艦船電磁兼容性指標體系構建研究

張 勇，金祖升，陳 銳，李建軒

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

0 引 言

隨著信息技術和艦船裝備的不斷發展，艦船上裝備了大量信息系統和作戰武器。平臺上發射機發射功率高，電磁功率密度大，接收機靈敏度高，設備工作頻率密集且相互交叉，時域重疊，空間隔離度有限，導致艦船電磁兼容問題十分復雜和突出，其電磁干擾和電磁輻射危害會使艦船不能完成其戰斗使命。美海軍航母Forrestal號由于電磁兼容性問題，曾有過機毀人亡的慘痛教訓。電磁兼容性已成為艦船的一項關鍵性能指標，直接影響其戰斗力的發揮。

電磁兼容性指標是開展艦船裝備電磁兼容性工作的基本依據，通過制定艦船電磁兼容性指標量化電磁兼容性要求，明確艦船電磁兼容性工作任務，將艦船研制和使用電磁兼容性工作指標化，是實現艦船電磁兼容性的基礎，同時對保證艦船電磁兼容性工作順利進行、提高艦船整體兼容性、充分發揮艦船作戰性能具有重要意義。

“指標體系”是指標的集合，是艦船電磁兼容范圍內的指標按其內在聯系形成的科學的有機整體。艦船電磁兼容性指標體系是根據艦船電磁兼容的特點和要求，按性質功能、內在聯系進行分類、分級，構成一個相互制約、相互關聯的科學的有機整體。建立電磁兼容性指標體系，是對艦船電磁兼容工作進行頂層規劃、量化要求，使電磁兼容性工作在指標體系下協調一致，發揮系統效益。

1 國內外指標分析

通過對國外電磁兼容資料分析，美軍在電磁兼容技術和能力方面處于領先地位，在艦船的發展過程中，美軍十分重視發揮電磁兼容性指標的作用，指標在美國艦船采辦過程中是基本依據，具有十分關鍵作用。從20世紀40年代開始美軍陸續頒布了系列標準規范、指令指示等電磁兼容性標準和指標要求。其中美軍《艦船通用規范》中明確規定了天線間電磁干擾、設備電磁發射和敏感度、電磁環境危害等電磁兼容性指標。MIL-STD-464C提出了包括系統內電磁兼容性、外部電磁環境、雷電、電磁脈沖和電磁輻射危害等15類的系統級電磁兼容性要求。MIL-STD-461F提出了設備及分系統電磁干擾和電磁敏感度指標和要求。

通過綜合分析，美軍艦船電磁兼容性指標從要素上講，包括搭接及接地、電磁發射及敏感度、電磁脈沖、外部電磁環境危害等指標；從裝備工程階段講，包括艦船工程論證、建造、驗收和使用的全壽命期。

我軍目前已制定了艦船設備、分系統和總體相關電磁兼容性指標，設備級以GJB151系列標準為主，分系統和系統以GJB1389A標準為主，艦船電磁兼容性指標是結合我國艦船電磁兼容性工作大量的實踐經驗，并借鑒國外特別是美軍艦船相關電磁兼容指標制定的，隨著艦船的不斷發展，這些指標雖然在滿足設備和分系統層面比較成熟，但要滿足系統級以及多平臺使用需求等還需進一步研究發展。

2 指標體系構建方法

艦船電磁兼容性指標體系構建，需結合艦船工程需求和技術發展的實際，如何構建一個結構優化、層次清晰、科學合理的電磁兼容性指標體系是需要解決的難點和關鍵問題。

通過系統分析艦船電磁兼容性需求，從全系統全壽命期通盤考慮體系建設的框架、結構和指標要素問題，艦船電磁兼容性指標體系構建總體方法流程如圖1所示。緊緊圍繞艦船使命任務和使用需求，結合艦船論證、設計、建造和使用等各階段工作要求，自頂向下，分層分類對需求進行分解，將使用需求轉換成電磁兼容基本要素，并進行關聯分析，擬定初步的指標體系內容范圍。開展指標內容和要素量化和深入分析，利用歸納比較、逐層遞進等方法，按照從發射源、耦合途徑到敏感受體形成影響效應的電磁兼容原理出發，提出基本要素對應的電磁兼容性指標。采用基于要素、平臺、壽命期等條件約束的分析方法，確定指標體系的層次結構要素和權重，完成指標體系構建。

