淺談系統級電磁兼容設計存在的問題和對策

■ 楊建強 陳志建 劉 燦

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淺談系統級電磁兼容設計存在的問題和對策

■ 楊建強 陳志建 劉 燦

裝備通用質量特性中的電磁兼容性特別是系統級電磁兼容性設計，需要引起足夠高的重視。筆者從質量監督者的視角嘗試對目前系統級電磁兼容設計工作中存在的問題進行探討，提出了相應的對策和建議。

一、引言

隨著我軍武器裝備信息化建設的日新月異，系統型號裝備如飛機、艦船、通信車等配備了越來越多的電子設備，它們工作時在時域、頻域、能域和空域上形成了樣式復雜、動態隨機的多種電磁信號，構成了武器裝備系統內部復雜電磁環境。而現代戰場交戰雙方越來越多的運用頻譜干擾等電子對抗形式，加上我方不同裝備集群之間形成的電磁信號重疊干擾，這又構成了武器裝備系統外部復雜電磁環境。在這種條件下，武器裝備抗電磁干擾、防電磁打擊能力對戰爭勝負的影響愈加顯著。因此，裝備通用質量特性中的電磁兼容性特別是系統級電磁兼容性設計，需要引起足夠高的重視。

二、現狀

根據GJB 72A《電磁干擾與電磁兼容術語》，電磁兼容性是指設備、分系統、系統在共同的電磁環境中能一起執行各自功能的共存狀態。包括以下兩個方面：

a)設備、分系統、系統在預定的電磁環境中運行時，可按規定的安全裕度實現設計的工作性能、且不因電磁干擾而受損或產生不可接受的降級；

b)設備、分系統、系統在預定的電磁環境中正常地工作且不會給環境（或其他設備）帶來不可接受的電磁干擾。

根據這兩方面的要求，結合系統裝備的預期使用環境和須滿足的電磁兼容具體指標，綜合權衡電磁兼容性和裝備功能性能設計，同時考慮研制周期和經費需求，確定系統總體設計的電磁兼容性控制等級和控制方案，同時對組成系統的分系統和單體提出電磁兼容指標要求。電磁兼容性的具體項目和測試要求，設備和分系統、系統型號裝備分別是依據GJB 151A《軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求》和GJB 152A《軍用設備和分系統電磁發射和敏感度測量》、GJB 1389A《系統電磁兼容性要求》進行選取和剪裁。

在武器裝備研制的工程實踐中，經常遇到已通過電磁兼容試驗驗證的設備和分系統，組成系統后，卻出現了電磁不兼容的現象，此種情況下設備和分系統的研制往往已進入定型階段。最后不得不更改設備和分系統設計甚至系統總體框架設計來解決系統電磁兼容性問題，造成型號系統整體進度的拖延；或者采取臨時整改措施，勉強通過系統電磁兼容試驗，帶著電磁兼容隱患定型。

三、問題的根源

1.論證考慮不夠全面

需求、必要性、可行性、技術方案和關鍵技術攻關是論證工作的核心要素，圍繞以上要素，最終確定裝備型號立項任務和研制總要求。對于系統級型號裝備，由于其結構組成相對復雜，進行立項論證時若只側重于滿足系統功能性能指標，忽略了系統電磁兼容管理的要求，則從裝備研制的源頭上就留下了隱患。

例如，某型號導彈在進行電磁兼容性試驗時，導彈系統供電開機，尚未施加干擾信號的情況下，發現導引頭靈敏度降低。經分析發現，導彈系統有兩個主要干擾源：遙測發射機和GPS發射。試驗結果表明，單獨打開某個發射機都不會影響導引頭，只有兩個發射機都打開時，產生了干擾信號，導引頭靈敏度才會降低。進一步分析發現，此干擾信號是遙測發射機基頻和GPS發射機基頻產生的差頻信號，兩發射的基波頻率通過導引頭的寬帶接收天線，進入前端混頻器，形成了組合波道干擾，根本原因是在進行裝備論證時，沒有仔細考慮技術方案中不同發射機的頻譜分配問題。

頻譜分配實際上是電磁兼容管理中的頻域管理，另外還有時域管理、空域管理、功率管理等等，它們都屬于系統電磁兼容特性的頂層規劃內容，需要在裝備論證階段仔細考慮并明確下來。

2.工程設計不夠完善

這個問題的原因是多方面的，既有宏觀設計思路不夠科學的原因，也有微觀技術手段不夠完善的原因，還有總系統設計和分系統及單體設計橫向溝通協調不夠、接口設計不匹配等原因。

