Retningslinjer for beskyttelse av elektroniske installasjoner i totalforsvaret mot elektromagnetisk puls (EMP)

Utgitt av
Samferdselsdepartementet 24. mars 1998.

Dette dokument erstatter Samferdselsdepartementets retningslinjer fra 1. august 1981 til bruk for EMP tiltak innen Totalforsvaret.

Retningslinjer for beskyttelse av elektroniske installasjoner i totalforsvaret mot elektromagnetisk puls (EMP)

1 Innledning

Tekniske installasjoner, samt nett av betydning for landets totale beredskap (samband, elektronisk databehandling, varsling, elektrisitetsforsyning, kringkasting, navigasjon o.l.), må gis best mulig beskyttelse både mot elektromagnetisk påvirkning i "normalmiljø" i fred og fiendtlige våpenvirkninger, herunder sabotasje. Beskyttelse mot "elektromagnetisk puls" (EMP), er viktig i denne sammenheng. For sluttbrukere betyr det lite om årsaken til funksjonssvikt skyldes EMP, lyn eller hærverk.

Avbrudd eller driftsforstyrrelser på telenett, kraftnett eller radiokommunikasjoner kan få alvorlige følger for det sivile samfunn, så vel som for Forsvaret. Spesielt gjelder dette under kriser, katastrofer eller krig. Dette fordrer høye krav til robusthet av slike tjenester. De må ha stor tilgjengelighet og driftssikkerhet. Tekniske installasjoner og nett må derfor beskyttes mot våpenbruk og mot sabotasje.

Beskyttelse mot EMP har hittil bare vært gjennomført i begrenset grad. Hensikten med disse retningslinjene er å gi den sivile og militære delen av Totalforsvaret felles

- trusselgrunnlag,
- tekniske anvisninger for utførelse og
- regler for kontrollvirksomhet.

Tekniske retningslinjer for EMP-beskyttelse av elektroniske installasjoner er gitt bl.a. i Fortifikasjonshåndboken - utgitt av Forsvarets bygningstjeneste (FBT) og Direktoratet for sivilt beredskap (DSB).

Dersom beskyttelsestiltakene er med i planleggingsfasen for nybygg, og utstyret har immunitet mot elektromagnetiske felt og transienter i henhold til europeiske og internasjonale standarder, vil dette medføre lavere kostnader. Retningslinjene tar sikte på å etablere beskyttelse mot EMP i tekniske installasjoner samt nett, også der disse ikke ligger nær potensielle kjernevåpenmål.

Etter at retningslinjene ble revidert i 1983 er det i senere år utviklet nye EMP-våpen som benytter kjernevåpen eller konvensjonelle midler. Nye trekk ved utviklingen er at slike våpen gir kraftigere påvirkning ved meget høye frekvenser. Dette medfører økt sårbarhet for tekniske installasjoner samt nett. Det var derfor nødvendig på nytt å revidere disse retningslinjene.

2 Trusselen

Det er vanskelig å forutsi hvilke midler som vil bli benyttet under krig eller sabotasje for å sette tjenester ut av funksjon. Tekniske installasjoner, samt nett er sårbare for EMP, og nye EMP-våpen kan få stor betydning. Utviklingen av slike våpen tar sikte på å redusere vekt og kostnader. De egner seg derfor også for bruk ved sabotasje. Bruk av små portable generatorer som tilkoples ytre kabler kan skade utstyr i ubeskyttede installasjoner. Våpenutviklingen som nå skjer vil være en trussel i fred fra personer/grupper som ønsker å oppnå fordeler eller volde skader.

For en fiende kan slike våpen være attraktive ved at de bare ødelegger tekniske installasjoner. Krig kan dermed vinnes uten tap av personell ("Non-lethal weapons").

Den senere tids utvikling er uheldig dersom at en i Totalforsvaret ikke i tilstrekkelig grad bygger opp kompetanse og kapasitet for å følge med i den teknologiske utviklingen:

Samfunnets store behov for tjenester har medført økt bruk av sårbare EDB-systemer, slik at vi i det daglige liv vil oppleve avbrudd i tjenestene. Dette kan få store følger for beredskapen under kriser, katastrofer og krig.

