■ 楊建強(qiáng) 陳志建 劉 燦

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淺談系統(tǒng)級電磁兼容設(shè)計(jì)存在的問題和對策

■ 楊建強(qiáng) 陳志建 劉 燦

裝備通用質(zhì)量特性中的電磁兼容性特別是系統(tǒng)級電磁兼容性設(shè)計(jì)，需要引起足夠高的重視。筆者從質(zhì)量監(jiān)督者的視角嘗試對目前系統(tǒng)級電磁兼容設(shè)計(jì)工作中存在的問題進(jìn)行探討，提出了相應(yīng)的對策和建議。

一、引言

隨著我軍武器裝備信息化建設(shè)的日新月異，系統(tǒng)型號裝備如飛機(jī)、艦船、通信車等配備了越來越多的電子設(shè)備，它們工作時在時域、頻域、能域和空域上形成了樣式復(fù)雜、動態(tài)隨機(jī)的多種電磁信號，構(gòu)成了武器裝備系統(tǒng)內(nèi)部復(fù)雜電磁環(huán)境。而現(xiàn)代戰(zhàn)場交戰(zhàn)雙方越來越多的運(yùn)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(gòu)成了武器裝備系統(tǒng)外部復(fù)雜電磁環(huán)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(zhàn)爭勝負(fù)的影響愈加顯著。因此，裝備通用質(zhì)量特性中的電磁兼容性特別是系統(tǒng)級電磁兼容性設(shè)計(jì)，需要引起足夠高的重視。

二、現(xiàn)狀

根據(jù)GJB 72A《電磁干擾與電磁兼容術(shù)語》，電磁兼容性是指設(shè)備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)在共同的電磁環(huán)境中能一起執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)。包括以下兩個方面：

a)設(shè)備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)在預(yù)定的電磁環(huán)境中運(yùn)行時，可按規(guī)定的安全裕度實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的工作性能、且不因電磁干擾而受損或產(chǎn)生不可接受的降級；

b)設(shè)備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)在預(yù)定的電磁環(huán)境中正常地工作且不會給環(huán)境（或其他設(shè)備）帶來不可接受的電磁干擾。

根據(jù)這兩方面的要求，結(jié)合系統(tǒng)裝備的預(yù)期使用環(huán)境和須滿足的電磁兼容具體指標(biāo)，綜合權(quán)衡電磁兼容性和裝備功能性能設(shè)計(jì)，同時考慮研制周期和經(jīng)費(fèi)需求，確定系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的電磁兼容性控制等級和控制方案，同時對組成系統(tǒng)的分系統(tǒng)和單體提出電磁兼容指標(biāo)要求。電磁兼容性的具體項(xiàng)目和測試要求，設(shè)備和分系統(tǒng)、系統(tǒng)型號裝備分別是依據(jù)GJB 151A《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求》和GJB 152A《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度測量》、GJB 1389A《系統(tǒng)電磁兼容性要求》進(jìn)行選取和剪裁。

