運(yùn)載火箭電磁環(huán)境測(cè)量方法研究

李云

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運(yùn)載火箭電磁環(huán)境測(cè)量方法研究

李云

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076）

目的 研究運(yùn)載火箭所面臨電磁環(huán)境的特點(diǎn)，提出外部電磁環(huán)境和內(nèi)部電磁環(huán)境的測(cè)量方法。方法 針對(duì)運(yùn)載火箭面臨的外部電磁環(huán)境，研究對(duì)未知電磁環(huán)境的測(cè)量方法和測(cè)量數(shù)據(jù)的評(píng)估方法。針對(duì)內(nèi)部的電磁環(huán)境，研究小型測(cè)量天線和測(cè)量時(shí)天線的修正系數(shù)。結(jié)果 通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了對(duì)未知電磁環(huán)境測(cè)量方法的可行性，驗(yàn)證了使用小型化天線開(kāi)展內(nèi)部電磁環(huán)境測(cè)量的可行性。結(jié)論 設(shè)計(jì)的電磁環(huán)境測(cè)量方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)未知環(huán)境的測(cè)量，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)狹小空間電磁環(huán)境的測(cè)量，能為運(yùn)載火箭電磁兼容性設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

運(yùn)載火箭；電磁環(huán)境；電磁兼容性

運(yùn)載火箭構(gòu)成復(fù)雜，主要設(shè)備的構(gòu)成有控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)備，電子設(shè)備品種繁多，工作頻帶寬，放置設(shè)備的儀器艙結(jié)構(gòu)密集，因此火箭內(nèi)部電磁環(huán)境復(fù)雜。為了保證火箭的安全，在火箭發(fā)射前需要開(kāi)展各種測(cè)試，測(cè)試有可能在調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)、匹配試驗(yàn)室、發(fā)射場(chǎng)的技術(shù)工位、發(fā)射場(chǎng)的發(fā)射工位開(kāi)展，所處的外界電磁環(huán)境復(fù)雜。

電磁兼容性是設(shè)計(jì)出來(lái)的。從大的方面說(shuō)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮電磁兼容性，系統(tǒng)所面臨的電磁環(huán)境是系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的因素之一。從小的方面說(shuō)，設(shè)備的設(shè)計(jì)也需要考慮與其他設(shè)備的電磁兼容性，該設(shè)備所面臨的電磁環(huán)境也是設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮的因素之一。

如何進(jìn)行電磁環(huán)境的測(cè)量，了解未知的電磁環(huán)境，文中從外界電磁環(huán)境入手，從外至內(nèi)介紹了運(yùn)載火箭外部未知電磁環(huán)境、火箭內(nèi)部電磁環(huán)境的測(cè)量方法，并通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了方法的可行性。

1 總體技術(shù)思路

運(yùn)載火箭所面臨的電磁環(huán)境測(cè)量方法總體技術(shù)思路如圖1所示，包括測(cè)量需求、方法設(shè)計(jì)、結(jié)果評(píng)估。

測(cè)量需求主要是分析運(yùn)載火箭所處的研制階段，根據(jù)研制階段的不同，確定需要開(kāi)展外部電磁環(huán)境測(cè)量還是內(nèi)部電磁環(huán)境測(cè)量。明確了測(cè)量需求，再根據(jù)需要測(cè)量的電磁環(huán)境設(shè)計(jì)測(cè)量方法。測(cè)試完成后，需要對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，以便有針對(duì)性的給出電磁兼容性設(shè)計(jì)的依據(jù)。

2 外部電磁環(huán)境測(cè)量方法

2.1 測(cè)量需求分析

運(yùn)載火箭在研制階段需要開(kāi)展各種大型電氣系統(tǒng)試驗(yàn)，主要有桌面散裝狀態(tài)試驗(yàn)，一般在匹配試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行；總裝狀態(tài)試驗(yàn)，一般在運(yùn)載火箭總裝廠房進(jìn)行；還有一種是發(fā)射前的試驗(yàn)，一般是在發(fā)射試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行。根據(jù)運(yùn)載火箭的研制情況、產(chǎn)品的成熟情況，這些試驗(yàn)可以全做，也可以不做。