Det moderne nett skal integrere alle mulige tjenester i form av tale, tekst, data og bilder. Den raske tekniske utviklingen endrer forutsetningene, og det kreves andre løsninger for å gi best mulig beskyttelse av teletjenestene.

Områder som i fred har normal drift kan få overbelastning i kriser, katastrofer og krig, slik at telenett og kraftnett bryter sammen. Det er derfor fortsatt viktig å sikre god beskyttelse i alle nett. Betydningen av at reservedeler og reserveutstyr er tilgjengelig, og beskyttet mot EMP, er fortsatt stor. Prioriterte tjenester/nett kan også benytte felles tekniske installasjoner som ikke er forutsatt å være prioriterte tjenester/nett. Installasjoner som regnes som lite betydningsfulle i krig kan derfor likevel være viktige å beskytte.

2.1 EMP som trussel i fred

Tordenvær, uregelmessigheter i kraftforsyningen og støy fra elektronisk/elektrisk utstyr kan føre til driftsforstyrrelser av f.eks. telenett, varslingstjenester, trafikkinstallasjoner, betalingstjenester (banker, butikker, bensinstasjoner etc.)

Naturlige forhold, som gir elektriske utladninger, eksempelvis tordenvær med lynnedslag (se foran), er den mest alminnelige trussel. Tiltak for EMP-beskyttelse i krig gir nødvendig beskyttelse også i fred.

EMP (eller elektriske støykilder) utløst av menneskelig aktivitet er: Radiosignaler (sendere), radarstasjoner, tyristorstyringer, høyfrekvensutrustninger, alarmutstyr, belysning, teleteknisk utstyr, termostater, koplinger i elnettet, osv.

Transportable EMP-våpen er utviklet, og disse egner seg for bruk ved sabotasje.

2.2 EMP som trussel i krig

Ved bruk av EMP-våpen kan det oppstå skade i ubeskyttede systemer over store områder. Dette vil skje på kritiske tidspunkter, f.eks. før et større angrep eller som ledd i utpressing.

Det pågår en kontinuerlig effektivisering av nye EMP-våpen. Samtidig blir kommunikasjon og andre viktige funksjoner i samfunnet stadig mer avhengig av kompliserte elektroniske systemer. Svikter slike vitale systemer, har en små muligheter for å kunne sette systemene i drift på kort tid med enkle midler.

3 Virkninger av EMP på elektronikksystemer

3.1 Elektromagnetisk stråling, i form av radiobølger, omgir oss overalt. Vi utnytter slik stråling til mange formål. Et formål som har vært omtalt i den senere tid er å gi ødeleggende eller forstyrrende virkninger på elektronisk/elektrisk utstyr. Dette kalles radiofrekvente våpen, og EMP-våpen er viktige i denne sammenheng.

Intensiteten av strålingen og dens variasjon med tiden er utslagsgivende for hvor effektive slike EMP-våpen kan bli.

En puls av elektromagnetiske bølger er karakterisert ved mange egenskaper. Pulsen har en bestemt varighet som angis i brøkdeler av sekund ( ms eller ns).

Pulsens form er viktig. Den vil avgjøre hvilke frekvenser som er representert. Frekvensbildet er avgjørende for penetrasjon gjennom beskyttende skjermer. Meget høye frekvenser (1-100 GHz) slipper lettere gjennom små sprekker og hull i metallskjermer, men absorberes lettere i fjelloverdekning. Høye frekvenser gir god overføring av energi til korte ledninger eller antenner, mens lave frekvenser kobles best til lange kabler. En puls kan inneholde mange eller bare få frekvenser, og dette har også betydning.

3.2 Kjernevåpen detonert i lav høyde gir kraftige EMP-virkninger, men virkningen svekkes med avstanden og er forholdsvis lokal (opptil et titalls km).

