民用無人機(jī)電磁/地磁環(huán)境分析和測(cè)試要求

曹賀　吳強(qiáng)　谷全祥　蔡琰　王鐵剛

本文分析了無人機(jī)運(yùn)行過程中遭遇的工頻干擾、浪涌干擾、阻尼干擾等電磁干擾問題，以及地磁紊亂問題，提出了針對(duì)性測(cè)試手段要求，為開展無人機(jī)抗電磁干擾和地磁紊亂環(huán)境的適應(yīng)性測(cè)試提供參考。

需要針對(duì)性開展無人機(jī)抗電磁干擾和地磁紊亂的測(cè)試研究

國(guó)外針對(duì)無人機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性方面開展了多方面工作，美國(guó)共建立了6個(gè)無人飛行器系統(tǒng)試驗(yàn)場(chǎng)，分布于北達(dá)科塔州、紐約州、內(nèi)華達(dá)州、弗吉尼亞州、阿拉斯加州和德克薩斯州，研究領(lǐng)域覆蓋了無人飛行器系統(tǒng)的耐飛性、數(shù)據(jù)傳輸鏈路、將無人機(jī)融入空域的實(shí)施、空中交通管制、失效模式檢驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)的制定等等，基本覆蓋了無人飛行器試驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)環(huán)境研究的各個(gè)方面，在這個(gè)領(lǐng)域美國(guó)已經(jīng)做了很多扎實(shí)的工作，將為美國(guó)的無人飛行器行業(yè)的發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)和強(qiáng)大的助力。

相比之下我國(guó)在該領(lǐng)域尚處于起步階段，與美國(guó)相比差距非常明顯。國(guó)內(nèi)在民用無人機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試方面，重點(diǎn)在抗風(fēng)、抗雨、抗潮濕等方面，對(duì)民用無人機(jī)抗各種電磁干擾和地磁紊亂能力的測(cè)試研究才剛剛開始。

無人機(jī)在飛行過程中將面臨各式各樣的電磁環(huán)境，可能會(huì)受到諸如工頻干擾、浪涌干擾、阻尼干擾等電磁干擾，以及地磁紊亂環(huán)境，從而對(duì)無人機(jī)的遠(yuǎn)程控制和飛行穩(wěn)定性帶來威脅。需要對(duì)無人機(jī)抗電磁干擾和地磁紊亂能力進(jìn)行測(cè)試，保證無人機(jī)在飛行過程中不受外界電磁環(huán)境的干擾，提高無人機(jī)運(yùn)行的環(huán)境適應(yīng)性。

無人機(jī)的電磁和地磁運(yùn)行環(huán)境以及存在的風(fēng)險(xiǎn)

無人機(jī)可能飛越的電磁干擾環(huán)境包括城市上空、農(nóng)村、礦山、醫(yī)院、變電站、高壓線路、輕工業(yè)環(huán)境、重工業(yè)環(huán)境等，這些電磁干擾會(huì)對(duì)無人機(jī)的飛行穩(wěn)定性和遠(yuǎn)程操控帶來威脅。除了人為產(chǎn)生的電磁干擾威脅因素外，自然界可能產(chǎn)生的干擾有太陽(yáng)黑子爆發(fā)、地磁紊亂和雷電等。上述這些因素都是無人機(jī)可能面臨的電磁兼容性問題。

城市上空和輕工業(yè)環(huán)境

城市上空和各種輕工業(yè)環(huán)境中含有大量的管線、建筑物、大功率供電設(shè)備、變電站和各種無線電設(shè)備。建筑物和各類金屬管線將引起以下電磁和地磁干擾：地磁環(huán)境紊亂，工頻及其諧波等磁場(chǎng)干擾，工頻及其諧波的電場(chǎng)干擾，各種無線電設(shè)備的輻射干擾，以及人為惡意干擾和由于雷擊引起的浪涌電場(chǎng)和磁場(chǎng)干擾。此外，建筑物還有可能引起無人機(jī)GPS/BD等導(dǎo)航定位系統(tǒng)的信號(hào)丟失。

