰源等。由于电子技术的不断发展，各种雷达、通信等电子设备使用了更加复杂的电磁波信号形式。目前世界上通信信号种类多达上百种，进一步增加了电磁环境的复杂性。

2）空间交织性。在战场复杂电磁环境中，敌我双方为削弱甚至破坏对方电子装备作战性能，保障己方设备性能的正常工作，将会在陆地、海上、空中乃至太空等多维空间开展电磁频谱主导权的战争。敌我双方相互争夺和使用的电磁空间里，由于电磁频谱独特的物理特性，使得双方的电磁信号相互交织在一起。主要表现在空域上的纵横交叉、时域上的连续交错、频域上的密集重叠和能域上的强弱参差。

3）频谱重叠性。由于电子信息技术飞速发展，在一定频域、时域、空域上的电子信息装备大量使用，使得电磁波更加密集、工作频率越加集中，导致战场上电磁环境更加恶劣，使得战场上电磁信号所占频谱越占越宽。

4）能域不均匀性。在信息化战场上，由于辐射源种类繁多、电波传播过程中各种传播因素影响以及敌我双方电磁攻击目标位置不同，致使战场电磁能域随双方在电磁斗争态势的不断变化而变化，导致战场空间电磁能量时高时低，很不均匀，并且有些地方能量集中，有些地方能量分散。

2 战场电磁环境中无人战车面临的挑战

无人战车作战效能是通过准确获取电磁信号为基础的，信息化战场上电磁环境异常复杂使得作战信息获取通道不畅，准确、及时感知战场态势难度增大，导致无人战车作战效能下降。

2.1 降低作战指挥的可靠性

无人战车作为未来战场的神经中枢，担负着作战指挥、情报传递、保障预警、导航制导等多种作战任务，极易受到敌方的有意干扰和己方的无意干扰，影响无人战车对战场态势感知判断的准确性。尤其是新型电子装备不断涌现并投入战场，使得运载平台向多维化、立体化和网络化方向发展，被装配在无人战车上的通信设备，面临与中继设备、定位设备、数据终端、武器控制等多种电子设备共同生存的复杂电磁环境。多种用频设备被集中在一定区域中，往往会导致有限频带内工作频点密集、单位空间中功率密度大，高灵敏度接收设备与大功率发射设备共存等问题，使得原本有限的空间内电磁频谱更加拥挤。观测和感知战场态势的过程本质是从电磁环境中获取有用信号的过程，复杂拥挤的电磁环境将严重干扰无人战车战场态势感知的能力。战场电磁信号的纷繁复杂导致电子设备战场感知错乱，从而降低无人战车战场感知的准确性。

信息化战场上，无人战车之间以及无人战车与指挥平台之间的联系，都需要通过电磁波传递数据、指令以及协同信息。由于战场上杂乱无章的电磁辐射在空域上交错、时域上集中、频域上拥挤、能域上起伏，使战车无线通信性能降低。尤其是新型用频装备不断涌现并投入战场，使得运载平台向多维化、立体化和网络化方向发展，被装配在无人战车上的通信设备，面临与中继设备、定位设备、数据终端、武器控制等多种电子设备共同生存的复杂电磁环境。多种用频设备集中在一定区域中，往往会导致：有限频带内工作频点密集、单位空间中功率密度大，高灵敏度接收设备与大功率发射设备共存等问题，使得原本有限的空间内电磁频谱更加拥挤。复杂拥挤的电磁环境将干扰通信设备的正常工作，大大缩短通信距离，并使语音通话质量变差、噪声增大、误码率提高，甚至通信信道阻塞进而导致整个通信系统瘫痪。从而影响无人战车协同作战的性能，导致作战指挥的可靠性和稳定性面临威胁。

