Time: 2020-04-27  信息安全与通信保密杂志社

当前电磁安全面临的形势及发展建议

  当前国际局势中,国家利益竞争激烈。在信息化发展的优势下,军事体系对抗效能大幅度提升的同时,武器装备电磁安全风险进一步加剧。

  国务院新闻办公室2019年发表《新时代的中国国防》白皮书中指出,当前国际战略格局深刻演变,国际战略竞争呈上升之势。习近平总书记强调,要维护国家在太空、电磁以及网络空间等方面的安全利益。以信息技术为核心的军事高新技术日新月异,武器装备信息化、远程精确化、智能化、隐身化以及无人化趋势更加明显,战争形态加速向信息化战争演变,智能化战争初现端倪。由此带来的改变是武器装备信息化集成度高、设备敏感性增强、电磁频谱资源拥挤、战场环境复杂多变,使得战争和体系对抗发生了根本性改变。这表现在以下几个方面:形式上呈现出“陆、海、空、天、电磁、网络”六位一体的作战模式;从局部的区域作战转变为网络空间和电磁空间的全域立体作战;作战力量从单纯的军队作战向军民融合作战方向发展;着眼点从传统的占领和抢夺人、物资、土地和军械等向夺取信息、数据等方向转变。

  1 电磁安全问题日益突出

  图1为一个典型场景。

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  图1 战场电磁威胁态势

  如图1所示,包含了我方的基础设施(供电网络)、固定信息系统、机动信息系统、雷达系统、侦察预警系统和防御系统等。分析它面临的电磁安全问题,主要包括来自于自身的电磁兼容问题和来自外界的电磁干扰、强电磁毁伤以及电磁信息窃取等电磁威胁。分析近年的伊拉克战争和叙利亚战争的作战规律可发现,战事的首日即是对基础设施进行瘫痪、摧毁,手段软硬兼施,既有动能武器的硝烟,也有电磁频谱域的无声打击。

  未来,随着外界电磁威胁技术手段的增强,国家的战略制衡武器(核武器及导弹)、敌我态势感知系统(雷达)、重要信息网络(C4系统)和基础保障设施(供电网)等都将面临更严重的电磁安全问题。

  电磁兼容问题的三要素为干扰源、耦合途径和敏感设备,其中任何一个环节出现问题,均将产生电磁兼容问题。传统解决电磁兼容问题的手段为屏蔽干扰源和敏感设备,切断耦合途径。以屏蔽为例,衡量设备屏蔽性能的好坏一般用屏蔽效能这一指标表示。屏蔽效能越大,设备对外界电磁干扰的防护能力越好。但是,由于要兼顾满足设备的使用性能,屏蔽效能会受到各种因素的影响,其指标不可能做到最优。因此,这种现象导致了设备即使满足一定的屏蔽性能,仍然存在被干扰和被毁伤的可能性。另外,由于电磁波是信息的载体,有用信息在传输过程中如果是非屏蔽线缆,夹杂的信息电磁波会以“线—场”的方式在空间传播,电磁波一旦被接收,会导致信息的失泄密;如果是屏蔽线缆,由于屏蔽效能的差异性,也存在电磁信息的泄漏;如果信息是以无线信道的方式传播,则会更容易被接收窃取。

  基于上述分析,针对电磁安全问题,不难得出如下推断:

  (1)电磁活动一定导致电磁漏洞,引发电磁安全问题;

  (2)一定存在电磁能量攻击的电气物理连接;

  (3)一定存在当前不掌握的电磁信息泄漏问题;

  (4)一定存在未加防护的电磁漏洞或修补的代价太大。

  电磁安全问题与电磁威胁是一对“矛”和“盾”的关系,只有不断提高我方装备的电磁安全能力,才能最大限度满足其在战场环境下的电磁生存能力。解决好电磁安全问题,需要通过对我方、环境以及敌方电磁活动采取时域、频域、空域和能量域的管理、侦察、控制以及处理等管理和技术手段,使我方系统全生命周期赖以依托的物理环境保持相对稳定可控,不遭受意外的信息失泄密风险和抵御外来电磁能量的攻击。

  2 外军电磁安全发展现状

  2.1 外军在电磁安全顶层规划方面制定了完备的发展规划和实施路线

  2019 年,特朗普政府发布了《协调国家抗电磁脉冲能力的执行令》,标志着 EMP 防护成为美国国家和军队的国家利益。实施 EMP 防护必须经由政府和军队各层级分工协作,共同推进,同时该分工和工作内容皆有清晰的时间表和目标。最后,此防护是联邦主导,社会、个人全介入的生态链。

  2.1.1 外军大力发展以强电磁脉冲攻击为首的武器研发和部署

  近年来,以美国为代表的国家,一直将电磁脉冲攻击的作战能力作为未来战场关键能力的重要组成部分。美军已具备以CHAMP(反电子设备高功率微波先进导弹)为典型代表的各种形态的电磁脉冲攻击手段并在不断迭代。2019年7月,美国发布首部电磁频谱战条令,指出美国将组建电磁频谱作战部队对自身的 C4ISR系统进行防护和对敌攻击。到2020年左右,电磁脉冲武器将大量装备部队,并在局部战争中进行大规模应用。