在武器裝備研制的工程實(shí)踐中，經(jīng)常遇到已通過電磁兼容試驗(yàn)驗(yàn)證的設(shè)備和分系統(tǒng)，組成系統(tǒng)后，卻出現(xiàn)了電磁不兼容的現(xiàn)象，此種情況下設(shè)備和分系統(tǒng)的研制往往已進(jìn)入定型階段。最后不得不更改設(shè)備和分系統(tǒng)設(shè)計(jì)甚至系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)來解決系統(tǒng)電磁兼容性問題，造成型號系統(tǒng)整體進(jìn)度的拖延；或者采取臨時整改措施，勉強(qiáng)通過系統(tǒng)電磁兼容試驗(yàn)，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(shù)方案和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)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(xiàng)任務(wù)和研制總要求。對于系統(tǒng)級型號裝備，由于其結(jié)構(gòu)組成相對復(fù)雜，進(jìn)行立項(xiàng)論證時若只側(cè)重于滿足系統(tǒng)功能性能指標(biāo)，忽略了系統(tǒng)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(dǎo)彈在進(jìn)行電磁兼容性試驗(yàn)時，導(dǎo)彈系統(tǒng)供電開機(jī)，尚未施加干擾信號的情況下，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)引頭靈敏度降低。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)彈系統(tǒng)有兩個主要干擾源：遙測發(fā)射機(jī)和GPS發(fā)射。試驗(yàn)結(jié)果表明，單獨(dú)打開某個發(fā)射機(jī)都不會影響導(dǎo)引頭，只有兩個發(fā)射機(jī)都打開時，產(chǎn)生了干擾信號，導(dǎo)引頭靈敏度才會降低。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，此干擾信號是遙測發(fā)射機(jī)基頻和GPS發(fā)射機(jī)基頻產(chǎn)生的差頻信號，兩發(fā)射的基波頻率通過導(dǎo)引頭的寬帶接收天線，進(jìn)入前端混頻器，形成了組合波道干擾，根本原因是在進(jìn)行裝備論證時，沒有仔細(xì)考慮技術(shù)方案中不同發(fā)射機(jī)的頻譜分配問題。

頻譜分配實(shí)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(tǒng)電磁兼容特性的頂層規(guī)劃內(nèi)容，需要在裝備論證階段仔細(xì)考慮并明確下來。

2.工程設(shè)計(jì)不夠完善

這個問題的原因是多方面的，既有宏觀設(shè)計(jì)思路不夠科學(xué)的原因，也有微觀技術(shù)手段不夠完善的原因，還有總系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分系統(tǒng)及單體設(shè)計(jì)橫向溝通協(xié)調(diào)不夠、接口設(shè)計(jì)不匹配等原因。

早期裝備系統(tǒng)型號信息化程度較低，過去所能預(yù)見的內(nèi)外電磁環(huán)境相對簡單，采取的是“先分系統(tǒng)設(shè)計(jì)、再系統(tǒng)集成、最后測試時出現(xiàn)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(shè)計(jì)思路對分系統(tǒng)之間電磁兼容特性的關(guān)聯(lián)性考慮較少，各個分系統(tǒng)研制單位基本獨(dú)立評審、獨(dú)立設(shè)計(jì)，到了正樣機(jī)甚至定型階段才進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，后期系統(tǒng)級電磁兼容試驗(yàn)往往暴露較多問題，最后只能“頭疼醫(yī)頭，腳疼醫(yī)腳”式整改。當(dāng)然，這和武器裝備發(fā)展?fàn)顩r的歷史背景緊密相關(guān)，以前的裝備系統(tǒng)構(gòu)成相對簡單、電磁環(huán)境相對單一，系統(tǒng)測試出現(xiàn)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(shè)計(jì)思路顯然存在缺陷，不能從根本上解決問題。

在技術(shù)手段上，目前的研制單位大多是靠工程慣例和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)，如帶通濾波、抑制干擾、防耦合措施、結(jié)構(gòu)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(tǒng)，總師單位需要綜合運(yùn)用仿真、預(yù)測、評估等技術(shù)手段，在保證系統(tǒng)和分系統(tǒng)間設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)性和接口匹配性的基礎(chǔ)上，能對系統(tǒng)電磁兼容特性進(jìn)行半定量甚至定量分析和預(yù)估，彌補(bǔ)工程慣例和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的不足，不斷調(diào)整和優(yōu)化設(shè)計(jì)，盡早發(fā)現(xiàn)和糾正電磁兼容設(shè)計(jì)缺陷。

