王 粵，何 瑩，董奇峰

（國家無線電監(jiān)測中心檢測中心，北京 100041）

民用微型無人機體積狹小，又要將動力、控制、導航、攝像等多種電子設備集于一身，這就造成了嚴重的電磁干擾問題。一方面無人機上諸多的電子設備勢必對外發(fā)出電磁干擾，一方面外界又會對無人機本身施加干擾，使得無人機本身的電磁敏感性問題變得十分突出。

1 民用微型無人機介紹

無人機是無人駕駛航空器（Unmanned Aerial Vehicle）的簡稱，是一種利用無線電遙控裝置和自備的程序控制裝置實現(xiàn)飛行等功能的不載人飛機[1]。民用無人機一般由機身、飛行控制系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)及一些必要的任務系統(tǒng)組成?？砂匆韵聨追N方式進行分類。

（1）按重量分類。微型無人機質量小于7kg，多用于個人拍攝、娛樂等功能，也是本文主要關注的無人機類型；輕型無人機質量介于7kg到116kg；小型無人機質量小于5，700kg；大型無人機質量大于5，700kg。

（2）按續(xù)航時間和航程。可分為長航時無人機、中程無人機、近程無人機和短程無人機。一般本文關注的民用微型無人機的續(xù)航時間為15-60分鐘，航程受續(xù)航時間和操控距離所限，一般僅有數(shù)千米。

（3）按不同平臺構型。固定翼無人機、單旋翼無人機（直升機）、多旋翼無人機，是無人機常見的幾種平臺構型；民用微型無人機最主要的平臺構型是多旋翼（多軸）無人機，多采用4軸、6軸、8軸、甚至12軸旋翼的構型，最突出的測點就是成本低、操縱簡單、懸停飛行穩(wěn)定、便于進行拍攝、監(jiān)控等功能。

（4）按不同使用領域?？煞譃檐娪谩⒚裼脤I(yè)級和民用消費級3大類[2]。軍用無人機是發(fā)展最早的無人機，并且由于軍用無人機應用的復雜環(huán)境，軍用無人機的各項技術指標也是十分高的，主要用于偵察、攻擊、靶機等功能；民用專業(yè)級無人機相對于軍用無人機各項技術指標要求較低，但是相對來說也具有可觀的續(xù)航、航程和載荷能力，主要是各類政府機構、專業(yè)遙測單位在使用，用于救災、遙感、農(nóng)保等領域；民用消費級無人機，用于航拍、娛樂等用途，多選用多旋翼平臺，體積較小，本文研究的民用微型無人機基本屬于此類。

2 民用無人機監(jiān)管體系與現(xiàn)狀

大量涌現(xiàn)的民用微型無人機，給我國空中、地面安全造成了一定威脅。近幾年，在北京、成都、重慶等地多個機場都出現(xiàn)了無人機進入民航禁飛空域的事件，累計造成數(shù)百架次航班延誤起飛、多架次航班空中避讓。同樣，不法分子私自放飛無人機，進行偷拍等活動，侵犯了公民的隱私權；如果拍攝的是重要的軍事敏感設施，還會嚴重危害到國家安全。再者，即便是體積重量較小的民用微型無人機，當無人機因自身可靠性，或是受到外界干擾，造成失控墜機時，從空中墜落的動能以及高速旋轉的旋翼，依然會傷害到地面的人員。

民用微型無人機既是一種航空器，受中國民用航空管理局管理，又是一種搭載各類無線電通信設備的電子設備，受工業(yè)和信息化部管理。在民航方面、中國民用航空管理局發(fā)布了《民用無人機空中交通管理辦法》、《關于民用無人機管理有關問題的暫行規(guī)定》、《民用無人駕駛航空器系統(tǒng)駕駛員管理暫行規(guī)定》、《輕小無人機運行規(guī)定（試行）》等主要針對民用無人機適航方面的規(guī)定[3]，但其中對微型無人機不做強制要求。作為電子設備，民用微型無人機僅因其搭載的無線電設備受工業(yè)和信息化部無線電管理局管理，在民用微型無人機的生產(chǎn)、銷售、監(jiān)管方面就再無有效的規(guī)章制度。由于民用微型無人機技術門檻低，大量企業(yè)涌入民用微型無人機的市場當中。據(jù)統(tǒng)計，目前國內約有400多家民用無人機生產(chǎn)單位，初步估計已生產(chǎn)了逾百萬架無人機，其中微型無人機占據(jù)了絕大多數(shù)。在各種渠道都可以方便的購買上述企業(yè)生產(chǎn)的各種類型的民用微型無人機，并且對這些渠道政府往往沒有有效的監(jiān)管。綜上，我國并沒有建立起有效的應用于無人機的管理制度。

