电磁波击落无人机的机理剖析和验证

民用无人机大量普及,飞行故障不断出现。为提高强电磁环境下无人机的电磁防护能力,快速准确定位敏感部件及干扰传播路径,提出一种无人机近场注入噪声技术方案,通过向无人机注入交变电场和磁场干扰,以重现无人机在强电磁环境下的跌落现象。文章介绍了敏感部件及敏感性质、干扰入侵路径、受扰阈值的确认方法,对无人机进行电磁防护加固措施的验证具有一定的参考意义。随着民用无人机的大量普及，无人机经常被用来旅行航拍、赛事航拍和飞行表演等，工业界会采用无人机进行物件运输，农业会采用无人机喷洒农药。然而，随着应用日益广泛，无人机也不断出现飞行故障。无人机飞行故障的报导很多，故障原因也有多种猜测，有不少文章还提出从外部噪声入侵路径和内部敏感部件的加固两方面采取措施来提高无人机的抗电磁干扰能力。但无人机飞行故障机理的直接实验验证相对欠缺，比如电磁波对无人机的入侵路径、无人机敏感器件、敏感器件对电场还是磁场敏感、无人机受扰的场强阈值等问题都没有明确答案。不少文章关注到源自地面设备的外部电磁干扰对电子设备的影响，也有文章提出了无人机内部部件之间干扰的解决方案，以及强电磁环境下针对可能的噪声入侵路径无人机采取的电磁防护措施 ,却没有提及确认无人机内部部件电磁受扰机理的具体验证方法。为此，提出通过近场注入突变电磁噪声重现无人机在强电磁环境下的故障现象，以定位无人机的入侵路径和敏感部件、确认敏感部件的敏感性质和受扰阈值，为无人机的电磁防护加固措施提供方便的近场检验方法。1  无人机受电磁干扰后跌落图 1 为在第三方实验室的半电波暗室中对一款商用无人机进行电磁干扰测试的场景，将无人机放置到一个尼龙材质的网格网中，以避免其飞行故障时撞坏暗室的吸波材料，发射天线从网格网外面照射无人机。采用德国施瓦茨贝克的堆叠式对数周期偶极天线，天线型号 SLTP 9128 E special。当天线垂直极化时，230 MHz 频率下，功放净输出功率为 555.0 W。无人机位于距离天线 1 m 的位置，电磁波到达无人机位置的校准场强为 148 V/m。发射天线垂直极化照射无人机，无人机直接跌落。经检 查， 电池损坏， 无法充电。图1（b）为无人机跌落过程中的照片。更换电池组后，3 次复现同样故障，试验结束后，电池组中的2 块电池直接损坏，检查后发现锂电池内部电芯正常，电池控制板故障。图 1  半电波暗室中无人机进行电磁干扰测试的场景上述测试结果可以明确无人机的敏感频段，敏感部位在锂电池部件，而无人机的受扰机理依然不明，电磁干扰对无人机敏感部件的入侵路径、锂电池部件内部敏感元器件、敏感器件对电场还是磁场敏感、无人机的受扰阈值也不明确。2  近场注入噪声技术方案无人机近场注入噪声技术方案如图 2 所示，电场、磁场近场探头分别为金属板、金属环的形状。将无人机悬停在半电波暗室内，信号发生器输出的设定频段的干扰信号经功率放大器后，通过电场或磁场近场探头从不同角度施加给无人机，并耦合注入突变的电场或磁场噪声，调整场强大小，直到无人机飞行姿态出现异常，包括突然跌落故障，重现引言中提到的无人机飞行中故障现象。图 2  无人机近场注入噪声技术方案通过近场注入噪声，就可以准确定位无人机的敏感部件，从而获得无人机内部的干扰噪声入侵路径。分别用磁场、电场近场探头注入噪声，根据无人机对应的飞行故障情形，来判断无人机的敏感部件对磁场还是电场噪声敏感。由于磁场敏感和电场敏感的抗扰度加固措施有所不同，因此必须明确敏感部件对电场还是磁场噪声敏感，为后续的抗扰度加固提供确凿依据，尽可能地减少新增抗扰度加固措施给无人机带来的体积和重量增加。3  实验验证3.1 近场注入噪声实验设置根据图 2 的近场注入噪声方案，将无人机悬停在半电波暗室，并用线缆连接至地面固定物，以限制其飞行范围，避免飞行故障时撞击暗室墙壁的吸波材料，测试布置如图 3 所示。近场探头绑定到绝缘操控杆上，其信号输入端连接功放输出端，功放的输入端连接信号发生器的输出端。改变信号发生器输出信号的频率和幅值就可以改变近场探头向无人机注入噪声的频率和场强，移动近场探头就可以确定无人机敏感部件的准确位置 ；更换磁场或电场近场探头就可以明确敏感部件对磁场还是电场干扰敏感。3.2 敏感部件、敏感性质和敏感频率图 3（a）的实验过程中，磁场近场探头无论从哪个方向靠近无人机，频率从 100 MHz到 3 GHz 变化， 信号发生器输出幅值升至60 dBμV（等效 1 V 输出），功放的固定增益为57 dB，无人机飞行姿态没有任何变化，可以正常飞行。