1 引言
高空核爆炸是一种爆炸高度高于30 km、具有大规模毁伤破坏效应的物理爆炸过程，实验证明核爆产生的高空核电磁脉冲(High altitude nuclear electromagnetic pulse，HEMP)能使数千千米以内的电子装备和系统遭到干扰和破坏[1]。国外各科研机构高度重视武器和电子信息装备的核电磁脉冲毁伤和防护机理研究工作，针对强电磁脉冲攻击下电路中敏感电子器件的失效模式、损伤机理和能量耦合方式进行了广泛研究[2-5]。国内方面，西北核技术研究所、中国工程物理研究院等相关科研单位对半导体器件、集成电路器件及电子设备的强电磁脉冲毁伤效应进行了大量研究，并取得了一定成果[6-9]。
近年来，卫星导航系统在各领域得到了越来越广泛的应用。导航接收系统作为接收、处理、解算导航信号的关键部分，其性能好坏直接影响导航系统定位、授时等各项用户服务质量。随着用频装备日益增加，空间电磁环境更加恶劣，导航接收系统在高强度复杂电磁环境下极易受到干扰甚至损毁[10]。目前，国内外对卫星导航接收系统的电磁效应研究主要集中于连续波干扰和部分强电磁脉冲干扰[11-14]，连续波干扰下导航系统的电磁敏感度阈值和捕获跟踪性能以及导航接收机内部强电磁脉冲能量的耦合途径已得到了广泛研究。但针对核电磁脉冲辐照效应，特别是对卫星导航系统的电磁效应试验研究较少。因此，开展HEMP对导航接收系统电磁辐照干扰研究具有重要意义。
本文基于HEMP快电磁脉冲模拟装置，搭建了核电磁脉冲对导航接收系统的模拟试验平台，设计了辐照效应试验方法，以接收天线和导航接收机为受试对象，经过重复试验得出HEMP辐照下导航系统的电磁效应现象；最后，结合对比试验和电磁仿真分析HEMP辐射场对导航系统的具体能量耦合途径，为增强导航接收系统的抗电磁干扰性能提供参考。
2 HEMP对北斗导航系统辐照效应试验
2.1 试验配置与方法
2.1.1 HEMP模拟系统
核武器爆炸在释放巨大能量的同时，产生不同形式的杀伤破坏效应和放射性核辐射污染，对自然环境和人类造成不可逆的危害[15]，因此利用实际核爆产生的HEMP进行电磁辐照试验不具可行性。模拟系统试验条件单一、测试方便、结果便于分析，为研究HEMP环境下的导航接收机响应提供了可能。实际核爆试验中测得HEMP波形可近似拟合为双指数函数，其解析函数表达式为
E(t)=Epk(e-βt-e-αt)
(1)
式中： Ep为HEMP峰值场强，k为峰值修正系数，α、β影响脉冲峰值、前沿、后沿、半宽等参数。HEMP时域波形及其归一化频谱如图1、图2所示，可以直观看出HEMP峰值场强极高，脉冲前沿上升时间短，频带覆盖范围较宽，能量值主要集中在200 M以下的频段。
图1 HEMP时域波形曲线
Fig.1 Time-domain waveform of HEMP
图2 HEMP归一化频谱曲线
Fig.2 Normalized spectrum of HEMP
参照我国GJB 151B—2013中RS105试验采用的IEC双指数脉冲波形标准，研制了HEMP模拟系统，该系统由核电磁脉冲源和电磁场传输装置组成[16]，如图3所示。 核电磁脉冲源采用双边充电的Marx发生器，用于产生脉冲电压对介质或电容充电，利用交流电整流后得到的直流电源给多级并联的电容器充电，在间隙G1～Gn依次被电压击穿后再切换成串联结构放电实现输出极高的电压脉冲。电磁场传输装置采用垂直极化有界波模拟器，上极板采用金属线栅，特性阻抗为180 Ω。
图3 HEMP模拟装置示意图
Fig.3 Schematic diagram of HEMP simulation device
2.1.2 北斗卫星导航接收系统
北斗卫星导航接收系统属于用户设备部分，用以接收北斗卫星导航信号，获取必要的导航定位信息和观测信息。接收系统主要包括导航接收天线、导航接收机及计算机数据监测端。
导航接收天线采用右旋圆极化微带天线，内部包含滤波器及低噪放模块。接收天线将卫星发射的无线电信号转换成电信号，对环境噪声及部分射频干扰信号进行初步滤波，再经低噪放模块放大微弱导航信号，降低噪声干扰，提高导航信号输出信噪比。
导航接收机单元主要功能是对经过放大和下变频处理的导航接收信号进行跟踪、处理和解算，图4为接收机内部信号处理流程框图[17]。天线接收卫星导航信号，在射频芯片内与本振混频输出中频信号，经ADC模数转换后将数字中频信号输出至基带芯片，在相关器内进行解扩解调以实现载波剥离和伪码剥离，最终得到导航信号中携带的导航电文。
计算机数据监测端通过RS232电缆连接导航接收机，完成导航电文、定位经纬度、伪距、速度等导航信息的接收。软件界面显示卫星实时载噪比，作为导航接收机工作性能评判指标之一，实现导航数据可视化。结合实际导航接收系统中计算机监测端数据串口差异，为尽量保证试验完整性，本文共选取3种不同类型监测计算机完成核电磁脉冲试验研究。A类计算机为笔记本，无RS232串口，需通过USB转232的串口转接线转出串口；B类计算机为笔记本，有独立232串口，可直接通过数据线与接收机实现数据传输；C类计算机为台式机，有独立232串口。
