航天器系统电磁兼容性安全裕度评估方法探讨

2011-12-28吴华兵

河北科技大学学报 2011年2期

关键词：裕度电磁辐射电平

吴华兵

（北京宇航系统工程研究所，北京 100076）

航天器系统电磁兼容性安全裕度评估方法探讨

吴华兵

（北京宇航系统工程研究所，北京 100076）

对系统电磁兼容性安全裕度评估方法进行了探讨，并结合航天器的实际情况，给出了航天器系统的电磁兼容性安全裕度评估方法。

安全裕度；系统级；EMC；航天器

随着现代电子技术在航天器领域的广泛应用，系统的电子设备数量剧增，布局也更加密集，在有限空间内配置了大量的电子／电气设备，系统自身设备间通过各种耦合途径产生电磁干扰，同时，系统还会遭受到外部各种有意、无意电磁环境的干扰。为保证武器在系统内、系统间、系统与平台间、系统与外部环境间相互电磁兼容，我国2005年颁布了GJB 1389A—2005《系统电磁兼容性要求》［1］，提出了14项试验要求，即安全裕度、系统内电磁兼容性、外部射频电磁环境、雷电、电磁脉冲、分系统和设备电磁干扰、静电电荷控制、电磁辐射危害、全寿命期电磁环境效应控制、电搭接、外部接地、防信息泄漏、发射控制、频谱兼容性管理等。这14项要求中，安全裕度是系统电磁兼容性的重要指标之一。

对于航天器而言，其在全寿命周期内所遭遇到的内部及外部电磁环境日益复杂，为提升该系统的可靠性，确保该系统在其全寿命周期内能够正常工作，电磁兼容安全裕度指标及评估方法尤为重要。虽然，GJB 1389A－2005标准明确规定了军用装备系统的电磁兼容性要求，但未给出安全裕度的评估方法，为此，笔者结合航天器实际情况，探讨一种系统级电磁兼容性安全裕度评估方法。

1 系统级电磁兼容性安全裕度要求

电磁兼容性安全裕度是评定一个系统电磁兼容性的重要指标之一，该值反映了系统、分系统电磁兼容性的安全程度，系统关键点的环境电平比设备、分系统敏感度门限所低的程度。安全裕度被定义为设备或分系统的敏感度门限与现场最大干扰值之比，用dB表示为

式中：M为安全裕度，单位为dB；Po为敏感度门限值，单位为dBμV／m，dBμV，d BμA，表示设备正常工作时，所能承受的最大干扰值；P为设备或分系统所受到的最大干扰值，单位为d BμV／m，dBμV，dBμA。

当M＜0时，设备和分系统受到的电磁干扰值大于敏感阈值，则系统与所处的电磁环境不兼容工作，处于受干扰状态；当M＝0时，系统处于临界工作状态；当M＞0时，系统处于兼容工作状态。

GJB 1389A—2005《系统电磁兼容性要求》等效采用了MIL－STD－464A《Electromagnetic Environmental Effects，Requirements for Systems》的武器装备系统电磁兼容安全裕度要求［2］：对于安全性或完成任务有关键影响的系统，要求应具有至少6 dB的安全裕度；对于需要确保系统安全的电起爆装置，最大不发火激励（MNFS）应具有至少16．5 dB的安全裕度；对于其他电起爆装置的最大不发火激励应具有6 d B的安全裕度，并明确要求进行验证。

