国产客机C919今日首飞--浅析飞机电磁兼容预测分析系统设计
浅析飞机电磁兼容预测分析系统设计
摘要：由于飞机的电子设备的种类和数量繁多，其发射频率范围广、功率大、灵敏度要求高，因此飞机的电磁兼容性问题就成为了飞机设计制造中的一项重要任务。为实现整机的电磁兼容性预测、分系统电磁兼容性指标的分解，以达到整机电磁兼容性的量化控制的目的，本文提出了一种飞机电磁兼容预测与分析系统的设计方案，根据结构外型及装机分系统、电子设备、机载天线结构和输入输出端口特性及电特性摸底测试数据，建立整机电磁兼容数字飞机模型和机载电子系统的电磁兼容行为级仿真模型，运用分析算法和电磁计算工具，预测飞机的干扰问题。试验结果显示，全机电磁兼容性良好, 无重大电磁兼容性问题出现，飞机电磁兼容预测分析系统设计研制成功。
【关键词】飞机；电磁兼容预测；分析系统；设计
一．引言
随着科学技术的飞速发展，在当下的信息时代里, 衍生出一批拥有专业用途的复杂电子信息系统。即在有限的空间里集成大量的电子信息设备，该套设备具有: 信息的高度聚合性、性能的高度先进性、使用模式的高度复杂性、电磁兼容对安全的决定性的特点。近年来，我国科研机构根据系统特点，结合自身工作经验，开发设计出了具备査询、预测、分析等功能的电磁兼容预测分析系统。国外许多国家的相关研究部门也已研制出了飞机、 船舶的电磁兼容设计、分析软件，用以分析、预测、处理大型复杂设备的系统电磁兼容问题，并建立了专门的电磁兼容数据库系统和数据分析系统。
飞机电磁兼容性系统研究指的就是飞机在特点的时间、空间及频谱条件下，各设备在某一大电磁环境下的同时工作，而不会相互干扰影响，引起性能降级的一门学科。随着电子、计算机与系统控制理论等领域技术的不断突破，飞机电子设备种类和数量也越来越多，频率使用范围不断扩展，发射功率越来越大，接收灵敏度越来越高，飞机上的电磁环境也越来越复杂，与此同时，复杂的电磁环境也对电子设备的系统提出了更为严苛的电磁兼容性要求。然而，系统的电磁兼容性研究现已发展为多学科高度融合的项目。子系统与子系统间、系统与环境间的电磁干扰交融的系统工程问题, 已成为影响大型复杂电子信息系统研制成败的关键。但由于电磁兼容性问题特别是系统级电磁兼容问题具有复杂性、隐藏性、测试指标的多样统计性等特点，使得其不同于大多数电器系统固定的性能指标研究。对于飞机这类对电磁兼容性要求极高的系统来说，整机电磁兼容性的顶层量化设计是一个现代科技领域的重大技术难题。
二．飞机整机电磁兼容问题的特点与难点
设备的电磁兼容性是电子信息系统的特性, 但了解各设备的电磁兼容性特点与整机电磁兼容问题的难点, 对全机电磁兼容量化设计十分必要。但由于其隐蔽性和高度的不确定性, 使得整机在电磁兼容模型的设计、电磁兼容性指标的检测、电磁兼容的试验和电磁兼容性的评估等过程中都具有以下的特点：
1.指标特征的概率统计性
由于电磁兼容指标与一般电器设备的指标不同，飞机整机电磁兼容性是所有电子信息系统综合作用的结果，因此，使得无论是整机设备的电磁发射特性，还是整机设备的敏感特性都具有概率统计性。所以，飞机整机的电磁兼容数据收集方法和统计分析方法都对整机电磁兼容性指标的研究都起着关键性作用。2. 设计流程的特殊性
根据功能性参数要求完成电器设计是传统电器设备的设计。如工作频率、频率带宽、灵敏度、解调方式、带外抑制谐波、发射功率等参数设计机载电台。但本文提出的电磁兼容性设计，包括传统信号设计流程和传统信号与非预期信号共同输入的设计流程这两个设计过程。这里, 非预期信号指的是飞机带来的干扰信号以及机载电台在空中面临的电磁环境信号的总称。飞机造成的干扰信号就是机上电源和阻抗等由于条件不理想导致的干扰，及其他机载电子信息设备对电台的干扰。因此，只有当机载电台对上述干扰信号有相应的防护性设计, 将正常设计信号与机内外带来的干扰信号共同作为电台的输入，才能使机载电台具备装机能力, 使其能与机上其他设备兼容工作。
3.实验判断的途径不同
电磁兼容系统的试验与一般电器的试验不同, 它主要通过外观表象的检测来判断故障。系统电磁兼容试验对飞机整机进行的一项试验, 实验收集到的数据是整机的综合数据。因此，飞机电磁兼容性问题的分析是通过外在表象来分析内部的问题。其主要任务就是检测在子系统正常的情况下, 由于系统间互联所产生的新电磁兼容问题。当然，这种实验使得整机电磁兼容试验复杂，但却是十分重要的。
4.大系统实验与子系统实验的本质区别
