航天器系統(tǒng)電磁兼容性安全裕度評估方法探討

吳華兵

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076）

航天器系統(tǒng)電磁兼容性安全裕度評估方法探討

吳華兵

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076）

對系統(tǒng)電磁兼容性安全裕度評估方法進(jìn)行了探討，并結(jié)合航天器的實(shí)際情況，給出了航天器系統(tǒng)的電磁兼容性安全裕度評估方法。

安全裕度；系統(tǒng)級；EMC；航天器

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)在航天器領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，系統(tǒng)的電子設(shè)備數(shù)量劇增，布局也更加密集，在有限空間內(nèi)配置了大量的電子／電氣設(shè)備，系統(tǒng)自身設(shè)備間通過各種耦合途徑產(chǎn)生電磁干擾，同時，系統(tǒng)還會遭受到外部各種有意、無意電磁環(huán)境的干擾。為保證武器在系統(tǒng)內(nèi)、系統(tǒng)間、系統(tǒng)與平臺間、系統(tǒng)與外部環(huán)境間相互電磁兼容，我國2005年頒布了GJB 1389A—2005《系統(tǒng)電磁兼容性要求》［1］，提出了14項(xiàng)試驗(yàn)要求，即安全裕度、系統(tǒng)內(nèi)電磁兼容性、外部射頻電磁環(huán)境、雷電、電磁脈沖、分系統(tǒng)和設(shè)備電磁干擾、靜電電荷控制、電磁輻射危害、全壽命期電磁環(huán)境效應(yīng)控制、電搭接、外部接地、防信息泄漏、發(fā)射控制、頻譜兼容性管理等。這14項(xiàng)要求中，安全裕度是系統(tǒng)電磁兼容性的重要指標(biāo)之一。

對于航天器而言，其在全壽命周期內(nèi)所遭遇到的內(nèi)部及外部電磁環(huán)境日益復(fù)雜，為提升該系統(tǒng)的可靠性，確保該系統(tǒng)在其全壽命周期內(nèi)能夠正常工作，電磁兼容安全裕度指標(biāo)及評估方法尤為重要。雖然，GJB 1389A－2005標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定了軍用裝備系統(tǒng)的電磁兼容性要求，但未給出安全裕度的評估方法，為此，筆者結(jié)合航天器實(shí)際情況，探討一種系統(tǒng)級電磁兼容性安全裕度評估方法。

1 系統(tǒng)級電磁兼容性安全裕度要求

電磁兼容性安全裕度是評定一個系統(tǒng)電磁兼容性的重要指標(biāo)之一，該值反映了系統(tǒng)、分系統(tǒng)電磁兼容性的安全程度，系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)的環(huán)境電平比設(shè)備、分系統(tǒng)敏感度門限所低的程度。安全裕度被定義為設(shè)備或分系統(tǒng)的敏感度門限與現(xiàn)場最大干擾值之比，用dB表示為

式中：M為安全裕度，單位為dB；Po為敏感度門限值，單位為dBμV／m，dBμV，d BμA，表示設(shè)備正常工作時，所能承受的最大干擾值；P為設(shè)備或分系統(tǒng)所受到的最大干擾值，單位為d BμV／m，dBμV，dBμA。

當(dāng)M＜0時，設(shè)備和分系統(tǒng)受到的電磁干擾值大于敏感閾值，則系統(tǒng)與所處的電磁環(huán)境不兼容工作，處于受干擾狀態(tài)；當(dāng)M＝0時，系統(tǒng)處于臨界工作狀態(tài)；當(dāng)M＞0時，系統(tǒng)處于兼容工作狀態(tài)。

GJB 1389A—2005《系統(tǒng)電磁兼容性要求》等效采用了MIL－STD－464A《Electromagnetic Environmental Effects，Requirements for Systems》的武器裝備系統(tǒng)電磁兼容安全裕度要求［2］：對于安全性或完成任務(wù)有關(guān)鍵影響的系統(tǒng)，要求應(yīng)具有至少6 dB的安全裕度；對于需要確保系統(tǒng)安全的電起爆裝置，最大不發(fā)火激勵（MNFS）應(yīng)具有至少16．5 dB的安全裕度；對于其他電起爆裝置的最大不發(fā)火激勵應(yīng)具有6 d B的安全裕度，并明確要求進(jìn)行驗(yàn)證。

