閆京原 胡士博

摘要：本文主要探討了如何對(duì)民用飛機(jī)加裝通信系統(tǒng)的電磁兼容性進(jìn)行驗(yàn)證。首先介紹了與民用飛機(jī)電磁兼容性相關(guān)的適航條款及行業(yè)內(nèi)電磁兼容性驗(yàn)證指導(dǎo)文件，然后參考適航條款及指導(dǎo)文件，結(jié)合項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，對(duì)民用飛機(jī)加裝通信系統(tǒng)的電磁兼容性驗(yàn)證需考慮的因素及驗(yàn)證流程進(jìn)行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：通信系統(tǒng)；改裝；電磁兼容；干擾余量

Keywords：communication system；modification；EMC；interference margin

0 引言

飛機(jī)電磁兼容是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)問題，而飛機(jī)與無線電系統(tǒng)之間的電磁兼容是飛機(jī)電磁兼容問題中的典型問題之一。現(xiàn)代飛機(jī)上裝有大量通導(dǎo)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)通過無線電信號(hào)的發(fā)射和接收實(shí)現(xiàn)預(yù)期的通信和導(dǎo)航功能，它們的工作信號(hào)頻帶寬廣、密集甚至交疊，發(fā)射設(shè)備功率大，接收設(shè)備靈敏度高，天線數(shù)量多且分布集中，常導(dǎo)致飛機(jī)內(nèi)部各機(jī)載無線電設(shè)備的工作信號(hào)相互干擾[1]。因此，在民用飛機(jī)上加裝新的通信系統(tǒng)，很容易引起與飛機(jī)上原有通導(dǎo)系統(tǒng)之間的電磁兼容問題。從飛機(jī)電磁兼容性方面考慮，在民用飛機(jī)上加裝通信系統(tǒng)時(shí)應(yīng)主要完成兩方面工作：一方面，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮新加裝系統(tǒng)與原系統(tǒng)的電磁兼容性，從源頭上保證加裝的通信系統(tǒng)不會(huì)對(duì)原系統(tǒng)功能特別是原通信和導(dǎo)航系統(tǒng)的正常工作產(chǎn)生不利影響，同時(shí)又要保證新加裝通信系統(tǒng)的正常功能不會(huì)受到原系統(tǒng)同時(shí)工作的影響；另一方面，在設(shè)計(jì)和安裝的不同階段，應(yīng)對(duì)電磁兼容性設(shè)計(jì)的效果進(jìn)行符合性驗(yàn)證，通過電磁兼容仿真預(yù)測(cè)、設(shè)備級(jí)試驗(yàn)、地面試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)等發(fā)現(xiàn)和解決電磁干擾問題和隱患，確保實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的電磁兼容性安全。

1 適用的適航規(guī)章要求及驗(yàn)證指導(dǎo)文件

1.1 適航規(guī)章要求

總體而言，通信系統(tǒng)的加裝應(yīng)符合適用的適航規(guī)章要求，現(xiàn)有適航規(guī)章中并沒有專門的電磁兼容性規(guī)章要求，但部分適航條款的內(nèi)容是與電磁兼容性相關(guān)的。以下為CCAR 25部中的條款[2]：

1）25.1309（a）凡航空器適航標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其功能有要求的設(shè)備、系統(tǒng)和安裝，其設(shè)計(jì)必須保證在各種可預(yù)期的運(yùn)行條件下能完成預(yù)定功能。

2）25.1431（c）無線電和電子設(shè)備、控制裝置和導(dǎo)線的安裝必須保證在任一部件或系統(tǒng)工作時(shí)，對(duì)中國(guó)民用航空規(guī)章所要求的任何其他無線電和電子部件或系統(tǒng)的同時(shí)工作不會(huì)產(chǎn)生不利影響。

3）25.1353（a）電氣設(shè)備和控制裝置的安裝，必須使任何一個(gè)部件或部件系統(tǒng)的工作不會(huì)對(duì)同時(shí)工作的、對(duì)安全運(yùn)行起主要作用的其他系統(tǒng)和部件產(chǎn)生不利影響。飛機(jī)上任何可能產(chǎn)生的電氣干擾不得對(duì)飛機(jī)或其系統(tǒng)產(chǎn)生危險(xiǎn)的影響。

