浅谈飞机加装通信系统的电磁兼容性验证

2020-04-12闫京原胡士博

航空维修与工程 2020年11期

闫京原胡士博

摘要：本文主要探讨了如何对民用飞机加装通信系统的电磁兼容性进行验证。首先介绍了与民用飞机电磁兼容性相关的适航条款及行业内电磁兼容性验证指导文件，然后参考适航条款及指导文件，结合项目经验，对民用飞机加装通信系统的电磁兼容性验证需考虑的因素及验证流程进行了总结。

关键词：通信系统；改装；电磁兼容；干扰余量

Keywords：communication system；modification；EMC；interference margin

0 引言

飞机电磁兼容是一个复杂的系统问题，而飞机与无线电系统之间的电磁兼容是飞机电磁兼容问题中的典型问题之一。现代飞机上装有大量通导系统，这些系统通过无线电信号的发射和接收实现预期的通信和导航功能，它们的工作信号频带宽广、密集甚至交叠，发射设备功率大，接收设备灵敏度高，天线数量多且分布集中，常导致飞机内部各机载无线电设备的工作信号相互干扰[1]。因此，在民用飞机上加装新的通信系统，很容易引起与飞机上原有通导系统之间的电磁兼容问题。从飞机电磁兼容性方面考虑，在民用飞机上加装通信系统时应主要完成两方面工作：一方面，在设计时应考虑新加装系统与原系统的电磁兼容性，从源头上保证加装的通信系统不会对原系统功能特别是原通信和导航系统的正常工作产生不利影响，同时又要保证新加装通信系统的正常功能不会受到原系统同时工作的影响；另一方面，在设计和安装的不同阶段，应对电磁兼容性设计的效果进行符合性验证，通过电磁兼容仿真預测、设备级试验、地面试验和飞行试验等发现和解决电磁干扰问题和隐患，确保实现飞机的电磁兼容性安全。

1 适用的适航规章要求及验证指导文件

1.1 适航规章要求

总体而言，通信系统的加装应符合适用的适航规章要求，现有适航规章中并没有专门的电磁兼容性规章要求，但部分适航条款的内容是与电磁兼容性相关的。以下为CCAR 25部中的条款[2]：

1）25.1309（a）凡航空器适航标准对其功能有要求的设备、系统和安装，其设计必须保证在各种可预期的运行条件下能完成预定功能。

2）25.1431（c）无线电和电子设备、控制装置和导线的安装必须保证在任一部件或系统工作时，对中国民用航空规章所要求的任何其他无线电和电子部件或系统的同时工作不会产生不利影响。

3）25.1353（a）电气设备和控制装置的安装，必须使任何一个部件或部件系统的工作不会对同时工作的、对安全运行起主要作用的其他系统和部件产生不利影响。飞机上任何可能产生的电气干扰不得对飞机或其系统产生危险的影响。

1.2 主要的行业电磁兼容性验证指导文件

SAEARP 60493《民用飞机电磁兼容性指导》[3]于2017年10月出版，为民用飞机上加装的电子/电气系统间的电磁兼容性验证提供指导，包括如何定义电子/电气系统的电磁兼容性要求，以及验证飞机电磁兼容性的分析和试验方法。

RTCA DO-160G《机载设备环境条件和试验程序》[4]规定了航空设备的环境试验条件（类别）和适航的试验方法，提供了一套实验室方法，对航空设备在预期工作环境下的性能特性进行验证。其中，以下章节与电磁兼容性验证相关：磁效应、电压尖峰、音频传导敏感度—电源输入、感应信号敏感性、射频敏感性、射频能量发射、静电放电敏感度。RTCA DO-313《加装非关键的、非必须的飞机客舱系统和设备审定指导》[5]中的附录C提供了相关的电磁兼容性地面和飞机试验指导。

GJB 151B-2013《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量》[6]对军用设备和分系统的电磁兼容性做了详细的要求并制定了相应的测试方法。GJB 1389A-2005《系统电磁兼容性要求》[7]规定了系统电磁兼容性的总要求，包括系统内电磁兼容性要求、系统对外部电磁环境的适应性要求、雷电防护要求、静电防护要求和电磁辐射的危害防护要求等。GJB181A-2003《飞机供电特性》[8]中对军用飞机的机载设备提出了电源输入性能要求。

