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)

 

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。

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。

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。

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。

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

 

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。

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

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。

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来源 | 《强激光与粒子束》2021年第03期




雷电电磁脉冲对典型机载 GPS 模块的损伤效应研究

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