美军标 464D 初步分析
北京空间飞行器总体设计部 张华
摘要
对 MIL-STD-464D:2020（系统电磁环境效应要求）的正文和附录进行了初步分析，对其中文字更新较多的一般要求、外部射频电磁环境、电磁脉冲（EMP）、分系统和设备电磁干扰（EMI）、静电环境、辐射危害（RADHAZ）、系统辐射发射和电磁频谱兼容性等相关内容进行了汇总。重点介绍了这些技术要求的起因，防护设计的对象和目标以及测试验证中的注意事项，供关注系统级电磁环境效应分析、设计和验证的人员参考。
本文发表在《安全与电磁兼容》2021（5）
引言
2020 年 12 月，美国国防部发布新版的“系统电磁环境效应要求（”Electromagnetic Environmental Effects Requirements for Systems）接口标准 MIL-STD-464D: 2020[1]，替代 2010 年 12 月发布的“C”版本。新版标准在正文和附录中，分别对一般要求、外部射频电磁环境、电磁脉冲（EMP）、分系统和设备电磁干扰（EMI）、静电环境、辐射危害（RAHAZ）、系统辐射发射和电磁频谱兼容性等部分内容进行了更新。本文对更新内容较多的章节进行了初步梳理和汇总分析。
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MIL-STD-464D:2020 的主要更新内容
1.1 一般要求部分的更新内容
典型的系统级电磁环境效应工作可分为如下 5 个步骤 ：
1）构建相关的外部威胁环境（射频电磁环境、雷电和电磁脉冲等）要求 ；
2）识别完成任务相关的系统关键设备及其性能 指标 ；
3）通过对系统结构组成和各外部威胁环境影响分析，构建系统内部设备的电磁环境要求 ；
4）开展系统级和设备级电磁防护设计并留有相应的裕度，确保系统在寿命周期内有效运行 ；
5）实施电磁防护验证。
MIL-STD-464D:2020 在一般要求的附录中，强调在步骤 4）中，针对外部威胁电磁环境的防护设计，应加强系统内各专业的沟通，针对特性相近的环境效应（如电磁脉冲和雷电效应的大电流瞬态干扰特性）建议采取统一的解决措施，避免分别针对每种威胁采取不同的防护措施。
在步骤 5）的系统电磁防护验证中补充说明 ：传统上希望构建完整的外部威胁环境以对系统进行测试。但是，随着环境因素的增加，该方法在实施中遇到很多困难。建议将系统测试分解为多个低功率的测试项目，并统计影响概率，基本步骤是 ：
a）采用复杂的空腔测试技术，测量系统舱体内的最大电磁场分布 ；
b）通过系统外壳与频率相关的屏蔽效能传递函数将测试结果扩展到外部威胁环境 ；
c）按典型的内部场强对舱内设备直接进行敏感度阈值测试 ；
d）通过分析内部设备敏感度阈值与外部最大环境的比值，评估系统的抗干扰裕度和影响概率。
一般要求的更新内容强调在防护设计中应尽量采取统一的措施，在系统验证中提出了分解实施的替代 方案。
1.2 外部射频电磁环境部分的更新内容
MIL-STD-464D:2020 更新了陆、海、空等装备的外部射频电磁环境数据。在关注这些强外部射频电磁环境辐射的同时，也要注意低功耗的移动通信系统，其电磁辐射也会干扰邻近的敏感电子设备。
在海军舰船的电磁环境方面，美国防部根据战斗舰（CG-47 巡洋舰、DDG-51 和 DDG-1000 驱逐舰）、两栖舰（LCC-19 指挥舰、LHA-6 和 LHD-1 攻击舰 ；LPD-17 运输舰 ；LSD-41 和 LSD-49 登陆舰）、航母（CVN-68尼米兹级和 CVN-78 福特级）、扫雷舰（MCM-1）、海岸巡逻舰（PC-1）和濒海战斗舰（LCS-1 和 LCS-2）等舰船的电磁环境数据，分别复合更新了表 1 和表 2 的数据（表中绿底为变化数据，以下同）。有关美海军舰船电磁辐射场强推导的信息需参阅 MIL-HDBK-235E-2:2020 [2]。
空间和运载火箭系统的外部射频电磁辐射场强数据，是由海拔 185.2 公里（100 海里）高度的空间系统电磁辐射场强和各发射场及回收场上空 1 公里处的电磁辐射场强复合生成。MIL-STD-464D:2020 没有更新相关数据。有关推导电磁辐射场强的更多信息需参阅MIL-HDBK-235-3D:2018 [3]。
地面系统的最低电磁环境基线，是根据车队、移动和便携平台、基地（固定和可移动系统）在每种情况下与不同级别发射机间的相对距离得出。为简化测试，对实际的电磁环境场强进行了部分平滑处理，形成了目前的表 3 数据。有关推导电磁辐射场强的更多信息需参阅MIL-HDBK-235-4D:2018 [4]。
需要特别注意的是在裕度测试期间，安装在系统部件上的仪表应能捕捉到最大的系统响应，同时不对部件的正常响应特性产生不利的影响。如果使用较低级别的环境场强测试，对具有线性响应的组件（如热桥丝 --hot bridge wire EIDs）可进行外推，但非线性组件（如半导体桥丝 --semiconductor bridge EIDs）不可进行外推。