我國在無人機領域開展相關的研發(fā)工作已有40多年。在無人機總體設計、飛行控制、導航、遙測、圖像傳輸、抗干擾、任務設備等多個技術領域發(fā)展很快。但是我國在無人機領域的標準化工作卻起步較晚，發(fā)展緩慢。目前，我國在無人機領域還沒有形成完整的標準體系，已頒布實施的有關無人機的標準有GJB2347-1995《無人機通用規(guī)范》、GJB3060-1997《無人機電氣系統(tǒng)通用規(guī)范》、GJB5433-2005《無人機系統(tǒng)通用要求》等[4]。這些標準以通用要求為主，在無人機涉及的各個專業(yè)方面，并不是特別的全面，更沒有針對電磁兼容方面的專門標準。

從國內外無人機標準領域現(xiàn)狀來看，一方面現(xiàn)有標準多從軍用的需求出發(fā)的，缺乏專門應用于民用無人機的標準，一方面，這些標準主要是通用標準，缺乏無人機專用的電磁兼容標準。因此，國內對于無人機，特別是民用無人機的電磁兼容性要求和測試方法尚處于空白狀態(tài)。

3 民用微型無人機電磁兼容特性分析

3.1 民用微型無人機電磁兼容特點

無人機因其用途不同、所處的環(huán)境，所面對的電磁干擾是完全不同的，只有對這些電磁干擾進行分析和確定，才能更好地分析無人機的電磁兼容性要求。

電磁環(huán)境是指“存在于給定場所的所有電磁現(xiàn)象的總和”，給定場所指的是空間，而電磁現(xiàn)象包括了全部時間與頻譜，所以電磁環(huán)境的三個要素是時間、空間和頻譜。無人機所受到的電磁干擾源可分為無人機內部的的電磁干擾和無人機外部的的電磁干擾。圖1為無人機面對的主要干擾源。

圖1 無人機主要干擾源的示意圖

圖2 民用無人機系統(tǒng)構成

3.2 民用微型無人機內部電磁兼容分析

由于無人機自身的特點的，無人機在設計時非常注意控制自身的體積和重量，而對于民用微型無人機而言，這種情況就更為突出。這就造成了無人機的內部空間十分有限，又要在這有限的空間內集成諸如動力裝置、電子裝置、導航、控制的等一系列的設備。同時民用微型無人機集成了遙控、圖像傳輸、定位等多種無線電收發(fā)設備，各種設備之間的無線電頻率從數(shù)千赫茲到數(shù)吉赫茲，電磁頻譜占用寬，設備間的電平相差大。機身大小有限，還造成了機內電纜布設困難，天線位置大小也有限，無法有效的進行電路設計以減小干擾。另外，民用微型無人機為了減小重量，對機內設備的屏蔽不足，使得機內電子設備直接暴露在電磁干擾源的輻射下。

研究無人機內部的電磁兼容性，需要分析無人機自身內含的各種電磁干擾源、耦合傳播途徑、敏感端口等，只有這樣才能為無人機電磁兼容性測試提供有效依據(jù)。圖2給出了民用無人機的系統(tǒng)構成示意圖，可以看出，無人機的動力裝置、電氣系統(tǒng)、任務設備、機載通信鏈路等，是無人機內電磁環(huán)境的主要干擾源。此外，如果無人機內部電路布局不合理，接地屏蔽措施不完善，就會在無人機局部積累大量的電荷，造成無人機內部產(chǎn)生靜電噪聲。

無人機內部相對惡劣的電磁環(huán)境，加之由于機體空間狹小，以及民用微型無人機為追求輕便小巧，故機體采用透波的塑料、碳纖維材料結構，甚至采用開放結構，使得飛機系統(tǒng)內的電磁環(huán)境也變得十分復雜[5]。在分析無人機內部的電磁兼容性時，可以考慮考慮天線、線纜、以及公共阻抗傳導等幾類耦合方式。