1.2 主要的行業(yè)電磁兼容性驗(yàn)證指導(dǎo)文件

SAEARP 60493《民用飛機(jī)電磁兼容性指導(dǎo)》[3]于2017年10月出版，為民用飛機(jī)上加裝的電子/電氣系統(tǒng)間的電磁兼容性驗(yàn)證提供指導(dǎo)，包括如何定義電子/電氣系統(tǒng)的電磁兼容性要求，以及驗(yàn)證飛機(jī)電磁兼容性的分析和試驗(yàn)方法。

RTCA DO-160G《機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件和試驗(yàn)程序》[4]規(guī)定了航空設(shè)備的環(huán)境試驗(yàn)條件（類別）和適航的試驗(yàn)方法，提供了一套實(shí)驗(yàn)室方法，對(duì)航空設(shè)備在預(yù)期工作環(huán)境下的性能特性進(jìn)行驗(yàn)證。其中，以下章節(jié)與電磁兼容性驗(yàn)證相關(guān)：磁效應(yīng)、電壓尖峰、音頻傳導(dǎo)敏感度—電源輸入、感應(yīng)信號(hào)敏感性、射頻敏感性、射頻能量發(fā)射、靜電放電敏感度。RTCA DO-313《加裝非關(guān)鍵的、非必須的飛機(jī)客艙系統(tǒng)和設(shè)備審定指導(dǎo)》[5]中的附錄C提供了相關(guān)的電磁兼容性地面和飛機(jī)試驗(yàn)指導(dǎo)。

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》[6]對(duì)軍用設(shè)備和分系統(tǒng)的電磁兼容性做了詳細(xì)的要求并制定了相應(yīng)的測(cè)試方法。GJB 1389A-2005《系統(tǒng)電磁兼容性要求》[7]規(guī)定了系統(tǒng)電磁兼容性的總要求，包括系統(tǒng)內(nèi)電磁兼容性要求、系統(tǒng)對(duì)外部電磁環(huán)境的適應(yīng)性要求、雷電防護(hù)要求、靜電防護(hù)要求和電磁輻射的危害防護(hù)要求等。GJB181A-2003《飛機(jī)供電特性》[8]中對(duì)軍用飛機(jī)的機(jī)載設(shè)備提出了電源輸入性能要求。

2 電磁兼容性驗(yàn)證考慮要素

1）天線的安裝位置

飛機(jī)上的通信系統(tǒng)一般包括高頻、甚高頻、衛(wèi)星通信系統(tǒng)（海事、Ka/ Ku、銥星）等。飛機(jī)上的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)一般包括定向接收機(jī)ADF、測(cè)距機(jī)DME、全球定位系統(tǒng)GPS、ATC應(yīng)答機(jī)/防撞系統(tǒng)TCAS、儀表著陸系統(tǒng)ILS、全向定位信標(biāo)VOR、無線電高度表等。這些通信和導(dǎo)航系統(tǒng)在機(jī)身外部均安裝有發(fā)射和/或接收天線。天線安裝的位置、安裝形式以及與其他天線間的距離直接影響這些系統(tǒng)間的空間隔離度，而空間隔離度是判斷各系統(tǒng)電磁兼容性的重要參數(shù)之一。因此，合理安排天線的安裝位置及安裝形式對(duì)系統(tǒng)間的電磁兼容至關(guān)重要。

2）設(shè)備級(jí)電磁兼容性

對(duì)于加裝的通信系統(tǒng)，其設(shè)備必須滿足規(guī)定的最低電磁性能標(biāo)準(zhǔn)，即符合RTCA DO-160中相關(guān)章節(jié)的要求。同時(shí)，為了獲得電磁兼容分析預(yù)測(cè)中的參數(shù)，還需要對(duì)通信系統(tǒng)中的天線進(jìn)行輻射模板（RE103）測(cè)試。輻射模板（RE103）測(cè)試需參考GJB151B-2013中的RE103電磁兼容測(cè)試要求執(zhí)行。

3）系統(tǒng)級(jí)電磁兼容性

對(duì)于完整的通信系統(tǒng)，在其處于工作狀態(tài)時(shí)不會(huì)對(duì)飛機(jī)上安裝的其他通信導(dǎo)航系統(tǒng)的正常工作產(chǎn)生不利影響，反之也不會(huì)對(duì)擬安裝的通信系統(tǒng)的正常功能產(chǎn)生不利影響。