在表 8 中涉及军械不受限制和受限制的不同阶段。需要分别进行针对性的验证。
RADHAZ 在更新军械外部电磁环境部分数据的同时，补充了验证中的注意事项。
1.7 系统辐射发射的更新内容
MIL-STD-464D:2020 针对陆军地面战术车辆的无意辐射控制进行了补充说明。
在现代网络中心战场，装备系统采用不同的任务设备包（MEP - mission equipment packages）。这些MEP设备有一定差异，如包含不同的 VHF 和 UHF 收发设备、GPS 接收机和非通信接收机等设备。常规的系统间电磁兼容仅考虑系统内和分系统的设备，而不考虑独立的帐篷、建筑物、车辆和掩体中配置的通信设备。为便于快速前进或撤退，具有各种 MEP 的战术车辆会在帐篷或建筑物周围机动，组成前线作战中心（TOC）或指挥所；这时，一个系统的电磁辐射会干扰其它配置系统的工作，进而会发生车队系统间的干扰。因此，需对装备系统的辐射进行控制，使位于作战车辆附近的与天线相连的其它接收机不会受到干扰。关键控制参数（如频段、发射限值和环境条件）应基于在预期工作场景中邻近车辆的接收机特性。
因为很难在设备级构建和评估辐射发射，因此需要在作战指挥中心或指挥所级别进行更多工作。在战场数字化过程中，通信作为力量倍增器尤为重要，指挥人员比以往任何时候都更依赖通信。目前，在车辆上集成的复杂电子设备（如计算机、传感器和电子发动机控制系统）已对通信构成现实干扰。如不对这些集成装置的辐射发射电平进行控制，也可能会对邻近的接收器产生干扰。
系统辐射发射验证时，可通过同轴电缆将天线连接到 EMI 接收机、频谱分析仪或实时频谱分析仪等测量系统。并根据需要使用预放器提高接收测量系统的灵敏度。通常，为保护系统中的敏感设备和天线，常使用模拟接收天线并架设在车辆实际高度进行测试。一般根据测量系统接收到的电平，就可有效评估接收机的潜在性能降级。
为降低环境的电磁干扰和信号的反射，建议使用带测试控制间的电波暗室对系统进行测试。如果在开放的外场进行测量，其环境电平应足够低，同时接收系统与测试装置间应有一定的空间隔离措施，以确保测试仪器的发射不会影响测量。
1.8 电磁频谱兼容性的更新内容
MIL-STD-464D:2020 针对装备的频谱可支持性风险评估进行了补充说明。
美国防部发现在系统内、系统间以及装备系统和民用设备间的频谱干扰事件时有发生，如珍珠港附近的舰载雷达曾使檀香山机场的空中管制雷达性能降级。有的军方项目在系统开发初期没有申请频谱认证，但在研制中发现会干扰其他关键系统，导致*用军**系统在使用中能力受到限制。还有的基地通讯官员采购了商业批准的设备，但因为该设备的工作频率仅限非政府机构使用，导致必须采购第二套系统以满足任务要求。类似的情况是，有战术用户购买商用设备作为海外部署通信包的一部分，但没有获得东道国的频谱认证，导致该设备无法在欧洲和亚洲的东道国使用。如果了解并遵守频谱可支持风险评估条令，类似的问题有可能避免或被提前发现。随着可扩展频谱资源越来越少，必须有效管理现有频谱，确保军事行动的成功。
频谱可支持性风险评估（SSRA）应由系统项目经理和设备开发人员对所有用频设备进行的评估。识别工作电磁环境对系统或平台性能的潜在影响。评估应综合考虑频谱管理、技术参数、工作评估以及电磁环境效应（E3）评估等方面的问题和风险。主要内容如下 ：
1） 频谱管理 ：SSRA 的频谱管理主要针对美国和预期东道国（HN）的授权的无线电业务进行设备频谱认证（ESC）。空间系统 SSRA 的频谱管理还需检索已在国际电信联盟（ITU）登记的拟使用频带内其他空间系统的情况 ；
2） 技术参数 ：SSRA 的技术参数侧重于系统或平台设备的用频参数，以构建相互干扰风险评估的初始值。如，可以根据通用的干扰和噪声（I / N）比，研究潜在的相互干扰并确定控制电磁干扰所需的频率 - 距离（F-D）关系。具体的用频设备功能，如自动功率控制等可能会对 F-D 关系构成影响 ；
3） 工作评估 ：SSRA 的工作评估是分析工作环境对用频设备的影响，以确定系统工作性能可以满足接口要求。当工作评估中发现有频谱冲突风险时，应提出将风险降低到可接受水平所需的 F-D 隔离等解决措施 ；
4） E3 评估 ：SSRA 的 E3 评估是分析环境电磁干扰对平台、系统或设备的影响。需开展电磁干扰测试和分析，以确保地面、空中、海上和天基平台的电子和电气系统、分系统和设备能在自然和人为的电磁环境中有效工作。
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初步分析结论
通过对 MIL-STD-464D:2020 正文和附录的初步分析和理解，认为该标准对国内系统电磁环境效应工作的如下方面有借鉴意义 ：