  《美国空军2025年战略规划》明确提出发展空基电磁脉冲武器。美国空军定向能武器路线图:2016年实现配装AGM-86C/D常规空射巡航导弹(CALCM)的第二代EMP套件,实现多次、多目标打击;2024年实现配装AGM-158B增程型联合空对地防区外导弹(JASSM-ER),优化波形以增强效能,提高能源效率,降低尺寸、重量和功耗;2029年实现配装第五代战斗机和无人机。

  电磁脉冲武器的出现,对现代军事行动中越来越依赖于电子设备的信息化武器装备构成了巨大威胁。根据已公布的资料推断,到2025年,外军特别是美军将进入强电磁脉冲全面武器化阶段,能力水平将大大提高。未来几年,美军的强电磁脉冲武器将会在弹载、舰载、台站、机载、车载以及星载的多平台系统上搭载,将会对各型电子装备造成损伤,能够摧毁系统前端的射频系统,并通过后门强电磁耦合进入装备内部,作用距离缩小至百公里以内,届时将会对我军武器装备带来巨大的安全威胁。

  2.1.2 外军电磁信息攻击技术的发展

  美军在电磁信息攻击技术方面目前具有实时监测的能力,如监测无线网络、漏洞扫描等, 能够发现敌方薄弱环节和发现己方的短板。

  美军已公开的跨网电磁攻击武器,前期搭载在 MQ-1C“灰鹰”无人机上,能够实现搜索、截取、识别和定位电磁信息源。它基于战场无线网络,对地面所有的接入点进行扫描,识别部队成功入侵敌方网络后,敌方的所有消息可以被拦截甚至操控。美军核动力攻击特种潜艇“吉米·卡特”为窃听海底光缆量身定制了多任务平台,搭载最先进的电磁探测设备可在水下搜集电磁信号,具备强大的光脉冲信号探测和还原能力,包括重要目标辐射信号探测和窃听海底光缆通信,已经成为美国国家安全局最理想的“水下间谍”。美国 DARPA 网络攻击的路径已开始向跨网方向渗透发展,如基础网电作战 X-Plan 等计划,均突出了无线注入等方式对物理隔离网络实施攻击,以造成数据失窃、攻击注入等。

  从当前公开的文件看,以美国国家安全局、中央情报局为代表的西方国家安全及情报机构拥有先进的网络技术(Advanced Network Technology,ANT)、Vault7 等全套的涵盖电磁手段的网络攻击工具,具有强大的信息收集和分析能力,可以绕过传统渠道和主要防护措施,通过未设防或难以设防的部位深入目标网络或系统。除了通常的黑客手段和数据收集方式,美国国家安全局人员还可以使用专门工具介入、入侵网络设备,监控手机和计算机通信,记录甚至篡改数据。它的入侵工具覆盖全面,多数产品软硬件尺寸非常小,或是采用“照射—发射” 技术隐蔽在目标设备中,在受到外部激发时才建立通信连接并更新下载病毒程序。以色列、美国、加拿大等研究机构分析恶意代码,结合声、光、电磁以及热等,在多个高隐蔽通道的跨网隐蔽攻击上具有攻击能力和测试手段。

  该区域的电磁活动,对评估点进行扫描,从而以美国ADVANCED PROGRAMS,INC(API)识别该区域内的重点目标和薄弱环节。当己方公司为例,它提供了较为全面的TEMPEST防护终端产品。目前,西方各主要发达国家TEMPEST 检测系统的软硬件性能已相当先进和完善,并能进行各类信息设备的检测。以美国Codex 公司为代表的软件产品,实现了相关分析检测和复现技术。硬件接收系统以 R&S 等公司系列等产品为代表,系统的低噪声、高灵敏度、宽频带和自动控制等性能指标达到了当今世界最高水平。

  2.2 美国大力发展国家级电磁脉冲攻击防护的部署

  美国在研究和发展电磁脉冲武器、模拟设备的同时,同步开展了武器装备电磁环境效应和电磁安全技术的研究。

  2.2.1 在系统性电磁安全设计方面

  从 20 世纪 90 年代末开始,系统级电磁安全技术领域研究有了突飞猛进的发展,并提出了系统级电磁安全新概念。在系统级电磁安全设计技术和体系方面,美国不断创新和完善从材料器件到系统平台的电磁安全设计能力,已经形成一整套完备的覆盖各类型电磁环境的电磁安全设计技术和体系,并将这类技术应用到机载、舰载系统的电磁安全设计中。大量的试验和应用验证,证明了系统电磁安全设计技术的可行性和重要性。美国从电子元器件到大型武器装备,都进行了整机电磁脉冲模拟试验,建立了武器装备电磁脉冲效应数据库。即使是陆军使用的常规武器装备,也进行了电磁环境效应考核试验,如雷达等电子装备和弹药包装袋都有防电磁危害的功能。

