淺談飛機加裝通信系統(tǒng)的電磁兼容性驗證

閆京原 胡士博

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

飛機電磁兼容是一個復(fù)雜的系統(tǒng)問題，而飛機與無線電系統(tǒng)之間的電磁兼容是飛機電磁兼容問題中的典型問題之一?，F(xiàn)代飛機上裝有大量通導(dǎo)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)通過無線電信號的發(fā)射和接收實現(xiàn)預(yù)期的通信和導(dǎo)航功能，它們的工作信號頻帶寬廣、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)致飛機內(nèi)部各機載無線電設(shè)備的工作信號相互干擾[1]。因此，在民用飛機上加裝新的通信系統(tǒng)，很容易引起與飛機上原有通導(dǎo)系統(tǒng)之間的電磁兼容問題。從飛機電磁兼容性方面考慮，在民用飛機上加裝通信系統(tǒng)時應(yīng)主要完成兩方面工作：一方面，在設(shè)計時應(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)不會對原系統(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，同時又要保證新加裝通信系統(tǒng)的正常功能不會受到原系統(tǒng)同時工作的影響；另一方面，在設(shè)計和安裝的不同階段，應(yīng)對電磁兼容性設(shè)計的效果進行符合性驗證，通過電磁兼容仿真預(yù)測、設(shè)備級試驗、地面試驗和飛行試驗等發(fā)現(xiàn)和解決電磁干擾問題和隱患，確保實現(xiàn)飛機的電磁兼容性安全。

1 適用的適航規(guī)章要求及驗證指導(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）凡航空器適航標準對其功能有要求的設(shè)備、系統(tǒng)和安裝，其設(shè)計必須保證在各種可預(yù)期的運行條件下能完成預(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，對中國民用航空規(guī)章所要求的任何其他無線電和電子部件或系統(tǒng)的同時工作不會產(chǎn)生不利影響。

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

1.2 主要的行業(yè)電磁兼容性驗證指導(dǎo)文件

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

RTCA DO-160G《機載設(shè)備環(huán)境條件和試驗程序》[4]規(guī)定了航空設(shè)備的環(huán)境試驗條件（類別）和適航的試驗方法，提供了一套實驗室方法，對航空設(shè)備在預(yù)期工作環(huán)境下的性能特性進行驗證。其中，以下章節(jié)與電磁兼容性驗證相關(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試驗指導(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量》[6]對軍用設(shè)備和分系統(tǒng)的電磁兼容性做了詳細的要求并制定了相應(yīng)的測試方法。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)對外部電磁環(huán)境的適應(yīng)性要求、雷電防護要求、靜電防護要求和電磁輻射的危害防護要求等。GJB181A-2003《飛機供電特性》[8]中對軍用飛機的機載設(shè)備提出了電源輸入性能要求。

2 電磁兼容性驗證考慮要素

1）天線的安裝位置

飛機上的通信系統(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。飛機上的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)一般包括定向接收機ADF、測距機DME、全球定位系統(tǒng)GPS、ATC應(yīng)答機/防撞系統(tǒng)TCAS、儀表著陸系統(tǒng)ILS、全向定位信標VOR、無線電高度表等。這些通信和導(dǎo)航系統(tǒng)在機身外部均安裝有發(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系統(tǒng)間的電磁兼容至關(guān)重要。

2）設(shè)備級電磁兼容性

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

3）系統(tǒng)級電磁兼容性

對于完整的通信系統(tǒng)，在其處于工作狀態(tài)時不會對飛機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，反之也不會對擬安裝的通信系統(tǒng)的正常功能產(chǎn)生不利影響。

4）飛機級電磁兼容性

當完整的通信系統(tǒng)安裝在飛機上后，在飛機所有系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，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)與原飛機系統(tǒng)的電磁兼容性。

3 電磁兼容性驗證流程

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

3.1 電磁兼容性仿真分析及預(yù)測

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

1）建立干擾矩陣

將飛機上具有發(fā)射功能的設(shè)備列為一列，飛機上的接收設(shè)備列為一行，組成一個干擾矩陣。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，將飛機上原有的發(fā)射設(shè)備列為干擾源，逐一進行分析。

2）時間分析

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

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)與飛機原有通導(dǎo)系統(tǒng)之間的帶內(nèi)、帶外干擾。通過計算干擾余量[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為到達接收機端口的干擾信號功率；Sr為接收設(shè)備的靈敏度；Pt為發(fā)射設(shè)備輸出的干擾信號功率；Ls為干擾耦合通道損耗，一般為了保證分析的嚴格性，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IM<0時，敏感設(shè)備不會受到干擾；當IM=0時，則表示敏感設(shè)備處于臨界狀態(tài)，安全裕度為0；當IM>0時，敏感設(shè)備會受到干擾。如果出現(xiàn)IM>0的情況，解決方案之一是對擬加裝通信系統(tǒng)天線的安裝位置進行調(diào)整，如經(jīng)評估分析出現(xiàn)干擾的可能性很小，也可通過進一步的系統(tǒng)級電磁兼容試驗進行驗證；解決方案之二是對天線及發(fā)射設(shè)備的電磁性能指標進行修正。