存在的風(fēng)險(xiǎn)有：無人機(jī)失控和墜落可能導(dǎo)致人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失等。

農(nóng)村

農(nóng)村存在高壓電線、各種金屬管線、大功率供電設(shè)備、變電站和各種無線電設(shè)備，將產(chǎn)生工頻及其諧波磁場(chǎng)干擾、電場(chǎng)干擾和輻射干擾。同時(shí)，某些高大建筑物將引起無人機(jī)的GPS/BD系統(tǒng)導(dǎo)航定位信號(hào)丟失。雷擊也將引起浪涌電場(chǎng)和磁場(chǎng)干擾。

存在的風(fēng)險(xiǎn)有：無人機(jī)失控和墜落可能導(dǎo)致人員傷亡，財(cái)產(chǎn)損失。

管理和應(yīng)對(duì)：需要對(duì)無人機(jī)在農(nóng)村高壓電線、各種金屬運(yùn)輸管線、大功率供電設(shè)備和變電站等附近環(huán)境的進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性測(cè)評(píng)。

醫(yī)院

醫(yī)院與城市環(huán)境大部分情況是一致的，但是醫(yī)院環(huán)境主要存在如下的特點(diǎn)：（1）大功率射頻治療機(jī)，可能會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的射頻干擾;（2）輻射治療可能產(chǎn)生的電離輻射;（3）醫(yī)院的監(jiān)護(hù)設(shè)備，心臟起搏器等對(duì)電磁干擾非常敏感。

存在的風(fēng)險(xiǎn)有：受到大功率射頻干擾或者電離輻射可能導(dǎo)致無人機(jī)墜落，導(dǎo)致人員傷亡或者財(cái)產(chǎn)損失，無人機(jī)干擾醫(yī)院監(jiān)護(hù)設(shè)備可能導(dǎo)致病人死亡。

管理與應(yīng)對(duì)：如果無人機(jī)需要飛越醫(yī)院，或者需要在醫(yī)院附近和醫(yī)院內(nèi)開展飛行活動(dòng)，需要專門的電磁兼容測(cè)試，判斷無人機(jī)是否具有醫(yī)院電磁環(huán)境的適應(yīng)能力。否則，醫(yī)院上空應(yīng)作為無人機(jī)的禁飛區(qū)域。

變電站

變電站主要完成電壓/電流的變換，功率大，有很強(qiáng)的工頻或者直流磁場(chǎng)。如果無人機(jī)因失控或者其他原因墜落在變壓器、高壓母線、高壓開關(guān)上，可能導(dǎo)致的后果有高壓短路、變電站跳閘，甚至電網(wǎng)解列的風(fēng)險(xiǎn)。

存在的風(fēng)險(xiǎn)：變電站產(chǎn)生的工頻側(cè)長(zhǎng)和直流磁場(chǎng)將對(duì)無人機(jī)內(nèi)部線路和定向產(chǎn)生干擾，可能導(dǎo)致無人機(jī)撞擊變壓器、高壓母線或高壓開關(guān)，引起事故。

管理與應(yīng)對(duì)：用于變電站監(jiān)測(cè)用的無人機(jī)需要做專門的電磁兼容和安全認(rèn)證。目前將變電站作為禁飛區(qū)域是合適的。

高壓線路

高壓線巡線是無人機(jī)重要的應(yīng)用領(lǐng)域，飛越高壓線路或者近距離伴隨高壓線路飛行是無人機(jī)巡線的主要飛行模式。同時(shí)，在農(nóng)村無人機(jī)植保領(lǐng)域，城市一郊區(qū)空中無人機(jī)物流領(lǐng)域，也都存在飛越高壓線路情況。