2 航天器系統(tǒng)電磁環(huán)境分析

為能正確確定航天器系統(tǒng)的電磁環(huán)境，對該系統(tǒng)遭遇的電磁環(huán)境情況做以下劃分。

根據(jù)干擾源來源，將系統(tǒng)遭遇的電磁環(huán)境包括電磁傳導(dǎo)發(fā)射和電磁輻射發(fā)射兩方面。

1）電磁輻射發(fā)射：由2部分組成，一部分為系統(tǒng)自身產(chǎn)生的電磁輻射干擾信號，另一部分為系統(tǒng)外產(chǎn)生的各種電磁環(huán)境（包含空間輻射能量耦合到線纜中的干擾）；

2）電磁傳導(dǎo)發(fā)射：系統(tǒng)工作時，線纜中產(chǎn)生的各種尖峰干擾信號（不包空間輻射能量耦合到線纜中的干擾）。

要進(jìn)行安全裕度測試［3］，關(guān)鍵在于確定正確的電磁環(huán)境干擾值，而這恰恰是該項(xiàng)試驗(yàn)的難點(diǎn)。

3 航天器系統(tǒng)電磁兼容性安全裕度評估方法

根據(jù)以上對航天器系統(tǒng)電磁環(huán)境分析，將其系統(tǒng)級電磁兼容安全裕度分為電磁輻射安全裕度和電磁傳導(dǎo)安全裕度2種情況。

3．1 航天器系統(tǒng)電磁輻射安全裕度評估方法

對于電磁輻射安全裕度主要采用以下2種方法進(jìn)行評估

1）全威脅電平的照射方法 根據(jù)系統(tǒng)所處的電磁輻射環(huán)境干擾值大小，產(chǎn)生一個合適電平（考慮安全裕度值）的電磁輻射環(huán)境干擾場照射（覆蓋航天器整個范圍），即按照實(shí)際環(huán)境條件下的全威脅電平進(jìn)行照射。對航天器長度小于照射電磁波的波長，則通過照射航天器來獲得適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)，而對于小于航天器長度的電磁波波長信號，適宜采用點(diǎn)照射。因?yàn)殡y以獲得整個頻率范圍的掃頻，這樣做容易漏掉航天器殼體諧振時的感應(yīng)電流，有可能得出錯誤的試驗(yàn)結(jié)果。

2）低電平線纜耦合方法 將航天器置于一個均勻的低電平電磁場（其大小、波形根據(jù)實(shí)際環(huán)境確定）中，在所要求的頻率覆蓋范圍內(nèi)加以掃頻。測量各種頻率情況下系統(tǒng)的成束電纜內(nèi)所感應(yīng)的電流值，然后將所測電流放大（外推）到包含安全裕度在內(nèi)的全威脅電平下的電流值，接著將此全威脅電平電流借助于成束電流注入技術(shù)（BCI），對每一個電纜束注入其相應(yīng)的全威脅電流，觀察其敏感現(xiàn)象，以確定該系統(tǒng)是否滿足規(guī)定的安全裕度。

要確定航天器電磁輻射安全裕度評估模型，最為重要的是要確定其電磁輻射發(fā)射值。

對于系統(tǒng)自身所產(chǎn)生的電磁輻射發(fā)射可通過實(shí)際測量得到；對于系統(tǒng)在運(yùn)輸、測試及飛行等過程中面臨的外部電磁輻射環(huán)境，特別是在飛行過程中面臨的電磁環(huán)境，目前國內(nèi)尚未開展系統(tǒng)的測量工作，因此，其外部環(huán)境可參考GJB 151A—1997《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求》中隊(duì)空間飛行器單機(jī)或分系統(tǒng)的電磁輻射極限值電平（10 k Hz～40 GHz頻率范圍內(nèi)均為20 V／m），并參考GJB 1389A—2005《系統(tǒng)電磁兼容性要求》的空間和運(yùn)載系統(tǒng)的外部輻射環(huán)境值（見表1）加以確定。

表1 空間和運(yùn)載系統(tǒng)的外部電磁環(huán)境

可以看出，在100 MHz～10 GHz頻率范圍內(nèi)，GJB 1389A—2005給出的航天器系統(tǒng)外部電磁環(huán)境要比GJB 151A—1997中給出的單機(jī)或分系統(tǒng)的電磁輻射極限值電平要高得多。對于這一差異可以理解為：例如，運(yùn)載火箭殼體為金屬材質(zhì)，具備一定的屏蔽效能，而所有箭載設(shè)備均布置在該金屬艙段內(nèi)部，雖然外部的電磁環(huán)境較高，但是由于金屬艙段的屏蔽作用，實(shí)際進(jìn)入艙體內(nèi)部的電磁輻射干擾會明顯減小，因此，對于火箭單機(jī)或分系統(tǒng)而言，其電磁輻射極限值電平要比系統(tǒng)外部的電磁環(huán)境值要低。