外部電磁環(huán)境，主要是在開(kāi)展上述試驗(yàn)時(shí)，所在試驗(yàn)場(chǎng)地附近產(chǎn)生的電磁環(huán)境。這些電磁環(huán)境可能會(huì)干擾運(yùn)載火箭的工作，影響試驗(yàn)的順利進(jìn)行。如果是發(fā)射場(chǎng)出現(xiàn)影響運(yùn)載火箭工作的電磁環(huán)境，有可能導(dǎo)致發(fā)射的失敗，所以了解外部電磁環(huán)境非常重要，為開(kāi)展電磁環(huán)境控制提供了必要的數(shù)據(jù)支撐。

2.2 測(cè)量方法設(shè)計(jì)

測(cè)量方法是根據(jù)測(cè)量的需求而設(shè)計(jì)的。對(duì)于匹配試驗(yàn)場(chǎng)地、總裝廠房試驗(yàn)場(chǎng)地，這些屬于內(nèi)部的試驗(yàn)場(chǎng)地，一般電磁環(huán)境可控，采用的測(cè)量方法是已知電磁環(huán)境測(cè)量方法，主要是檢查周?chē)沫h(huán)境是否發(fā)生變化。文中主要介紹未知電磁環(huán)境的測(cè)量方法。

1）簡(jiǎn)化未知信號(hào)。作為未知電磁環(huán)境，電磁信號(hào)的大小、方位、信號(hào)類(lèi)型、信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)等都未知，但是可以知道運(yùn)載火箭敏感的頻率段、敏感設(shè)備所處的方向、敏感設(shè)備所在的距地高度等信息。根據(jù)已知信息，首先確定測(cè)量天線的高度、放置的位置，把運(yùn)載火箭關(guān)心的電磁環(huán)境位置點(diǎn)作為一個(gè)需要測(cè)試的點(diǎn)源，圍繞這個(gè)點(diǎn)形成的球狀未知電磁信息（如圖2所示）開(kāi)展電磁環(huán)境測(cè)量。為減小測(cè)量難度，還可以根據(jù)運(yùn)載火箭上天線的方向圖、測(cè)試頻段等信息，進(jìn)一步簡(jiǎn)化成面信息（如圖3所示）開(kāi)展測(cè)量。

2）確定測(cè)量設(shè)備。首先根據(jù)所關(guān)心的頻段確定天線的種類(lèi)、再根據(jù)時(shí)間進(jìn)度確定天線的數(shù)量，按照主要測(cè)量面信息的思路配置可以調(diào)整方向的天線架，按照長(zhǎng)時(shí)間不間斷測(cè)量的方案配置頻譜測(cè)量設(shè)備如頻譜分析儀或接收機(jī)、存儲(chǔ)裝置、天線控制裝置等組成測(cè)量系統(tǒng)，如圖4所示。

2.3 結(jié)果評(píng)估

1）數(shù)據(jù)采集。測(cè)量電磁環(huán)境主要記錄的數(shù)據(jù)有頻率、天線極化方式、天線方向角、天線系數(shù)、測(cè)量設(shè)備記錄的頻譜信息、所用電纜的損耗、使用的衰減器或低噪聲放大器系數(shù)、電磁信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)等。

2）測(cè)量結(jié)果計(jì)算。對(duì)于運(yùn)載火箭敏感設(shè)備所處位置的電磁信號(hào)信息，通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)采集到的信息計(jì)算未知的電磁信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)、功率密度。對(duì)于接收設(shè)備處的電磁信號(hào)，計(jì)算接收天線口面的功率電平值。

測(cè)量的未知電磁環(huán)境場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算方法為[1]：

＝+(1)

式中：為場(chǎng)強(qiáng)值，dBμV/m；為頻譜分析儀或接收機(jī)測(cè)量到的電壓值，dBμV；為天線系數(shù)，dB/m。

考慮到測(cè)量時(shí)使用的電纜損耗、衰減器衰減值、低噪聲放大器的放大值，場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算方法為：

＝++w+a－(2)

式中：w為電纜損耗，dB；a為衰減器衰減值，dB；為低噪放大器增益，dB。

測(cè)量的未知電磁環(huán)境功率密度計(jì)算方法為[2]：

＝－90－10lgZ (3)