存在的風(fēng)險(xiǎn)：高壓線路主要完成高壓功率的輸送，可能是工頻交流，有可能是直流的，功率大，有很強(qiáng)的工頻或者直流磁場(chǎng)，將對(duì)無人機(jī)內(nèi)部線路和定向產(chǎn)生干擾，如果無人機(jī)墜落在高壓線上，可能導(dǎo)致高壓短路造成大面積停電等后果。

管理與應(yīng)對(duì)：用于高壓線巡線和經(jīng)常飛越高壓線的無人機(jī)需要做專門的電磁兼容和安全認(rèn)證。

其他環(huán)境

除上述環(huán)境外，還有一些特殊的環(huán)境會(huì)對(duì)無人機(jī)安全飛行產(chǎn)生影響： （1）鐵礦礦山、鋼架建筑、鋼制船體，會(huì)產(chǎn)生地磁紊亂的干擾，對(duì)以電磁指北為定向手段的無人機(jī)影響較大。

（2）電解鋁工業(yè)，電流在幾萬(wàn)安培的水平，會(huì)產(chǎn)生很大的磁場(chǎng)干擾，這樣的區(qū)域的低空應(yīng)列為禁飛區(qū)域，或者僅對(duì)具有該地區(qū)電磁環(huán)境適應(yīng)性認(rèn)證的無人機(jī)開放。

（3）石油，石化或者其他化工行業(yè)，其為可燃易爆場(chǎng)合，在無人機(jī)飛行或者失事，不可避免會(huì)產(chǎn)生著火或者點(diǎn)燃的風(fēng)險(xiǎn)，這些區(qū)域應(yīng)該列為禁飛區(qū)域，禁止無人機(jī)飛越。

針對(duì)性電磁環(huán)境和地磁環(huán)境模擬與試驗(yàn)

為了保證無人機(jī)在各種環(huán)境下能正常工作，不給社會(huì)環(huán)境產(chǎn)生威脅，需要建立一套可控的模擬環(huán)境，模擬無人機(jī)可能暴露的電磁環(huán)境，對(duì)無人機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，評(píng)估其風(fēng)險(xiǎn)。我們根據(jù)無人機(jī)經(jīng)常暴露的環(huán)境，特提出高壓線路等環(huán)境模擬類型。

高壓線路模擬

由于高壓電場(chǎng)（交流，直流）的模擬靠?jī)x器是非常困難的，而且目前在實(shí)驗(yàn)室無法模擬高壓線路的電暈放電干擾，所以需建立一條室外模擬高壓輸電線路，模擬高壓電場(chǎng)和電暈放電的情況。

模擬無人機(jī)飛越或者靠近高壓線路的環(huán)境參數(shù)為：模擬220KV交流/直流的高壓輸電線路，線路長(zhǎng)度不低于1km。頻率為50Hz和60Hz，直流三相，配防雷線。

實(shí)驗(yàn)方法：

（1）距離高壓線30m、10m、6m距離（1，2，3級(jí)）。

（2）無人機(jī)在上下方向繞高壓線飛行;

（3）無人機(jī)平行于高壓線方向飛行。

要求無人機(jī)全程可控飛行。

地磁場(chǎng)變化模擬

用人為產(chǎn)生的可控磁場(chǎng)（包括控制磁場(chǎng)的強(qiáng)度、方向等）模擬地磁紊亂，太陽(yáng)黑子對(duì)地磁影響、管線/建筑對(duì)地磁場(chǎng)的影響等。測(cè)試無人機(jī)在變化地磁場(chǎng)條件下是否可控，性能是否受損。

設(shè)施為地磁場(chǎng)變化模擬器。主要包括：地磁變化激勵(lì)源、地磁變化模擬線圈、地磁模擬實(shí)驗(yàn)房間、測(cè)試計(jì)算機(jī)及軟件。