圖1 指標體系構建方法總體流程Fig.1 Overall process of Index system construction method

2.1 需求轉化

艦船的使用需求是構建艦船電磁兼容性指標體系的源頭，建立電磁兼容性指標體系的關鍵是將需求即使用要求轉化為電磁兼容量化指標，形成艦船裝備研制的電磁兼容目標。

使用需求向電磁兼容性指標轉化模型由4層遞進結構組成，包括：需求層（X）、功能層（G）、技術層（J）和要素層（Y），如圖2所示。需求層（X）表示艦船的使用需求，如用探測作用距離NX1表示實際探測使用的需要。功能層（G）表示實現艦船使用需求的具體系統配置和功能，如通過加裝大功率發射系統來實現超遠距離探測作用。技術層（J）表示實現所需功能的技術與配置，如通過合成功率及電子掃描發射和接收技術與配置實現系統大功率發射功能。要素層（Y）表示建立指標項的具體內容和要素，如有哪些類型指標要素、多少類型。

圖2 需求轉化模型Fig.2 Demand transformation model

在需求層，根據艦船的使用和任務定義需求層，用參數NXi（i=1，2，…，I），如NX1為作用距離，NX2為頻率可用度等的集合表示，任一個NXi構成需求層（X）上的一個結點，每個層面上的多個結點構成了一個基本域AX。通過涉及要素間的關聯和響應分析，將需求層映射到功能層，即可得到所構建體系為滿足使用需求而應具有的功能，以此可得第2層參量，稱為功能域，它構成參數NGj（j=1，2，…，J）的集合。將功能層映射到技術層，即可得到為實現基本功能而需要的技術性能，以此可得技術性能解，它構成參數NJl（l=1，2，…，L）的集合。各層次的解是層次對層次內各域間的協調和協同結果。

例如：為實現海上遠距離搜索，通常要加大發射機的發射功率，搜索距離由于發射功率的增大而變遠，但同時強輻射會在一定區域內產生高場強，影響電子敏感設備，此時必須做到功能需求和兼容性性能的相互約束和協調。以探測為例，探測能力是重要的使用需求，為了實現在探測距離上的作戰效能，需求層提出探測最大距離需求，功能層采用大功率發射系統大功率發射和作用空域實現，技術層提出電磁發射、電磁接收和電磁安全性等要求，要素層對應要求提出發射、接收、電磁安全性及效應和防護等要素，如圖3所示。

圖3 需求向指標轉化圖Fig.3 Transformation from demand to indicator

2.2 指標要素提取及確立

2.2.1 指標要素提取

艦船使命任務的開展，主要通過探測、對抗、通信和武器等性能的發揮，由使用任務向技術能力要求轉化，再由技術能力向電磁兼容性能指標分層分解，提出電磁兼容性指標要素，如圖4所示。

2.2.2 指標要素類型

根據基于需求的體系要素轉化模型，結合裝備電磁兼容性指標要素和使用，確定裝備電磁兼容性指標涵蓋類型。

1）在艦船有限的平臺空間內綜合集成了大量無線電收發系統，同頻段干擾、強信號互擾等電磁兼容性問題難以避免，導致設備不能同時工作或是設備之間存在著不同程度的電磁干擾，電磁干擾控制是艦船平臺需解決的關鍵問題之一，需對艦船的研制提出電磁干擾控制指標，主要包括：傳導電磁發射、輻射電磁發射、搭接和接地、天線隔離度、相互干擾等。

2）艦船上有大量大功率發射裝置和系統，如雷達、通信發射機等。這些大功率發射系統發射時會產生很高的電磁環境場強，對人員、武器和燃油將造成嚴重的電磁輻射危害隱患。因此在艦船研制中，電磁輻射危害是電磁兼容一個重要指標，主要包括：電磁輻射對人員、電磁輻射對武器彈藥和電磁輻射對燃油等指標要求。