整系统电磁兼容的试验与各设备子系统的试验存在着本质的区别。从系统规模上来说，将电磁兼容问题可以被分为器件级、设备级、子系统、整系统等不同层次。飞机整系统是集 合了大量的电子信息控制设备, 且分布相对较分散, 因此测试天线只能覆盖部分设备, 从而使得系统电磁兼容试验不管是从参数上还是方法上都与器件级、设备级、子系统的试验有本质上的不同。
三．飞机整机电磁兼容预测分析系统设计流程
1.飞机电磁兼容预测分析系统的总体结构
目前，飞机电磁兼容预测分析系统主要用Visual C 语言开发，它是一种功能强大、行之有效的可视化设计工具，在计算机其他诸多领域都得到广泛的应用。电磁兼容技术人员通过人机交互管理接口对子数据库进行构建和维护，通过数 据交换程序，可以使得各子系统可以实现资源共享。操作人员通过人机界面，应用预测和分析算法，获取来自子数据库足够的信息反馈，完成预测；预测完成后，在终端界面显示结果；在数据管理人机接口，对整体数据进行备份，供以后分析参考。
2．飞机电磁兼容预测分析系统的设计思路
（1）数据库的构建
数据库构建是电磁兼容预测分析系统实现的核心之一。飞机电磁兼容预测分析系统由程序控制并最后由计算机自动完成。该技术的突破点在于需要获取设计数据、测试数据、频段数据、灵敏度数据、天线增益数据等等，系统文件数据库主要用于存放系统预测分析的输人数据以及产生的结果数据，利用这些数据的频繁更新和及时维护，以便随时对系统数据库进行升级。
（2）预测分析模块的实现
预测分析模块的实现是电磁兼容预测分析系统实现的另一个核心。从存放系统的角度来说，不管是简单还是复杂的系统， 其电磁兼容问题都可以归结为这样三个因素：发射源、连接途径及接收器。在进行存放系统的预测分析时，一般都是每次选用一个发射源，一个接收器和一种连接方式进行分析。然而，我们知道一架飞机的电台系统同时拥有多个干扰源和敏感设备。干扰源的非线性特点导致其除了输出基波外，还输出许多其他频率的能量。接收设备除了相应基波外，还存在乱真响应。而且其连接途径也有很多种，连接方式一般分为空间辐射和线性传导，这样就使得发射与接收的频率非常巨大,仅采用一种模型预测的话,往往会导致精度不够或时间过长。为提高测试效率,本系介绍实践中被广泛应用的幅度筛选法。
幅度筛选是飞机电磁干扰预测实验中常用的基本方法之一，它采用简单、合理的近似，粗略地在频率、距离、方向这三个方面测试对电磁干扰的影响，将大量的微小干扰和较少的强干扰分离开，对小干扰不做后面各阶段的预测, 集中精力对强干扰进行仔细的分析和预测，这样可以使研究问题的范围极大地得到缩小。幅度筛选不仅可以进行初次剔除微小干扰，其计算结果还可以用来修正随后的精确预测结果。通过幅度筛选以后,考虑以频率选择性为特征的附加干扰来详细地处理频率变量。同时，还要详细考虑时间、距离、方向三个变量，将前面的潜在干扰幅度变成随干扰频率和随时间变化的因素。性能预测需要考虑诸如发射机和接收机的调制特性，把预测分析结果转换为对用户更直观、便捷的形式。
两个系统间的干扰分析说明，首先找出干扰源和敏感器的数量；其次测试过程中选择某一特定的干扰源和特定的敏感器，尽可能地列举出所有可能存在的连接途径；然后对每个途径建立预测分析方程，在此基础之上再综合考虑飞机整体设备中的所有干扰源和所有敏感器，完成对整个系统的预测分析。随着电子、计算机与系统控制理论等领域技术的不断突破，飞机电子设备种类和数量也越来越多，频率使用范围不断扩展，发射功率越来越大，接收灵敏度越来越高，飞机上的电磁环境也越来越复杂，与此同时，复杂的电磁环境也对电子设备的系统提出了更为严苛的电磁兼容性要求。然而，系统的电磁兼容性研究现已发展为多学科高度融合的项目。
四．结束语
飞机电磁兼容性问题直接影响到电子设备的正常工作，关系到飞机使用过程中的安全性能。如何通过预测分析系统发现飞机潜在的干扰问题，采取防护性措施，对飞机的设计、试验和使用可以起到关键性作用。根据结构外型及装机分系统、电子设备、机载天线结构和输入输出端口特性及电特性摸底测试数据，建立整机电磁兼容数字飞机模型和机载电子系统的电磁兼容行为级仿真模型，运用分析算法和电磁计算工具，预测飞机的干扰问题。笔者在文中提出了一种飞机电磁兼容预测分析系统的设计方案，在查阅和积累了大量的设计、实验数据后，开发出一套能够对飞机电磁兼容进行有效预测分析的系统软件，并对飞机电磁干扰控制起到一定的帮助作用。电磁兼容性预测是飞机安全性测试计算机辅助设计技术之一，它具有效率高、成本低、修改简便、数据准确等的特点，在我国及欧美地区早已广泛应用，随着技术的不断突破和创新，未来它还将拥有更为广阔的应用前景。
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