民用无人机电磁/地磁环境分析和测试要求

曹贺　吴强　谷全祥　蔡琰　王铁刚

本文分析了无人机运行过程中遭遇的工频干扰、浪涌干扰、阻尼干扰等电磁干扰问题，以及地磁紊乱问题，提出了针对性测试手段要求，为开展无人机抗电磁干扰和地磁紊乱环境的适应性测试提供参考。

需要针对性开展无人机抗电磁干扰和地磁紊乱的测试研究

国外针对无人机的环境适应性方面开展了多方面工作，美国共建立了6个无人飞行器系统试验场，分布于北达科塔州、纽约州、内华达州、弗吉尼亚州、阿拉斯加州和德克萨斯州，研究领域覆盖了无人飞行器系统的耐飞性、数据传输链路、将无人机融入空域的实施、空中交通管制、失效模式检验、标准的制定等等，基本覆盖了无人飞行器试验与实验环境研究的各个方面，在这个领域美国已经做了很多扎实的工作，将为美国的无人飞行器行业的发展提供坚实的基础和强大的助力。

相比之下我国在该领域尚处于起步阶段，与美国相比差距非常明显。国内在民用无人机的环境适应性测试方面，重点在抗风、抗雨、抗潮湿等方面，对民用无人机抗各种电磁干扰和地磁紊乱能力的测试研究才刚刚开始。

无人机在飞行过程中将面临各式各样的电磁环境，可能会受到诸如工频干扰、浪涌干扰、阻尼干扰等电磁干扰，以及地磁紊乱环境，从而对无人机的远程控制和飞行稳定性带来威胁。需要对无人机抗电磁干扰和地磁紊乱能力进行测试，保证无人机在飞行过程中不受外界电磁环境的干扰，提高无人机运行的环境适应性。

无人机的电磁和地磁运行环境以及存在的风险

无人机可能飞越的电磁干扰环境包括城市上空、农村、矿山、医院、变电站、高压线路、轻工业环境、重工业环境等，这些电磁干扰会对无人机的飞行稳定性和远程操控带来威胁。除了人为产生的电磁干扰威胁因素外，自然界可能产生的干扰有太阳黑子爆发、地磁紊乱和雷电等。上述这些因素都是无人机可能面临的电磁兼容性问题。

城市上空和轻工业环境

城市上空和各种轻工业环境中含有大量的管线、建筑物、大功率供电设备、变电站和各种无线电设备。建筑物和各类金属管线将引起以下电磁和地磁干扰：地磁环境紊乱，工频及其谐波等磁场干扰，工频及其谐波的电场干扰，各种无线电设备的辐射干扰，以及人为恶意干扰和由于雷击引起的浪涌电场和磁场干扰。此外，建筑物还有可能引起无人机GPS/BD等导航定位系统的信号丢失。

存在的风险有：无人机失控和坠落可能导致人员伤亡、财产损失等。

农村

农村存在高压电线、各种金属管线、大功率供电设备、变电站和各种无线电设備，将产生工频及其谐波磁场干扰、电场干扰和辐射干扰。同时，某些高大建筑物将引起无人机的GPS/BD系统导航定位信号丢失。雷击也将引起浪涌电场和磁场干扰。

存在的风险有：无人机失控和坠落可能导致人员伤亡，财产损失。

管理和应对：需要对无人机在农村高压电线、各种金属运输管线、大功率供电设备和变电站等附近环境的进行环境适应性测评。

医院

医院与城市环境大部分情况是一致的，但是医院环境主要存在如下的特点：（1）大功率射频治疗机，可能会产生较强的射频干扰;（2）辐射治疗可能产生的电离辐射;（3）医院的监护设备，心脏起搏器等对电磁干扰非常敏感。

存在的风险有：受到大功率射频干扰或者电离辐射可能导致无人机坠落，导致人员伤亡或者财产损失，无人机干扰医院监护设备可能导致病人死亡。

管理与应对：如果无人机需要飞越医院，或者需要在医院附近和医院内开展飞行活动，需要专门的电磁兼容测试，判断无人机是否具有医院电磁环境的适应能力。否则，医院上空应作为无人机的禁飞区域。