3.試驗(yàn)考核不夠充分

試驗(yàn)考核不僅是對工程設(shè)計(jì)的檢驗(yàn)與驗(yàn)證，而且通過試驗(yàn)中充分暴露問題，同時也反過來指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)的優(yōu)化和改進(jìn)。美軍非常重視試驗(yàn)考核和試驗(yàn)機(jī)構(gòu)建設(shè)，試驗(yàn)機(jī)構(gòu)不僅承擔(dān)試驗(yàn)任務(wù)，同時也參與武器系統(tǒng)電磁兼容性論證、分析、評估工作，指導(dǎo)工業(yè)部門電磁兼容設(shè)計(jì)。而我軍試驗(yàn)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(yàn)大綱不規(guī)范、試驗(yàn)過程打折扣、試驗(yàn)基礎(chǔ)建設(shè)匱乏等所致。

由于GJB 1389A未規(guī)定具體的系統(tǒng)電磁兼容試驗(yàn)方法，實(shí)際情況下的測試項(xiàng)目如何進(jìn)行剪裁也未有標(biāo)準(zhǔn)或法規(guī)進(jìn)行約束，導(dǎo)致試驗(yàn)大綱可操作性差、可彈性處理的尺度過大；試驗(yàn)過程中由于時間進(jìn)度和專業(yè)特點(diǎn)等原因，試驗(yàn)機(jī)構(gòu)對裝備的性能指標(biāo)、原理構(gòu)造、功能參數(shù)等理解不充分，加上試驗(yàn)條件有限，導(dǎo)致系統(tǒng)裝備在試驗(yàn)時，經(jīng)常沒有完全處于正常工作時的技術(shù)狀態(tài)，同時試驗(yàn)過程中發(fā)生的故障現(xiàn)象往往是由研制方自行判定，注入干擾試驗(yàn)中故障現(xiàn)象等級只有研制方和使用方清楚，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)論過于“遷就”；我國試驗(yàn)室基礎(chǔ)建設(shè)還很匱乏，武器系統(tǒng)級的電磁脈沖EMP、300KV靜電放電ESD、雷電LIGHTNING等試驗(yàn)項(xiàng)目由于測試設(shè)備受國外禁運(yùn)的限制、測試方法和限值標(biāo)準(zhǔn)還沒有解密等原因尚不能進(jìn)行，綜合試驗(yàn)場的建設(shè)方面處于空白，與歐美相比差距非常大，像美國海空戰(zhàn)中心E3研究機(jī)構(gòu)、英國MIRA試驗(yàn)中心那樣的綜合試驗(yàn)場還沒有。

四、對策和建議

1.做好頂層規(guī)劃

樹立全武器系統(tǒng)的概念。這包括兩方面：由各個單體、分系統(tǒng)構(gòu)成的單一型號武器系統(tǒng)和實(shí)戰(zhàn)時復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)E3條件下海、陸、空、天各種武器裝備構(gòu)成的系統(tǒng)。在這一全武器系統(tǒng)概念下，將電磁兼容設(shè)計(jì)上升到武器裝備系統(tǒng)戰(zhàn)略規(guī)劃的高度，在裝備立項(xiàng)綜合論證時，全面周密的考慮系統(tǒng)電磁兼容環(huán)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(zhǔn)備，建立電磁兼容工作和其他設(shè)計(jì)工作間的協(xié)同機(jī)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(shè)計(jì)思路?！皬纳隙隆钡乃悸芬笤谘兄瞥跗?，就要充分考慮組成系統(tǒng)的各分系統(tǒng)信息化設(shè)備的數(shù)量、功能、設(shè)計(jì)性能、設(shè)備預(yù)布局、天線布局等特性，通過評估全系統(tǒng)的電磁兼容性，根據(jù)評估結(jié)果，對各分系統(tǒng)或單體性能指標(biāo)進(jìn)行量化分解和分配，然后對分系統(tǒng)指標(biāo)分配后的系統(tǒng)重新進(jìn)行電磁兼容評估，根據(jù)評估結(jié)果進(jìn)行指標(biāo)的再次調(diào)整和優(yōu)化，直至全系統(tǒng)電磁兼容性能最優(yōu)。這樣就能在系統(tǒng)定型前充分暴露可能出現(xiàn)的電磁兼容問題，并最大程度的將其解決在系統(tǒng)預(yù)設(shè)計(jì)階段。