式中：為功率密度，dBmW/m2；為波阻抗，在遠(yuǎn)場(chǎng)條件下，=377 Ω。

接收天線口面的功率電平計(jì)算方法為：

S＝－a+－(4)

式中：S為接收天線口面功率電平，dBm；為頻譜儀或接收機(jī)測(cè)量到的電平值，dBm；a為接收天線增益，dB；為電纜損耗，dB。

3）結(jié)果評(píng)估。根據(jù)測(cè)量的結(jié)果，首先對(duì)比測(cè)量到的外界電磁信號(hào)頻率與運(yùn)載火箭所使用的頻率是否相同，是否在接收機(jī)帶寬內(nèi)，是否為運(yùn)載火箭有用頻率的諧波。再分析電磁信號(hào)的大小是否能干擾運(yùn)載火箭的信號(hào)傳輸，進(jìn)一步分析運(yùn)載火箭接收天線口面收到的信號(hào)大小是否影響接收機(jī)的正常工作，給出測(cè)量結(jié)果評(píng)估報(bào)告。如果評(píng)估的結(jié)論是會(huì)干擾運(yùn)載火箭的正常工作，需要對(duì)電磁環(huán)境進(jìn)行控制。對(duì)于已經(jīng)成熟的運(yùn)載火箭，控制方法是找到發(fā)射源，控制發(fā)射源的輻射。對(duì)于正在研制的運(yùn)載火箭，測(cè)量的電磁環(huán)境數(shù)據(jù)作為運(yùn)載火箭電磁兼容性設(shè)計(jì)時(shí)的輸入條件，通過(guò)電磁兼容性設(shè)計(jì)方案進(jìn)行抗干擾防護(hù)設(shè)計(jì)。

2.4 應(yīng)用案例

本測(cè)量方法應(yīng)用于某未知相控陣?yán)走_(dá)電磁環(huán)境測(cè)量中。

相控陣?yán)走_(dá)具有天線波束快速掃描、波束形狀靈活變化、信號(hào)功率在空間進(jìn)行合成、易于形成多個(gè)波束等特點(diǎn)。這些工作特性決定了其電磁環(huán)境特性的多變性和不確定性，因此需要采用上述測(cè)量方法來(lái)對(duì)其工作時(shí)所產(chǎn)生的電磁環(huán)境進(jìn)行測(cè)量。

在所要求的測(cè)量位置點(diǎn)附近放置接收天線，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄頻譜分析儀示值，考慮到天線波瓣寬度有限，在水平面360°范圍內(nèi)進(jìn)行多次測(cè)量。捕捉到所觀測(cè)位置有明顯的電磁信號(hào)，確定此信號(hào)方位，得到一個(gè)確定的場(chǎng)強(qiáng)強(qiáng)度，達(dá)到測(cè)量目的。

3 內(nèi)部電磁環(huán)境測(cè)量方法

3.1 測(cè)量需求分析

運(yùn)載火箭系統(tǒng)除避免外界電磁環(huán)境的干擾外，很重要的工作是避免系統(tǒng)內(nèi)部的電磁干擾。系統(tǒng)內(nèi)部的電磁干擾需要各個(gè)組成設(shè)備承擔(dān)相應(yīng)的工作。對(duì)于設(shè)備進(jìn)行電磁兼容性考核的標(biāo)準(zhǔn)是依據(jù)GJB 151A—1997《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求》、GJB 152A—1997《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度測(cè)量》或GJB 151B—2013《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測(cè)量》，而這些標(biāo)準(zhǔn)是個(gè)普適的標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)了這些標(biāo)準(zhǔn)考核的設(shè)備在系統(tǒng)中有時(shí)仍然會(huì)干擾其他設(shè)備或受到其他設(shè)備的干擾。標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此專(zhuān)門(mén)有說(shuō)明，對(duì)于在特定系統(tǒng)或平臺(tái)內(nèi)使用的設(shè)備或分系統(tǒng)，當(dāng)具體電磁環(huán)境和工程分析表明本標(biāo)準(zhǔn)的要求不完全適用時(shí)，可對(duì)本標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行剪裁，加嚴(yán)或放寬要求，以滿足整個(gè)系統(tǒng)的性能，提高效費(fèi)比，降低成本[3]。

