封面人物 | 建设国家电磁空间安全体系 维护电磁空间安全国家利益——陈鲸院士谈电磁空间安全

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文│ 特约记者  王丹琛

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编者按

10月21日,国防法修订草案全文公布,修订草案新增规定,国家采取必要的措施,维护包括太空、电磁、网络空间在内的其他重大安全领域的活动、资产和其他利益的安全。中央军委委员、国务委员兼国防部部长魏凤和指出,电磁安全及网络空间安全被列入重大安全防卫领域,并将为相关领域防卫力量建设提供法律依据。对此,我刊采访了我国著名的通信与信息系统专家、我国空间监视技术领域主要开拓者陈鲸院士,请他谈谈对这一重要变化的见解,以飨读者。


记者:今年10月份,电磁空间安全作为一种非传统安全被列入重大安全防卫领域,请您简要介绍一下电磁空间的概念及其在国家防卫领域的重要意义。
陈院士:电磁空间是电磁频率域,由各种电磁设备发射的电磁波和自然界辐射的电磁波共同构成,电磁波的频率范围可以从零到无穷,所覆盖的物理空间是无限的。这个空间是信息产生、传输、感知和利用的主要渠道,也是信息化战争时代新型作战形式有效运用的重要依托。从频谱的角度来看,电磁空间的范围从低频到高频,从无线电波到光波,甚至还包括静电、静磁,以及处于束缚态和游离态的电子和离子束。技术涉及侦察、监测、遥控、可视化技术,以及电磁兼容、电磁防护等,集中了当今高新技术发展的顶尖成果。
随着社会信息化程度的不断提高,经济社会稳定发展、国家安全和人民生活对电磁空间的依赖程度越来越高,电磁空间安全关系到国家政治、经济、文化和国防安全,因此成为国家安全战略的关键环节,是我国国家整体安全体系中的重要组成部分。军用方面,电磁空间是唯一可以打通和连接海、陆、空、天多个作战域的纽带和经络。现代战争首先就是制电磁权的斗争,国家领土的安全首先是国家电磁空间的安全。民用方面,电磁波是信息与能量的载体,具备拥有空间而不占有空间的特点,是实现物体无线交互的理想途径,随着现代通信、移动互联网、物联网等快速发展,电磁空间的安全直接关系到连接实体和周围环境的安全。

记者:电磁空间作为一个战略性的机动空间要如何保障空间信息传输的安全性和共享能力?
陈院士:首先有个前提,总的电磁频谱资源是有限的,电磁频谱是一种特殊的自然资源,在军事作战中又是一种战略资源,对商业和军事应用的作用发挥必须予以科学管理,例如在作战行动中,管理不善会严重影响武器平台识别,从而带来误判。这里面存在民用设施与军用设施竞争有限战略频谱资源的问题,电磁频谱动态监测是实施电磁频谱控制和利用的基本前提,也是维护电磁空间安全的基本措施之一。
其次,要充分认识到频谱资源传输的复杂性,在电磁空间中,电磁波的传播在空域、时域、频域和能域上密集交叠、强弱多变,各种新体制电子设备层出不穷,辐射源复杂多样,使电磁辐射信号变得异常复杂,实现频谱资源控制与利用的难度加大。据不完全统计,仅在通信方面的信号种类就多达100种以上,各种各样的电磁波信号充斥了整个世界,电磁设备兼容矛盾突出,电磁领域的恶意对抗活动是电磁环境复杂性的最活跃、不可控、最有针对性和破坏性的主要因素,对电磁信息传输的安全应用提出了比较高的要求。
因此,对频谱资源进行有效的动态管理和适应性应用就非常重要了。解决频谱资源短缺和使用不均衡的现象也是频谱管理系统的核心和根本出发点,这个系统是一个多输入多输出的复杂网络,输入包括任务、装备情况、频谱管理法规限制、电磁环境信息,分析处理后输出各用频设备的频率使用方案、与民用的频谱协同方案,以及频谱态势等可被其它用户共享的频谱信息。整个频谱管理过程的迅速、准确、动态流转,是电磁频谱管理系统可靠工作的保障,创新频谱获取方法,开发新型频谱共享技术,实现有限资源的高效利用。
当前全球无线宽带迅猛发展,用户对移动性更强、数据量更大的无线通信需求不断增长,军事领域对信息的需求也是快速增长,越来越依赖于对电磁频谱资源的使用和控制,电磁态势感知体系就是解决问题的关键基础设施,需要重点突破电磁频谱管理、传感器、电磁目标与环境建模、电磁特征提取、综合应用服务等关键技术。除此之外,还需加强对电磁空间和电磁频谱使用规则和政策的研究以及频谱使用的整体监管,通过制定科学的政策、规则和标准,制定电磁频谱战略,提高电磁频谱设施使用频谱的安全性和共享能力,这也是取得电磁空间控制权的立足点。

