艦船系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)要求與試驗(yàn)評估

張 勇 陳 銳 左 鈺 馮婷婷

(1.海軍研究院 北京 100161；2.上海交通大學(xué) 上海 200030)

0 引言

戰(zhàn)場電磁環(huán)境日益復(fù)雜，電磁環(huán)境效應(yīng)對艦船的影響和危害愈發(fā)凸顯。艦船面臨的電磁環(huán)境既有自然的、又有人為的，既有外部的、又有內(nèi)部的，既有有意的、又有無意的。復(fù)雜電磁環(huán)境條件下聯(lián)合作戰(zhàn)，艦船系統(tǒng)中任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)電磁不兼容現(xiàn)象，都將導(dǎo)致艦船作戰(zhàn)效能的大幅降低，使艦船作戰(zhàn)效能大打折扣，甚至產(chǎn)生嚴(yán)重后果，電磁環(huán)境效應(yīng)問題愈發(fā)突出。

電磁環(huán)境已成為海戰(zhàn)場環(huán)境的重要構(gòu)成要素，電磁環(huán)境效應(yīng)要求是艦船裝備在復(fù)雜電磁環(huán)境下是否具備戰(zhàn)斗力的關(guān)鍵。為了解決日益嚴(yán)重的電磁環(huán)境效應(yīng)問題，美軍制定了一系列的電磁環(huán)境效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)和指令指示等標(biāo)準(zhǔn)文件，以實(shí)施武器裝備的電磁環(huán)境效應(yīng)控制和認(rèn)證。在美軍控制電磁環(huán)境效應(yīng)和裝備采辦過程中有相應(yīng)的DoDD 3222.3國防部電磁環(huán)境效應(yīng)程序等指令指示和MIL-HDBK-237D軍用操作手冊支持，為武器裝備達(dá)到電磁兼容性提供指導(dǎo)和管理指南。在隨后的幾十年里，系統(tǒng)級電磁兼容性理論和試驗(yàn)措施被不斷的豐富和發(fā)展。美國系統(tǒng)級軍用電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)歷了MIL-STD-1385《預(yù)防電磁輻射對軍用系統(tǒng)危害的一般要求》和MIL-STD-1818，現(xiàn)在發(fā)展到MIL-STD-464C《系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)要求》。

因此，開展艦船電磁環(huán)境效應(yīng)要求研究，掌握電磁環(huán)境效應(yīng)要求，加強(qiáng)電磁環(huán)境效應(yīng)試驗(yàn)評估，對于提高艦船裝備電磁兼容性和適應(yīng)復(fù)雜電磁環(huán)境的能力具有十分重要的意義。

1 艦船系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)特點(diǎn)

艦船是綜合作戰(zhàn)能力最強(qiáng)大的水面作戰(zhàn)平臺，隨著艦船裝備信息化程度的不斷提高，電子信息技術(shù)廣泛應(yīng)用于艦船裝備之中，艦船上裝備了大量雷達(dá)、通信、指揮控制等電子信息系統(tǒng)和武器，艦船系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)具有以下突出特點(diǎn)：

1)艦船平臺有限空間布置大量系統(tǒng)和發(fā)射天線，發(fā)射機(jī)發(fā)射功率高，電磁功率密度大，接收機(jī)靈敏度高，設(shè)備工作頻率密集且相互交叉，時域重疊，空間隔離度有限，導(dǎo)致艦船電磁兼容問題十分復(fù)雜。

2)艦船是集母艦、飛機(jī)、武器、電子電氣設(shè)備于一體的大型復(fù)雜系統(tǒng)，艦船、艦載機(jī)多平臺、多系統(tǒng)之間電磁適配性要求高，其電磁環(huán)境效應(yīng)復(fù)雜程度高。

3)在海戰(zhàn)場區(qū)域內(nèi)，各種電子系統(tǒng)越來越多，電磁環(huán)境日益復(fù)雜，艦船裝備之間的交鏈關(guān)系越來越復(fù)雜，協(xié)調(diào)難度越來越大。如不能有效控制電磁環(huán)境效應(yīng)，將導(dǎo)致艦船裝備出現(xiàn)嚴(yán)重的電磁環(huán)境效應(yīng)問題，無法形成一體化作戰(zhàn)能力。

