王 粵，何 瑩，董奇峰

（國(guó)家無線電監(jiān)測(cè)中心檢測(cè)中心，北京 100041）

民用微型無人機(jī)體積狹小，又要將動(dòng)力、控制、導(dǎo)航、攝像等多種電子設(shè)備集于一身，這就造成了嚴(yán)重的電磁干擾問題。一方面無人機(jī)上諸多的電子設(shè)備勢(shì)必對(duì)外發(fā)出電磁干擾，一方面外界又會(huì)對(duì)無人機(jī)本身施加干擾，使得無人機(jī)本身的電磁敏感性問題變得十分突出。

1 民用微型無人機(jī)介紹

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

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

（2）按續(xù)航時(shí)間和航程?？煞譃殚L(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)、中程無人機(jī)、近程無人機(jī)和短程無人機(jī)。一般本文關(guān)注的民用微型無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間為15-60分鐘，航程受續(xù)航時(shí)間和操控距離所限，一般僅有數(shù)千米。

（3）按不同平臺(tái)構(gòu)型。固定翼無人機(jī)、單旋翼無人機(jī)（直升機(jī)）、多旋翼無人機(jī)，是無人機(jī)常見的幾種平臺(tái)構(gòu)型；民用微型無人機(jī)最主要的平臺(tái)構(gòu)型是多旋翼（多軸）無人機(jī)，多采用4軸、6軸、8軸、甚至12軸旋翼的構(gòu)型，最突出的測(cè)點(diǎn)就是成本低、操縱簡(jiǎn)單、懸停飛行穩(wěn)定、便于進(jìn)行拍攝、監(jiān)控等功能。

（4）按不同使用領(lǐng)域。可分為軍用、民用專業(yè)級(jí)和民用消費(fèi)級(jí)3大類[2]。軍用無人機(jī)是發(fā)展最早的無人機(jī)，并且由于軍用無人機(jī)應(yīng)用的復(fù)雜環(huán)境，軍用無人機(jī)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)也是十分高的，主要用于偵察、攻擊、靶機(jī)等功能；民用專業(yè)級(jí)無人機(jī)相對(duì)于軍用無人機(jī)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求較低，但是相對(duì)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(jī)構(gòu)、專業(yè)遙測(cè)單位在使用，用于救災(zāi)、遙感、農(nóng)保等領(lǐng)域；民用消費(fèi)級(jí)無人機(jī)，用于航拍、娛樂等用途，多選用多旋翼平臺(tái)，體積較小，本文研究的民用微型無人機(jī)基本屬于此類。

2 民用無人機(jī)監(jiān)管體系與現(xiàn)狀

大量涌現(xiàn)的民用微型無人機(jī)，給我國(guó)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(gè)機(jī)場(chǎng)都出現(xiàn)了無人機(jī)進(jìn)入民航禁飛空域的事件，累計(jì)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(jī)，進(jìn)行偷拍等活動(dòng)，侵犯了公民的隱私權(quán)；如果拍攝的是重要的軍事敏感設(shè)施，還會(huì)嚴(yán)重危害到國(guó)家安全。再者，即便是體積重量較小的民用微型無人機(jī)，當(dāng)無人機(jī)因自身可靠性，或是受到外界干擾，造成失控墜機(jī)時(shí)，從空中墜落的動(dòng)能以及高速旋轉(zhuǎn)的旋翼，依然會(huì)傷害到地面的人員。

民用微型無人機(jī)既是一種航空器，受中國(guó)民用航空管理局管理，又是一種搭載各類無線電通信設(shè)備的電子設(shè)備，受工業(yè)和信息化部管理。在民航方面、中國(guó)民用航空管理局發(fā)布了《民用無人機(jī)空中交通管理辦法》、《關(guān)于民用無人機(jī)管理有關(guān)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(jī)運(yùn)行規(guī)定（試行）》等主要針對(duì)民用無人機(jī)適航方面的規(guī)定[3]，但其中對(duì)微型無人機(jī)不做強(qiáng)制要求。作為電子設(shè)備，民用微型無人機(jī)僅因其搭載的無線電設(shè)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(jī)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(jī)技術(shù)門檻低，大量企業(yè)涌入民用微型無人機(jī)的市場(chǎng)當(dāng)中。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前國(guó)內(nèi)約有400多家民用無人機(jī)生產(chǎn)單位，初步估計(jì)已生產(chǎn)了逾百萬架無人機(jī)，其中微型無人機(jī)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(jī)，并且對(duì)這些渠道政府往往沒有有效的監(jiān)管。綜上，我國(guó)并沒有建立起有效的應(yīng)用于無人機(jī)的管理制度。