無人機電磁兼容性的另外一個方面是是無人機內部的電磁敏感設備對電磁環(huán)境的適應能力，包括導航飛控、電氣系統(tǒng)、控制裝置、通訊裝置以及一些任務設備（如：攝像頭等）。這些設備的抗擾度會影響到無人機的正常工作、甚至飛行安全。對于這些設備可能遭受的電磁干擾應該展開分析。

3.2.1 動力系統(tǒng)的電磁干擾

無人機的動力系統(tǒng)包括發(fā)動機以及相關的輔助設備，目前主流的民用無人機通常采用為活塞式發(fā)動機和電動機作為動力系統(tǒng)?；钊l(fā)動機主要用在大中型無人機上，小、微型無人機中普遍使用的是電動動力系統(tǒng)，電動系統(tǒng)主要由動力電機、動力電源、調速系統(tǒng)三部分組成。電動系統(tǒng)的成本低廉，控制方案成熟有效。圖3為民用無人機常見的電動系統(tǒng)組成，包括電動機（馬達）、電子調速器、控制器以及動力源（一般是電池）。

圖3 民用微型無人機電動系統(tǒng)組成

動力電機則主要采用直流無刷電機，電機基于電磁感應原理工作。電機在運行時，流過電機的電流中具有很多的高頻電磁成分，這些高頻成分的電磁能量會以電磁波的形式向周圍空間輻射，從而對周圍的敏感設備造成輻射電磁干擾；與此同時，電機產(chǎn)生的電磁能量還有可能由于共阻抗耦合或電感耦合而傳導至與電機相連的部件或設備，使其受到傳導電磁干擾，影響系統(tǒng)其他部件的正常工作[6]。

而電子調速器則采用脈沖寬度調制（PWM）方式，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定。脈沖寬度調制（PWM）的原理就是對逆變電路開關器件的通斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或所需要的波形。逆變電路的核心器件是IGBT（絕緣柵雙極型晶體管），IGBT工作時開關管瞬時高速通斷使得發(fā)射極和集電極之間形成一個電壓高低電平高速的轉換，產(chǎn)生一個較大的瞬時電流以及瞬時電壓[7]。這種瞬時電流和電壓是造成電磁干擾的主要原因。

3.2.2 電氣系統(tǒng)的電磁干擾

無人機電氣系統(tǒng)可分為機載電氣系統(tǒng)和地面供電系統(tǒng)兩部分。機載電氣系統(tǒng)主要由主電源、電氣設備的控制與保護裝置及輔助設備組成。電氣系統(tǒng)一般包括電源、配電系統(tǒng)、用電設備3個部分。供電系統(tǒng)的功能是向無人機各用電系統(tǒng)或設備提供滿足預定設計要求的電能。對民用微型無人機而言，主要采用電池供電，電磁干擾主要由于供電系統(tǒng)中電勢不平衡產(chǎn)生的。

3.2.3 任務設備的電磁干擾

無人機根據(jù)使用用途的不同，可以搭載不同設備進行工作。常用的無人機任務設備有：航拍相機、測繪雷達、氣象探測裝置、農(nóng)藥噴灑設備、測距儀器等。對民用微型無人機而言主要任務設備是攝像頭，而攝像頭為了正常工作，需要使用時鐘信號同步圖像掃面信號。主時鐘（MCLK）、像素時鐘（PCLK）的基頻和諧波信號如果屏蔽不當就可能會造成電磁干擾。

3.2.4 機載通信鏈路的電磁干擾

無人機通信鏈路主要用于無人機系統(tǒng)傳輸控制、載荷通信的無線電鏈路。工業(yè)和信息化部關于無人駕駛航空器系統(tǒng)頻率使用事宜的通知規(guī)定840.5-845MHz、1430-1444MHz和2408-2440MHz頻段用于無人駕駛航空器系統(tǒng)，不過由于對許多民用微型無人機定位不明，監(jiān)管缺失，以及機載設備的任務需要，在無人機具體應用中還往往使用了其他頻率。這就難免與目前使用這些設備的之間產(chǎn)生相互干擾。并且，現(xiàn)在的民用微型無人機強調較遠的控制距離和數(shù)據(jù)傳輸距離，在技術水平有限的情況下，難免采取增大輻射功率等方式，造成輻射場強和輻射雜散過大，通過天線，外殼輻射到外部造成干擾。表1為無人機機載設備常用頻率，以及這些頻率在其他領域的應用。