  2.2.2 在标准和规范的制定方面

  美军针对武器装备系统内电磁兼容性、外部射频电磁环境、高功率微波(HPM)、雷电(LEMP)、高空核爆电磁脉冲(HEMP)、TEMPEST 防信息泄漏、分系统和设备电磁干扰、静电荷控制、全寿命期的电磁环境效应加固、电搭接、外部接地和系统辐射性发射等多个方面的要求进行了详细研究。针对电磁干扰对武器装备的破坏机理,美军从强化自身角度出发,注重武器装备的前期设计,设计制造上采取自上而下的系统技术措施,加强武器装备的电磁安全性能。以核电磁脉冲研究为例,美军十分重视武器装备核电磁脉冲威胁研究工作,先后发布、更新了涉及核生存能力与电磁环境效应(Electromagnetic Environmental Effects,E3)的国防部指令(DoD Directives,DoDD)和指示(DoD Instructions,DoDI),并制定和更新标准要求及 试验操作规程,以明确其在这个领域工作的政策、方针、试验方法和程序,从而满足武器装备抗核电磁脉冲加固和E3研究要求。

  2.2.3 在电磁脉冲防护测试验证方面

  美国在E3领域的研究开展时间早、系统性强、可实施性高、拥有世界上规模最大、设备最先进的陆、海、空三军E3试验场。美军至少建有20个大型E3试验设施,其中6个具有全部E3试验能力。每个军种都有各自独立而完善的试验装置和体系且各具特点,能满足不同级别、不同系统的试验和鉴定。美国军方建成5个以上试验基地,先后30余台模拟器。美军十分重视对全尺寸武器系统进行“系统级”和“平台级”试验考核验证,确保武器系统加固的可信度。美军试验基地具有环境综合性、考核目标、功能和任务的多样性等特点。目前,最具代表性的试验基地——白沙导弹靶场,是目前配套最全面的内陆试验基地(针对地 / 空基装备)。海军空战中心航空部、武器部是目前配套最全面的海岸试验基地(舰载和航空装备)。另外,还有针对大型水面舰艇的海军舰船系统司令部和近海试验基地。

  从美军在电磁脉冲防护方面的一系列规划和部署可以推断,它在电磁信息泄漏方面的部署也处于世界领先水平,并与武器装备的其他能力相辅相成。综上所述,外军在武器装备的电磁安全顶层规划方面已制定了完备的发展规划和实施路线,其发展水平处于世界领先水平, 包括组织、管理、策划、部署、实施、各级部门协同和标准规范等已充分涵盖电磁安全领域的各个方面。

  3 提升电磁安全的几点建议

  3.1 加强顶层规划,形成电磁安全体系

  目前我国电磁安全防护还未形成体系,需要将电磁安全提升到战略高度,加强顶层统筹协调规划,集中各方资源来发展电磁安全事业,推动电磁安全技术发展,将其融入我军整体的网络信息安全体系建设,使我军武器装备系统能够应对敌方剧烈的电子战攻击和激烈的电磁空间斗争,并且能够保持连续、不间断的作战形态。

  3.2 加强标准研究,完善我国电磁安全标准体系

  为适应未来战争模式的发展,我国电磁安全标准体系建设亟需加强。应进一步明晰标准体系建设的目标定位,按照“顶层设计、体系建设、滚动发展”的总体思路,对应美军电磁行动标准,加强标准发展战略研究,加强标准制定与试验验证的结合,制定具有国际先进水平且又有针对我军现行武器装备的电磁安全标准和规范,树立电磁安全体系标准,并对各领域的分标准进行持续的修订和完善,促进我国电磁安全标准体系的完善和更新。

  3.3 聚合能力,建立电磁安全生态圈

  联合政府、军队、央企、民企、科研院所、高校和行业用户等多方力量,以我军武器装备电磁安全战略为引领,以军民融合为特色,以技术创新为核心,以产业能力建设为重点,瞄准国家安全的迫切需求,制定统一研究目标,注重对电磁安全威胁问题的揭示,从系统层面对我军武器装备电磁安全进行分析和设计,解决电磁安全设计过程中的碎片化、零散化、过设计和欠设计等问题。例如,开展电子信息装备电磁安全薄弱环节查找工作,启动电磁安全示范试点工程,加强与其他军兵种技术的横向交流等工作,以促进我国电磁安全事业的研究和发展,构建完整的、健康的电磁安全产业生态。

  4 结语

  随着作战系统的复杂化,网络向无边界延伸。未来战场电磁环境中,无论是平时还是战时,对于电磁安全的控制变得越来越重要。保障我军武器装备系统电磁安全能力的持续性提升,是保障我军战场作战效能的关键要素。当前,我军武器装备电磁安全的发展水平与外军相比存在较大的差距,要从顶层规划出发,钻研电磁安全技术,制定电磁安全发展规划和实施路线,统筹协同全社会力量,共同促进我军电磁安全事业的蓬勃发展。

  作者简介

  沈冬远(1968—),男,学士, 高级工程师,主要研究方向为网络信息安全;

  武丹丹(1989—),女,硕士, 工程师,主要研究方向为系统级电磁防护设计;

  马谢(1981—),男,硕士,高级工程师, 主要研究方向为系统电磁兼容与电磁防护。

  选自《信息安全与通信保密》2020年第二期(为便于排版,已省去原文参考文献)

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