雷电电磁脉冲对典型机载 GPS 模块的损伤效应研究
张万里1， 史云雷2， 何 勇1， 沈 杰1，
潘绪超1， 方 中1， 陈 鸿1
(1. 南京理工大学 机械工程学院，南京 210094;
2. 工业和信息化部电子第五研究所 质量安全监测中心，广州 510610)
摘 要: 为研究雷电电磁脉冲对典型无人机机载 GPS 模块的损伤效应，通过仿真模拟和试验分析相结合的方法，获取了对 GPS 模块受雷电电磁脉冲暂态干扰与永久损伤过程的认识，并获得了相应端口的损伤阈值。基于对雷电流特性的分析结果，利用 CST 仿真模拟了雷击时，无人机内外产生的复杂电磁场环境和 GPS 模块线 缆 上 耦 合 产 生 的 感 应 电 压 。并 对 典 型 机 载 GPS 模 块 的 数 据 通 讯 端 口 进 行 了 雷 电 脉 冲 注 入 试 验 。研 究 结 果 表 明:随着雷电脉冲的不断增强，GPS 输出波形受到削弱影响的程度不断加重，直至丧失位置信息传输能力并发 生物理损伤。GPS 数据输入端口的雷电脉冲损伤阈值为 314.5 V，GPS 数据输出端口的雷电脉冲损伤阈值为 235.2 V。
关 键 词 : 雷电电磁脉冲; 数值仿真; GPS 模块; 注入试验; 损伤效应中图分类号: TN972 文献标志码: A doi: 10.11884/HPLPB202133.200264
随着无人机系统集成度越来越高，对外部电磁环境也越来越敏感。雷电电磁脉冲作为自然界中常见的一种强 电磁脉冲，会对无人机的飞行安全造成严重威胁[1]。无人机雷电效应一般分为直接效应和间接效应。直接效应是 指雷电流在飞行器表面的传导造成的物理效应，包括结构的机械变形、绝缘击穿等[2];而间接效应是指雷击电流产 生的时变电磁场通过孔缝结构进入飞行器内部，在机载线缆上和设备端口耦合产生高电压和大电流，对电子设备 造成干扰和损伤[3-7]。
全球卫星导航系统(GPS)模块作为无人机导航系统中重要的一环，能够全天候、全天时地为无人机提供精确 的位置信息 [8]。在一般导航系统中，GPS 模块常配合电子罗盘使用。为追求更高的精度和稳定性，也经常采用GPS/惯导组合导航的方案。当无人机遭受雷击时，机载 GPS 模块能否正常工作对飞行器的飞行安全问题至关重要。
对于雷击间接效应，国内外学者开展了大量的研究。Maurizio Aprà等人利用 VAM-LIFE 软件工具结合数字滤 波方案，完成了对 C-27J 飞机复合材料和线缆的建模，解决了瞬变电磁场数值不稳定的问题[9];Emmanuel Perrin 等 人开发了一个可以评估数千根线缆电磁耦合效应的数值计算工具[10];黄军玲等人以雷电流模型、雷击路径、机身 材料、线缆类型等为研究变量，以小型运输机、大型运输机和直升机模型为作用对象，通过上百次仿真试验完成了 雷击间接效应研究[11]。对于电磁脉冲对 GPS 接收机的干扰研究中，赵铜城等人测试分析了在不同位置、不同高 度、不同状态、不同飞行模式下无人机 GPS 接收机的高重复频率超宽谱电磁脉冲干扰效应[12];张智香等人从理论 分析、数值仿真和实验方面研究了高重频超宽谱短电磁脉冲对 GPS 接收机干扰效果与脉冲参数之间的依赖关系[13]; 以上研究工作主要集中在雷电间接效应的电磁场分布、线缆耦合和 GPS 接收机受超高重电磁脉冲的干扰问题，并 未涉及雷电电磁脉冲对典型 GPS 的电磁损伤效应。
