民用無人機電磁/地磁環境分析和測試要求

曹賀　吳強　谷全祥　蔡琰　王鐵剛

本文分析了無人機運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，提出了針對性測試手段要求，為開展無人機抗電磁干擾和地磁紊亂環境的適應性測試提供參考。

需要針對性開展無人機抗電磁干擾和地磁紊亂的測試研究

國外針對無人機的環境適應性方面開展了多方面工作，美國共建立了6個無人飛行器系統試驗場，分布于北達科塔州、紐約州、內華達州、弗吉尼亞州、阿拉斯加州和德克薩斯州，研究領域覆蓋了無人飛行器系統的耐飛性、數據傳輸鏈路、將無人機融入空域的實施、空中交通管制、失效模式檢驗、標準的制定等等，基本覆蓋了無人飛行器試驗與實驗環境研究的各個方面，在這個領域美國已經做了很多扎實的工作，將為美國的無人飛行器行業的發展提供堅實的基礎和強大的助力。

相比之下我國在該領域尚處于起步階段，與美國相比差距非常明顯。國內在民用無人機的環境適應性測試方面，重點在抗風、抗雨、抗潮濕等方面，對民用無人機抗各種電磁干擾和地磁紊亂能力的測試研究才剛剛開始。

無人機在飛行過程中將面臨各式各樣的電磁環境，可能會受到諸如工頻干擾、浪涌干擾、阻尼干擾等電磁干擾，以及地磁紊亂環境，從而對無人機的遠程控制和飛行穩定性帶來威脅。需要對無人機抗電磁干擾和地磁紊亂能力進行測試，保證無人機在飛行過程中不受外界電磁環境的干擾，提高無人機運行的環境適應性。

無人機的電磁和地磁運行環境以及存在的風險

無人機可能飛越的電磁干擾環境包括城市上空、農村、礦山、醫院、變電站、高壓線路、輕工業環境、重工業環境等，這些電磁干擾會對無人機的飛行穩定性和遠程操控帶來威脅。除了人為產生的電磁干擾威脅因素外，自然界可能產生的干擾有太陽黑子爆發、地磁紊亂和雷電等。上述這些因素都是無人機可能面臨的電磁兼容性問題。

城市上空和輕工業環境

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

存在的風險有：無人機失控和墜落可能導致人員傷亡、財產損失等。

農村

農村存在高壓電線、各種金屬管線、大功率供電設備、變電站和各種無線電設備，將產生工頻及其諧波磁場干擾、電場干擾和輻射干擾。同時，某些高大建筑物將引起無人機的GPS/BD系統導航定位信號丟失。雷擊也將引起浪涌電場和磁場干擾。

存在的風險有：無人機失控和墜落可能導致人員傷亡，財產損失。

管理和應對：需要對無人機在農村高壓電線、各種金屬運輸管線、大功率供電設備和變電站等附近環境的進行環境適應性測評。

醫院

醫院與城市環境大部分情況是一致的，但是醫院環境主要存在如下的特點：（1）大功率射頻治療機，可能會產生較強的射頻干擾;（2）輻射治療可能產生的電離輻射;（3）醫院的監護設備，心臟起搏器等對電磁干擾非常敏感。

存在的風險有：受到大功率射頻干擾或者電離輻射可能導致無人機墜落，導致人員傷亡或者財產損失，無人機干擾醫院監護設備可能導致病人死亡。

管理與應對：如果無人機需要飛越醫院，或者需要在醫院附近和醫院內開展飛行活動，需要專門的電磁兼容測試，判斷無人機是否具有醫院電磁環境的適應能力。否則，醫院上空應作為無人機的禁飛區域。

變電站

變電站主要完成電壓/電流的變換，功率大，有很強的工頻或者直流磁場。如果無人機因失控或者其他原因墜落在變壓器、高壓母線、高壓開關上，可能導致的后果有高壓短路、變電站跳閘，甚至電網解列的風險。