功能：模擬南北方向的磁場(chǎng)變化、模擬東西方向的磁場(chǎng)變化（磁偏角）、模擬上下方向的磁場(chǎng)變化、模擬區(qū)域3m*3m*3m、模擬強(qiáng)度10%地磁場(chǎng)強(qiáng)度變化，50%地磁場(chǎng)變化（1，2級(jí)）。

無人機(jī)懸停在地磁模擬線圈中心位置，在干擾工作條件下其姿態(tài)（高度，位置）變化不超過0.3m為合格。

射頻干擾模擬

用人為產(chǎn)生的可控射頻干擾控制其干擾頻率、強(qiáng)度，模擬無人機(jī)可能面臨的射頻干擾環(huán)境等。測(cè)試無人機(jī)在射頻干擾條件下無人機(jī)是否工作，其性能是否受損。

設(shè)施：射頻干擾實(shí)驗(yàn)室。主要包括：寬帶射頻信號(hào)發(fā)生器、寬帶射頻功率放大器、寬帶射頻天線、寬帶場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試儀、切換開關(guān)陣列、測(cè)試計(jì)算機(jī)及軟件。

功能：射頻干擾頻率范圍30M-3GHz;調(diào)制AM調(diào)制，調(diào)制深度80%;實(shí)驗(yàn)區(qū)域3m*3m*3m的開闊地帶區(qū)域;實(shí)驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)1v/m、3v/m、10v/m（1，2，3級(jí)）。

實(shí)驗(yàn)方法：無人機(jī)懸停在實(shí)驗(yàn)房間中心位置，在干擾工作條件下其姿態(tài)（高度，位置）變化不超過0.3m為合格。

工頻磁場(chǎng)模擬

用人為產(chǎn)生的可控工頻磁場(chǎng)干擾，控制其干擾頻率、諧波，干擾的強(qiáng)度，模擬無人機(jī)可能面臨的工頻干擾環(huán)境等，如跨越，靠近輸電線路的情況。測(cè)試無人機(jī)在工頻磁場(chǎng)干擾條件下無人機(jī)是否工作，其性能是否受損。

設(shè)施：工頻磁場(chǎng)干擾實(shí)驗(yàn)室。主要包括：工頻磁場(chǎng)干擾信號(hào)發(fā)生器、工頻磁場(chǎng)模擬線圈、測(cè)試計(jì)算機(jī)及軟件。

功能：模擬頻率50HZ和60HZ;在X，Y，Z方向上產(chǎn)生磁場(chǎng)干擾，每種磁場(chǎng)干擾10S;干擾強(qiáng)度10A/m，30A/m，100A/m（1，2，3級(jí)）;模擬區(qū)域3m*3m*3m。

實(shí)驗(yàn)方法：無人機(jī)懸停在工頻磁場(chǎng)模擬線圈中心位置，在干擾工作條件下其姿態(tài)（高度，位置）變化不超過0.3m為合格，模擬無人機(jī)飛越高壓，超高壓輸電線路時(shí)可能暴露在的磁場(chǎng)干擾環(huán)境。

浪涌磁場(chǎng)模擬

用人為產(chǎn)生的可控的浪涌磁場(chǎng)干擾，控制其干擾的強(qiáng)度，模擬無人機(jī)可能面臨的雷擊浪涌干擾環(huán)境。測(cè)試無人機(jī)在工頻磁場(chǎng)干擾條件下無人機(jī)是否工作，其性能是否受損。

設(shè)施：浪涌磁場(chǎng)干擾實(shí)驗(yàn)室。主要包括：浪涌干擾信號(hào)發(fā)生器、浪涌磁場(chǎng)模擬線圈。

功能：重復(fù)頻率1秒一次;在X，Y，Z方向上產(chǎn)生磁場(chǎng)干擾，每種磁場(chǎng)干擾30S;干擾強(qiáng)度峰值100Nm，300Nm，1000A/m（1，2，3級(jí)）;上升時(shí)間6.4uS，脈沖持續(xù)時(shí)間16uS;模擬區(qū)域3m*3m*3m。