本文基于针对雷电流的特性分析，对雷击在典型六旋翼无人机内外产生的电磁场环境和 GPS 线缆耦合感应电 压展开仿真分析;选取典型的机载 GPS 模块作为雷电电磁脉冲的作用目标，对其数据输入和数据输出端口开展雷 电电磁脉冲的注入试验。对 GPS 模块的干扰损伤过程及其电磁损伤阈值进行了研究。本文采用的研究方法和分 析结果对无人机机载 GPS 模块的雷电防护设计研究具有参考意义。
01
无人机雷击电磁仿真
近些年随着计算电磁学与相关电磁仿真软件的结合，电磁模拟仿真已经成为研究各类飞行器雷击间接效应的重要途径。本文选取典型的六旋翼无人机系统进行建模，通过 CST 对其进行雷击瞬态电磁仿真，其模型经过简化后如图 1所示。
该六旋翼无人机翼展约 900 mm，结构分为 1 电机、2 机翼支杆、3 脚架、4 载物台、5 面板、6 控制模块壳体和 7 电池壳体。根据无人机常用材料类型和性能参数，在 CST 对相应结构进行材料定义。表 1 为无人机仿真设置的材料参数。
激励源的选用参考了美军标 SAE-ARP5412[14]。在 SAE-ARP5412 的定义下，标准的外部雷电环境可由电流波形表征。在评估雷击间接效应时，电流上升/下降速率和峰值幅度是雷电流波形的重要参数。对于低空工作的飞行器目标，电流分量A 的作用效果最明显。因此，在仿真和测试中，通常将电流 A 作为主要激励。电流分量 A 可以用双指数函数定义[15]
电流分量 A 的时域波形如图 2 所示，电流分量 A 的峰值时间为6.4 μs，半峰值时间为 69 μs。
经过对电流分量 A 进行频谱分析，确定其能量主要集中在10 MHz 以下，因此将仿真频率范围设置为 0~30 MHz。综合考虑仿真时长和仿真结果的完整性，将仿真时间设为 100 μs。边界条件设置为 open 以模拟无人机空中遭受雷击的情况。分别在控制模块壳体内部、控制模块外部上方和载物台处设定电场和磁场探针，检测无人机内外的瞬态电场、磁场环境。在控制模块壳体内部铺设 30 mm 长的 GPS 线缆，仿真雷电电磁脉冲在线缆上耦合产生的感应电压。探针和线缆布局如图 3 所示。
雷电流经过无人机后，会在周围空间感生出极强的时变电磁场。图 4 是无人机内外各处的电磁场强度时域波形。由图可知，无人机遭受雷击时，其内外电磁场强度会在5.15~6.49 μs 达到最大值，在波形上和电流分量 A 保持一致。控制模块壳体内部处最大电场强度达到 351 MV/m，磁场强度最高达 304 kA/m。GPS 线缆受雷电电磁脉冲耦合感应的电压波形如图 5 所示，感应电压在 7.1 μs 达到峰值 646 V，半高宽为 55.5 μs。
无人机的 GPS 模块置于壳体的内部，其通讯线缆一般为未加屏蔽的带状线，线缆穿过屏蔽铜箔连接 GPS 模块和主控板。自带屏蔽铜箔厚度薄，覆盖面积小，主要用于屏蔽下方主控板的电磁干扰。当雷击发生时，铜箔无法对耦合电流产生屏蔽效果。因此，线缆上耦合产生的过电压会严重威胁GPS 模块的正常工作。为模拟线缆耦合雷电电磁脉冲对机载 GPS 模块的作用效果，选取 GPS 模块的数据通讯端口进行雷电脉冲注入试验。