2.完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)是開展裝備研制工作的重要依據(jù)，是實(shí)現(xiàn)裝備電磁兼容性的基礎(chǔ)。為了解決電磁干擾問題，美軍在上世紀(jì)四十年代，就頒布了一系列電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，包括：JAN-I-225，MIL-STD-461/462系列，MIL-STD-6051D和MIL-B-5087B等，系統(tǒng)級電磁兼容標(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MILSTD-1818，現(xiàn)在發(fā)展到MIL-STD-464A《系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)要求》，同時，美軍在控制電磁環(huán)境效應(yīng)和裝備采辦過程中有相應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)化工作是在參照美軍標(biāo)的基礎(chǔ)上建立的，但目前要滿足實(shí)際工作需要還有較大差距。如GJB 1389A明確了系統(tǒng)級電磁兼容的要求，但還沒有系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證的方法標(biāo)準(zhǔn)；國務(wù)院中央軍委軍工產(chǎn)品定型委員會辦公室2014年發(fā)布了《武器裝備電磁環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)指南》僅僅給出了雷達(dá)、電臺、導(dǎo)引頭三種武器裝備系統(tǒng)的試驗(yàn)方法、很不全面；電磁兼容管理標(biāo)準(zhǔn)GJB/Z 17-91《軍用裝備電磁兼容性管理指南》實(shí)施已有20多年，是參照美軍標(biāo) MIL-HDBK-237B制定的，而美軍標(biāo)已于2005年頒布了D版，要求更為具體；等等。需要完善修訂現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，建立制定新標(biāo)準(zhǔn)，去指導(dǎo)和規(guī)范系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計(jì)和試驗(yàn)考核工作。

3.發(fā)展仿真與評估技術(shù)

正如可靠性設(shè)計(jì)工作一樣，電磁兼容性設(shè)計(jì)工作若能在方案階段進(jìn)行有效的仿真預(yù)測與評估，在產(chǎn)品預(yù)設(shè)計(jì)時就能通過模擬計(jì)算去發(fā)現(xiàn)和暴露問題，進(jìn)而及時的整改和調(diào)整設(shè)計(jì)方案，則能大大的提高研制效率、節(jié)約研制經(jīng)費(fèi)、加快研制進(jìn)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(lǐng)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(yù)測軟件IEMCAP,能夠?qū)︼w機(jī)、航天器、導(dǎo)彈、地面系統(tǒng)等復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)和系統(tǒng)間的電磁兼容進(jìn)行分析評估，意大利國防部下屬IDS公司開發(fā)的Ship EDF軟件，可進(jìn)行艦船系統(tǒng)級電磁兼容預(yù)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(shù)比較成熟，系統(tǒng)級電磁兼容預(yù)測和分析技術(shù)已經(jīng)達(dá)到實(shí)用階段。

而我國的電磁兼容仿真評估技術(shù)，特別是系統(tǒng)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(chǔ)性的研究，離實(shí)用階段還相差很遠(yuǎn)。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(yè)人員隊(duì)伍，運(yùn)用現(xiàn)代電磁學(xué)理論、數(shù)值計(jì)算方法、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等先進(jìn)技術(shù)和理論方法，在廣泛集成和二次開發(fā)可以購買到的國外現(xiàn)有軟件的基礎(chǔ)上，研究系統(tǒng)電磁兼容特性參量數(shù)值分析技術(shù)，研究典型武器裝備電磁兼容性通用數(shù)學(xué)或數(shù)值模擬及模型預(yù)處理和驗(yàn)證技術(shù)，為電磁兼容設(shè)計(jì)工作提供重要手段和技術(shù)支撐。

4.建立動態(tài)數(shù)據(jù)庫

電磁兼容性設(shè)計(jì)與管理工作實(shí)際上貫穿了武器裝備立項(xiàng)論證、方案設(shè)計(jì)、工程研制、設(shè)計(jì)定型、生產(chǎn)驗(yàn)收到使用維護(hù)的全壽命周期各個階段，因此，結(jié)合武器裝備全系統(tǒng)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(tài)數(shù)據(jù)庫。