图4 接收机内部信号处理流程框图
Fig.4 The internal signal processing flow of the receiver
2.1.3 试验方法
研究核电磁脉冲效应时，本文采用实验室模拟的方法，借助HEMP模拟系统产生核电磁脉冲进而开展导航接收系统的辐照效应试验研究。试验配置如图5所示，主要包括HEMP模拟系统、北斗卫星导航接收系统、导航信号模拟器、同轴线缆及数据传输线等。将产生卫星导航信号的导航信号模拟器、发射天线和计算机监测端放置于HEMP辐照区外；导航接收系统中的接收天线和接收机置于辐照工作内，调整发射天线位置，使得接收机正常接收模拟导航信号。设置播发的模拟导航信号功率，使卫星导航模拟信号与本地实际接收卫星的载噪比一致，计算机监测端界面如图6所示。调整HEMP模拟装置中高压脉冲源火花隙开关的气体压强，通过改变放电间隙来控制脉冲输出电压以达到辐射区域额定场强值。进行单次核电磁脉冲放电试验，记录试验现象；间隔10 s再进行下一次放电测试，一组测试10次，共完成3组重复试验，观察并记录导航接收机载噪比和监测计算机状态变化。
图5 HEMP辐照试验配置框图
Fig.5 Block diagram of HEMP irradiation test
图6 监测软件界面
Fig.6 Monitoring software interface
2.2 试验结果与分析
试验共选用3种不同类型计算机作为数据监测终端。A类计算机为笔记本，无RS232串口，需通过USB转232的串口转接线转出串口；B类计算机为笔记本，有独立232串口，可直接通过数据线与接收机实现数据传输；C类计算机为台式机，有独立232串口。HEMP辐照试验测试结果如表1所示。
表1测试结果表明：导航接收系统中不同计算机监测端的抗电磁脉冲干扰性能存在较大差异。在73 kV/m 的HEMP强辐照下，数据监测终端为台式机C时能保证导航系统正常工作，且监测卫星载噪比未出现大幅度降低，只存在1～2 dB的衰减，而当监测设备为笔记本A和笔记本B时均出现了异常。
表1 导航系统HEMP辐照测试结果
Table 1 HEMP radiation test results of navigation system
场强(理论值)ABC第1组 73 kV/m软件数据不更新第3次电脑重启正常工作(10次)第2组 73 kV/m软件数据不更新第9次电脑重启正常工作(10次)第3组 73 kV/m软件数据不更新第4次电脑重启正常工作(10次)
在试验结束后重启导航接收机和上位计算机监测软件，仍能正常进行卫星导航信号的实时定位解算，可知HEMP强干扰下导航接收系统内部敏感器件并未出现永久性的毁伤，只存在短暂的信号或电压扰动。
改变接收机和接收天线在HEMP模拟器工作空间中的放置位置，增大HEMP辐照场强，进一步探究监测终端为台式机C时导航接收系统的抗电磁干扰性能，表2为辐射场增强后的测试结果。
表2 HEMP场强增大后台式机测试结果
Table 2 Desktop test results after HEMP field strength increases
场强(理论值)台式机C第1组 86 kV/m第1次电脑重启第2组 86 kV/m第2次电脑重启第3组 86 kV/m第2次电脑重启
由表2可以看出：电磁脉冲辐照能量值大小会影响台式机工作性能。在HEMP辐射场强增大后，台式机C开始出现重启现象，说明较大的电磁能量耦合进入内部电路系统，并造成了系统供电电压不稳，但从整体来看，导航接收系统中的计算机监测端为台式机时的抗电磁脉冲干扰能力要明显优于笔记本电脑。
3 电磁能量耦合途径分析
HEMP能量耦合到电子系统内部的途径有通过天线的 “前门”耦合，也有通过孔缝的“后门”耦合，或者通过接收机暴露在外的电源线、数据端口等耦合进入内部电路[18]，下面对可能的电磁耦合途径逐一分析。试验用导航接收机周身为全封闭的金属壳体，通过孔缝耦合进入的空间辐射电磁能量较小，对接收机工作性能影响可以忽略，此处不予考虑。在HEMP的单次电磁脉冲辐射下，导航接收机能正常开机工作，表明接收机供电电压并未受电磁脉冲波形影响。下面主要考虑接收天线耦合与数据传输端口的能量耦合。
3.1 天线耦合
为探究电磁脉冲能量的具体耦合途径，首先将导航接收机移至HEMP辐射区域外，受试设备调整为单独的导航信号接收天线。重复上述试验步骤与方法，在3种不同计算机设备监测下，导航系统定位功能均未受影响。改变接收天线放置位置，使其所受辐射场强增大，在电磁脉冲辐照下导航接收系统仍能正常工作，由此得知通过接收天线耦合进入的核电磁脉冲辐射场能量不足以造成数据传输中断和计算机重启，天线耦合并非HEMP能量的主要耦合途径。