2.2 影响战车电磁兼容性能

无人战车是无人系统向更高技术和更强作战能量方向深入发展的一种全新武器系统，内部含有多种高低压用电设备高压大功率供配电设备、电能传输系统、以及控制装置等等。战车内部的多种电压设备的结构导致车内存在更多的干扰源和耦合路径，电源变换装置中开关功率器件的高频开关动作会产生大量电磁噪声，给设备自身和车俩内部其他设备的电磁安全带来严重隐患。一方面，无人装备瓶体内部包含信号采集、低压控制等低压敏感部件，抗扰能力有限。另一方面，平台内部存在众多的电磁敏感单元，在遭受一定量级的电磁干扰时，极有可能导致性能下降或失效。无人装备典型故障现象包括总线错误帧突增，控制失效、高压掉线、传感器信号采集错误等。

2.3 战场复杂电磁环境特征

随着现代电子技术飞速发展，基于电磁技术的作战系统和电磁武器装备正在加速改变现代战争的作战体系和攻防样式。战场上无人战车作战行动依赖电磁信号，而异常复杂的电磁环境对无人战车的战场生存能力产生严重的影响。对无人战车造成损害的主要形式有：电效应损伤和热效应损伤。电效应损伤是高功率辐射源发射的辐射信号辐照在无人战车金属外表或传输线上而产生的耦合电压或耦合电流，从而对无人战车内部电子设备造成损害；热效应损伤是无人战车在高功率微波源的辐照下，内部热量聚集而产生损伤的现象。战场上电磁干扰信号通过前门和后门等各种途径耦合到无人站车内部，对其造成瞬时干扰甚至永久性损伤。半导体器件作为电子系统中最为重要的组成部分，是最为敏感和最为脆弱的单元，在强电磁脉冲作用下极易受到损伤。

在强电磁脉冲辐射下，半导体器件所表现出的失效模式主要有：高压击穿，电磁波被接受后转化成高电压或大电流，回导致结点、部件或回路之间的击穿效应；器件烧毁，包括半导体器件的结烧毁、连线熔断等；电涌冲击，脉冲高电压、大电流进入到系统内部，会像电涌一样对器件进行烧毁；瞬时干扰，当进入较低功率干扰时，导致电路出现干扰现象，影响其正常工作。

3 战场电磁环境中无人战车的应对策略

3.1 增强抗干扰通信技术

现代战争不再是装备性能的单纯比拼，而是作战体系的综合对抗，考验陆、海、空、天多军中协同作战能力。在战场频域、时域、空域上，敌我双方大量使用电子设备，电磁波异常密集，工作频率十分集中，导致战场上的电磁环境极端复杂。为保障无人战车通信系统的正常工作，解决自组网、测控链、探测雷达等用频设备的自扰、互扰问题，就必须提高其抗干扰性能。而提高通讯抗干扰技术主要采用的手段：调频技术、扩频技术、智能天线技术和多手段融合技术。

调频技术可以根据给定规律，进行无线电频率跳变，频率带宽越宽、跳变速度越快，抗干扰能力越强。扩频技术通过把频谱进行扩宽，将有用信号隐藏在其中，达到抗干扰和保密的要求。智能天线技术由天线阵、波束网络、波束算法构成，利用智能化算法对阵元信号进行调整，主瓣只服务于特定用户，后瓣服务于非特定用户，既能减小电磁污染，又能保障用户通讯质量。多手段融合技术采用多种技术融合大大提高抗干扰的效果，从而弥补每种抗干扰技术的局限性。但融合技术异常复杂，需要克服技术难题，降低成本。

3.2 提升电磁兼容性能技术

无人战车的电磁兼容性是指无人战车内部设备、分系统、系统在共同的电磁环境中能够互不干扰，而能够正常工作的状态。无人战车是集多种高压大功率设备、弱电信号控制、网络通信设备等多电子设备于一体的复杂系统。无人战车内部电磁骚扰源众多，形成机理和干扰特性也多种多样，抑制或消除潜在干扰源，控制辐射发射和传导发射，一般采用屏蔽、接地、滤波等技术阻断干扰传播途径，提高其电磁兼容性能。