存在的風險：變電站產生的工頻側長和直流磁場將對無人機內部線路和定向產生干擾，可能導致無人機撞擊變壓器、高壓母線或高壓開關，引起事故。

管理與應對：用于變電站監測用的無人機需要做專門的電磁兼容和安全認證。目前將變電站作為禁飛區域是合適的。

高壓線路

高壓線巡線是無人機重要的應用領域，飛越高壓線路或者近距離伴隨高壓線路飛行是無人機巡線的主要飛行模式。同時，在農村無人機植保領域，城市一郊區空中無人機物流領域，也都存在飛越高壓線路情況。

存在的風險：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，有很強的工頻或者直流磁場，將對無人機內部線路和定向產生干擾，如果無人機墜落在高壓線上，可能導致高壓短路造成大面積停電等后果。

管理與應對：用于高壓線巡線和經常飛越高壓線的無人機需要做專門的電磁兼容和安全認證。

其他環境

除上述環境外，還有一些特殊的環境會對無人機安全飛行產生影響： （1）鐵礦礦山、鋼架建筑、鋼制船體，會產生地磁紊亂的干擾，對以電磁指北為定向手段的無人機影響較大。

（2）電解鋁工業，電流在幾萬安培的水平，會產生很大的磁場干擾，這樣的區域的低空應列為禁飛區域，或者僅對具有該地區電磁環境適應性認證的無人機開放。

（3）石油，石化或者其他化工行業，其為可燃易爆場合，在無人機飛行或者失事，不可避免會產生著火或者點燃的風險，這些區域應該列為禁飛區域，禁止無人機飛越。

針對性電磁環境和地磁環境模擬與試驗

為了保證無人機在各種環境下能正常工作，不給社會環境產生威脅，需要建立一套可控的模擬環境，模擬無人機可能暴露的電磁環境，對無人機進行試驗，評估其風險。我們根據無人機經常暴露的環境，特提出高壓線路等環境模擬類型。

高壓線路模擬

由于高壓電場（交流，直流）的模擬靠儀器是非常困難的，而且目前在實驗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，模擬高壓電場和電暈放電的情況。

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

實驗方法：

（1）距離高壓線30m、10m、6m距離（1，2，3級）。

（2）無人機在上下方向繞高壓線飛行;

（3）無人機平行于高壓線方向飛行。

要求無人機全程可控飛行。

地磁場變化模擬

用人為產生的可控磁場（包括控制磁場的強度、方向等）模擬地磁紊亂，太陽黑子對地磁影響、管線/建筑對地磁場的影響等。測試無人機在變化地磁場條件下是否可控，性能是否受損。

設施為地磁場變化模擬器。主要包括：地磁變化激勵源、地磁變化模擬線圈、地磁模擬實驗房間、測試計算機及軟件。

功能：模擬南北方向的磁場變化、模擬東西方向的磁場變化（磁偏角）、模擬上下方向的磁場變化、模擬區域3m*3m*3m、模擬強度10%地磁場強度變化，50%地磁場變化（1，2級）。

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

射頻干擾模擬

用人為產生的可控射頻干擾控制其干擾頻率、強度，模擬無人機可能面臨的射頻干擾環境等。測試無人機在射頻干擾條件下無人機是否工作，其性能是否受損。

設施：射頻干擾實驗室。主要包括：寬帶射頻信號發生器、寬帶射頻功率放大器、寬帶射頻天線、寬帶場強測試儀、切換開關陣列、測試計算機及軟件。

功能：射頻干擾頻率范圍30M-3GHz;調制AM調制，調制深度80%;實驗區域3m*3m*3m的開闊地帶區域;實驗場強1v/m、3v/m、10v/m（1，2，3級）。

實驗方法：無人機懸停在實驗房間中心位置，在干擾工作條件下其姿態（高度，位置）變化不超過0.3m為合格。

工頻磁場模擬

用人為產生的可控工頻磁場干擾，控制其干擾頻率、諧波，干擾的強度，模擬無人機可能面臨的工頻干擾環境等，如跨越，靠近輸電線路的情況。測試無人機在工頻磁場干擾條件下無人機是否工作，其性能是否受損。