Detonasjoner i stor høyde (mer enn 100 km), vil kunne gi ødeleggende EMP i avstander på flere tusen km. Slike høye detonasjoner kan foretas nettopp for å lamme kommunikasjons- og elektronikksystemer. Detonasjoner fra raketter som bruker kjerneeksplosjoner vil gi samme ødeleggende virkning.

Fig. 3.2 Dekningsområde for NEMP

På denne måten kan EMP-virkninger oppstå uten at Norge direkte er blitt angrepet med kjernevåpen. EMP er således en fjernvirkning i likhet med radioaktivt nedfall. Det kan også bemerkes at små kjernevåpen evt såkalte nøytronvåpen kan gi alvorlige EMP og strålevirkninger i utstyr selv om trykkvirkningene er uskadelige.

EMP fra kjernevåpen (Nukleær EMP, NEMP) har dominerende frekvenskomponenter lavere enn 1 GHz. For å få god overføring av energi må kabler være flere meter lange. I bygninger med ledningslengder av størrelsesorden 10-30 m blir slike frekvenser optimale. Inne i utstyr er lengdene mindre enn 1 m og frekvenser på 1 GHz eller høyere best egnet. For pulser er det stigetiden som begrenser frekvensområdet oppad. Det arbeides med å generere EMP med konvensjonelle midler ("Man-made EMP", MEMP) som har meget kort stigetid og høye frekvenser. Foreløpig kan frekvenser av størrelsesorden 1 GHz genereres og dette gir god overføring av energi til ledninger som er 50 cm lange.

HPM ("High Power Microwave") består av elektromagnetiske bølger med kort bølgelengde som er modulert med vanlig EMP. Fordelen er at en kan få pulser av stor varighet og energi inn gjennom små hull eller spalter i en skjerm eller et kabinett siden energien bæres av en høy frekvens med kort bølgelengde. Eksempel på en slik puls er vist på figur 3.3. Bølgelengden kan variere fra 3 m til 3 mm, og det tilsvarende frekvensområdet fra 0,1 til ca 100 GHz.

3.3 Fra dagliglivet er vi kjent med stråling fra radarstasjoner som kan skade elektronikk i kort avstand. Det er pulseffekten som har betydning for skaden. Radar opererer med pulseffekter opptil flere MW og midlere effekter på ca 100 kW. Reduseres pulsvarigheten til 1/1000, vil pulseffekten øke fra MW til GW uten at vi bruker mer total energi. Et våpen på 1 GW med pulsbredde 1 ns og 1000 pulser pr s har i gjennomsnitt en utstrålt effekt på bare 1 kW.

Med en virkningsgrad på bare 10 % kan nødvendig lagring av energi skje med kondensatorer med en vekt på 100 kg.

EMP-stråling opptrer også fra lynutladninger (Lyn-EMP, LEMP). Denne EMP har forholdsvis lang stigetid og varighet som gir et innhold av lave frekvenser. Den virker derfor ikke så sterkt inn på elektronikk som er tilkoplet korte kabler.

Ved operasjon av brytere, termostater o.l. dannes det en elektrisk gnist. Det opptrer dermed en svak EMP med kort stigetid som kan forstyrre elektronikk nær ved. Dette er en form for elektrisk støy (Elektromagnetisk Interferens, EMI) som forekommer hyppig.

En rekke forskjellige typer EMP er aktuelle i dag og eksempler er vist skissemessig i figur 3.3. Mulig feltstyrke og varighet av stråling er angitt.

Figur 3.3 Forskjellige typer av EMP (prinsipp)

Som vist er pulsene karakterisert ved forskjellig form, stigetid og varighet som fører til at frekvensinnholdet av pulsene blir forskjellig. Kort stigetid og kort varighet gir høye frekvenser. Pulsen kan også svinge på spesielle frekvenser som får økt energi.