在仿真分析計算中，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天線安裝位置的飛機3D模型，然后建立各系統(tǒng)的發(fā)射機模型、接收機模型、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行建模和仿真，計算出擬加裝通信系統(tǒng)發(fā)射設(shè)備與機上其他通信導(dǎo)航系統(tǒng)接收設(shè)備之間的電磁隔離度。

3.2 設(shè)備級試驗

所有通信設(shè)備應(yīng)按照RTCA DO- 160G完成相關(guān)的電磁兼容性試驗室試驗，根據(jù)安裝位置、預(yù)期工作環(huán)境等決定需要進行的試驗項目和試驗類別。需要完成的試驗項目包括：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)的試驗項目。

3.3 系統(tǒng)級電磁兼容性驗證

在實驗室環(huán)境下搭建電磁環(huán)境模擬測試平臺，對電磁兼容性仿真結(jié)果進行確認，應(yīng)重點關(guān)注干擾余量不足的系統(tǒng)，可通過定性和定量的試驗方法進行驗證。

此項系統(tǒng)級電磁兼容性驗證的前提是具備所需要的飛機通信和導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)備，這對于一般的試驗供應(yīng)商可能有一定的困難。如果此項驗證工作不具備條件完成，可采用以下替代方案：在飛機實際裝機前，將擬安裝的通信系統(tǒng)設(shè)備模擬安裝在特定的飛機上，在實際飛機上進行系統(tǒng)級的電磁兼容性試驗。

3.4 飛機級電磁兼容性試驗

1）地面模擬試驗

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上，在實際工作環(huán)境下對系統(tǒng)間的電磁兼容性進行驗證。進行模擬試驗時需注意安裝方式和電源的取用等，應(yīng)盡量與之后的實際安裝構(gòu)型保持一致。

2）地面電磁兼容性試驗

通信系統(tǒng)完成在飛機上的加裝工作后，應(yīng)參照SAE ARP 60493中的地面電磁兼容性試驗要求進行完整的地面電磁兼容性試驗。地面電磁兼容性試驗驗證的系統(tǒng)，除重點關(guān)注飛機原通信和導(dǎo)航系統(tǒng)外，應(yīng)包含所有的飛機關(guān)鍵系統(tǒng)和重要系統(tǒng)，如飛行控制系統(tǒng)、發(fā)動機指示系統(tǒng)、防火系統(tǒng)等。

如在試驗過程中發(fā)現(xiàn)存在電磁干擾的情況，則需要進行詳細分析，確認發(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，則需對新加裝通信系統(tǒng)進行電磁兼容性改進，或?qū)νㄐ畔到y(tǒng)的使用方式和階段增加限制。

如有必要，在飛機上進行新加裝通信系統(tǒng)的電磁兼容地面試驗時，還可完成接收機輸入端口耦合測試。測試時，斷開飛機上原有通信導(dǎo)航系統(tǒng)接收機與對應(yīng)天線的連接，將測量接收機與待測天線相連接，分別測試新加裝通信系統(tǒng)在關(guān)機和開機發(fā)射狀態(tài)下各接收系統(tǒng)天線端口的電壓曲線。通過對比，可以定量分析新加裝通信系統(tǒng)對于飛機上原有通導(dǎo)系統(tǒng)接收機輸入端的干擾影響。

3）飛行電磁兼容性試驗

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

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

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

c.在進行地面電磁兼容性試驗時，測試結(jié)果安全裕度不大，考慮到飛行狀態(tài)更能體現(xiàn)實際的電磁兼容特性，可通過飛行電磁兼容性試驗對地面試驗結(jié)果進行進一步的驗證和確認。

在進行飛行電磁兼容性驗證時，應(yīng)特別關(guān)注在地面驗證中未驗證或需進一步驗證的項目。一般要求進行復(fù)飛及自動著陸階段的驗證，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給出了典型的飛機級電磁兼容性驗證流程。

4 總結(jié)

在民用飛機上加裝新的通信系統(tǒng)，飛機電磁兼容驗證不僅是適航取證中的重要組成部分，更是關(guān)系到飛機安全的重要保證。本文對民用飛機加裝通信系統(tǒng)的電磁兼容驗證流程進行了探討，驗證流程中涉及的環(huán)節(jié)、影響因素較多，需由改裝設(shè)計單位與設(shè)備供應(yīng)商共同合作完成。在驗證過程中，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，為完整可靠的飛機電磁兼容驗證提供有力支撐。

參考文獻

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[9] 蘇東林.系統(tǒng)級電磁兼容性量化設(shè)計理論與方法 [M].北京：國防工業(yè)出版社，2015.

作者簡介

閆京原，高級工程師，從事飛機加改裝設(shè)計及適航審定工作。

胡士博，工程師，從事飛機加改裝設(shè)計工作。