我國(guó)在無人機(jī)領(lǐng)域開展相關(guān)的研發(fā)工作已有40多年。在無人機(jī)總體設(shè)計(jì)、飛行控制、導(dǎo)航、遙測(cè)、圖像傳輸、抗干擾、任務(wù)設(shè)備等多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展很快。但是我國(guó)在無人機(jī)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化工作卻起步較晚，發(fā)展緩慢。目前，我國(guó)在無人機(jī)領(lǐng)域還沒有形成完整的標(biāo)準(zhǔn)體系，已頒布實(shí)施的有關(guān)無人機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)有GJB2347-1995《無人機(jī)通用規(guī)范》、GJB3060-1997《無人機(jī)電氣系統(tǒng)通用規(guī)范》、GJB5433-2005《無人機(jī)系統(tǒng)通用要求》等[4]。這些標(biāo)準(zhǔn)以通用要求為主，在無人機(jī)涉及的各個(gè)專業(yè)方面，并不是特別的全面，更沒有針對(duì)電磁兼容方面的專門標(biāo)準(zhǔn)。

從國(guó)內(nèi)外無人機(jī)標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域現(xiàn)狀來看，一方面現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)多從軍用的需求出發(fā)的，缺乏專門應(yīng)用于民用無人機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)，一方面，這些標(biāo)準(zhǔn)主要是通用標(biāo)準(zhǔn)，缺乏無人機(jī)專用的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)。因此，國(guó)內(nèi)對(duì)于無人機(jī)，特別是民用無人機(jī)的電磁兼容性要求和測(cè)試方法尚處于空白狀態(tài)。

3 民用微型無人機(jī)電磁兼容特性分析

3.1 民用微型無人機(jī)電磁兼容特點(diǎn)

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

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

圖1 無人機(jī)主要干擾源的示意圖

圖2 民用無人機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成

3.2 民用微型無人機(jī)內(nèi)部電磁兼容分析

由于無人機(jī)自身的特點(diǎn)的，無人機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)非常注意控制自身的體積和重量，而對(duì)于民用微型無人機(jī)而言，這種情況就更為突出。這就造成了無人機(jī)的內(nèi)部空間十分有限，又要在這有限的空間內(nèi)集成諸如動(dòng)力裝置、電子裝置、導(dǎo)航、控制的等一系列的設(shè)備。同時(shí)民用微型無人機(jī)集成了遙控、圖像傳輸、定位等多種無線電收發(fā)設(shè)備，各種設(shè)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(shè)備間的電平相差大。機(jī)身大小有限，還造成了機(jī)內(nèi)電纜布設(shè)困難，天線位置大小也有限，無法有效的進(jìn)行電路設(shè)計(jì)以減小干擾。另外，民用微型無人機(jī)為了減小重量，對(duì)機(jī)內(nèi)設(shè)備的屏蔽不足，使得機(jī)內(nèi)電子設(shè)備直接暴露在電磁干擾源的輻射下。

研究無人機(jī)內(nèi)部的電磁兼容性，需要分析無人機(jī)自身內(nèi)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(jī)電磁兼容性測(cè)試提供有效依據(jù)。圖2給出了民用無人機(jī)的系統(tǒng)構(gòu)成示意圖，可以看出，無人機(jī)的動(dòng)力裝置、電氣系統(tǒng)、任務(wù)設(shè)備、機(jī)載通信鏈路等，是無人機(jī)內(nèi)電磁環(huán)境的主要干擾源。此外，如果無人機(jī)內(nèi)部電路布局不合理，接地屏蔽措施不完善，就會(huì)在無人機(jī)局部積累大量的電荷，造成無人機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生靜電噪聲。