4）飛機(jī)級(jí)電磁兼容性

當(dāng)完整的通信系統(tǒng)安裝在飛機(jī)上后，在飛機(jī)所有系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，包括所有可能的飛行狀態(tài)和構(gòu)型的情況下，需保證新加裝通信系統(tǒng)與原飛機(jī)系統(tǒng)的電磁兼容性。

3 電磁兼容性驗(yàn)證流程

飛機(jī)電磁兼容性驗(yàn)證流程可參考SAE ARP60493《民用飛機(jī)電磁兼容性指南》中全機(jī)電磁兼容的符合性驗(yàn)證流程。確定新加裝天線在飛機(jī)上的初始安裝位置后，首先進(jìn)行全機(jī)電磁兼容仿真，然后通過仿真結(jié)果對(duì)各系統(tǒng)間的干擾進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，對(duì)設(shè)備的裝機(jī)位置、設(shè)備電磁兼容指標(biāo)做出初步判斷。再進(jìn)行設(shè)備級(jí)電磁兼容測(cè)試、系統(tǒng)級(jí)電磁兼容測(cè)試、系統(tǒng)裝機(jī)后飛機(jī)地面電磁兼容測(cè)試及飛行電磁兼容測(cè)試，測(cè)試完成后，通過對(duì)測(cè)試結(jié)果的分析和評(píng)估，完成通信系統(tǒng)裝機(jī)后的電磁兼容符合性驗(yàn)證。

3.1 電磁兼容性仿真分析及預(yù)測(cè)

在進(jìn)行仿真分析前，首先要收集預(yù)加裝型號(hào)飛機(jī)的通信、導(dǎo)航、監(jiān)視系統(tǒng)的電磁特性指標(biāo)及具體的安裝位置，作為仿真分析預(yù)測(cè)的條件。飛機(jī)電磁兼容仿真預(yù)測(cè)分析首先應(yīng)建立新加裝通信系統(tǒng)與飛機(jī)其他通導(dǎo)設(shè)備的干擾矩陣，然后在時(shí)間、頻率、能量三個(gè)維度對(duì)干擾矩陣中的設(shè)備進(jìn)行逐一分析。

1）建立干擾矩陣

將飛機(jī)上具有發(fā)射功能的設(shè)備列為一列，飛機(jī)上的接收設(shè)備列為一行，組成一個(gè)干擾矩陣。如果新加裝的通信系統(tǒng)具有發(fā)射功能，應(yīng)首先將新加裝系統(tǒng)列為干擾源，將飛機(jī)上原有通導(dǎo)設(shè)備中的接收設(shè)備列為被干擾設(shè)備，逐一進(jìn)行分析。再將新加裝的通信系統(tǒng)列為被干擾設(shè)備，將飛機(jī)上原有的發(fā)射設(shè)備列為干擾源，逐一進(jìn)行分析。

2）時(shí)間分析

從時(shí)間維度分析新加裝通信系統(tǒng)與飛機(jī)上原有通導(dǎo)收發(fā)設(shè)備之間是否同時(shí)工作，若新加裝通信系統(tǒng)與某個(gè)設(shè)備不同時(shí)工作，則認(rèn)為兩者不存在兼容性問題；若新加裝通信系統(tǒng)與某個(gè)設(shè)備間同時(shí)工作，將進(jìn)行頻率維度分析。

3）頻率分析

分析新加裝通信系統(tǒng)與飛機(jī)上原有收發(fā)設(shè)備之間是否存在頻率間隔較大情況。一般來說，若頻率間隔超過頻率較低設(shè)備工作頻率的10倍頻程，則認(rèn)為兩者不存在兼容問題；若頻率間隔未超過頻率較低設(shè)備工作頻率的10倍頻程，則進(jìn)行能量維度分析。

4）能量分析

分析新加裝通信系統(tǒng)與飛機(jī)原有通導(dǎo)系統(tǒng)之間的帶內(nèi)、帶外干擾。通過計(jì)算干擾余量[9]來判斷系統(tǒng)間是否可能存在干擾。干擾余量與發(fā)射設(shè)備的干擾能量、接收設(shè)備的靈敏度有關(guān)。用IM來表示干擾余量，則：