2 艦船系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)要求的發(fā)展

美國是世界上最早提出電磁環(huán)境效應(yīng)概念并開展研究的國家，其系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)要求主要以標(biāo)準(zhǔn)文件固化下來，對美軍相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)文件進(jìn)行研究分析，可以掌握其對系統(tǒng)提出的電磁環(huán)境效應(yīng)要求。分析美軍相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化文件，這些文件包括軍用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、軍用手冊、指令指示等類別，涉及武器裝備系統(tǒng)、分系統(tǒng)、設(shè)備的電磁兼容性管理要求、技術(shù)要求和試驗(yàn)方法等內(nèi)容。

經(jīng)分析，美國用于電磁環(huán)境效應(yīng)要求分布在各指令、操作手冊和標(biāo)準(zhǔn)中。艦船電磁環(huán)境效應(yīng)要求及指標(biāo)以國防部、海軍部等有關(guān)電磁環(huán)境效應(yīng)指令指示、《艦船通用規(guī)范》和MIL-HDBK-237D為主線，在上述文件中提出技術(shù)、管理上的電磁兼容性要求，并以直接引用的電磁環(huán)境效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)為支撐。引用的電磁環(huán)境效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)提出具體的電磁兼容性要求和指標(biāo)，在技術(shù)要素和管理、試驗(yàn)方面都有相應(yīng)的要求。

從20世紀(jì)30年代的射頻干擾，發(fā)展到60年代的電磁干擾和電磁兼容，到90年代初的“電磁環(huán)境效應(yīng)”已引起人們的關(guān)注。1950年美軍頒布了第一個系統(tǒng)級電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)MIL-E-6051《系統(tǒng)電磁兼容性要求》，從此美軍武器裝備研制有了頂層的電磁兼容性要求。該標(biāo)準(zhǔn)先后經(jīng)過了三次改版，至1997年作廢，使用了47年。1992年美軍頒布的MIL-STD-1818《系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)要求》，是第一個系統(tǒng)級電磁環(huán)境效應(yīng)要求標(biāo)準(zhǔn)。1997年美軍頒布了MIL-STD-464《系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)要求》，取代了MIL-STD-1818和MIL-E-6051標(biāo)準(zhǔn)。MIL-STD-464標(biāo)準(zhǔn)在真正意義上統(tǒng)一和規(guī)范了電磁環(huán)境效應(yīng)所涉及的內(nèi)容和要求，是電磁環(huán)境效應(yīng)研究領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)化上的一個重要標(biāo)志。該標(biāo)準(zhǔn)也經(jīng)歷了三次修訂，現(xiàn)行有效的是2010年頒布的C版本，見表1所示。

表1 美軍系統(tǒng)級電磁環(huán)境效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展過程

代號名稱版次頒布時間MIL-E-6051系統(tǒng)電磁兼容性要求原版1950年3月28日A版1953年1月23日C版1960年6月17日D版1967年9月7日MIL-STD-1818系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)要求原版1992年5月8日A版1993年10月4日MIL-STD-464系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)要求原版1997年3月18日MIL-STD-464A系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)要求A版2002年12月19日MIL-STD-464B系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)要求B版2010年10月1日MIL-STD-464C系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)要求C版2010年12月1日

我國使用的電磁環(huán)境效應(yīng)的概念與美國基本一致，研究的內(nèi)容基本相同，但在概念推出的時間上比美國略晚。1985年頒布了GJB72-1985《電磁干擾和電磁兼容性名詞術(shù)語》，首次對電磁干擾、電磁兼容等給出了定義。2002年頒布的GJB72A，正式給出了電磁環(huán)境效應(yīng)定義，等效采用了美軍標(biāo)MIL-STD-464A，尚未包括高功率微波、靜電放電等。2015年編制完成的國軍標(biāo)《系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)試驗(yàn)方法》已等效采用了美軍標(biāo)MIL-STD-464C的電磁環(huán)境效應(yīng)定義。