早期裝備系統型號信息化程度較低，過去所能預見的內外電磁環境相對簡單，采取的是“先分系統設計、再系統集成、最后測試時出現問題再整改”，稱為“問題解決法”，目前很多裝備型號研制時仍在沿用這種方法。這種設計思路對分系統之間電磁兼容特性的關聯性考慮較少，各個分系統研制單位基本獨立評審、獨立設計，到了正樣機甚至定型階段才進行系統聯調，后期系統級電磁兼容試驗往往暴露較多問題，最后只能“頭疼醫頭，腳疼醫腳”式整改。當然，這和武器裝備發展狀況的歷史背景緊密相關，以前的裝備系統構成相對簡單、電磁環境相對單一，系統測試出現問題時整改也較為容易，但在武器裝備信息化程度日益提高的今天，這種設計思路顯然存在缺陷，不能從根本上解決問題。

在技術手段上，目前的研制單位大多是靠工程慣例和設計經驗進行電磁兼容設計，如帶通濾波、抑制干擾、防耦合措施、結構布局等等，這都是必需的，但還不夠完善，特別是大型裝備系統，總師單位需要綜合運用仿真、預測、評估等技術手段，在保證系統和分系統間設計協調性和接口匹配性的基礎上，能對系統電磁兼容特性進行半定量甚至定量分析和預估，彌補工程慣例和設計經驗的不足，不斷調整和優化設計，盡早發現和糾正電磁兼容設計缺陷。

3.試驗考核不夠充分

試驗考核不僅是對工程設計的檢驗與驗證，而且通過試驗中充分暴露問題，同時也反過來指導工程設計的優化和改進。美軍非常重視試驗考核和試驗機構建設，試驗機構不僅承擔試驗任務，同時也參與武器系統電磁兼容性論證、分析、評估工作，指導工業部門電磁兼容設計。而我軍試驗考核只起到“考試”作用，并且往往考核不充分、“考試成績”可信度不高，主要是由于試驗大綱不規范、試驗過程打折扣、試驗基礎建設匱乏等所致。

由于GJB 1389A未規定具體的系統電磁兼容試驗方法，實際情況下的測試項目如何進行剪裁也未有標準或法規進行約束，導致試驗大綱可操作性差、可彈性處理的尺度過大；試驗過程中由于時間進度和專業特點等原因，試驗機構對裝備的性能指標、原理構造、功能參數等理解不充分，加上試驗條件有限，導致系統裝備在試驗時，經常沒有完全處于正常工作時的技術狀態，同時試驗過程中發生的故障現象往往是由研制方自行判定，注入干擾試驗中故障現象等級只有研制方和使用方清楚，導致試驗結論過于“遷就”；我國試驗室基礎建設還很匱乏，武器系統級的電磁脈沖EMP、300KV靜電放電ESD、雷電LIGHTNING等試驗項目由于測試設備受國外禁運的限制、測試方法和限值標準還沒有解密等原因尚不能進行，綜合試驗場的建設方面處于空白，與歐美相比差距非常大，像美國海空戰中心E3研究機構、英國MIRA試驗中心那樣的綜合試驗場還沒有。

四、對策和建議

1.做好頂層規劃

樹立全武器系統的概念。這包括兩方面：由各個單體、分系統構成的單一型號武器系統和實戰時復雜電磁環境效應E3條件下海、陸、空、天各種武器裝備構成的系統。在這一全武器系統概念下，將電磁兼容設計上升到武器裝備系統戰略規劃的高度，在裝備立項綜合論證時，全面周密的考慮系統電磁兼容環境特性，做好頻域管理、時域管理、空域管理、功率管理等工作準備，建立電磁兼容工作和其他設計工作間的協同機制。

建立從上而下的思路。前文所述的“問題解決法”基本上是一種“從下而上”的設計思路。“從上而下”的思路要求在研制初期，就要充分考慮組成系統的各分系統信息化設備的數量、功能、設計性能、設備預布局、天線布局等特性，通過評估全系統的電磁兼容性，根據評估結果，對各分系統或單體性能指標進行量化分解和分配，然后對分系統指標分配后的系統重新進行電磁兼容評估，根據評估結果進行指標的再次調整和優化，直至全系統電磁兼容性能最優。這樣就能在系統定型前充分暴露可能出現的電磁兼容問題，并最大程度的將其解決在系統預設計階段。

2.完善相關標準

電磁兼容標準是開展裝備研制工作的重要依據，是實現裝備電磁兼容性的基礎。為了解決電磁干擾問題，美軍在上世紀四十年代，就頒布了一系列電磁兼容標準，包括：JAN-I-225，MIL-STD-461/462系列，MIL-STD-6051D和MIL-B-5087B等，系統級電磁兼容標準經歷了MIL-STD-1385《預防電磁輻射對軍用系統危害的一般要求》和MILSTD-1818，現在發展到MIL-STD-464A《系統電磁環境效應要求》，同時，美軍在控制電磁環境效應和裝備采辦過程中有相應的指令指示和管理指南，如MIL-HDBK-237系列。

