VLBI臺站電磁兼容性評估

劉 奇

(中國科學院國家天文臺烏魯木齊天文站，新疆 烏魯木齊 830011)

評估系統電磁兼容性，最直接的方法是電磁兼容性試驗與仿真。采用試驗與仿真可以對系統進行可信度評價，找出系統內電磁兼容性的問題所在，并指出系統設計方案的缺點。然而，試驗與仿真獲得的數據只能反映系統離散的、局部的特性，無法反應系統整體電磁兼容性能的優劣。要想用這些離散的測試和仿真數據反映系統整體的電磁兼容性能，需要研究系統級的電磁兼容性評估技術。

1 系統電磁兼容性評估技術發展概述

國外對系統電磁兼容性的研究始于20世紀70年代。1969年，Herbert K Mertel在文［1］中提出了對大型的電磁兼容項目采用“電磁兼容分數”(EMC scores)來反映其系統整體電磁兼容性的想法，并指出這種做法對電磁兼容項目的管理和工程實施具有重要的意義。近5年來，數據庫技術、媒體開發技術等先進計算機技術得到迅猛發展［2］，為電磁兼容分析預測基本計算模型集成化技術的研究提供了有力的工具。國外己經開發出專門的電磁兼容知識庫系統和數據解釋分析系統，并通過對電子線路計算機輔助設計和設計文件的分析給出系統級電磁兼容性的設計建議［3］。之后國外主要通過理論計算對用電設備或系統的電磁兼容程度進行分析評估。較常見的評估手段是干擾裕度模型，基本思想是分析系統內的主要干擾源、敏感設備及潛在的耦合干擾途徑，通過計算耦合到敏感設備上干擾電壓/電流與敏感度差值的大小(即干擾裕度)，對系統局部或整體的性能進行評價。目前，美國開發的IEMCAP系統［4］可以同時處理多達200個以上的干擾源和干擾接受體，能夠對飛機、航天器、導彈、地面系統等復雜系統內的電磁兼容性進行評估［5－7］。

在國內，文［8］提出用可靠性理論中級聯和并聯端口分析系統，然后結合專家打分的方式最終給出系統整體電磁兼容性評價;文［9］提出系統間電磁兼容分析與仿真，在分析了局部區域中的無線電系統間相互干擾的特點及目前存在的無線電系統體系結構的基礎上，根據電磁干擾預測方程和多級預測原理，確定了預測分析方案。采用通用模型分別對發射機、發射天線、接收天線和接收機進行了電磁兼容性預測建模。文［10］提出對特種飛機進行全面的電磁兼容性評估，通過構造關聯矩陣獲得敏感設備接收干擾信號的總功率，然后用接收總功率與干擾門限功率的比值對燃油、人員、敏感設備進行安全性的評價，這種方法本質上和國外的干擾裕度模型相同。但是這些方法相對比較簡單、直接，同時受制于專家的經驗水平，其結果主觀片面。

綜上所述，國內外針對系統級電磁兼容性評估理論的研究處于起步階段，已經提出的一些方法或實踐都有各自的不足。本文通過對各種評估方法的分析與對比，提出適用于VLBI系統電磁兼容性的綜合評估方法，具有一定的工程意義。

2 VLBI臺站電磁兼容性

我國國家軍用標準GJB72A-2002［11］規定，電磁兼容性是指電子、電氣設備或系統在預期的電磁環境中按設計要求正常工作的能力。它反映的是設備或系統承受電磁騷擾時能正常工作，同時又不產生超過規定限值的電磁騷擾。它是設備或系統的重要性能指標，也是保障系統的工作效能和提高系統可靠性的重要因素。

VLBI臺站內共存有天線系統、前端接收機系統、終端系統、時頻系統以及變頻調速器、電風扇、空調機、開關電源等易產生電磁干擾的設備，這些設備通過電源系統、接地系統、互連系統以及空間輻射產生電磁干擾耦合，導致系統電磁環境非常復雜，影響系統的電磁兼容性。

VLBI臺站電磁兼容性具有如下特點:系統組成復雜，在有限的空間內存在大量的各種類型的設備，各設備之間通過電源系統、互連系統、接地系統、空間耦合構成各種聯系，這些聯系都有可能成為潛在的干擾耦合途徑。

影響系統總體電磁兼容性的指標眾多，有些指標可以通過測試方法直接獲得，有些指標則需要通過仿真或者解析計算的方法才能獲得，還有些指標無法獲得定量的表述，為了便于評估，需要將定性的描述轉化為定量的描述;在獲得了各影響因素的評價指標之后發現，各指標的表達形式不同、量綱不同，不便于在同一基準下進行比較，因此還要對各指標進行規范化處理。

3 系統評估方法

系統評估通常是指對被評估系統所進行的客觀、公正、合理的全面評價，可抽象地表述為:在若干個備選方案中，如何確認各個方案性能的好壞［12］。評估涉及數學、運籌學、管理學和相關領域的自然科學，是一門橫跨自然科學與社會科學并涉及人類思維領域的新興交叉學科。