1）外军在装备系统电磁环境数据收集、典型电磁环境复合生成方面有相对完整的基础数据和操作性指导手册，可为系统开展 E3 风险评估和防护设计提供技术基线 ；
2）标准附录中提供了较多的电磁干扰和 E3 案例，便于各级管理和技术人员理解系统级 E3 各项技术要求的目的 ；
3）针对系统 E3 防护需求，给出了相应的控制措施和验证方法，可以实现系统技术状态的闭环控制。
系统级的 E3 控制和验证是一项复杂的系统工程，需要多方联合加强共性基础数据收集，提升分析能力，细化电磁防护措施和验证方法，持续提升系统级 E3 工作的针对性和有效性。
参考文献
[1] MIL-STD-464D: Electromagnetic Environmental Effects Requirements for Systems[S]. 2020.
[2] MIL-HDBK-235-2E: External Electromagnetic Environment Levels for U.S. Navy Surface Ship Operations[S]. 2020.
[3] MIL-HDBK-235-3D: External Electromagnetic Environment Levels for Space and Launch Vehicle Systems[S]. 2018.
[4] MIL-HDBK-235-4D: External Electromagnetic Environment Levels for Ground Systems[S]. 2018.
[5] MIL-HDBK-235-5D: External Electromagnetic Environment Levels for Rotary -Wing Aircraft, Excluding U.S. Shipboard Operations[S]. 2018.
[6] MIL-HDBK-235-6D: External Electromagnetic Environment Levels for Fixed -Wing Aircraft, Excluding U.S. Shipboard Operations[S]. 2018.
[7] 汤仕平 . 电磁环境效应工程 [M]. 北京 : 国防工业出版社 , 2017.
[8] MIL-STD-188-125-1A: High-Altitude Electromagnetic Pulse (HEMP) Protection for Ground-Based C4I Facilities Performing Critical, Time-Urgent Missions, Part 1 Fixed Facilities[S]. 1998.
[9] MIL-STD-188-125-2: High-Altitude Electromagnetic Pulse (HEMP) Protection for Ground-Based C4I Facilities Performing Critical, Time-Urgent Missions, Part 2 Transportable Systems[S]. 1999.
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[11] MIL-STD-4023: HEMP Protection for Military Surface Ships[S]. 2016.
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[13] MIL-STD-461G: Requirements for the Control of Electromagnetic Interference Characteristics of Subsystems and Equipment[S]. 2015.
[14] MIL-STD-331D: Fuzes and Ignition Safety Devices and other Related Components, Environmental and Performance Tests for [S]. 2017.
[15] JOTP-062: Joint Ordnance Test Procedure (JOTP) Personnel-borne ElectroStatic Discharge (PESD) Helicopter-borne ElectroStatic Discharge (HESD)[S]. 2015.
[16] MIL-HDBK-240A :Hazards of Electromagnetic Radiation to Ordnance (HERO) Test Guide[S]. 2011.
来源 | 【CN防雷】公众号