其中，Pr為到達(dá)接收機(jī)端口的干擾信號(hào)功率；Sr為接收設(shè)備的靈敏度；Pt為發(fā)射設(shè)備輸出的干擾信號(hào)功率；Ls為干擾耦合通道損耗，一般為了保證分析的嚴(yán)格性，Ls取0；LG為干擾發(fā)射設(shè)備與敏感接收設(shè)備之間的隔離度。

當(dāng)IM<0時(shí)，敏感設(shè)備不會(huì)受到干擾；當(dāng)IM=0時(shí)，則表示敏感設(shè)備處于臨界狀態(tài)，安全裕度為0；當(dāng)IM>0時(shí)，敏感設(shè)備會(huì)受到干擾。如果出現(xiàn)IM>0的情況，解決方案之一是對(duì)擬加裝通信系統(tǒng)天線的安裝位置進(jìn)行調(diào)整，如經(jīng)評(píng)估分析出現(xiàn)干擾的可能性很小，也可通過進(jìn)一步的系統(tǒng)級(jí)電磁兼容試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證；解決方案之二是對(duì)天線及發(fā)射設(shè)備的電磁性能指標(biāo)進(jìn)行修正。

在仿真分析計(jì)算中，干擾發(fā)射設(shè)備與敏感接收設(shè)備之間的電磁隔離度是一個(gè)很重要的參數(shù)，可以通過仿真得到。首先建立完整的包括真實(shí)天線安裝位置的飛機(jī)3D模型，然后建立各系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)模型、接收機(jī)模型、干擾耦合模型、天線模型。采用專業(yè)的電磁兼容仿真軟件進(jìn)行建模和仿真，計(jì)算出擬加裝通信系統(tǒng)發(fā)射設(shè)備與機(jī)上其他通信導(dǎo)航系統(tǒng)接收設(shè)備之間的電磁隔離度。

3.2 設(shè)備級(jí)試驗(yàn)

所有通信設(shè)備應(yīng)按照RTCA DO- 160G完成相關(guān)的電磁兼容性試驗(yàn)室試驗(yàn)，根據(jù)安裝位置、預(yù)期工作環(huán)境等決定需要進(jìn)行的試驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)類別。需要完成的試驗(yàn)項(xiàng)目包括：磁效應(yīng)、電壓尖峰、音頻傳導(dǎo)敏感度—電源輸入、感應(yīng)信號(hào)敏感性、射頻敏感性、射頻能量發(fā)射、靜電放電敏感度。表1列出了RTCA DO-160G中與電磁兼容相關(guān)的試驗(yàn)項(xiàng)目。

3.3 系統(tǒng)級(jí)電磁兼容性驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下搭建電磁環(huán)境模擬測(cè)試平臺(tái)，對(duì)電磁兼容性仿真結(jié)果進(jìn)行確認(rèn)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注干擾余量不足的系統(tǒng)，可通過定性和定量的試驗(yàn)方法進(jìn)行驗(yàn)證。

此項(xiàng)系統(tǒng)級(jí)電磁兼容性驗(yàn)證的前提是具備所需要的飛機(jī)通信和導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)備，這對(duì)于一般的試驗(yàn)供應(yīng)商可能有一定的困難。如果此項(xiàng)驗(yàn)證工作不具備條件完成，可采用以下替代方案：在飛機(jī)實(shí)際裝機(jī)前，將擬安裝的通信系統(tǒng)設(shè)備模擬安裝在特定的飛機(jī)上，在實(shí)際飛機(jī)上進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的電磁兼容性試驗(yàn)。

3.4 飛機(jī)級(jí)電磁兼容性試驗(yàn)

1）地面模擬試驗(yàn)

如有必要，將擬安裝的通信系統(tǒng)設(shè)備模擬安裝在特定的飛機(jī)上，在實(shí)際工作環(huán)境下對(duì)系統(tǒng)間的電磁兼容性進(jìn)行驗(yàn)證。進(jìn)行模擬試驗(yàn)時(shí)需注意安裝方式和電源的取用等，應(yīng)盡量與之后的實(shí)際安裝構(gòu)型保持一致。

2）地面電磁兼容性試驗(yàn)