評估方法的發展大致經歷了3個階段:第1階段是評估的規范化、程序化;第2階段是評估的數學化、模型化、計算機化;第3階段評估的特點是硬技術與軟技術的結合，是定量與定性的結合，是技術與藝術的結合。硬技術主要是指運籌學，軟技術主要指創造學。當代數學的發展，為評估科學提供了重要的理論方法，而計算機技術的發展，為評估科學提供了強有力的輔助工具和信息處理手段，成為實現評估科學的重要物質基礎［13］。

3.1 系統評估理論基礎

評估的整個過程就是提出問題、分析問題和解決問題的過程，主要包括4個階段，其流程如圖1［14］。

決策者應根據實際工作的需要，在充分考慮現實性和可能性的基礎上，提出需要進行評估的研究問題，并盡可能地明確所研究系統的結構與特點;在構成問題的階段，明確系統的層次關系、主要元素、影響因素，并根據評估目標形成一個評估指標體系;然后，根據系統實際的特點構造適合于系統的評估方法;最后，根據已確定的指標體系與評估方法，結合決策者的價值判斷，排列各備選方案的順序。系統的分析、綜合和評價是評估的主要階段。如果評價的結果不夠滿意，可根據反饋的信息，返回到以前階段重復地更深入地進行分析研究，以期獲得盡可能滿意的結果。

圖1 評估的基本流程Fig.1 Flowchart of the overall evaluation process

3.2 系統評估方法分析

表1為常用的評估方法，通過對比分析可以看出:每種評估方法都有一定的適用性，不能將它們直接應用到VLBI臺站電磁兼容性評估中。沈宣江［15］結合層次分析法(AHP)法與理想點排序法(TOPSIS)法各自的優點，構造了適合于車載通信系統電磁兼容性的AHP-TOPSIS多指標評估方法。

但是影響VLBI臺站電磁兼容性的各個指標，以及它們之間存在的不可忽視的相互依存、相互影響的關系。為真實地反映待評估系統的非線性特征及指標間的相互作用，以便更有效地實現評價目的，有必要引入網絡層次分析法。ANP是由AHP的延伸發展，這就意味著它不僅具有AHP的優點，而且因其以網絡形式呈現復雜問題，在一定程度上彌補了AHP的不足。

表1 常用評估方法對比［15］Table 1 Comparison of commonly used evaluation methods［15］

3.3 改進的ANP-TOPSIS綜合評估方法

胡超［16］提出ANP-TOPSIS綜合評估方法是在AHP-TOPSIS方法基礎上的改進，ANP-TOPSIS綜合評估方法更優化，更適合VLBI臺站電磁兼容性整體性評估。但是通過ANP獲得的權系數主觀因素影響較大，權系數主要是通過判斷矩陣的輸入后經過復雜計算獲得的。所以，判斷矩陣的輸入也就成為權系數獲取的關鍵環節，其中每個元素是專家對屬性進行兩兩比較，并在一定的標度下對相對重要性進行賦值得到的，但是由于標度的有限性，專家只能在有限的幾個刻度中進行選擇，加上專家本身在識別判斷上有最小分辨率，就使得判斷矩陣中的元素帶有一定的不確定性，并不能作為權系數比值的精確結果，而矩陣本身也變得不相容。在此基礎上得到的權系數也就不可避免地存在一定的偏差。對于這個問題，從矩陣元素出發，考慮評估過程的實際情況，運用權系數確定的區間調整法［17］，以減少主觀因素的影響，從而改善了ANP-TOPSIS綜合評估方法，算法流程如圖2。

4 系統電磁兼容性評估模型

通過對VLBI臺站電磁兼容性分析及評估理論的分析，選用適合系統電磁兼性的改進的ANPTOPSIS綜合評估方法，評估模型如圖3，首先將系統元素劃分為兩大部分，第1部分稱為控制層，包括問題目標及決策準則，且所有的決策準則是彼此獨立的;控制層中可以沒有決策準則，但至少要有一個目標，控制層中每個準則的權重均可用傳統的AHP方法獲得;第2部分為網絡層，它是由所有受控制層支配的元素組組成，其內部是相互依存、存在反饋和反支配的網絡結構［18］。

圖2 改進的ANP-TOPSIS方法Fig.2 Flowchart of the improved ANP-TOPSIS method

5 系統級電磁兼容性分析

通過對VLBI臺站系統級電磁兼容性評估，可更深入的了解系統級的抗干擾性能。但是，分析系統內部的薄弱環節、關鍵環節及設備級電磁兼容性對系統的設計及局部改進擁有更重要的意義。如圖4，可以在評價環節后加入分析環節，對系統內部薄弱環節、關鍵關節及設備級電磁兼容性進行分析，從而獲得影響系統電磁兼容性的薄弱環節和關鍵環節。通過分析預測，可以將其重要信息反饋給輸入環節，這樣就構成了一個閉環系統，對系統的整體設計及局部設備維護提供參考及建議。

圖3 VLBI臺站電磁兼容性評估模型Fig.3 Model of electromagnetic compatibility evaluation for a VLBI station

6 小結

圖4 基于系統級評估的內部環節分析Fig.4 Analysis for internal steps of system-level evaluation

本文對系統級電磁兼容性評估方法做了深入研究，分析了VLBI臺站的系統電磁兼容性，并提出適用于此系統電磁兼容性的綜合評估方法;系統指標體系的確立與完善需要做進一步的工作;其次，測試與仿真技術的應用、數據分析及局部評估方法的研究有待于進一步的加強。

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