变电站

变电站主要完成电压/电流的变换，功率大，有很强的工频或者直流磁场。如果无人机因失控或者其他原因坠落在变压器、高压母线、高压开关上，可能导致的后果有高压短路、变电站跳闸，甚至电网解列的风险。

存在的风险：变电站产生的工频侧长和直流磁场将对无人机内部线路和定向产生干扰，可能导致无人机撞击变压器、高压母线或高压开关，引起事故。

管理与应对：用于变电站监测用的无人机需要做专门的电磁兼容和安全认证。目前将变电站作为禁飞区域是合适的。

高压线路

高压线巡线是无人机重要的应用领域，飞越高压线路或者近距离伴随高压线路飞行是无人机巡线的主要飞行模式。同时，在农村无人机植保领域，城市一郊区空中无人机物流领域，也都存在飞越高压线路情况。

存在的风险：高压线路主要完成高压功率的输送，可能是工频交流，有可能是直流的，功率大，有很强的工频或者直流磁场，将对无人机内部线路和定向产生干扰，如果无人机坠落在高压线上，可能导致高压短路造成大面积停电等后果。

管理与应对：用于高压线巡线和经常飞越高压线的无人机需要做专门的电磁兼容和安全认证。

其他环境

除上述环境外，还有一些特殊的环境会对无人机安全飞行产生影响： （1）铁矿矿山、钢架建筑、钢制船体，会产生地磁紊乱的干扰，对以电磁指北为定向手段的无人机影响较大。

（2）电解铝工业，电流在几万安培的水平，会产生很大的磁场干扰，这样的区域的低空应列为禁飞区域，或者仅对具有该地区电磁环境适应性认证的无人机开放。

（3）石油，石化或者其他化工行业，其为可燃易爆场合，在无人机飞行或者失事，不可避免会产生着火或者点燃的风险，这些区域应该列为禁飞区域，禁止无人机飞越。

针对性电磁环境和地磁环境模拟与试验

为了保证无人机在各种环境下能正常工作，不给社会环境产生威胁，需要建立一套可控的模拟环境，模拟无人机可能暴露的电磁环境，对无人机进行试验，评估其风险。我们根据无人机经常暴露的环境，特提出高压线路等环境模拟类型。

高压线路模拟

由于高压电场（交流，直流）的模拟靠仪器是非常困难的，而且目前在实验室无法模拟高压线路的电晕放电干扰，所以需建立一条室外模拟高压输电线路，模拟高压电场和电晕放电的情况。

模拟无人机飞越或者靠近高压线路的环境参数为：模拟220KV交流/直流的高压输电线路，线路长度不低于1km。频率为50Hz和60Hz，直流三相，配防雷线。

实验方法：

（1）距离高压线30m、10m、6m距离（1，2，3级）。

（2）无人机在上下方向绕高压线飞行;

（3）无人机平行于高压线方向飞行。

要求无人机全程可控飞行。

地磁场变化模拟

用人为产生的可控磁场（包括控制磁场的强度、方向等）模拟地磁紊乱，太阳黑子对地磁影响、管线/建筑对地磁场的影响等。测试无人机在变化地磁场条件下是否可控，性能是否受损。

设施为地磁场变化模拟器。主要包括：地磁变化激励源、地磁变化模拟线圈、地磁模拟实验房间、测试计算机及软件。

功能：模拟南北方向的磁场变化、模拟东西方向的磁场变化（磁偏角）、模拟上下方向的磁场变化、模拟区域3m*3m*3m、模拟强度10%地磁场强度变化，50%地磁场变化（1，2级）。

无人机悬停在地磁模拟线圈中心位置，在干扰工作条件下其姿态（高度，位置）变化不超过0.3m为合格。

射频干扰模拟

用人为产生的可控射频干扰控制其干扰频率、强度，模拟无人机可能面临的射频干扰环境等。测试无人机在射频干扰条件下无人机是否工作，其性能是否受损。

设施：射频干扰实验室。主要包括：宽带射频信号发生器、宽带射频功率放大器、宽带射频天线、宽带场强测试仪、切换开关阵列、测试计算机及软件。

功能：射频干扰频率范围30M-3GHz;调制AM调制，调制深度80%;实验区域3m*3m*3m的开阔地带区域;实验场强1v/m、3v/m、10v/m（1，2，3级）。