无人机的 GPS 模块置于壳体的内部，其通讯线缆一般为未加屏蔽的带状线，线缆穿过屏蔽铜箔连接 GPS 模块和主控板。自带屏蔽铜箔厚度薄，覆盖面积小，主要用于屏蔽下方主控板的电磁干扰。当雷击发生时，铜箔无法对耦合电流产生屏蔽效果。因此，线缆上耦合产生的过电压会严重威胁GPS 模块的正常工作。为模拟线缆耦合雷电电磁脉冲对机载 GPS 模块的作用效果，选取 GPS 模块的数据通讯端口进行雷电脉冲注入试验。
02
雷电脉冲注入试验
基于上述仿真结果，选择峰值时间为 6.4 μs，半高宽为 69 μs的相应电压波形作为注入源，研究雷电电磁脉冲对 GPS 模块的损伤效应。
2.1 试验对象
本文试验对象为常见的 GPS 罗盘一体模块，型号为 BN-880。GPS 模块通过背面的陶瓷天线，接收卫星发出的电磁波信号，处理后向无人机主控板输出位置信息。GPS 模块如下图 6 所示。模块与主控板通过 6pin 线连接。
GPS 模块的 6 个接口参数如表 2 所示。
当 GPS 模块正常工作时，端口 3 输出方波信息，波形如下图 7 所示。方波高低电平的基本脉宽 T 约为 100 μs，低电平为 0 V，高电平为 3.15 V，其余方波脉宽均为 T 的整数倍。GPS 模块的通讯端口采用 TTL 电平标准，在该标准下规定最小输入高电平和低电平为:输入高电平 UH≥ 2.0 V，输入低电平 UL≤ 0.8 V。高电平等效于逻辑“1”，低电平等效于逻辑“0”。通过对“0”和“1”信号序列的识别处理，GPS 模块向主控板输出相应的位置信息。
2.2 试验方案
以注入电压波形的峰值 U0 为变量，对 GPS 模块的端口3(数据输出端口)和端口 4(数据输入端口)进行插针注入试验。试验设备和试验布局如图 8 所示。
试验过程如下:1试验开始前，单独连接 GPS，通过电脑软件读取定位信息以确保其可以正常工作。2在对 GPS 正常供电的情况下，分别对端口 3 和端口 4 注入雷电脉冲波形，同时在注入端检测实际进入的电压和电流。3单次注入完成，断开雷电脉冲发生器，连接 GPS 和示波器测量其输出波形。再使用软件读取 GPS 模块的输出位置信息，通过对比实际地理位置，判断 GPS 模块是否损坏。
值得提出的是，在对端口 4 注入雷电脉冲时，可以同时通过高电压探头监测端口 3 的输出电压波形，从而分析雷电脉冲对 GPS 模块输出信号的作用效果。图 9 为选择注入的雷电脉冲的开路电压与短路电流波形。
03
试验结果与分析
3.1 数据输出端口注入试验结果
在不同脉冲峰值 U0 试验条件下，从端口 3(数据输出端口)注入雷电脉冲，实际注入的电压峰值 Up 和电流峰值 Ip 变化趋势如图 10 所示。试验结果表明，随着 U0 的不断提高，Up 和 Ip 也在不断提高，且在 GPS 模块发生损坏前基本符合线性关系。
当实际注入电压峰值 Up 不低于 235.2 V 时，GPS 模块发生不可恢复的损坏。由此确定，GPS 模块的数据输出端口的雷电脉冲损伤阈值为 235.2 V。
在进行不同 U0 的雷电脉冲注入后，端口 3 的输出电压高低电平 UH 和 UL 变化如图 11 所示。