3.3 民用微型無人機外部電磁兼容分析

無人機外部的電磁環(huán)境包括大自然的電磁環(huán)境和人為電磁環(huán)境[5]。自然的電磁環(huán)境主要有地磁影響、宇宙射線噪聲等。而人為的電磁環(huán)境則是主要是人們的自身活動，以及使用了無線電發(fā)射設備所產(chǎn)生的有意輻射和伴隨而來無意輻射。

表1 無人機機載設備常用頻率

圖4是歐洲電信標準化協(xié)會（ETSI）技術報告ETR 273-1-1總結的電磁噪聲源和近似電平。可以看到，由大氣噪聲、宇宙輻射等構成的自然電磁環(huán)境要比人為電磁環(huán)境干擾相對小很多[5]。不過輻射的強度受到了高度的影響，雖然我們認為自然輻射很小，但是自然輻射確是高空中的主要干擾源，對飛行高度非常高的噴氣式飛機影響較大；而在近地區(qū)域就是人為造成的電磁感干擾成為主要影響因素，影響的正是飛行在低空高度數(shù)百米以內民用微型無人機。低空工作的民用微型無人機，可以說電磁環(huán)境“十分惡劣”。圖5給出了一個外部電磁環(huán)境示意圖。輻射源包括衛(wèi)星信號、廣播電視信號、汽車產(chǎn)生的信號、移動電話信號、家用電器、家用電子產(chǎn)品，甚至還有供電網(wǎng)的電磁輻射。

圖5 外部電磁環(huán)境示意圖

無人機外部的電磁環(huán)境對無人機產(chǎn)生的影響不僅取決于外界電磁環(huán)境的強弱，而且與無人機的結構、系統(tǒng)布局以及工作方式有著密切的關系[5]。如果無人機使用了金屬外殼，由于金屬外殼本身具有屏蔽性能，那么無人機對外部的輻射就與有了一定的抗干擾能力。而且金屬機殼還可以避免電荷的積累，大大降低產(chǎn)生產(chǎn)生靜電干擾的概率。這種情況下就要關注干擾源耦合在機身開口、縫隙上所引起的干擾。而如果無人機用了塑料機身甚至沒有外殼，那么機內的敏感設備就完全沒有屏蔽，這種情況下主要考慮外界的輻射干擾。

4 民用微型無人機電磁兼容測試方案

IEC61000-4系列標準給出了電氣電子產(chǎn)品設備在沒有產(chǎn)品類標準時可以參考的要求。該系列標準規(guī)定了以下端口作為設備與外界電磁環(huán)境特定界面。

外殼端口：設備的物理邊界，電磁場可以通過他來向外輻射或侵入。

電信/網(wǎng)絡端口：連接聲音數(shù)據(jù)和信號傳遞的端口。

電源端口：為設備或相關設備提供電源而使其正常工作的導線或電纜的端口。

這些端口是電磁干擾最有可能的耦合途徑，如圖6所示。

圖6 設備端口

結合對民用微型無人機的電磁兼容特點分析，總結了民用微型無人機適用的電磁兼容測試項目包括騷擾測量項目（表2）和抗擾度測量項目（表3）兩部分：

表2 騷擾測量項目

表3 抗擾度試驗項目

5 結束語

本文針對民用微型無人機的電磁兼容特點，分析了民用微型無人機內部、外部的電磁環(huán)境，依據(jù)現(xiàn)有民用電磁兼容體系，總結出適用于民用微型無人機的電磁兼容測試方案，為民用微型無人機電磁兼容檢測標準的制定進行技術鋪墊。

加強對民用微型無人機的管理，使其能夠更好的服務大眾，同時確保安全，應是政府相關主管部門未來工作的重要方面。一方面，應該加速制定民用微型無人機的管理文件；另一方面應該構建作為管理文件相應支撐的標準體系。應大力開展標準制定，構建以國家標準、行業(yè)標準為主體的民用無人機標準體系，通過標準提升無人機技術水平，規(guī)范技術狀態(tài)，并支撐無人機法律法規(guī)的制定和完善。