实验方法：无人机悬停在实验房间中心位置，在干扰工作条件下其姿态（高度，位置）变化不超过0.3m为合格。

工频磁场模拟

用人为产生的可控工频磁场干扰，控制其干扰频率、谐波，干扰的强度，模拟无人机可能面临的工频干扰环境等，如跨越，靠近输电线路的情况。测试无人机在工频磁场干扰条件下无人机是否工作，其性能是否受损。

设施：工频磁场干扰实验室。主要包括：工频磁场干扰信号发生器、工频磁场模拟线圈、测试计算机及软件。

功能：模拟频率50HZ和60HZ;在X，Y，Z方向上产生磁场干扰，每种磁场干扰10S;干扰强度10A/m，30A/m，100A/m（1，2，3级）;模拟区域3m*3m*3m。

实验方法：无人机悬停在工频磁场模拟线圈中心位置，在干扰工作条件下其姿态（高度，位置）变化不超过0.3m为合格，模拟无人机飞越高压，超高压输电线路时可能暴露在的磁场干扰环境。

浪涌磁场模拟

用人为产生的可控的浪涌磁场干扰，控制其干扰的强度，模拟无人机可能面临的雷击浪涌干扰环境。测试无人机在工频磁场干扰条件下无人机是否工作，其性能是否受损。

设施：浪涌磁场干扰实验室。主要包括：浪涌干扰信号发生器、浪涌磁场模拟线圈。

功能：重复频率1秒一次;在X，Y，Z方向上产生磁场干扰，每种磁场干扰30S;干扰强度峰值100Nm，300Nm，1000A/m（1，2，3级）;上升时间6.4uS，脉冲持续时间16uS;模拟区域3m*3m*3m。

实验方法：无人机悬停在浪涌磁场模拟线圈的中心位置，在干扰工作条件下其姿态（高度，位置）变化不超过0.3m为合格，模拟无人机在雷雨天气飞行可能暴露的环境干扰。

阻尼震荡波磁场模拟

用人为产生的可控瞬态磁场干扰，控制其干扰的强度，模拟无人机可能面临的瞬态干扰环境，如靠近正在分闸一合闸的高压线路，电力机车与接触网瞬时断开，电焊机起弧等。阻尼震荡波磁场可在附近无人机内部电路中产生电流，造成无人机电路故障，进而导致坠毁。需要测试无人机在瞬态磁场干扰条件下无人机是否工作，其性能是否受损。

设施：阻尼震荡波磁场干扰实验室。主要包括：阻尼震荡波干扰信号发生器、阻尼震荡波磁场模拟线圈。

功能和指标：震荡频率1MHZ，400个震荡波/秒，3-6个周期衰减50%;在X，Y，Z方向上产生磁场干扰，每种磁场干扰30S;干扰强度峰值100A/m，300Nm，1000A/m（1，2，3级）;模拟区域3m*3m*3m。

实验方法：無人机悬停在阻尼震荡波磁场模拟线圈中心位置，在干扰工作条件下其姿态（高度，位置）变化不超过0.3m为合格，模拟无人机飞越高压输电线路，重工业区域，因为开关切换可能带来的干扰。

GPS/BD信号干扰模拟

模拟GPS/BD导航信号短时间丢失，或者受到干扰的情况。

实验设施：GPS/BD干扰信号模拟器。

实验场地：开阔地;

功能和指标：发射功率：32±3dbm;干扰区域200m，布点2个干扰点，一共干扰400m区域;飞行距离1000m;干扰频段：GPS/北斗导航信号，移动运营通信所有频段，WIFI，蓝牙所有频段。

实验方法：无人机必须穿越干扰区域，飞行高度不得超过1∞m，距离干扰点不得超过100m，能够顺利完成任务，测试合格，模拟无人机飞越诸如考场，保密会议会场，或者不法分子制造的混乱的场景。结束语

本文提出了无人机运行时的电磁干扰环境和地磁紊乱环境，目前，尚缺乏完整的、针对性的测试大纲和测试环境。为保障无人机安全使用，无人机在研制和进入市场之前，都需要开展包括电磁干扰和地磁紊乱在内的各种环境测试。 （参考文献：略。如有需要，请联系编辑部）