曹賀　吳強(qiáng)　谷全祥　蔡琰　王鐵剛

本文分析了無人機(jī)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(jī)抗電磁干擾和地磁紊亂環(huán)境的適應(yīng)性測試提供參考。

需要針對性開展無人機(jī)抗電磁干擾和地磁紊亂的測試研究

國外針對無人機(jī)的環(huán)境適應(yīng)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(tǒng)試驗場，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)融入空域的實施、空中交通管制、失效模式檢驗、標(biāo)準(zhǔn)的制定等等，基本覆蓋了無人飛行器試驗與實驗環(huán)境研究的各個方面，在這個領(lǐng)域美國已經(jīng)做了很多扎實的工作，將為美國的無人飛行器行業(yè)的發(fā)展提供堅實的基礎(chǔ)和強(qiáng)大的助力。

相比之下我國在該領(lǐng)域尚處于起步階段，與美國相比差距非常明顯。國內(nèi)在民用無人機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性測試方面，重點在抗風(fēng)、抗雨、抗潮濕等方面，對民用無人機(jī)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(jī)在飛行過程中將面臨各式各樣的電磁環(huán)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(huán)境，從而對無人機(jī)的遠(yuǎn)程控制和飛行穩(wěn)定性帶來威脅。需要對無人機(jī)抗電磁干擾和地磁紊亂能力進(jìn)行測試，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)運行的環(huán)境適應(yīng)性。

無人機(jī)的電磁和地磁運行環(huán)境以及存在的風(fēng)險

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，這些電磁干擾會對無人機(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干擾，工頻及其諧波的電場干擾，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和磁場干擾。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)的信號丟失。

存在的風(fēng)險有：無人機(jī)失控和墜落可能導(dǎo)致人員傷亡、財產(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(jī)的GPS/BD系統(tǒng)導(dǎo)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(fēng)險有：無人機(jī)失控和墜落可能導(dǎo)致人員傷亡，財產(chǎn)損失。

管理和應(yīng)對：需要對無人機(jī)在農(nóng)村高壓電線、各種金屬運輸管線、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)性測評。

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：（1）大功率射頻治療機(jī)，可能會產(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，心臟起搏器等對電磁干擾非常敏感。

存在的風(fēng)險有：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：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，需要專門的電磁兼容測試，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。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。

存在的風(fēng)險：變電站產(chǎn)生的工頻側(cè)長和直流磁場將對無人機(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：用于變電站監(jiān)測用的無人機(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，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：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，將對無人機(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：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)境會對無人機(jī)安全飛行產(chǎn)生影響： （1）鐵礦礦山、鋼架建筑、鋼制船體，會產(chǎn)生地磁紊亂的干擾，對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)，電流在幾萬安培的水平，會產(chǎn)生很大的磁場干擾，這樣的區(qū)域的低空應(yīng)列為禁飛區(qū)域，或者僅對具有該地區(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)，其為可燃易爆場合，在無人機(jī)飛行或者失事，不可避免會產(chǎn)生著火或者點燃的風(fēng)險，這些區(qū)域應(yīng)該列為禁飛區(qū)域，禁止無人機(jī)飛越。

針對性電磁環(huán)境和地磁環(huán)境模擬與試驗

為了保證無人機(jī)在各種環(huán)境下能正常工作，不給社會環(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，對無人機(jī)進(jìn)行試驗，評估其風(fēng)險。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（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(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(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。

地磁場變化模擬

用人為產(chǎn)生的可控磁場（包括控制磁場的強(qiáng)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(jī)在變化地磁場條件下是否可控，性能是否受損。

設(shè)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(jī)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(qū)域3m*3m*3m、模擬強(qiáng)度10%地磁場強(qiáng)度變化，50%地磁場變化（1，2級）。

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：射頻干擾實驗室。主要包括：寬帶射頻信號發(fā)生器、寬帶射頻功率放大器、寬帶射頻天線、寬帶場強(qiáng)測試儀、切換開關(guān)陣列、測試計算機(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%;實驗區(qū)域3m*3m*3m的開闊地帶區(qū)域;實驗場強(qiáng)1v/m、3v/m、10v/m（1，2，3級）。

實驗方法：無人機(jī)懸停在實驗房間中心位置，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。

工頻磁場模擬

用人為產(chǎn)生的可控工頻磁場干擾，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。測試無人機(jī)在工頻磁場干擾條件下無人機(jī)是否工作，其性能是否受損。

設(shè)施：工頻磁場干擾實驗室。主要包括：工頻磁場干擾信號發(fā)生器、工頻磁場模擬線圈、測試計算機(jī)及軟件。

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

實驗方法：無人機(jī)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(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，超高壓輸電線路時可能暴露在的磁場干擾環(huán)境。

浪涌磁場模擬

用人為產(chǎn)生的可控的浪涌磁場干擾，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。測試無人機(jī)在工頻磁場干擾條件下無人機(jī)是否工作，其性能是否受損。

設(shè)施：浪涌磁場干擾實驗室。主要包括：浪涌干擾信號發(fā)生器、浪涌磁場模擬線圈。

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

實驗方法：無人機(jī)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(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。

阻尼震蕩波磁場模擬

用人為產(chǎn)生的可控瞬態(tài)磁場干擾，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)瞬時斷開，電焊機(jī)起弧等。阻尼震蕩波磁場可在附近無人機(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。需要測試無人機(jī)在瞬態(tài)磁場干擾條件下無人機(jī)是否工作，其性能是否受損。

設(shè)施：阻尼震蕩波磁場干擾實驗室。主要包括：阻尼震蕩波干擾信號發(fā)生器、阻尼震蕩波磁場模擬線圈。

功能和指標(biāo)：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(chǎn)生磁場干擾，每種磁場干擾30S;干擾強(qiáng)度峰值100A/m，300Nm，1000A/m（1，2，3級）;模擬區(qū)域3m*3m*3m。

實驗方法：無人機(jī)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(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，因為開關(guān)切換可能帶來的干擾。

GPS/BD信號干擾模擬

模擬GPS/BD導(dǎo)航信號短時間丟失，或者受到干擾的情況。

實驗設(shè)施：GPS/BD干擾信號模擬器。

實驗場地：開闊地;

功能和指標(biāo)：發(fā)射功率：32±3dbm;干擾區(qū)域200m，布點2個干擾點，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，移動運營通信所有頻段，WIFI，藍(lán)牙所有頻段。

實驗方法：無人機(jī)必須穿越干擾區(qū)域，飛行高度不得超過1∞m，距離干擾點不得超過100m，能夠順利完成任務(wù)，測試合格，模擬無人機(jī)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(jié)束語

本文提出了無人機(jī)運行時的電磁干擾環(huán)境和地磁紊亂環(huán)境，目前，尚缺乏完整的、針對性的測試大綱和測試環(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)境測試。 （參考文獻(xiàn)：略。如有需要，請聯(lián)系編輯部）