3）艦船面臨的外部電磁環境越來越復雜，不同程度的電磁環境，將導致武器艦船降低效能，甚至喪失戰斗力。此外，除了己方無意電磁環境對艦船系統性能產生一定的影響外，在實際作戰中，系統還會受到敵方武器，如強電磁脈沖武器的打擊，因此應該具有抗強射頻和強電磁脈沖毀傷能力。主要包括電磁脈沖等要求。

4）對于艦船多平臺，界面電磁兼容性接口適配十分重要。要達到艦船總體電磁兼容性，實現電磁兼容性界面接口指標適配十分關鍵，為使平臺間實現電磁兼容，需要界面接口指標來使得二者在界面上要求的協調一致。主要包括界面接口電磁環境、頻譜間隔等。

圖4 電磁兼容性指標要素轉化圖Fig.4 Transformation diagram of EMC index elements

2.3 結構層次分析

2.3.1 建立層次結構

艦船電磁兼容性指標體系中的層次是確定體系縱向排列的等級順序，建立層次結構是找到并確定指標之間的隸屬、控制和支撐的關系。電磁兼容性指標體系中的層次是同一層次元素作為準則對上或對下一層次的元素起支配作用，同時它又受上層次元素的支配。

建立艦船電磁兼容指標體系層次結構時，通過分析，明確艦船電磁兼容性需求及主要的關鍵問題包括：系統內應避免產生電磁干擾，系統間能夠兼容工作；避免對武器等產生電磁輻射危害；能夠適應外部自然和人為的電磁環境，不能降低設備和武器性能；艦機之間能夠適配，兼容工作。分層次地分析影響艦船電磁兼容要求的因素，結合以電磁兼容性要素為基礎，突出艦船電磁兼容性特點的體系建立原則，艦船電磁兼容性指標體系第1層次，以電磁兼容性要素為分類依據，按照下層因素服從上層因素，抓住主要因素的原則下把要素按屬性不同分成若干組，以電磁干擾、電磁輻射危害等電磁兼容要素為主體，兼顧管理和基礎指標，形成第1層次，對艦船電磁兼容性指標提供支撐建立層次結構。

2.3.2 進行判斷，建立并列關系

艦船電磁兼容性指標體系中的并列是指標橫向排列的相互關系，在建立層次結構以后，上下層之間元素的隸屬關系即確定。但是下層各要素對上層的相對重要性不完全相同。通過分析計算、比較判斷，對同一層組成元素對上一層元素重要性給出定量判斷，得到指標元素的權重，通過排列表示出同一層次內指標的存在方式和秩序。通過并列方式，列出各類要素所需指標及某類系統的各類指標，使指標體系滿足各類裝備、各個階段、各項工作、各個方面的要求。

3 指標體系建立

通過對國內外艦船電磁兼容指標和艦船電磁兼容性要求分析，結合艦船電磁兼容工程實踐，運用指標體系構建方法，確定艦船電磁兼容指標要素和體系結構層次，構建了包括設備和分系統電磁兼性、系統電磁兼容性和界面接口電磁兼容性3大類17項的艦船電磁兼容性指標體系，如圖5所示。

4 結 語

電磁兼容性是艦船在復雜電磁環境下是否具有生存力和戰斗力的關鍵性能，為滿足艦船研制和作戰使用的需要，系統地提出為滿足艦船使用的電磁兼容性指標，用電磁兼容性指標來衡量、評估艦船是否滿足電磁兼容性要求。在研究國外艦船電磁兼容性相關指標的基礎上，吸取國內艦船電磁兼容技術研究成果及型號工程研制的經驗，針對我國艦船電磁兼容的特點，提出了艦船電磁兼容性指標體系構建方法，并應用于艦船電磁兼容性指標體系構建，建立了包括設備和分系統電磁兼容性、系統電磁兼容性、界面接口電磁兼容性3大類型的艦船電磁兼容性指標體系，為艦船電磁兼容性控制和作戰性能的發揮提供技術支撐。

圖5 艦船電磁兼容性指標體系Fig.5 The Indexes system of ship electromagnetic compatibility