運(yùn)載火箭的內(nèi)部電磁環(huán)境主要有控制系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備處的電磁環(huán)境、電類(lèi)設(shè)備如發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的電磁環(huán)境、非電類(lèi)設(shè)備如發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電磁環(huán)境等。

3.2 測(cè)量方法設(shè)計(jì)

測(cè)量方法設(shè)計(jì)前先分析電磁環(huán)境測(cè)量的需求。從以往運(yùn)載火箭發(fā)射的情況分析，非電類(lèi)設(shè)備產(chǎn)生的電磁環(huán)境有可能影響某些傳感器的測(cè)量精度，不會(huì)影響飛行的成敗。電類(lèi)設(shè)備作為單個(gè)設(shè)備考核，可以采用GJB 152A/GJB 151B中的方法。文中主要討論運(yùn)載火箭安裝完成后如何對(duì)火箭內(nèi)部的電磁環(huán)境進(jìn)行測(cè)量。

1）火箭內(nèi)部有足夠的空間放置測(cè)量天線的測(cè)量方法。測(cè)量設(shè)備基本是頻譜分析儀或接收機(jī)，采用的天線和電場(chǎng)探頭一般為標(biāo)準(zhǔn)天線和標(biāo)準(zhǔn)探頭，測(cè)量方法的主要關(guān)鍵點(diǎn)是天線的布置，選擇最能反映關(guān)鍵設(shè)備處電磁環(huán)境的位置。應(yīng)用實(shí)例如圖5所示。

2）火箭某個(gè)關(guān)鍵設(shè)備處不能放置大型天線的測(cè)量方法。火箭某些艙段結(jié)構(gòu)緊湊，不能放置大型電磁兼容性測(cè)量天線；或位置有限，電磁兼容性測(cè)量天線的放入會(huì)引起電磁場(chǎng)的變化，測(cè)量數(shù)據(jù)不能真實(shí)反映測(cè)量位置的電磁環(huán)境。解決的辦法是，首先分析運(yùn)載火箭上狹小位置的最小尺寸，再考慮此處所關(guān)心的電磁環(huán)境頻率范圍，進(jìn)一步分析電磁兼容性常規(guī)測(cè)量方法的適用性，通過(guò)這些分析明確了小型化天線的研制是實(shí)施狹小空間電磁環(huán)境測(cè)量的關(guān)鍵之一，測(cè)量方法圍繞這一關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

根據(jù)運(yùn)載火箭關(guān)心的頻段研制小型天線，天線形式有薄板超寬帶天線、雙“T”型縫隙微帶天線、柔性線纜天線、分離式有源天線等。

薄板超寬帶天線外形尺寸如圖6所示，輻射方向如圖7所示。

雙“T”型縫隙微帶天線外形結(jié)構(gòu)如圖8所示。

柔性線纜天線仿真模型如圖9所示。

分離式有源天線結(jié)構(gòu)外形如圖10所示。

圖8 雙“T”型縫隙微帶天線外形結(jié)構(gòu)

圖9 柔性線纜天線仿真模型

圖10 分離式有源天線結(jié)構(gòu)外形

狹小空間電磁環(huán)境測(cè)量的另一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是小型化天線測(cè)量數(shù)據(jù)的處理。通過(guò)小型化天線的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試、近場(chǎng)測(cè)試、與電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)天線的結(jié)果比對(duì)，給出小型天線的測(cè)量修正系數(shù)。

具體方法為，首先在全波暗室對(duì)上述各類(lèi)小型天線進(jìn)行方向圖測(cè)試、天線系數(shù)測(cè)試，考慮到狹小空間對(duì)天線的影響，測(cè)試時(shí)旋轉(zhuǎn)天線的角度，得到天線口面在不同角度的天線系數(shù)。再分別放置上述各類(lèi)小型天線在狹小空間中，在固定位置施加經(jīng)標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)電場(chǎng)，小型天線在狹小空間中進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)，得到不同角度的接收值。通過(guò)在全波暗室得到的天線系數(shù)與狹小空間得到的測(cè)量值進(jìn)行比對(duì)補(bǔ)償，得到可以最終使用的天線轉(zhuǎn)換系數(shù)。