图 3  近场注入噪声无人机总体测试布置换成电场近场探头，靠近无人机尾部上方时，无人机立即跌落，重现了无人机突然跌落现象，如图 4 所示。此时，信号发生器的频率为 230 MHz，输出信号幅值为 9 mV，功放的固定增益为 57 dB。近场注入电场噪声的频率、到靶场强、注入位置、近场探头法向和无人机飞行状态见表 1。图 4  无人机受电场近场干扰跌落表 1  实验参数及状态设置图 5 为无人机尾部取下锂电池后的实物照片，坐标原点位于无人机的几何中心，X 方向平行于地面并从机头指向机尾，Y 方向平行于地面并垂直于 X 方向，Z 方向垂直于地面并从机身指向天空。近场探头的方向根据金属板或金属环法向的朝向定义。图 5  无人机上 X 和 Y 方向示意因此，可以确认无人机敏感部位在尾部，尾部安装的是锂电池部件。根据上述磁场、电场近场探头干扰结果可知，锂电池部件对电场干扰敏感，被测无人机的敏感频率为 230 MHz。3.3 敏感阈值降低信号发生器的幅值到 4 mV，就无法对无人机产生影响。因此，电场近场干扰阈值为 4 mV，功放增益为 57 dB。这为将来远场干扰无人机场强推算提供了定量参考。3.4 入侵路径电磁噪声干扰入侵无人机的外部路径已经确认，是从无人机尾部的电池包侵入。为进一步明确无人机受扰的内部路径，需要拆解无人机电池包，锂电池拆解后的各组成部分如图 6 所示。无人机的电池包由塑料外壳、3 块串接的锂电池芯和 1 块锂电池充电控制板组成。图 7 为电池包内部连接示意图，3 块锂电池芯串接后连接至充电控制板。电池包外壳选择塑料材料以满足减重要求。塑料外壳既不导磁也不导电，因此外部电磁噪声干扰可以没有衰减地透过外壳入侵电池控制板。图 6  锂电池拆解后的各组成部分充电控制板与锂电池在水平面的相对摆放位置参见图 7，由于充电控制板放到 3 块锂电池芯背后机尾位置，锂电池芯被金属导体包裹，无人机的锂电池充电控制板正面被锂电池芯遮挡，使得外部电磁干扰噪声无法从机头入侵锂电池充电控制板，因此，噪声无法从机头干扰无人机 ；电磁干扰从左机翼、右机翼、机身顶部和底部分别照射无人机时，由于充电控制板垂直地面摆放，电磁干扰噪声也无法耦合入侵无人机锂电池充电控制板。图 7  锂电池的内部部件连接示意图因此，外部的电磁干扰噪声只能从无人机尾部沿水平方向才能耦合入侵充电控制板，电场近场探头以法向平行于地面的方式干扰无人机，就会导致无人机供电受到影响，甚至供电突然中断，飞行停止，瞬间跌落地面。3.5 敏感器件图 8 为电池充电控制板，经检测，电池供电控制的 MOS 管Q8、Q10 和 Q12 的门极和漏极已短路。图 9 为电池控制板的相关电路，其中 MOS 管 Q8、Q10 和 Q12 分别控制 3 块串联的锂电池电芯的充电。P 沟道 MOS 管 Q8、Q10 和 Q12 的损坏导致无人机的供电停止，进而导致无人机突然跌落。图 8  锂电池电池充电控制板图 9  电池充电控制板的相关电路但 MOS 管的门极和源极间只并联了 1 个 10 kΩ 电阻（R26、R28、R30）， 门极和源极处于高阻状态。当无人机面临电磁噪声干扰时，MOS管的门极就很容易受耦合干扰，导致无人机瞬间断电，进而引起无人机断电保护，最后突然跌落地面。这样就很好地解释了无人机在230 MHz电磁噪声攻击时的突然跌落现象。当电磁干扰强度超过MOS 管的门极最大极限电压 20 V 时，就会导致 MOS管的门极击穿损坏，无人机的锂电池彻底无法供电。这与锂电池控制板损坏的原因相同。4  结语通过对无人机的近场注入噪声测试，重现电磁攻击的失效现象，从而获得电磁干扰的入侵路径、无人机的敏感部位、无人机内部入侵路径，确认敏感性质、敏感器件以及敏感阈值，进一步不难提出无人机电磁抗扰度的加固方案。被测无人机可通过修改电池包充电控制板中的功率 MOS 管的门极驱动电路，对敏感门极布线进行地线包络，甚至用屏蔽罩覆盖，来提高无人机的电磁抗扰能力。近场电磁攻击测试是在地面暗室环境下进行的，虽然不同于实际的远距离电磁攻击测试，但可以获得外部干扰的入侵机理，为无人机电磁防护加固措施提供有价值的近场检验手段。受制于实验场地和缺乏大功率发射设备，没有进行 10 m 或 1 km 以上距离的远场大功率电磁干扰实测来验证已得到的机理分析结果和损害阈值。另外，不同厂家的无人机性能相差较大，防护等级差异也较大，上述结论仅基于实验选定的商用无人机进行的测试，但对其它类似情况具有一定的参考意义。作者：魏利郝 敦书波 张旭 郑丹妹安全与电磁兼容声明：