1992年頒布了第一個系統(tǒng)級電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)GJB1389《系統(tǒng)電磁兼容性要求》。為適應(yīng)復(fù)雜電磁環(huán)境對裝備的新要求，對該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂，2005年頒布了GJB 1389A《系統(tǒng)電磁兼容性要求》，名稱雖然仍成為“系統(tǒng)電磁兼容性要求”，但明確引入電磁環(huán)境效應(yīng)的概念，指標(biāo)要求和主要技術(shù)內(nèi)容涵蓋了當(dāng)時電磁環(huán)境效應(yīng)領(lǐng)域的全部技術(shù)內(nèi)容，實(shí)質(zhì)上就是電磁環(huán)境效應(yīng)。2017年以464C為基礎(chǔ)對GJB 1389A進(jìn)行了修訂，其名稱和要求內(nèi)容均明確是系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)要求。

3 艦船系統(tǒng)級電磁環(huán)境效應(yīng)要求

艦船電磁環(huán)境效應(yīng)是研究電磁環(huán)境對設(shè)備、系統(tǒng)及平臺的綜合影響，分析艦船系統(tǒng)對電磁環(huán)境的適應(yīng)能力,它涉及了所有與之相關(guān)的電磁現(xiàn)象, 它不僅包含了“電磁兼容性”的全部技術(shù)內(nèi)容，而且增加了雷電、靜電等自然電磁環(huán)境及電磁武器等新電磁現(xiàn)象，增加了人員、軍械、燃油等電磁環(huán)境受體，增加了電磁防護(hù)和電磁易損性等技術(shù)內(nèi)容。

3.1 艦船電磁環(huán)境效應(yīng)分析方法

艦船系統(tǒng)電磁環(huán)境指標(biāo)要求的確定應(yīng)優(yōu)先采用實(shí)測和預(yù)測的數(shù)據(jù)，通?？刹捎萌缦路椒?，具體見圖1所示。

1)分析艦船的使命任務(wù)和作戰(zhàn)使用要求。

2)結(jié)合艦船以往工程經(jīng)驗(yàn)。

3)采用建模仿真，預(yù)測電磁環(huán)境，開展艦船電磁兼容分析，見圖2所示。

4)開展艦船縮比模型和1∶1模型等試驗(yàn)等方法。

5)進(jìn)行軍用標(biāo)準(zhǔn)分析，開展相關(guān)的電磁環(huán)境效應(yīng)分析，確定艦船系統(tǒng)指標(biāo)項(xiàng)目和量值。

3.2 艦船系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)要求

通過對電磁環(huán)境效應(yīng)要求的內(nèi)涵以及相互之間的關(guān)系分析，艦船系統(tǒng)內(nèi)所有分系統(tǒng)和設(shè)備之間應(yīng)是電磁兼容的，系統(tǒng)與系統(tǒng)外部的電磁環(huán)境也應(yīng)兼容。艦船系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)主要涉及系統(tǒng)內(nèi)和系統(tǒng)間及系統(tǒng)與外部環(huán)境三大部分的研究內(nèi)容，其中系統(tǒng)內(nèi)電磁環(huán)境效應(yīng)是分析和檢驗(yàn)系統(tǒng)自身的電磁適應(yīng)性，系統(tǒng)外電磁環(huán)境效應(yīng)則反映了武器系統(tǒng)對外部電磁環(huán)境的適應(yīng)能力。其組成見圖3所示，三大類要求如下。

1)系統(tǒng)內(nèi)自兼容：對于集多種功能于一體的系統(tǒng)，艦船中大功率發(fā)射設(shè)備、高靈敏度接收設(shè)備共處同一平臺，其自身的電磁兼容性要求是面臨的首要和基本問題，包括設(shè)備和分系統(tǒng)電磁干擾、安全裕度、電搭接和系統(tǒng)內(nèi)電磁兼容性要求。

2)系統(tǒng)間兼容性：系統(tǒng)不因其它系統(tǒng)中的電磁干擾和危害而產(chǎn)生明顯降級的狀態(tài)。包括頻譜兼容性、防信息泄漏、發(fā)射控制、電磁輻射危害等要求。

3)系統(tǒng)與外部電磁環(huán)境：作為直接暴露在實(shí)際環(huán)境中的裝備，必須適應(yīng)自然環(huán)境要求，包括雷電、外部接地、靜電等要求；作為以軍事應(yīng)用為主要用途的裝備，確保實(shí)戰(zhàn)及毀傷環(huán)境下的生存力是裝備具備實(shí)戰(zhàn)能力的關(guān)鍵，包括電磁脈沖、高功率微波要求。