3.4 Moderne elektronikk kan forstyrres i den grad at funksjonen ødelegges. Vi kan skille mellom blokkering og "bitfeil".

Blokkering opptrer i sambandsutstyr e.l. ved at forsterkere går i metning, og kan bli langvarig, dersom det opptrer et visst antall pulser i sekundet. Bare 1 puls pr sekund kan være tilstrekkelig. Det forekommer også at utstyret svikter ved at sikringer eller kontrollkretser utløses.

For EDB-utstyr er "bitfeil" den vanligste virkningen. Celler i arbeidshukommelsen til maskinen blir da forandret. Utstyret gir dermed feil informasjon, eller stopper å funksjonere, og må "restartes" ved å lese inn ny informasjon fra databånd. Er utstyret ubetjent kan dette ta lang tid. Det fins utstyr som restarter automatisk og dette er derfor en metode for beskyttelse som kan redusere avbruddstiden.

Det kreves vesentlig mer energi og feltstyrke i en puls for å gi varig skade. Feltstyrken må være stor nok til at det blir gnistoverslag i tynne kvartslag eller deplesjonslag i halvledere. En spenning på 100 til 1000 V er nødvendig. Dernest kreves det en total energi på minst 0,1-10 mJ med varighet 1 ns for at overslag skal kunne brenne en ledende kanal gjennom laget slik at utstyret er ødelagt. Halvledere for mikrobølger, eller de meget hurtige svitsjer som etterhvert benyttes i datautstyr, er mest sårbare. En eneste svak puls behøver ikke å gi varig skade. Et våpen kan derfor basere seg på mange pulser etter hverandre. Hver puls kan da ha vesentlig mindre energi pr puls enn den totale energi som trengs for å gi skade.

Mange forskjellige nye EMP-våpen er blitt rapportert. USA og Sovjet har brukt betydelige beløp på utvikling. Det er laget prototypeversjoner for benyttelse i fly og krysserraketter. Disse ble utprøvd i Gulfkrigen. Det er rimelig å anta at skade-avstander for slike våpen i fly kan bli flere 100 km for ubeskyttede sambandssystemer e.l.

3.5 Beskyttelsen må gjennomføres overalt innen et system. Det er det svakeste ledd som bestemmer beskyttelsesgraden. Mangler beskyttelsen vil den være vanskelig å gjennomføre på kort tid.

Erfaring viser også at beskyttelsen bør legges inn i bygge-/konstruksjonsperioden, slik at den blir rimeligst.

Det paradoksale er at dersom beslutning tas om å gjennomføre beskyttelse, og en over tid gjennomfører gode beskyttelsestiltak, vil slike våpen ikke bli tatt i bruk. Hvis det besluttes ikke å beskytte, kan en fiende eller en aggressiv gruppe fristes til å ta slike våpen i bruk.

4 Beskyttelsesnivå

Beskyttelsesnivået angis ofte i desibel (dB). Tiltakene som er beskrevet i tekniske retningslinjer må svekke EMP med minimum 30 dB (100 kHz - 1 GHz), inkludert eventuell overdekning.

For MEMP og HPM kreves det også beskyttelse mot høyere frekvenser. Dette oppnår man ved en overdekning av fjell eller jord på minst 5 m. For installasjoner i dagen kreves det en skjerm av metallplater (folier), fint metallnett, ledende betong, etc., som anvist i tekniske retningslinjer (bl.a. Fortifikasjonshåndboken).

Ved fastsettelse av beskyttelsesnivå har en tatt hensyn til at utstyr har en viss egenbeskyttelse. Utstyret må spesifiseres til å tåle ledningsbundne transienter og elektromagnetiske felt i samsvar med internasjonale normer eller rekommandasjoner. Standardiseringsorganisasjonene IEC, ITU, CENELEC og ETSI er organisasjoner som utgir standarder for immunitet til utstyr. F.eks. gir IEC 801-3 slike krav. Slike immunitetskrav er nødvendig for at utstyr skal være pålitelig ved vanlig drift, men gir den bonuseffekt at nødvendig tilleggsbeskyttelse kan dimensjoneres enklere og dermed rimeligere.