记者:在网络安全的威胁中存在事实上的电磁信息泄漏,那么,网络空间同电磁空间有哪些关联性?关于电磁信息安全泄漏防护能力的提升您有什么建议? 
陈院士:电磁空间和网络空间的关系非常重要,他们相互关联,但并不互相包含。相同的是,两个域的建立和维护都需要依靠电子系统,两个域中的行动都需要以电磁频谱为媒介。不论是信息系统还是多平台多网络的传感器、互联网,都需要传输和链路的载体,否则就成了无源之水。不同的是,电磁空间同陆、海、空、天一样是自然存在的,而网络空间是人为的;电磁空间中的任何电子系统,可以在不联网的情况下相互作用,而网络空间的物理基础是网络化的电子系统,是信息环境里的全球域,集中关注的是信息技术和在信息环境起作用的相关基础设施的使用;而电磁空间是电磁环境里的全球域,集中关注的是在一切领域产生物理、信息和认知作用的电磁频谱的使用。从字面意义的角度看网络电磁空间应该是网络空间和电磁空间的统称,但两者并不是同一个空间,是两个独立的行动域,之间存在着高度的关联和依存关系,是走向联合战略的重要基础。
当前,信息技术的发展促使电磁信息泄漏手段更加多样,泄漏工具从显示器、键盘扩展到USB接口、内存,还有一些网络安全设备和辅助办公设备,从电磁领域扩展到声光领域,计算机超声波信息泄漏、计算机屏幕光学反射泄漏,从被动的信息接收还原到主动植入木马工具,具备很强的渗透突破能力,能够绕过安全防护措施,从而大规模渗透网络空间。所造成的危害主要表现在电磁兼容性问题和电磁信息泄漏,电子设备和信息系统等都会发射电磁信号,电子设备要在这样复杂的电磁干扰环境中工作,其可靠性、稳定性和安全性将受到严重影响。因此,实际使用中需要了解和考虑涉密电子设备的抗电磁干扰问题。
电磁信息泄漏防护又称为TEMPEST,是信息安全的一个专门研究领域,对信息设备的电磁泄漏发射信号中所携带的敏感信息进行分析、测试、接收、还原以及防护的一系列技术。泄漏发射通常理解为非故意产生的,信号通过天然的天线或者线路传播和发射,但随着网络技术的发展,使得借助电磁泄漏发射的信息隐藏技术进行TEMPEST主动攻击成为可能,如果隐藏算法采用抗噪声和适于接收的通信技术,足以对信息安全构成更大的威胁。我们可以考虑将各种信息存在形式的泄漏都归于TEMPEST问题,比如声音信息、光信息、电信号、磁信号,因此需要针对TEMPEST主动攻击,建立和完善相应的检测和防护技术体系。对于强电磁防护技术,则关联了电磁环境、电磁效应对电磁空间中工作的电子装备影响问题,传统的防护方法有屏蔽、限幅、接地及滤波等,均由电磁兼容手段发展而来,在实际应用中,需要把电磁环境效应控制贯穿于电子装备建设的全生命周期,具体来讲,包括电磁环境效应控制要求和适应性指标要求,在研制中加强相关分系统、设备及元器件电磁环境效应设计和测试,试验须在复杂电磁环境下进行。
目前各种防护新技术也逐渐被开发出来,例如系统中预制电磁兼容与强电磁防护的软、硬件自适应手段,同时降低系统间的电磁干扰,增强抵抗高功率电磁脉冲的攻击能力,就是电磁自适应防护技术,还有演化硬件技术,具备自我重配置和可进化的功能。当然,在防护能力提升方面,除了保障技术研究的系统性和连续性之外,需要十分重视防护标准和方法的建设来规范,包括系统和设备的控制要求,系统设计、试验和采购过程中的控制指导等,实现对关键装备涉及的各类电子电气设备和系统电磁环境效应的全生命周期管理。我国在电磁环境效应方面的标准建设走过了一条从模仿借鉴到自主创新的道路。经过多年努力,在电磁兼容、电磁干扰及其控制、测量等方面初步形成了比较完善的标准体系,规范和促进了装备设计、研制和试验过程中的电磁兼容性和电磁干扰管理。