4 艦船系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)控制

艦船電磁環(huán)境效應(yīng)要求必須通過合理的控制和防護(hù)設(shè)計實(shí)現(xiàn)，在工程研制初期就及時開展電磁環(huán)境效應(yīng)工作，明確艦船裝備各階段的電磁環(huán)境效應(yīng)控制內(nèi)容和方法，在全壽命期各階段采取有效措施，將電磁環(huán)境效應(yīng)工作貫穿于裝備研制和使用的全過程、全壽命期，在滿足預(yù)定任務(wù)要求的同時滿足所希望的電磁環(huán)境效應(yīng)要求。

圖1 艦船系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)要求分析流程圖

圖2 艦船系統(tǒng)電磁環(huán)境建模仿真預(yù)測分析方法

圖3 艦船系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)要求組成

4.1 論證階段

1)分析艦船系統(tǒng)預(yù)期的電磁環(huán)境，并根據(jù)全壽命期電磁環(huán)境可能存在的變化進(jìn)行實(shí)時更新。

2)明確艦船系統(tǒng)在全壽命期要考慮的電磁環(huán)境效應(yīng)問題，提出艦船系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)初步要求。主要包括電磁兼容性、電磁干擾、頻譜兼容性、電磁防護(hù)等。

3)分析可供選用方案的電磁環(huán)境效應(yīng)。采用仿真預(yù)測、試驗(yàn)驗(yàn)證等多種方法對不同方案的電磁環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行分析，找出潛在的電磁環(huán)境效應(yīng)問題。

4)開展電磁環(huán)境效應(yīng)風(fēng)險識別，分析可供選用方案中應(yīng)解決的電磁環(huán)境效應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)問題、費(fèi)用和風(fēng)險，評估其對艦船系統(tǒng)任務(wù)完成能力的影響。

4.2 方案階段

1)艦船平臺電磁環(huán)境分析預(yù)測。

2)天線間干擾研究。

3)艦船總體天線布置方案設(shè)計。

4)大功率設(shè)備發(fā)射對軍械的危害分析。

5)開展總體電磁脈沖及雷電等防護(hù)設(shè)計。

4.3 工程研制階段

1)根據(jù)電磁環(huán)境試驗(yàn)或仿真研究結(jié)果，完成天線布置，完成相關(guān)艙室分布和各系統(tǒng)和設(shè)備布置。

2)完成武器、燃油和人員的安全防護(hù)設(shè)計。

3)對電磁環(huán)境制定相應(yīng)的電磁環(huán)境效應(yīng)控制措施和要求，提出解決電磁環(huán)境效應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)問題的途徑。

4)對通過管理仍不能消除的電磁干擾，提出解決措施；根據(jù)電磁干擾預(yù)測分析結(jié)果，確定電磁環(huán)境效應(yīng)管理控制措施及具體實(shí)施方法和要求。

4.4 生產(chǎn)和使用階段

1)嚴(yán)格按照電磁環(huán)境效應(yīng)工藝文件要求進(jìn)行生產(chǎn)，并進(jìn)行專門的電磁環(huán)境效應(yīng)驗(yàn)收試驗(yàn)。

2)實(shí)施電磁環(huán)境效應(yīng)使用管理。建立電磁環(huán)境效應(yīng)維護(hù)、使用、管理檔案。可建立使用階段電磁環(huán)境效應(yīng)數(shù)據(jù)庫。

3)開展艦船使用階段電磁環(huán)境效應(yīng)維護(hù)保障和修理，對于艦船裝備使用中出現(xiàn)的電磁環(huán)境效應(yīng)問題，提出解決措施和方案，確保艦船使用過程中電磁環(huán)境效應(yīng)能滿足技術(shù)要求。在修理過程中根據(jù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定開展電磁環(huán)境效應(yīng)修理。

4)對使用中的電磁環(huán)境效應(yīng)信息進(jìn)行記錄和及時上報，并反饋給論證、設(shè)計部門。

5 艦船系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)試驗(yàn)評估

系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)試驗(yàn)評估的目的就是為了驗(yàn)證艦船系統(tǒng)的電磁環(huán)境效應(yīng)要求是否滿足要求，是對研制要求符合情況的全面考核，需按照研制要求分解規(guī)劃需要考核的試驗(yàn)項(xiàng)目和指標(biāo)，以確保通過試驗(yàn)可以全面評估艦船裝備電磁環(huán)境效應(yīng)的符合情況。證明艦船系統(tǒng)在使用全過程中不會由于電磁環(huán)境的作用對他的使用性能和安全造成影響。