設施：工頻磁場干擾實驗室。主要包括：工頻磁場干擾信號發生器、工頻磁場模擬線圈、測試計算機及軟件。

功能：模擬頻率50HZ和60HZ;在X，Y，Z方向上產生磁場干擾，每種磁場干擾10S;干擾強度10A/m，30A/m，100A/m（1，2，3級）;模擬區域3m*3m*3m。

實驗方法：無人機懸停在工頻磁場模擬線圈中心位置，在干擾工作條件下其姿態（高度，位置）變化不超過0.3m為合格，模擬無人機飛越高壓，超高壓輸電線路時可能暴露在的磁場干擾環境。

浪涌磁場模擬

用人為產生的可控的浪涌磁場干擾，控制其干擾的強度，模擬無人機可能面臨的雷擊浪涌干擾環境。測試無人機在工頻磁場干擾條件下無人機是否工作，其性能是否受損。

設施：浪涌磁場干擾實驗室。主要包括：浪涌干擾信號發生器、浪涌磁場模擬線圈。

功能：重復頻率1秒一次;在X，Y，Z方向上產生磁場干擾，每種磁場干擾30S;干擾強度峰值100Nm，300Nm，1000A/m（1，2，3級）;上升時間6.4uS，脈沖持續時間16uS;模擬區域3m*3m*3m。

實驗方法：無人機懸停在浪涌磁場模擬線圈的中心位置，在干擾工作條件下其姿態（高度，位置）變化不超過0.3m為合格，模擬無人機在雷雨天氣飛行可能暴露的環境干擾。

阻尼震蕩波磁場模擬

用人為產生的可控瞬態磁場干擾，控制其干擾的強度，模擬無人機可能面臨的瞬態干擾環境，如靠近正在分閘一合閘的高壓線路，電力機車與接觸網瞬時斷開，電焊機起弧等。阻尼震蕩波磁場可在附近無人機內部電路中產生電流，造成無人機電路故障，進而導致墜毀。需要測試無人機在瞬態磁場干擾條件下無人機是否工作，其性能是否受損。

設施：阻尼震蕩波磁場干擾實驗室。主要包括：阻尼震蕩波干擾信號發生器、阻尼震蕩波磁場模擬線圈。

功能和指標：震蕩頻率1MHZ，400個震蕩波/秒，3-6個周期衰減50%;在X，Y，Z方向上產生磁場干擾，每種磁場干擾30S;干擾強度峰值100A/m，300Nm，1000A/m（1，2，3級）;模擬區域3m*3m*3m。

實驗方法：無人機懸停在阻尼震蕩波磁場模擬線圈中心位置，在干擾工作條件下其姿態（高度，位置）變化不超過0.3m為合格，模擬無人機飛越高壓輸電線路，重工業區域，因為開關切換可能帶來的干擾。

GPS/BD信號干擾模擬

模擬GPS/BD導航信號短時間丟失，或者受到干擾的情況。

實驗設施：GPS/BD干擾信號模擬器。

實驗場地：開闊地;

功能和指標：發射功率：32±3dbm;干擾區域200m，布點2個干擾點，一共干擾400m區域;飛行距離1000m;干擾頻段：GPS/北斗導航信號，移動運營通信所有頻段，WIFI，藍牙所有頻段。

實驗方法：無人機必須穿越干擾區域，飛行高度不得超過1∞m，距離干擾點不得超過100m，能夠順利完成任務，測試合格，模擬無人機飛越諸如考場，保密會議會場，或者不法分子制造的混亂的場景。結束語

本文提出了無人機運行時的電磁干擾環境和地磁紊亂環境，目前，尚缺乏完整的、針對性的測試大綱和測試環境。為保障無人機安全使用，無人機在研制和進入市場之前，都需要開展包括電磁干擾和地磁紊亂在內的各種環境測試。 （參考文獻：略。如有需要，請聯系編輯部）