2 电磁兼容性验证考虑要素

1）天线的安装位置

飞机上的通信系统一般包括高频、甚高频、卫星通信系统（海事、Ka/ Ku、铱星）等。飞机上的无线电导航系统一般包括定向接收机ADF、测距机DME、全球定位系统GPS、ATC应答机/防撞系统TCAS、仪表着陆系统ILS、全向定位信标VOR、无线电高度表等。这些通信和导航系统在机身外部均安装有发射和/或接收天线。天线安装的位置、安装形式以及与其他天线间的距离直接影响这些系统间的空间隔离度，而空间隔离度是判断各系统电磁兼容性的重要参数之一。因此，合理安排天线的安装位置及安装形式对系统间的电磁兼容至关重要。

2）设备级电磁兼容性

对于加装的通信系统，其设备必须满足规定的最低电磁性能标准，即符合RTCA DO-160中相关章节的要求。同时，为了获得电磁兼容分析预测中的参数，还需要对通信系统中的天线进行辐射模板（RE103）测试。辐射模板（RE103）测试需参考GJB151B-2013中的RE103电磁兼容测试要求执行。

3）系统级电磁兼容性

对于完整的通信系统，在其处于工作状态时不会对飞机上安装的其他通信导航系统的正常工作产生不利影响，反之也不会对拟安装的通信系统的正常功能产生不利影响。

4）飞机级电磁兼容性

当完整的通信系统安装在飞机上后，在飞机所有系统处于正常工作状态时，包括所有可能的飞行状态和构型的情况下，需保证新加装通信系统与原飞机系统的电磁兼容性。

3 电磁兼容性验证流程

飞机电磁兼容性验证流程可参考SAE ARP60493《民用飞机电磁兼容性指南》中全机电磁兼容的符合性验证流程。确定新加装天线在飞机上的初始安装位置后，首先进行全机电磁兼容仿真，然后通过仿真结果对各系统间的干扰进行分析预测，对设备的装机位置、设备电磁兼容指标做出初步判断。再进行设备级电磁兼容测试、系统级电磁兼容测试、系统装机后飞机地面电磁兼容测试及飞行电磁兼容测试，测试完成后，通过对测试结果的分析和评估，完成通信系统装机后的电磁兼容符合性验证。

3.1 电磁兼容性仿真分析及预测

在进行仿真分析前，首先要收集预加装型号飞机的通信、导航、监视系统的电磁特性指标及具体的安装位置，作为仿真分析预测的条件。飞机电磁兼容仿真预测分析首先应建立新加装通信系统与飞机其他通导设备的干扰矩阵，然后在时间、频率、能量三个维度对干扰矩阵中的设备进行逐一分析。

1）建立干扰矩阵

将飞机上具有发射功能的设备列为一列，飞机上的接收设备列为一行，组成一个干扰矩阵。如果新加装的通信系统具有发射功能，应首先将新加装系统列为干扰源，将飞机上原有通导设备中的接收设备列为被干扰设备，逐一进行分析。再将新加装的通信系统列为被干扰设备，将飞机上原有的发射设备列为干扰源，逐一进行分析。

2）时间分析

从时间维度分析新加装通信系统与飞机上原有通导收发设备之间是否同时工作，若新加装通信系统与某个设备不同时工作，则认为两者不存在兼容性问题；若新加装通信系统与某個设备间同时工作，将进行频率维度分析。

3）频率分析

分析新加装通信系统与飞机上原有收发设备之间是否存在频率间隔较大情况。一般来说，若频率间隔超过频率较低设备工作频率的10倍频程，则认为两者不存在兼容问题；若频率间隔未超过频率较低设备工作频率的10倍频程，则进行能量维度分析。

4）能量分析

分析新加装通信系统与飞机原有通导系统之间的带内、带外干扰。通过计算干扰余量[9]来判断系统间是否可能存在干扰。干扰余量与发射设备的干扰能量、接收设备的灵敏度有关。用IM来表示干扰余量，则：

其中，Pr为到达接收机端口的干扰信号功率；Sr为接收设备的灵敏度；Pt为发射设备输出的干扰信号功率；Ls为干扰耦合通道损耗，一般为了保证分析的严格性，Ls取0；LG为干扰发射设备与敏感接收设备之间的隔离度。

当IM<0时，敏感设备不会受到干扰；当IM=0时，则表示敏感设备处于临界状态，安全裕度为0；当IM>0时，敏感设备会受到干扰。如果出现IM>0的情况，解决方案之一是对拟加装通信系统天线的安装位置进行调整，如经评估分析出现干扰的可能性很小，也可通过进一步的系统级电磁兼容试验进行验证；解决方案之二是对天线及发射设备的电磁性能指标进行修正。