5.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案制定應(yīng)以艦船系統(tǒng)實(shí)際使用的電磁環(huán)境為基礎(chǔ)要求，緊密結(jié)合艦船裝備的工況和功能性能，綜合考慮系統(tǒng)要求與系統(tǒng)測試結(jié)果，具體制定方法見圖4所示。

圖4 試驗(yàn)方案制定

5.2 試驗(yàn)實(shí)施

1)系統(tǒng)安裝，進(jìn)行安裝檢查，確定安裝是否正確(接地、搭接、纜線布置等)。

2)性能試驗(yàn)，確定艦船系統(tǒng)安裝后的分系統(tǒng)和設(shè)備是否滿足其性能規(guī)范。

3)系統(tǒng)內(nèi)試驗(yàn)，其目的是表明構(gòu)成功能分系統(tǒng)的設(shè)備(如通信系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)、指控、動力等)在一起能夠正常兼容工作。

4)平臺/系統(tǒng)內(nèi)試驗(yàn)和分析，其目的是驗(yàn)證在平臺或系統(tǒng)上的項(xiàng)目功能正常，從而平臺/系統(tǒng)能執(zhí)行其任務(wù)。該工作也將確認(rèn)平臺/系統(tǒng)內(nèi)所有的分系統(tǒng)和設(shè)備都能有效運(yùn)作，而沒有由于E3降低彼此的性能。

5)整個平臺或系統(tǒng)的試驗(yàn)和分析，確認(rèn)所有分系統(tǒng)和設(shè)備在一個能夠代表使用場景的電磁環(huán)境中都能展示出其作戰(zhàn)性能，所有的項(xiàng)目都能運(yùn)行。

5.3 試驗(yàn)評估

試驗(yàn)評估是對數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯分析、組合并與規(guī)定的性能進(jìn)行比較以幫助做出系統(tǒng)性評價決策的過程。評估是從建模和仿真、試驗(yàn)或使用得到定性或定量數(shù)據(jù)進(jìn)行審查和分析的過程，具體方法如下：

1)將每個試驗(yàn)項(xiàng)目的試驗(yàn)結(jié)果與研制總要求或合同中規(guī)定的要求進(jìn)行對比和判斷，確定每個試驗(yàn)項(xiàng)目的試驗(yàn)結(jié)果是否符合要求。

2)根據(jù)研制總要求或合同中規(guī)定的設(shè)備或系統(tǒng)的干擾和敏感度判別要求，結(jié)合測試結(jié)果數(shù)據(jù)，判定系統(tǒng)是否出現(xiàn)干擾和敏感；若出現(xiàn)干擾和敏感，并導(dǎo)致系統(tǒng)性能降級、失效或故障等，則系統(tǒng)不能滿足自兼容要求，應(yīng)對干擾或敏感現(xiàn)象進(jìn)行識別、分析和整改。

3)綜合全部試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并通過層次分析等方法確定各要素對系統(tǒng)影響的權(quán)重，通過綜合加權(quán)結(jié)果分析對系統(tǒng)使用的影響，評定試驗(yàn)結(jié)果是否滿足要求，判定系統(tǒng)是否達(dá)到研制要求。

6 結(jié)束語

開展艦船系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)要求和試驗(yàn)評估研究，對艦船裝備性能十分關(guān)鍵。通過對美軍和國內(nèi)電磁環(huán)境效應(yīng)要求和標(biāo)準(zhǔn)的分析研究，針對艦船系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)的特殊性和重要性，提出了確定電磁環(huán)境效應(yīng)要求的方法，詳細(xì)分析了系統(tǒng)內(nèi)自兼容、系統(tǒng)間兼容性和系統(tǒng)與外部環(huán)境三大部分的艦船系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)要求及對平臺的適用性，提出了開展艦船系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)試驗(yàn)的方法和試驗(yàn)流程，為開展艦船裝備系統(tǒng)級電磁環(huán)境效應(yīng)工程研制、試驗(yàn)提供技術(shù)支撐。