1）屏蔽设计。屏蔽技术作为确保无人战车电磁兼容性能的一项重要参数，屏蔽提选择铜、铝、钢等高导电的材料或金属镀层、导电涂层作为屏蔽材料，减小机械不连续性，接缝处保证电连续性。使用电磁密封材料控制泄漏辐射；对于通风口应使用直径足够小的穿孔金属板；对于易产生干扰或易受干扰的电缆，采用屏蔽设计。

2）接地设计。无人战车作为一个与地面有相对运动的系统，车体接地点和设备接地点的距离应尽可能接近，还需保证接地线与设备、车体接地点的电连续性良好，同时还要保证连接的可靠性。条件允许的情况下，应设置多个相互平行的地线汇流排，确保敏感设备和强干扰设备使用不同的接地点。

3）滤波设计。滤波是用来降低电子器件传导和提高抗扰度的重要方式。一般安装在屏蔽体入口处或其周围，滤波器外壳与支架或车体以低阻抗和低感抗连接，使滤波器漏电流通过低阻抗和低感抗流向车体地；输入输出线缆分开布设，若滤波器装配区域处于屏蔽区外，则滤波器到电子器件之间线路应进行屏蔽。

4）布线设计。由于无人战车内部具有多等级电压的电缆，该电缆之间可能存在容性或感性耦合。若电缆平行敷设时，就会存在电容耦合，耦合大小取决于电缆平行敷设长度，电缆间距以及距地面的高度；电感耦合则是在环形导线内产生，耦合强度主要由环形导线面积决定。

5）电源设计。供配电网络是无人战车传播电磁干扰的重要耦合路径之一。无人战车的高压配电和低压配电应采用两个独立装置或采用分仓设计，尽可能减小设备内部高压模块和低压模块之间的耦合。为避免用车体作为电源回路，电源系统应采用双线设计。同时，电源线缆应用高编制密度屏体层，所有接插件涂有导电层，安装时确保电源线连接器与设备连接处构成360°端接。

6）电子元器件合理选取。无人战车元器件元件应选用标准或通用的可靠性器件，避免电子元器件因存在缺陷导致车辆电磁兼容下降。

3.3 影响战车电磁兼容性能

强电磁脉冲主要攻击无人战车电子设备内部的PCB板及电子元器件，通过干扰、翻转、闭锁甚至烧毁电子元器件及其线路，是电子设备进行误动作或者功能丧失，从而达到降低无人战车作战效能的目的。强电磁脉冲防护不仅要抑制外部电磁脉冲通过各种途径进入到车辆内部，还要抑制车辆内部的电磁脉冲能力耦合。增强电子设备自身电磁脉冲防护能力，首先要对车体屏蔽设计，通过结构设计、搭接设计、屏蔽材料的使用等措施，提高屏蔽效能；其次采用端口隔离技术实现对强电磁脉冲产生前门效应的天线隔离设计和进出车体的线缆端口隔离设计，增强端口对电磁脉冲能力的抑制作用；再次通过对线缆屏蔽、线缆搭接优化设计，降低进入内部的电磁脉冲对线缆的耦合特性；最后应用不受电磁干扰影响的光纤信号传递技术，提升无人战车 的强电磁脉冲防护性能。

4 结束语

无人战车已成为现代战争地面作战中不可或缺的军事力量，如何应对战场恶劣电磁环境的影响，已成为一个亟待解决的课题。以无人战车面临的战场复杂电磁环境出发，分析了战场复杂电磁环境的构成和特征，得到了战场电磁环境中无人战车面临的挑战，并从抗干扰通信技术、提高电磁兼容性能技术以及强电磁脉冲防护技术方面给出了战场电磁环境中无人战车的应对策略，为增强无人战车的电磁安全性能提供了基础保障。