在仿真分析计算中，干扰发射设备与敏感接收设备之间的电磁隔离度是一个很重要的参数，可以通过仿真得到。首先建立完整的包括真实天线安装位置的飞机3D模型，然后建立各系统的发射机模型、接收机模型、干扰耦合模型、天线模型。采用专业的电磁兼容仿真软件进行建模和仿真，计算出拟加装通信系统发射设备与机上其他通信导航系统接收设备之间的电磁隔离度。

3.2 设备级试验

所有通信设备应按照RTCA DO- 160G完成相关的电磁兼容性试验室试验，根据安装位置、预期工作环境等决定需要进行的试验项目和试验类别。需要完成的试验项目包括：磁效应、电压尖峰、音频传导敏感度—电源输入、感应信号敏感性、射频敏感性、射频能量发射、静电放电敏感度。表1列出了RTCA DO-160G中与电磁兼容相关的试验项目。

3.3 系统级电磁兼容性验证

在实验室环境下搭建电磁环境模拟测试平台，对电磁兼容性仿真结果进行确认，应重点关注干扰余量不足的系统，可通过定性和定量的试验方法进行验证。

此项系统级电磁兼容性验证的前提是具备所需要的飞机通信和导航系统设备，这对于一般的试验供应商可能有一定的困难。如果此项验证工作不具备条件完成，可采用以下替代方案：在飞机实际装机前，将拟安装的通信系统设备模拟安装在特定的飞机上，在实际飞机上进行系统级的电磁兼容性试验。

3.4 飞机级电磁兼容性试验

1）地面模拟试验

如有必要，将拟安装的通信系统设备模拟安装在特定的飞机上，在实际工作环境下对系统间的电磁兼容性进行验证。进行模拟试验时需注意安装方式和电源的取用等，应尽量与之后的实际安装构型保持一致。

2）地面电磁兼容性试验

通信系统完成在飞机上的加装工作后，应参照SAE ARP 60493中的地面电磁兼容性试验要求进行完整的地面电磁兼容性试验。地面电磁兼容性试验验证的系统，除重点关注飞机原通信和导航系统外，应包含所有的飞机关键系统和重要系统，如飞行控制系统、发动机指示系统、防火系统等。

如在试验过程中发现存在电磁干扰的情况，则需要进行详细分析，确认发生的干扰确是由新加装的通信系统的工作造成的。如确认，则需对新加装通信系统进行电磁兼容性改进，或对通信系统的使用方式和阶段增加限制。

如有必要，在飞机上进行新加装通信系统的电磁兼容地面试验时，还可完成接收机输入端口耦合测试。测试时，断开飞机上原有通信导航系统接收机与对应天线的连接，将测量接收机与待测天线相连接，分别测试新加装通信系统在关机和开机发射状态下各接收系统天线端口的电压曲线。通过对比，可以定量分析新加装通信系统对于飞机上原有通导系统接收机输入端的干扰影响。

3）飞行电磁兼容性试验

在成功完成地面电磁兼容性试验后，按需进行飞行电磁兼容性试验。一般只有以下情况需要进行飞行电磁兼容性试验：

a.被检查的飞机系统在地面电磁兼容性试验时不能有效地模拟其真实工作構型，不能反映其真实的工作状态。

b.系统复杂且与其他飞机系统间交联过多，只有在飞行状态下才能对其完整的工作模式进行验证。

c.在进行地面电磁兼容性试验时，测试结果安全裕度不大，考虑到飞行状态更能体现实际的电磁兼容特性，可通过飞行电磁兼容性试验对地面试验结果进行进一步的验证和确认。

在进行飞行电磁兼容性验证时，应特别关注在地面验证中未验证或需进一步验证的项目。一般要求进行复飞及自动着陆阶段的验证，即包括已加装通信系统可使用的全部飞行状态和阶段。图1给出了典型的飞机级电磁兼容性验证流程。

4 总结

在民用飞机上加装新的通信系统，飞机电磁兼容验证不仅是适航取证中的重要组成部分，更是关系到飞机安全的重要保证。本文对民用飞机加装通信系统的电磁兼容验证流程进行了探讨，验证流程中涉及的环节、影响因素较多，需由改装设计单位与设备供应商共同合作完成。在验证过程中，各方应尽可能地分析各环节中可能出现的干扰情况，为完整可靠的飞机电磁兼容验证提供有力支撑。