在 GPS 正常工作状态下，观察到端口 3 输出规则工整的高低电平方波，传递位置信息。随着 U0 的不断提高，起初端口 3 的 UH 基本维持不变，UL 值逐渐上升。此时 UH 和 UL 均在 TTL 规定电平值范围内，在此期间连接电脑后 GPS 尚可正常工作。当 U0 提高至 240 V 时，UL 升高到 0.8 V 以上，模块无法传递逻辑“0”信息。此时，使用配套的信号读取和处理软件已无法有效读取识别 GPS 模块的定位信息，至此认为 GPS 进入损伤阶段。随后，端口 3 输出 UL 不断提高，而UH 不断降低。最终，由于模块中的部分元件损坏，高电平也陡然提高，UH 和 UL 值逼近，端口 3 输出波形为一条直线。
图 10 显示了上述雷电脉冲对 GPS 输出波形的影响过程。图 12(a)为正常工作输出波形，图 12(b)表示 U0 提高至 240 V 时 GPS 的输出波形，由此之后的图 10(c)~(f)方波受损愈加严重。
3.2数据输入端口注入试验结果
以 U0 为变量，对端口 4(数据输入端口)注入的雷电脉冲，GPS 模块的受损伤情况如图 13 所示。随着 U0 的不断提高，实际注入的电压峰值 Up 和电流峰值 Ip 也在不断提高，且基本符合线性关系。当实际注入电压峰值 UP 不低于 314.5 V时，GPS 发生不可恢复的损坏。由此确定，从 GPS 模块输入端口的雷电脉冲损伤阈值为 314.5 V。
在注入雷电脉冲过程中，同时监测端口 3 的输出电压波形。结果表明 GPS 模块出现了暂态干扰和永久损伤两种状态信号。典型暂态干扰信号如图 14 所示，典型永久损伤信号如图 15 所示。
在 U0 较小条件下，雷电脉冲对 GPS 的输出波形造成暂态干扰，形成了干扰区域。原本低电平的区域产生了最高约 2.25 V 的尖峰，随后，端口 3 输出恢复正常状态。当U0 提高到 315 V 时，在输出波形中产生最高 97 V 左右的尖峰脉冲，GPS 发生不可逆损伤只输出低电平，无法提供位置信息。
04
结 论
本文对雷电流进行了特性分析，模拟仿真了六旋翼无人机遭受雷击时，其内外瞬态电磁场环境和 GPS 线缆上
耦合感应产生的瞬态电压。之后，开展了典型机载 GPS 模块数据通讯端口的雷电脉冲注入试验和损伤过程分析。研究结果表明:
(1)无人机在遭受雷击时，GPS 模块位置的电磁场强度极大，电场强度峰值可达 351 MV/m，磁场强度可达304 kA/m。复杂的电磁环境会通过数据传输线的耦合作用，对机载 GPS 模块造成严重威胁。
(2)GPS 模块的数据输出端口雷电脉冲损伤阈值为 235.2 V，其损伤过程可以总结为:在U0的不断提高下，GPS 的输出方波不断受损并最终丧失传输逻辑信号“0”和“1”的能力，致使 GPS 模块无法正常工作。
(3)GPS 模块的数据输入端口雷电脉冲损伤阈值为 314.5 V，当实际注入电压超过阈值时，GPS 模块由暂态干扰状态转为永久损伤状态。
(4)由此可知，对于无人机机载 GPS 模块应加强数据通讯端口，尤其是数据输出端口的防雷设计，保证雷击发生时相应端口的感应电压被钳在损伤阈值以下。
★ 参考文献:
[1] 李琛. 雷击环境下机载电子设备性能研究[D]. 西安: 西安电子科技大学, 2017. (Li Chen. Research on the performance of airborne electronic device in thelightning environment[D]. Xi’an: Xidian University, 2017.)