我國軍用電磁兼容標準化工作是在參照美軍標的基礎上建立的，但目前要滿足實際工作需要還有較大差距。如GJB 1389A明確了系統級電磁兼容的要求，但還沒有系統進行驗證的方法標準；國務院中央軍委軍工產品定型委員會辦公室2014年發布了《武器裝備電磁環境適應性技術指南》僅僅給出了雷達、電臺、導引頭三種武器裝備系統的試驗方法、很不全面；電磁兼容管理標準GJB/Z 17-91《軍用裝備電磁兼容性管理指南》實施已有20多年，是參照美軍標 MIL-HDBK-237B制定的，而美軍標已于2005年頒布了D版，要求更為具體；等等。需要完善修訂現有標準，建立制定新標準，去指導和規范系統電磁兼容性設計和試驗考核工作。

3.發展仿真與評估技術

正如可靠性設計工作一樣，電磁兼容性設計工作若能在方案階段進行有效的仿真預測與評估，在產品預設計時就能通過模擬計算去發現和暴露問題，進而及時的整改和調整設計方案，則能大大的提高研制效率、節約研制經費、加快研制進度。以美國為代表的西方國家在電磁兼容仿真與評估方面始終處于國際領先水平，1971年美國麥道公司為美國空軍研制了世界上第一款電磁兼容分析預測軟件IEMCAP,能夠對飛機、航天器、導彈、地面系統等復雜系統內和系統間的電磁兼容進行分析評估，意大利國防部下屬IDS公司開發的Ship EDF軟件，可進行艦船系統級電磁兼容預測，除此之外，還有SEMCAP、ISCAP、CDSAM、ECAC和SIGNCAP等。由此可看出國外對于電磁兼容的仿真和評估技術比較成熟，系統級電磁兼容預測和分析技術已經達到實用階段。

而我國的電磁兼容仿真評估技術，特別是系統級電磁兼容的仿真評估還很不成熟，科研院所、高等院校等對其研究較多，但大多是基礎性的研究，離實用階段還相差很遠。因此，我們這方面還需要較大的投入和深入研究，需要組織專業人員隊伍，運用現代電磁學理論、數值計算方法、計算機圖形學等先進技術和理論方法，在廣泛集成和二次開發可以購買到的國外現有軟件的基礎上，研究系統電磁兼容特性參量數值分析技術，研究典型武器裝備電磁兼容性通用數學或數值模擬及模型預處理和驗證技術，為電磁兼容設計工作提供重要手段和技術支撐。

4.建立動態數據庫

電磁兼容性設計與管理工作實際上貫穿了武器裝備立項論證、方案設計、工程研制、設計定型、生產驗收到使用維護的全壽命周期各個階段，因此，結合武器裝備全系統全壽命周期管理的要求，可以建立武器裝備電磁兼容特性動態數據庫。

此數據庫由軍方裝備機關主導建設，軍方國防信息管理部門、論證單位、研制單位、試驗單位、生產單位、軍事代表機構、使用部隊作為數據信息收集來源方，同時也是數據庫使用方。數據庫可按照武器裝備系統類型劃分，涵蓋從立項論證到使用維護各個階段有關電磁兼容設計、仿真、測試、試驗的過程數據，同時記錄研制、生產和使用時發生的電磁兼容質量問題數據和相應的處理整改方法及具體措施；對型號裝備系統和演習作戰時武器系統集群所處的電磁環境特性數據進行記錄追溯，同時錄入世界范圍內已經發生的信息化戰爭電磁環境信息。最終此數據庫將為裝備電磁兼容性管理改進和同類裝備的電磁兼容設計工作提供數據支持。

5.設立區域試驗中心

分系統和單體級電磁兼容試驗對于地面裝備常用的共有18項，系統級電磁兼容試驗有13項要求。這些項目的試驗需要專業的測試設備和相應有資質認證的試驗場地。不同于普通的高低溫及振動沖擊環境試驗，購買電磁兼容測試設備和建設標準試驗場地需要較大的投入，國內僅有的幾個有資質的實驗室常年任務飽滿，試驗費用也較高。在研制階段由于費用或者實驗室試驗計劃時間安排問題，往往只進行最后的定型試驗，而批產階段基本不進行，這助長了承制單位研制階段“闖關”思想和批產階段馬虎對待的僥幸思想。

為解決此問題，對于環境試驗硬件基礎條件較好的承制單位，可由軍方主導，通過投入專項經費、技改資金等，幫助其建立電磁兼容專業實驗室，成為區域性檢驗試驗中心。通過政策引導、費用補貼等措施調動區域內承制單位的積極性，在裝備研制階段進行多次試驗考核充分暴露問題，在批產階段也定期進行試驗驗證；同時，該試驗中心的設立也便于對區域內武器裝備的電磁兼容質量狀況進行統一匯總和分析評估。

五、結束語

電磁兼容性是武器裝備重要的質量特性，系統級電磁兼容則是在全武器系統、實戰復雜電磁環境效應下武器裝備須達到的質量要求。裝備固有質量特性在研制階段形成，在使用階段體現。因此，需要格外重視研制階段的設計工作。

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作者簡介：（楊建強、劉燦，中國人民解放軍駐三三〇三廠軍代室；陳志建，武漢軍代局光電處）