Retningslinjene tar sikte på å beskytte overflate-installasjoner. For fjellinstallasjoner vil overdekningen bety en bonuseffekt, slik at installasjonene vil være beskyttet mot NEMP fra bakkedetonasjoner i større avstand enn anslagsvis 3 km. Det eksakte beskyttelsesnivå kan beregnes ved bruk av data gitt i Fortifikasjonshåndboken.

En del installasjoner vil kreve et høyere beskyttelsesnivå, fordi de anses for å være potensielle mål for kjernevåpen eller det er slike i umiddelbar nærhet. I et slikt tilfelle må det ut fra det gitte beskyttelsesnivå foretas en spesialvurdering av beskyttelsestiltak, f.eks. ved bruk av Fortifikasjonshåndboken.

Beskyttelsesnivået er lagt slik at detonasjoner i stor høyde ikke vil gi fysiske ødeleggelser. Installasjonene vil dermed også være beskyttet mot EMP fra kjernevåpen detonert på bakken i avstander større enn ca. 5 km, og EMP generert med konvensjonelle midler.

5 Typer installasjoner som bør beskyttes mot EMP

Telekommunikasjonsinstallasjoner og andre elektroniske installasjoner av betydning for landets totale forsvarsberedskap må prinsipielt være beskyttet mot virkningene av EMP. Ved nyinstallasjoner skal slike beskyttelsestiltak inngå som en del av planleggingsgrunnlaget.

EMP-beskyttelse av eksisterende installasjoner kan teknisk være vanskelig å gjennomføre. Ved eksisterende installasjoner skal EMP-tiltak derfor primært vurderes ved ombygginger, og utskifting av materiell. Ved viktige eksisterende installasjoner må egne beskyttelsestiltak vurderes spesielt.

Forsvaret vurderer hvilke militære installasjoner som skal gis EMP-beskyttelse. I den sivile beredskapssektor tilligger det den enkelte etat, operatør og selskap (private/offentlige) å ta standpunkt til hvilke installasjoner som skal beskyttes. Som rådgivende og koordinerende organ for sikringstiltak, inklusive EMP, har Samferdselsdepartementet oppnevnt "Totalforsvarets råd for sikring av tele- og informasjonssystemer - TRSTI". TRSTI "skal bidra til at Totalforsvaret blir sikret tilgang til robuste og pålitelige tele- og informasjonstjenester både ved kriser i fred, i en beredskapssituasjon og i krig". Aktuelle anlegg/installasjoner hvor EMP-beskyttelse bør vurderes, vil være:

- Telekommunikasjonsanlegg og nett
- Nød- og alarmsentraler (f.eks. helse, brann og politi)
- Installasjoner for helseberedskap
- Navigasjonsinstallasjoner
- Sambandsinstallasjoner for Totalforsvaret (Sivilforsvarets og siviladministrasjonen)
- Kraftforsyningens nett
- Jernbaneinstallasjoner
- Meteorologiske sambandsinstallasjoner
- Installasjoner for kringkasting (radio og TV)
- EDB-installasjoner.

6 Kontroll og tilsyn

Ukyndig personell og mangel på enhetlig regelverk forårsaker at feil oppstår i eksisterende anlegg og ved oppførelse av nyanlegg. Dette bekreftes av kontroller som er gjort gjennom flere år. Ukyndighet og uvitenhet vil være et opplærings-, organisasjons- og disiplinært problem og krever særlig oppmerksomhet.

6.1 Regjeringen gir i St.m. nr. 24 (92-93), om Det fremtidige sivile beredskap, varsel om nye arbeidsmetoder/styringssystemer etter internkontrollprinsippet. Dette er en del av området kvalitetssikring.

6.2 Kvalitetssikring etter internkontrollprinsippet er en oppgave for den enkelte bruker av EMP-beskyttet anlegg. For den sivile del av Totalforsvaret er dette departementer, etater, frittstående institusjoner, andre offentlige virksomheter og nettoperatører som har beredskapsansvar.