此數(shù)據(jù)庫由軍方裝備機(jī)關(guān)主導(dǎo)建設(shè)，軍方國防信息管理部門、論證單位、研制單位、試驗(yàn)單位、生產(chǎn)單位、軍事代表機(jī)構(gòu)、使用部隊(duì)作為數(shù)據(jù)信息收集來源方，同時也是數(shù)據(jù)庫使用方。數(shù)據(jù)庫可按照武器裝備系統(tǒng)類型劃分，涵蓋從立項(xiàng)論證到使用維護(hù)各個階段有關(guān)電磁兼容設(shè)計(jì)、仿真、測試、試驗(yàn)的過程數(shù)據(jù)，同時記錄研制、生產(chǎn)和使用時發(fā)生的電磁兼容質(zhì)量問題數(shù)據(jù)和相應(yīng)的處理整改方法及具體措施；對型號裝備系統(tǒng)和演習(xí)作戰(zhàn)時武器系統(tǒng)集群所處的電磁環(huán)境特性數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄追溯，同時錄入世界范圍內(nèi)已經(jīng)發(fā)生的信息化戰(zhàn)爭電磁環(huán)境信息。最終此數(shù)據(jù)庫將為裝備電磁兼容性管理改進(jìn)和同類裝備的電磁兼容設(shè)計(jì)工作提供數(shù)據(jù)支持。

5.設(shè)立區(qū)域試驗(yàn)中心

分系統(tǒng)和單體級電磁兼容試驗(yàn)對于地面裝備常用的共有18項(xiàng)，系統(tǒng)級電磁兼容試驗(yàn)有13項(xiàng)要求。這些項(xiàng)目的試驗(yàn)需要專業(yè)的測試設(shè)備和相應(yīng)有資質(zhì)認(rèn)證的試驗(yàn)場地。不同于普通的高低溫及振動沖擊環(huán)境試驗(yàn)，購買電磁兼容測試設(shè)備和建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)場地需要較大的投入，國內(nèi)僅有的幾個有資質(zhì)的實(shí)驗(yàn)室常年任務(wù)飽滿，試驗(yàn)費(fèi)用也較高。在研制階段由于費(fèi)用或者實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)計(jì)劃時間安排問題，往往只進(jìn)行最后的定型試驗(yàn)，而批產(chǎn)階段基本不進(jìn)行，這助長了承制單位研制階段“闖關(guān)”思想和批產(chǎn)階段馬虎對待的僥幸思想。

為解決此問題，對于環(huán)境試驗(yàn)硬件基礎(chǔ)條件較好的承制單位，可由軍方主導(dǎo)，通過投入專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)、技改資金等，幫助其建立電磁兼容專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，成為區(qū)域性檢驗(yàn)試驗(yàn)中心。通過政策引導(dǎo)、費(fèi)用補(bǔ)貼等措施調(diào)動區(qū)域內(nèi)承制單位的積極性，在裝備研制階段進(jìn)行多次試驗(yàn)考核充分暴露問題，在批產(chǎn)階段也定期進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證；同時，該試驗(yàn)中心的設(shè)立也便于對區(qū)域內(nèi)武器裝備的電磁兼容質(zhì)量狀況進(jìn)行統(tǒng)一匯總和分析評估。

五、結(jié)束語

電磁兼容性是武器裝備重要的質(zhì)量特性，系統(tǒng)級電磁兼容則是在全武器系統(tǒng)、實(shí)戰(zhàn)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)下武器裝備須達(dá)到的質(zhì)量要求。裝備固有質(zhì)量特性在研制階段形成，在使用階段體現(xiàn)。因此，需要格外重視研制階段的設(shè)計(jì)工作。

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作者簡介：（楊建強(qiáng)、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）