實(shí)驗(yàn)方法：無人機(jī)懸停在浪涌磁場(chǎng)模擬線圈的中心位置，在干擾工作條件下其姿態(tài)（高度，位置）變化不超過0.3m為合格，模擬無人機(jī)在雷雨天氣飛行可能暴露的環(huán)境干擾。

阻尼震蕩波磁場(chǎng)模擬

用人為產(chǎn)生的可控瞬態(tài)磁場(chǎng)干擾，控制其干擾的強(qiáng)度，模擬無人機(jī)可能面臨的瞬態(tài)干擾環(huán)境，如靠近正在分閘一合閘的高壓線路，電力機(jī)車與接觸網(wǎng)瞬時(shí)斷開，電焊機(jī)起弧等。阻尼震蕩波磁場(chǎng)可在附近無人機(jī)內(nèi)部電路中產(chǎn)生電流，造成無人機(jī)電路故障，進(jìn)而導(dǎo)致墜毀。需要測(cè)試無人機(jī)在瞬態(tài)磁場(chǎng)干擾條件下無人機(jī)是否工作，其性能是否受損。

設(shè)施：阻尼震蕩波磁場(chǎng)干擾實(shí)驗(yàn)室。主要包括：阻尼震蕩波干擾信號(hào)發(fā)生器、阻尼震蕩波磁場(chǎng)模擬線圈。

功能和指標(biāo)：震蕩頻率1MHZ，400個(gè)震蕩波/秒，3-6個(gè)周期衰減50%;在X，Y，Z方向上產(chǎn)生磁場(chǎng)干擾，每種磁場(chǎng)干擾30S;干擾強(qiáng)度峰值100A/m，300Nm，1000A/m（1，2，3級(jí)）;模擬區(qū)域3m*3m*3m。

實(shí)驗(yàn)方法：無人機(jī)懸停在阻尼震蕩波磁場(chǎng)模擬線圈中心位置，在干擾工作條件下其姿態(tài)（高度，位置）變化不超過0.3m為合格，模擬無人機(jī)飛越高壓輸電線路，重工業(yè)區(qū)域，因?yàn)殚_關(guān)切換可能帶來的干擾。

GPS/BD信號(hào)干擾模擬

模擬GPS/BD導(dǎo)航信號(hào)短時(shí)間丟失，或者受到干擾的情況。

實(shí)驗(yàn)設(shè)施：GPS/BD干擾信號(hào)模擬器。

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地：開闊地;

功能和指標(biāo)：發(fā)射功率：32±3dbm;干擾區(qū)域200m，布點(diǎn)2個(gè)干擾點(diǎn)，一共干擾400m區(qū)域;飛行距離1000m;干擾頻段：GPS/北斗導(dǎo)航信號(hào)，移動(dòng)運(yùn)營(yíng)通信所有頻段，WIFI，藍(lán)牙所有頻段。

實(shí)驗(yàn)方法：無人機(jī)必須穿越干擾區(qū)域，飛行高度不得超過1∞m，距離干擾點(diǎn)不得超過100m，能夠順利完成任務(wù)，測(cè)試合格，模擬無人機(jī)飛越諸如考場(chǎng)，保密會(huì)議會(huì)場(chǎng)，或者不法分子制造的混亂的場(chǎng)景。結(jié)束語(yǔ)

本文提出了無人機(jī)運(yùn)行時(shí)的電磁干擾環(huán)境和地磁紊亂環(huán)境，目前，尚缺乏完整的、針對(duì)性的測(cè)試大綱和測(cè)試環(huán)境。為保障無人機(jī)安全使用，無人機(jī)在研制和進(jìn)入市場(chǎng)之前，都需要開展包括電磁干擾和地磁紊亂在內(nèi)的各種環(huán)境測(cè)試。 （參考文獻(xiàn)：略。如有需要，請(qǐng)聯(lián)系編輯部）