通過(guò)綜合電場(chǎng)探頭測(cè)量值與小型天線應(yīng)用天線轉(zhuǎn)換系數(shù)轉(zhuǎn)換后得到的電場(chǎng)值比較，可以得出，電場(chǎng)探頭測(cè)量值與天線轉(zhuǎn)換的測(cè)量值總體趨勢(shì)吻合良好，天線轉(zhuǎn)換后的測(cè)量值與電場(chǎng)探頭標(biāo)定值的偏差小于4 dB（測(cè)量結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表1）。初步表明，該測(cè)量方法可在工程上應(yīng)用于狹小空間內(nèi)電場(chǎng)的測(cè)量。

表1 測(cè)量結(jié)果對(duì)比

3.3 應(yīng)用案例

將此方法應(yīng)用于某運(yùn)載火箭儀器艙內(nèi)部電磁環(huán)境的測(cè)量與分析。測(cè)量天線選用薄板超寬帶天線，測(cè)量數(shù)據(jù)如圖11所示。

圖11 小型化天線應(yīng)用測(cè)量數(shù)據(jù)

為進(jìn)一步分析和驗(yàn)證測(cè)量結(jié)果，對(duì)艙內(nèi)電磁環(huán)境進(jìn)行了仿真，從仿真和測(cè)量的比對(duì)情況看，仿真和測(cè)量的偏差在10 dB以內(nèi)。通過(guò)測(cè)量和分析，反映出儀器艙內(nèi)電磁環(huán)境的分布情況、不同工況狀態(tài)下的場(chǎng)強(qiáng)變化，該方法可以達(dá)到測(cè)量目的。

4 結(jié)語(yǔ)

文中介紹的運(yùn)載火箭電磁環(huán)境測(cè)量總體技術(shù)思路，經(jīng)過(guò)多年的應(yīng)用證明是有效的。對(duì)未知環(huán)境的測(cè)量方法經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量驗(yàn)證也是有效的，所提出的測(cè)量結(jié)果評(píng)估方法通過(guò)實(shí)踐也證明可以為運(yùn)載火箭開(kāi)展電磁兼容性工作提供數(shù)據(jù)支撐。運(yùn)載火箭內(nèi)部狹小空間的電磁環(huán)境測(cè)量方法解決了長(zhǎng)期以來(lái)儀器艙內(nèi)電磁環(huán)境未知的難題，達(dá)到了對(duì)狹小空間電磁環(huán)境的掌握從定性到定量的飛躍。

[1] 聞?dòng)臣t. 電磁兼容導(dǎo)論[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2007.

[2] 顧希如. 電磁兼容的原理?規(guī)范和測(cè)試[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 1988.

[3] GJB 151B—2013, 軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測(cè)量[S].

Electromagnetic Environment Measuring Method for Launch Vehicle

LI Yun

(Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing 100076, China)

Objective To research characteristics of the electromagnetic environment of the launch vehicle, put forward a measuring method for external and internal electromagnetic environment. Methods In view of the external electromagnetic environment, the measuring method of unknown electromagnetic environment and evaluation method of measured data for the launch vehicle were researched; in view of the internal electromagnetic environment, the correction factor of the small antenna and the measurement was studied. Results The feasibility of the method was verified by experiment. The feasibility of measuring the internal electromagnetic environmentwith small antenna was also verified. Conclusion The measuring method designed for electromagnetic environment could be used to measure unknown environment and narrow and small space electromagnetic environment. It provides a data basis for electromagnetic compatibility design of launch vehicle..

launch vehicle; electromagnetic environment; electromagnetic compatibility

10.7643/ issn.1672-9242.2017.04.006

TJ711.06

A

1672-9242(2017)04-0026-06

2016-10-28；

2016-11-28

李云（1965—），女，北京人，研究員，主要從事運(yùn)載火箭系統(tǒng)電磁兼容性、雷電防護(hù)、靜電防護(hù)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、分析、評(píng)估等方面的研究。