顯然，全威脅電平的照射方法要求苛刻，因?yàn)橐粍t不易獲得如此大功率的放大器，二則如此大功率的照射容易干擾其他系統(tǒng)和設(shè)備。對于航天器系統(tǒng)而言，有金屬殼體，具備一定的屏蔽效能，當(dāng)外部電磁環(huán)境進(jìn)入到殼體內(nèi)后，會衰減。當(dāng)不具備大功率放大器設(shè)備情況下，對于航天器系統(tǒng)電磁輻射安全裕度的評估，可參考設(shè)備／分系統(tǒng)的電磁輻射敏感度試驗(yàn)結(jié)果，即比較單機(jī)試驗(yàn)時施加的電磁輻射極限值與該設(shè)備處的實(shí)際電磁環(huán)境值（綜合考慮系統(tǒng)內(nèi)部、外部電磁輻射值以及殼體屏蔽效能、安全裕度值后的電磁輻射值）的大小關(guān)系，分析得出系統(tǒng)是否滿足安全裕度指標(biāo)要求。

另外，對于航天器系統(tǒng)電磁輻射安全裕度的評估，還可采用低電平線纜耦合方法進(jìn)行評估，但是對于該方法而言，要求系統(tǒng)感應(yīng)的電流／電壓值與電磁輻射場值大小是成線性關(guān)系的，否則，會給安全裕度評估帶來誤差。

3．2 電磁傳導(dǎo)安全裕度評估方法

根據(jù)系統(tǒng)所處的電磁傳導(dǎo)干擾值大小，在系統(tǒng)線纜中注入適當(dāng)?shù)母蓴_信號（考慮系統(tǒng)的安全裕度值），觀察系統(tǒng)是否敏感，以確定系統(tǒng)是否滿足規(guī)定的安全裕度要求。

系統(tǒng)的電磁傳導(dǎo)發(fā)射干擾可通過監(jiān)測關(guān)鍵點(diǎn)處傳導(dǎo)發(fā)射得到，對于航天器系統(tǒng)電磁傳導(dǎo)安全裕度的評估可以通過以下2種方法得到：

1）首先監(jiān)測得到系統(tǒng)關(guān)鍵線纜中的最大傳導(dǎo)發(fā)射干擾值，然后再向系統(tǒng)線纜中注入干擾信號（考慮系統(tǒng)規(guī)定的安全裕度值），觀察系統(tǒng)是否敏感，以確定系統(tǒng)是否滿足規(guī)定的安全裕度要求；

2）結(jié)合航天器設(shè)備／分系統(tǒng)的電磁傳導(dǎo)敏感度試驗(yàn)情況與系統(tǒng)線纜中的實(shí)際傳導(dǎo)干擾值，對其電磁傳導(dǎo)安全裕度進(jìn)行分析與評估。先得到傳導(dǎo)敏感度量級與實(shí)際干擾值之間的差，然后在比較該差值與系統(tǒng)規(guī)定的安全裕度大小，若該差值比規(guī)定的安全裕度值大時，則系統(tǒng)滿足安全裕度要求，否則，不滿足安全裕度要求。

4 結(jié) 語

筆者對系統(tǒng)電磁兼容性安全裕度評估方法進(jìn)行了探討，并結(jié)合航天器的實(shí)際電磁環(huán)境特性等情況，將其電磁兼容安全裕度分為電磁輻射安全裕度和電磁傳導(dǎo)安全裕度2個部分分別進(jìn)行了分析與探討，并給出了航天器系統(tǒng)的電磁兼容性安全裕度評估方法。

［1］ GJB 1389A—2005，系統(tǒng)電磁兼容性要求［S］．

［2］ MIL－STD－464A，Electromagnetic Environment Effects Requirements for Systems［S］．

［3］ 成偉蘭，湯仕平，陸東升．基于數(shù)據(jù)模型的艦船電磁兼容性安全裕度評估技術(shù)［J］．艦船科學(xué)技術(shù)，2011，13（2）：94－97．

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A

1008－1542（2011）12－0136－03

2011－06－20；責(zé)任編輯：李 穆

吳華兵（1980－），男，湖北鄂州人，工程師，主要從事火箭系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)、仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證方面的研究。