通信系統(tǒng)完成在飛機(jī)上的加裝工作后，應(yīng)參照SAE ARP 60493中的地面電磁兼容性試驗(yàn)要求進(jìn)行完整的地面電磁兼容性試驗(yàn)。地面電磁兼容性試驗(yàn)驗(yàn)證的系統(tǒng)，除重點(diǎn)關(guān)注飛機(jī)原通信和導(dǎo)航系統(tǒng)外，應(yīng)包含所有的飛機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)和重要系統(tǒng)，如飛行控制系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)指示系統(tǒng)、防火系統(tǒng)等。

如在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)存在電磁干擾的情況，則需要進(jìn)行詳細(xì)分析，確認(rèn)發(fā)生的干擾確是由新加裝的通信系統(tǒng)的工作造成的。如確認(rèn)，則需對(duì)新加裝通信系統(tǒng)進(jìn)行電磁兼容性改進(jìn)，或?qū)νㄐ畔到y(tǒng)的使用方式和階段增加限制。

如有必要，在飛機(jī)上進(jìn)行新加裝通信系統(tǒng)的電磁兼容地面試驗(yàn)時(shí)，還可完成接收機(jī)輸入端口耦合測(cè)試。測(cè)試時(shí)，斷開飛機(jī)上原有通信導(dǎo)航系統(tǒng)接收機(jī)與對(duì)應(yīng)天線的連接，將測(cè)量接收機(jī)與待測(cè)天線相連接，分別測(cè)試新加裝通信系統(tǒng)在關(guān)機(jī)和開機(jī)發(fā)射狀態(tài)下各接收系統(tǒng)天線端口的電壓曲線。通過對(duì)比，可以定量分析新加裝通信系統(tǒng)對(duì)于飛機(jī)上原有通導(dǎo)系統(tǒng)接收機(jī)輸入端的干擾影響。

3）飛行電磁兼容性試驗(yàn)

在成功完成地面電磁兼容性試驗(yàn)后，按需進(jìn)行飛行電磁兼容性試驗(yàn)。一般只有以下情況需要進(jìn)行飛行電磁兼容性試驗(yàn)：

a.被檢查的飛機(jī)系統(tǒng)在地面電磁兼容性試驗(yàn)時(shí)不能有效地模擬其真實(shí)工作構(gòu)型，不能反映其真實(shí)的工作狀態(tài)。

b.系統(tǒng)復(fù)雜且與其他飛機(jī)系統(tǒng)間交聯(lián)過多，只有在飛行狀態(tài)下才能對(duì)其完整的工作模式進(jìn)行驗(yàn)證。

c.在進(jìn)行地面電磁兼容性試驗(yàn)時(shí)，測(cè)試結(jié)果安全裕度不大，考慮到飛行狀態(tài)更能體現(xiàn)實(shí)際的電磁兼容特性，可通過飛行電磁兼容性試驗(yàn)對(duì)地面試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證和確認(rèn)。

在進(jìn)行飛行電磁兼容性驗(yàn)證時(shí)，應(yīng)特別關(guān)注在地面驗(yàn)證中未驗(yàn)證或需進(jìn)一步驗(yàn)證的項(xiàng)目。一般要求進(jìn)行復(fù)飛及自動(dòng)著陸階段的驗(yàn)證，即包括已加裝通信系統(tǒng)可使用的全部飛行狀態(tài)和階段。圖1給出了典型的飛機(jī)級(jí)電磁兼容性驗(yàn)證流程。

4 總結(jié)

在民用飛機(jī)上加裝新的通信系統(tǒng)，飛機(jī)電磁兼容驗(yàn)證不僅是適航取證中的重要組成部分，更是關(guān)系到飛機(jī)安全的重要保證。本文對(duì)民用飛機(jī)加裝通信系統(tǒng)的電磁兼容驗(yàn)證流程進(jìn)行了探討，驗(yàn)證流程中涉及的環(huán)節(jié)、影響因素較多，需由改裝設(shè)計(jì)單位與設(shè)備供應(yīng)商共同合作完成。在驗(yàn)證過程中，各方應(yīng)盡可能地分析各環(huán)節(jié)中可能出現(xiàn)的干擾情況，為完整可靠的飛機(jī)電磁兼容驗(yàn)證提供有力支撐。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

閆京原，高級(jí)工程師，從事飛機(jī)加改裝設(shè)計(jì)及適航審定工作。

胡士博，工程師，從事飛機(jī)加改裝設(shè)計(jì)工作。