记者:当前,一些新兴的技术,比如大数据、智能分析等,对于电磁空间安全的技术应用有什么促进作用?按照未来电磁空间安全态势感知的体系需求,有哪些关键技术?
陈院士:不管是民用还是军用,随着用频设备的快速增加,以及对电磁态势实时性的要求,获取的数据急剧膨胀,不论是频域还是时域和空域,电磁信号越来越密集,这些信息具有动态生成、数据量大、类型多、数据类型和精度差异大的特点,使用大数据技术处理电磁态势信息可以实时处理电磁数据并深度挖掘海量数据中的关联性,不仅能够处理结构化数据,还有相关情报、地理信息等半结构化和非结构化数据,从而快速提取有价值的信息,并和其他信息通过融合生成电磁态势,具体分布在态势发现、预测及可视化等方面。在天地一体化的空间信息系统中,着眼网络空间和电磁空间联合战略的需求,构建融入全息信息的电磁空间态势感知体系尤为必要,要实现为安全战略决策、决策行动和装备技术发展提供支持的目标,必须建立起信息流程、机制与完备的应用体系框架,这个体系包括数据获取、分析、态势评估、展现、决策支持、电磁行动、数据与信息管理、通信基础设施与专用网络,从而支撑电磁空间利用和电磁空间对抗,例如民用频谱监管规划、目标跟踪监视和网络攻防等具体应用。
态势的关键价值体现在电磁态势大数据预测,这里面会涉及目标意图推理和威胁程度预测,从本质上来看,推理和预测是态势感知辅助决策的重要环节,这也是人类思维推理的机器化和计算化形式。人工智能是当今国内外研究的热点领域,基于专家系统的预测方法和基于深度学习的预测方法,在电磁态势预测中都可以考虑使用,还有信息融合、关于环境、装备、资源、干扰等的可视化展现,都会运用到新兴的科技成果,并促进各个科学体系的纵深发展。
需要注意的是,电磁空间态势感知系统的核心任务是在电磁空间行动中,以更广阔的视野、更准确的判断、更迅速的决策和更敏捷的行动取得电磁空间控制权。学科领域广泛,涉及的传感器类型繁多、技术复杂,除了新兴技术的融合使用,技术学科主要是电磁辐射学科领域,包括电子辐射、电磁散射、光学辐射、核辐射等技术学科,涵盖射频、雷达、光电、核辐射等四类电磁辐射现象。应对电磁空间的发展需求,未来电磁空间态势感知体系建设中,需要重点突破电磁频谱管理、传感器、电磁目标与环境建模、电磁特征提取、综合应用服务等关键技术。比如前面提到的电磁频谱资源的使用和控制问题,重点包括例如频谱利用的规划、政策、标准、协议和监管的频谱统一管理,也包括频谱共享、自适应、环境识别、抗干扰、频谱快速接入的频谱高效利用技术。