为进一步验证该结论的可靠性，利用电磁仿真软件CST-MWS构建HEMP辐照导航接收天线简化模型，探究在HEMP平面波激励下天线末端能量耦合情况。将HEMP设置为激励源，波形参数与试验辐照波形保持一致。导航天线建模为右旋圆极化贴片天线，介质基板采用介电常数为2.2的Rogers RT5880高频线路板。为保证天线接收端口耦合响应电压达到最大，电场极化方向与天线匹配，均为右旋极化。图7所示为HEMP垂直辐照接收天线仿真模型。图8为HEMP辐照下天线末端感应电压随HEMP辐射场强变化情况。
图7 HEMP辐照天线仿真模型示意图
Fig.7 Simulation model of HEMP radiation antenna
图8 HEMP辐照下天线末端感应电压曲线
Fig.8 The induced voltage at the end of the antenna under HEMP irradiation
由图8可知：接收天线末端感应电压随着HEMP辐照场强的增大大致呈线性变化趋势，在HEMP场强高达90 kV/m条件下，天线末端耦合电压峰值仍小于30 V，再经过前端限幅、滤波作用，耦合进入系统内部电路的电磁能量不足以对敏感器件造成干扰。本质上讲，接收天线就是一个能量转换器，将空间辐射的电磁波转换成高频电流或者导波，具有其特定的工作频段。图2可以清晰看出：HEMP的辐射能量主要集中于200 MHz以下，与天线的工作频段不匹配，在高能量的脉冲辐射下大部分电磁能量并不能耦合进入天线，因而对导航系统内部电子设备几乎不造成影响。
3.2 数据串口耦合
排除HEMP对导航接收天线的辐照干扰效应，现将分析重点转向由数据传输线至数据串口的传导干扰耦合。暴露于HEMP辐射场内的传输线在强电磁场辐照下易感应出瞬变高电压，直接由监测端和接收端之间的导电通路耦合至数据串口进而影响系统内部电路正常供电电压。将位于辐射场内部的传输线及数据串口进行金属屏蔽网包裹，并且采用严格的金属接地措施。再次对导航接收系统进行HEMP辐照，由试验结果可知，辐射场强达到最大时3种不同类型计算机依然能完成数据收发和监测工作，表明传输线耦合为导航接收系统工作异常的主要原因。
传输线终端的开路电压由式(2)给出，
(2)
式中： t0=2h/csinψ，τ=1/β为HEMP的时间衰减常数，D(ψ, φ)为方向性函数，感应电压主要取决于电磁脉冲的入射场幅值大小、入射仰角和方位角、线缆距地平面高度以及传输线自身的衰减常数。
在HEMP辐照试验中，没有独立232串口的笔记本A和有独立232串口的计算机B分别出现导航数据不更新和电脑重启现象，进一步分析其原因：
1) A类笔记本需要u转232转出串口，在强电磁脉冲辐射场下，当电磁能量传导至u转232芯片时，串口芯片的内部电路感应出尖峰脉冲电压而导致芯片停止正常工作，阻隔了能量向上位计算机的传输，同时也使导航接收机输出的实时卫星定位数据无法传输至软件监测端，导致监测端出现导航数据不更新现象。
2) B类和C类计算机出现重启现象，是因为接收机与计算机直接通过RS232串口线缆连接，当传输线中的HEMP耦合电磁能量达到一定强度很容易通过串口引脚直接传导至上位机电脑端，引起短暂的电压供电异常，电压紊乱从而导致电脑出现重启现象。
4 结论
1) 利用核电磁脉冲源模拟系统设计开展了HEMP对某型北斗接收系统的辐照效应试验研究，在以IEC为波形标准的双指数脉冲辐照下，不同类型的数据监测终端出现了不同的效应现象，受试对象不同会极大影响试验结果。
2) 接收天线处于HEMP工作区域，导航系统正常工作，电磁脉冲信号对导航接收机性能无明显干扰效应，主要因为HEMP能量集中频段与接收天线工作频段不重合，导致大部分电磁能量无法耦合进入接收天线，天线耦合不是HEMP能量进入接收机的主要途径。
3) HEMP辐照下的导航接收系统电磁干扰能量主要来自传输线耦合。干扰能量以感应电压形式传输至数据串口，不同传输结构下的干扰效应不同。在73 kV/m场强辐照下，无RS232串口的笔记本出现导航数据不更新的现象，是由于u转232串口转换器阻隔了能量与导航数据向上位计算机的传输。有RS232串口的笔记本在HEMP干扰下出现电脑重启现象，电磁脉冲能量耦合进入电子设备内部导致电脑供电电压紊乱以致电脑重启。
4) 以台式机作为数据监测终端时的导航接收系统抗电磁脉冲干扰能力整体高于以笔记本作为数据监测终端的情况，但在增大辐射场强后仍出现重启效应，下一步应重点开展数据串口的HEMP防护工作。
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