[2] 刘贺楠, 郭俊, 伊同强, 等. 飞行器雷电直接效应与间接效应防护综述[J]. 宇航总体技术, 2019(4):56-62. (Liu Henan, Guo Jun, Yi Tongqiang, et al.Protection of direct and indirect effects of lightning on aircraft[J]. Aerospace System Engineering Technology, 2019(4): 56-62)
[3] 骆立峰. 雷电间接效应试验与标准解析[J]. 电子科学技术, 2014(1):97-101. (Luo Lifeng. Analysis of lightning indirect effects test and standard[J].Electronic Science and Technology, 2014(1): 97-101)
[4] 仇善良, 段泽民, 司晓亮, 等. 直升机电子设备舱瞬态雷电感应磁场特性[J]. 高电压技术, 2017, 43(5):1409-1419. (Qiu Shanliang, Duan Zemin, SiXiaoliang, et al. Transient lightning induced magnetic field characterisitics of helicopter electronic equipment cabin[J]. High Voltage Engineering, 2017, 43(5):1409-1419)
[5] 陈奇平, 方金鹏, 王万富. 整机雷电间接效应防护试验的若干技术探讨[J]. 微波学报, 2012(s3):305-308. (Chen Qiping, Fang Jinpeng, Wang Wanfu.Discussion on aircraft lightning indirect effects test[J]. Journal of Microwaves, 2012(s3): 305-308)
[6] 沈杰, 潘绪超, 方中, 等. 强电磁脉冲对硅微惯性传感器的损伤效应研究[J]. 兵工学报, 2020, 41(6):1157-1164. (Shen Jie, Pan Xuchao, Fang Zhong, et al.Damage effect of strong electromagnetic pulse on micro-silicon inertial sensor[J]. Acta Armamentarii, 2020, 41(6): 1157-1164)
[7] 黄立洋, 陈晓宁, 郭飞, 等. 直升机雷电间接效应数值仿真[J]. 强激光与粒子束, 2015, 27:083205. (Huang Liyang, Chen Xiaoning, Guo Fei, et al. Numericalsimulation of lightning indirect effects on helicopter[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2015, 27: 083205)
[8] 黄邦菊, 肖尚辉. 超宽带通信信号对GPS接收机的干扰研究[J]. 信息工程大学学报, 2006(3):237-240. (Huang Bangju, Xiao Shanghui. Research oninterference of UWB signal to GPS receivers[J]. Journal of Information Engineering University, 2006(3): 237-240)
[9] Apra M, D'Amore M, Gigliotti K, et al. Lightning indirect effects certification of a transport aircraft by numerical simulation[J]. IEEE Trans ElectromagneticCompatibility, 2008, 50(3): 513-523.
[10] Perrin E, Tristant F, Guiffaut C, et al. A numerical tool to estimate lightning indirect effects on a composite aircraft[C]//30th International Conference onLightning Protection (ICLP). 2011.
[11] 黄军玲. 飞机雷电间接效应仿真与研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2016. (Huang Junling. Simulation and research of lightning indirect effects on theaircraft[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2016.)
[12] 赵铜城, 余道杰, 周东方, 等. 无人机GPS接收机超宽谱电磁脉冲效应与试验分析[J]. 强激光与粒子束, 2019, 31:023001. (Zhao Tongcheng, Yu Daojie,Zhou Dongfang, et al. Ultra-wide spectrum electromagnetic pulse effect and experimental analysis of UVA GPS receiver[J]. High Power Laser and ParticleBeams, 2019, 31: 023001)
[13] 张智香, 刘小龙, 陈锦, 等. 高重频超宽谱短电磁脉冲对GPS接收机干扰[J]. 强激光与粒子束, 2014, 26:033006. (Zhang Zhixiang, Liu Xiaolong, Chen Jin,et al. Interference of ultra-wideband short electromagnetic pulses of high repetition frequency to GPS receiver[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2014,26: 033006)
[14] SAE-ARP-5412. Aircraft lightning environment and related test waveform[S].
[15] 赵涛宁, 刘顺坤. 飞机雷电间接效应试验方法[J]. 上海计量测试, 2018, 45(s1):6-10, 14. (Zhao Taoning, Liu Shunkun. Study of the lightning indirect effectstest technique on aircraft[J]. Shanghai Measurement and Testing, 2018, 45(s1): 6-10, 14)
来源 | 《强激光与粒子束》2021年第03期