记者:国际上电磁空间安全发展形势如何?对我国进行电磁空间安全治理有哪些启示,您有什么建议?
陈院士:电磁空间安全具体指国家的各类电磁波应用活动,特别是与国计民生相关的“重大电磁波应用活动”能够在国家主权“电磁空间”里没有危险、不受威胁、不出事故地正常进行,同时国家秘密频谱信息和重要目标信息能够得到电磁安全保护的一种状态。电磁空间安全事关国家利益的重要领域,是国家安全的重要组成部分,对维护国家发展利益、保障国防安全至关重要。
美国国防部在2014年发布了新版的《电磁频谱战略》,指出陆、海、空、天和网络行动对电磁频谱的需求的不断增加,使之成为国家的重要战略资源。2016年参议员院通过了《电子战能力提升法案》,同年众议院通过了《电子战能力增强法案》,为美国推进创新性电子战系统和能力带来巨大的提升契机。近年来也是不断加强,制定了一系列的条令和法规,用以规范电子战和电磁频谱作战的发展。修订了《电子战》条令,发布了《联合电磁频谱管理行动》《联合电磁频谱作战》和《赛博与电子战作战》条令等。可以看出,美军正在从顶层条令对电磁频谱进行定义和规范,构建电磁频谱作战架构。
相比于美国,俄罗斯是电子战的起源国,可追溯至1904年在旅顺港对日本的防御作战。近年来从战略、装备技术、作战行动等多个层面展示了“将电子战作为一种独立的作战模式”这一理念,将电子战发展成新式作战武器并拓展到整个电磁频谱领域, 2017年9月爱沙尼亚国际防务与安全中心发布了一份题为《俄罗斯电子战能力2025:在电磁频谱内向北约发起挑战》研究报告,系统阐述了俄罗斯电子战军事思想、组织机构调整和实战应用等方面,提出了对未来电子战和网络中心战的协同。《东京新闻》在2018年的报道中,日本政府在防卫省自卫队内新设统管太空、网络空间和电子战部队的指挥机构—“天网电”司令部,并将其写入了《防卫计划大纲》。
从国际上的发展形势可以看出,电磁空间安全上升到了一个全新的高度,没有制电磁权,就谈不上制空权、制海权、制天权和制信息权,电磁空间的优势是未来战争的“制高点”,是决定战争胜负的重要因素。
当前,我国电磁空间安全需要从对抗能力、防护能力,保障机制、关键技术掌控等方面大力提升,需要充分考虑电磁空间是涉及国计民生、国家安全等多领域的物理空间这一特性,应从国家战略层面整体考虑制定国家电磁空间安全发展:一、制定电磁空间安全国家发展战略,加强电磁空间安全系统应对策略规划;二、将电磁空间上升为一个新的独立作战域,加强电磁空间安全的体系结构的顶层设计与规划,大力发展统一的电磁空间攻防作战力量,形成电磁态势感知、电磁频谱管理和电磁作战三位一体的电磁空间攻防作战体系;三、逐步构建多维一体的电磁空间攻防对抗技术防御体系。采用扩展频谱、跳频、跳时以及突发等先进技术,提高电子设备的抗截获、抗干扰、抗检测以及抗毁与生存能力。加强电子装备的防护措施,提高作战适应性。从最底层入手加强电子系统的自身防护与应变能力,充分利用各种电磁控制、防护与管理手段,构建多层次、多种类的立体防护体系。同时做好以下相关工作:首先,要认清形势,统一思想认识,进一步提升国家电磁空间的战略地位。其次,要充分挖掘人才资源,加大人才培养力度,打造一支高素质的“电磁新军”。再次,要加强组织领导,协调好军用、民用和国际电磁空间资源,努力创建一个和谐的电磁空间环境。最后,要着眼长远需求,建立长效机制,促使国家电磁空间安全治理工作走上制度化规范化轨道。
(本文刊登于《中国信息安全》杂志2020年第12期)


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