For næringsvirksomheter vil pålegg bli gitt gjennom konsesjonsvilkår eller særskilte avtaler mellom offentlige og private virksomheter.

6.3 Den sivile del av Totalforsvaret, som er nevnt i pkt. 6.2, skal etablere system/struktur for kontrollordninger som sikrer at et anlegg er tilfredsstillende i forhold til gjeldende nivåkrav for EMP-beskyttelse for den bygningstekniske delen og nettene.

Dette systemet bør inneholde

- beskrivelse av bygningsmessige forhold av betydning for EMP-beskyttelsen, som f.eks. skjermtype, avstand mellom armeringsjern, overdekning, VVS, barrierer, gjennomføringstyper.

- beskrivelse av benyttede kabeltyper med tanke på skjermkvalitet og utstrekning.

- beskrivelse av vernekomponenter med karakteristiske data.

- regelmessige tilstandsrapporter, inkl. elektromagnetiske målinger.

- oversikt over personell som kan utføre nyinstallasjoner og utbedringer, samt hvilken kompetanse disse har.

- hvem som er ansvarlig for anlegget med tanke på EMP.

6.4 For å kunne gjennomføre teknisk kontroll kreves det spesiell kompetanse og bruk av avansert utstyr som er lite tilgjengelig. Telenor AS og Forsvarets EMC-lab (Luftforsvarets forsyningskommando) har kompetanse og erfaring med slik kontroll.

6.5 Det er viktig at gjennomføringen av beskyttelsestiltakene mot EMP kontrolleres gjennom hele byggets levetid. Etter at anlegget er tatt i bruk er det nødvendig å føre kontroll med at EMP-bekyttelsen ikke svekkes med bygningsmessige forandringer, kabelomlegging, elektroniske nyinstallasjoner osv. Det påligger vedkommende ansvarlige etat å gjennomføre kontrollen.

Installasjoner som er av stor beredskapsmessig betydning bør gis nødvendig elektronisk eller manuell overvåkning til enhver tid. Forholdene for øvrig legges til rette for hurtig utbedring av skader.

7 Tekniske tiltak for EMP-beskyttelse

Beskyttelsen kan utføres på mange måter og et dokument som skal beskrive alle disse metoder i detalj blir omfattende og må revideres etterhvert. Det henvises derfor til Fortifikasjonshåndboken som er offentlig tilgjengelig og som er blitt oppdatert jevnlig. Telenor AS og noen offentlige etater i Totalforsvaret har etterhvert laget sine egne tekniske retningslinjer, som er spesielt tilpasset eget behov og metoder. Det kan derfor bli henvist til andre retningslinjer.

Litteraturliste:

Fortifikasjonshåndboken, del 1, kap. 8, samt del 2, kap. 5 (FBT, DSB)

NATO/CCPC: Chapter VIII: Protection of civil telecommunication against the effect of an electromagnetic pulse (EMP) (NATO RESTRICTED).

NATO/CCPC: Protection of civil telecommunications networks against electromagnetic pulse (EMP) effects (1993).

NATO/SHAPE: EMP Engineering practices handbook, second edition, NATO File No. 1460-3 (1989)

IEC: TC 77C: Immunity to high altitude nuclear pulse (HA-EMP)

EN 50082-1 Electromagnetic compatibility Generic immunity standard - Part I: Residential, commercial and light industry.

NOU nr. 12/86 Datateknikk og samfunnets sårbarhet.

Rädningsverket: EMP-SKYDD I CIVILFØRSVARSLÄGNINGAR, Sverige

SHAPE: 2202.2.4.1.2/SHORC/90: NATO TRAINING FOR EMP

Telenor: Opplæringsseksjonen: EMP-kurs (inkl. video)
Instruks for Televerket del XI Teknikk, kap. 0.4

Lagt inn 31. mars 1998 av Statens forvaltningstjeneste, ODIN-redaksjonen