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

無人機(jī)電磁兼容性的另外一個(gè)方面是是無人機(jī)內(nèi)部的電磁敏感設(shè)備對(duì)電磁環(huán)境的適應(yīng)能力，包括導(dǎo)航飛控、電氣系統(tǒng)、控制裝置、通訊裝置以及一些任務(wù)設(shè)備（如：攝像頭等）。這些設(shè)備的抗擾度會(huì)影響到無人機(jī)的正常工作、甚至飛行安全。對(duì)于這些設(shè)備可能遭受的電磁干擾應(yīng)該展開分析。

3.2.1 動(dòng)力系統(tǒng)的電磁干擾

無人機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)以及相關(guān)的輔助設(shè)備，目前主流的民用無人機(jī)通常采用為活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力系統(tǒng)?；钊l(fā)動(dòng)機(jī)主要用在大中型無人機(jī)上，小、微型無人機(jī)中普遍使用的是電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)，電動(dòng)系統(tǒng)主要由動(dòng)力電機(jī)、動(dòng)力電源、調(diào)速系統(tǒng)三部分組成。電動(dòng)系統(tǒng)的成本低廉，控制方案成熟有效。圖3為民用無人機(jī)常見的電動(dòng)系統(tǒng)組成，包括電動(dòng)機(jī)（馬達(dá)）、電子調(diào)速器、控制器以及動(dòng)力源（一般是電池）。

圖3 民用微型無人機(jī)電動(dòng)系統(tǒng)組成

動(dòng)力電機(jī)則主要采用直流無刷電機(jī)，電機(jī)基于電磁感應(yīng)原理工作。電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，流過電機(jī)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(huì)以電磁波的形式向周圍空間輻射，從而對(duì)周圍的敏感設(shè)備造成輻射電磁干擾；與此同時(shí)，電機(jī)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(dǎo)至與電機(jī)相連的部件或設(shè)備，使其受到傳導(dǎo)電磁干擾，影響系統(tǒng)其他部件的正常工作[6]。

而電子調(diào)速器則采用脈沖寬度調(diào)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(shí)保持恒定。脈沖寬度調(diào)制（PWM）的原理就是對(duì)逆變電路開關(guān)器件的通斷進(jìn)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(shí)開關(guān)管瞬時(shí)高速通斷使得發(fā)射極和集電極之間形成一個(gè)電壓高低電平高速的轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生一個(gè)較大的瞬時(shí)電流以及瞬時(shí)電壓[7]。這種瞬時(shí)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(jī)電氣系統(tǒng)可分為機(jī)載電氣系統(tǒng)和地面供電系統(tǒng)兩部分。機(jī)載電氣系統(tǒng)主要由主電源、電氣設(shè)備的控制與保護(hù)裝置及輔助設(shè)備組成。電氣系統(tǒng)一般包括電源、配電系統(tǒng)、用電設(shè)備3個(gè)部分。供電系統(tǒng)的功能是向無人機(jī)各用電系統(tǒng)或設(shè)備提供滿足預(yù)定設(shè)計(jì)要求的電能。對(duì)民用微型無人機(jī)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(shì)不平衡產(chǎn)生的。

3.2.3 任務(wù)設(shè)備的電磁干擾

無人機(jī)根據(jù)使用用途的不同，可以搭載不同設(shè)備進(jìn)行工作。常用的無人機(jī)任務(wù)設(shè)備有：航拍相機(jī)、測(cè)繪雷達(dá)、氣象探測(cè)裝置、農(nóng)藥噴灑設(shè)備、測(cè)距儀器等。對(duì)民用微型無人機(jī)而言主要任務(wù)設(shè)備是攝像頭，而攝像頭為了正常工作，需要使用時(shí)鐘信號(hào)同步圖像掃面信號(hào)。主時(shí)鐘（MCLK）、像素時(shí)鐘（PCLK）的基頻和諧波信號(hào)如果屏蔽不當(dāng)就可能會(huì)造成電磁干擾。

3.2.4 機(jī)載通信鏈路的電磁干擾

無人機(jī)通信鏈路主要用于無人機(jī)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(guān)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(duì)許多民用微型無人機(jī)定位不明，監(jiān)管缺失，以及機(jī)載設(shè)備的任務(wù)需要，在無人機(jī)具體應(yīng)用中還往往使用了其他頻率。這就難免與目前使用這些設(shè)備的之間產(chǎn)生相互干擾。并且，現(xiàn)在的民用微型無人機(jī)強(qiáng)調(diào)較遠(yuǎn)的控制距離和數(shù)據(jù)傳輸距離，在技術(shù)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(chǎng)強(qiáng)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(jī)機(jī)載設(shè)備常用頻率，以及這些頻率在其他領(lǐng)域的應(yīng)用。