2 航天器系统电磁环境分析

为能正确确定航天器系统的电磁环境，对该系统遭遇的电磁环境情况做以下划分。

根据干扰源来源，将系统遭遇的电磁环境包括电磁传导发射和电磁辐射发射两方面。

1）电磁辐射发射：由2部分组成，一部分为系统自身产生的电磁辐射干扰信号，另一部分为系统外产生的各种电磁环境（包含空间辐射能量耦合到线缆中的干扰）；

2）电磁传导发射：系统工作时，线缆中产生的各种尖峰干扰信号（不包空间辐射能量耦合到线缆中的干扰）。

要进行安全裕度测试［3］，关键在于确定正确的电磁环境干扰值，而这恰恰是该项试验的难点。

3 航天器系统电磁兼容性安全裕度评估方法

根据以上对航天器系统电磁环境分析，将其系统级电磁兼容安全裕度分为电磁辐射安全裕度和电磁传导安全裕度2种情况。

3．1 航天器系统电磁辐射安全裕度评估方法

对于电磁辐射安全裕度主要采用以下2种方法进行评估

1）全威胁电平的照射方法根据系统所处的电磁辐射环境干扰值大小，产生一个合适电平（考虑安全裕度值）的电磁辐射环境干扰场照射（覆盖航天器整个范围），即按照实际环境条件下的全威胁电平进行照射。对航天器长度小于照射电磁波的波长，则通过照射航天器来获得适当的响应，而对于小于航天器长度的电磁波波长信号，适宜采用点照射。因为难以获得整个频率范围的扫频，这样做容易漏掉航天器壳体谐振时的感应电流，有可能得出错误的试验结果。

2）低电平线缆耦合方法将航天器置于一个均匀的低电平电磁场（其大小、波形根据实际环境确定）中，在所要求的频率覆盖范围内加以扫频。测量各种频率情况下系统的成束电缆内所感应的电流值，然后将所测电流放大（外推）到包含安全裕度在内的全威胁电平下的电流值，接着将此全威胁电平电流借助于成束电流注入技术（BCI），对每一个电缆束注入其相应的全威胁电流，观察其敏感现象，以确定该系统是否满足规定的安全裕度。

要确定航天器电磁辐射安全裕度评估模型，最为重要的是要确定其电磁辐射发射值。

对于系统自身所产生的电磁辐射发射可通过实际测量得到；对于系统在运输、测试及飞行等过程中面临的外部电磁辐射环境，特别是在飞行过程中面临的电磁环境，目前国内尚未开展系统的测量工作，因此，其外部环境可参考GJB 151A—1997《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求》中队空间飞行器单机或分系统的电磁辐射极限值电平（10 k Hz～40 GHz频率范围内均为20 V／m），并参考GJB 1389A—2005《系统电磁兼容性要求》的空间和运载系统的外部辐射环境值（见表1）加以确定。

表1 空间和运载系统的外部电磁环境

可以看出，在100 MHz～10 GHz频率范围内，GJB 1389A—2005给出的航天器系统外部电磁环境要比GJB 151A—1997中给出的单机或分系统的电磁辐射极限值电平要高得多。对于这一差异可以理解为：例如，运载火箭壳体为金属材质，具备一定的屏蔽效能，而所有箭载设备均布置在该金属舱段内部，虽然外部的电磁环境较高，但是由于金属舱段的屏蔽作用，实际进入舱体内部的电磁辐射干扰会明显减小，因此，对于火箭单机或分系统而言，其电磁辐射极限值电平要比系统外部的电磁环境值要低。

显然，全威胁电平的照射方法要求苛刻，因为一则不易获得如此大功率的放大器，二则如此大功率的照射容易干扰其他系统和设备。对于航天器系统而言，有金属壳体，具备一定的屏蔽效能，当外部电磁环境进入到壳体内后，会衰减。当不具备大功率放大器设备情况下，对于航天器系统电磁辐射安全裕度的评估，可参考设备／分系统的电磁辐射敏感度试验结果，即比较单机试验时施加的电磁辐射极限值与该设备处的实际电磁环境值（综合考虑系统内部、外部电磁辐射值以及壳体屏蔽效能、安全裕度值后的电磁辐射值）的大小关系，分析得出系统是否满足安全裕度指标要求。

另外，对于航天器系统电磁辐射安全裕度的评估，还可采用低电平线缆耦合方法进行评估，但是对于该方法而言，要求系统感应的电流／电压值与电磁辐射场值大小是成线性关系的，否则，会给安全裕度评估带来误差。