3.3 民用微型無人機(jī)外部電磁兼容分析

無人機(jī)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(dòng)，以及使用了無線電發(fā)射設(shè)備所產(chǎn)生的有意輻射和伴隨而來無意輻射。

表1 無人機(jī)機(jī)載設(shè)備常用頻率

圖4是歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（ETSI）技術(shù)報(bào)告ETR 273-1-1總結(jié)的電磁噪聲源和近似電平?？梢钥吹?，由大氣噪聲、宇宙輻射等構(gòu)成的自然電磁環(huán)境要比人為電磁環(huán)境干擾相對(duì)小很多[5]。不過輻射的強(qiáng)度受到了高度的影響，雖然我們認(rèn)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(duì)飛行高度非常高的噴氣式飛機(jī)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(nèi)民用微型無人機(jī)。低空工作的民用微型無人機(jī)，可以說電磁環(huán)境“十分惡劣”。圖5給出了一個(gè)外部電磁環(huán)境示意圖。輻射源包括衛(wèi)星信號(hào)、廣播電視信號(hào)、汽車產(chǎn)生的信號(hào)、移動(dòng)電話信號(hào)、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(jī)外部的電磁環(huán)境對(duì)無人機(jī)產(chǎn)生的影響不僅取決于外界電磁環(huán)境的強(qiáng)弱，而且與無人機(jī)的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)布局以及工作方式有著密切的關(guān)系[5]。如果無人機(jī)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(jī)對(duì)外部的輻射就與有了一定的抗干擾能力。而且金屬機(jī)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(guān)注干擾源耦合在機(jī)身開口、縫隙上所引起的干擾。而如果無人機(jī)用了塑料機(jī)身甚至沒有外殼，那么機(jī)內(nèi)的敏感設(shè)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(jī)電磁兼容測(cè)試方案

IEC61000-4系列標(biāo)準(zhǔn)給出了電氣電子產(chǎn)品設(shè)備在沒有產(chǎn)品類標(biāo)準(zhǔn)時(shí)可以參考的要求。該系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了以下端口作為設(shè)備與外界電磁環(huán)境特定界面。

外殼端口：設(shè)備的物理邊界，電磁場(chǎng)可以通過他來向外輻射或侵入。

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

電源端口：為設(shè)備或相關(guān)設(shè)備提供電源而使其正常工作的導(dǎo)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(shè)備端口

結(jié)合對(duì)民用微型無人機(jī)的電磁兼容特點(diǎn)分析，總結(jié)了民用微型無人機(jī)適用的電磁兼容測(cè)試項(xiàng)目包括騷擾測(cè)量項(xiàng)目（表2）和抗擾度測(cè)量項(xiàng)目（表3）兩部分：

表2 騷擾測(cè)量項(xiàng)目

表3 抗擾度試驗(yàn)項(xiàng)目

5 結(jié)束語

本文針對(duì)民用微型無人機(jī)的電磁兼容特點(diǎn)，分析了民用微型無人機(jī)內(nèi)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(jié)出適用于民用微型無人機(jī)的電磁兼容測(cè)試方案，為民用微型無人機(jī)電磁兼容檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的制定進(jìn)行技術(shù)鋪墊。

加強(qiáng)對(duì)民用微型無人機(jī)的管理，使其能夠更好的服務(wù)大眾，同時(shí)確保安全，應(yīng)是政府相關(guān)主管部門未來工作的重要方面。一方面，應(yīng)該加速制定民用微型無人機(jī)的管理文件；另一方面應(yīng)該構(gòu)建作為管理文件相應(yīng)支撐的標(biāo)準(zhǔn)體系。應(yīng)大力開展標(biāo)準(zhǔn)制定，構(gòu)建以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為主體的民用無人機(jī)標(biāo)準(zhǔn)體系，通過標(biāo)準(zhǔn)提升無人機(jī)技術(shù)水平，規(guī)范技術(shù)狀態(tài)，并支撐無人機(jī)法律法規(guī)的制定和完善。