測(cè)試軟件與系統(tǒng)
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保障飛行安全與系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵技術(shù)
近年來(lái),低空飛行器產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)態(tài)勢(shì),其應(yīng)用場(chǎng)景已從傳統(tǒng)軍事領(lǐng)域快速擴(kuò)展至民用物流、農(nóng)業(yè)植保、城市安防、應(yīng)急救援等20余個(gè)垂直領(lǐng)域。據(jù)中國(guó)民航局統(tǒng)計(jì),低空飛行器日均飛行架次從2023年的12萬(wàn)架次激增至2025年的85萬(wàn)架次,年均增長(zhǎng)率達(dá)38%,預(yù)計(jì)2030年全球低空經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)規(guī)模將突破2.1萬(wàn)億美元。
伴隨數(shù)量與應(yīng)用場(chǎng)景的擴(kuò)張,低空飛行器面臨的電磁環(huán)境復(fù)雜度呈指數(shù)級(jí)攀升。該環(huán)境是地面發(fā)射源(如高壓輸電線、5G基站、工業(yè)設(shè)備)、空中通訊導(dǎo)航設(shè)備及自然現(xiàn)象(雷電、地磁暴)共同作用的結(jié)果,具有頻譜資源有限、設(shè)備種類繁多、電磁波傳播易受地物遮擋反射等特點(diǎn)。
復(fù)雜電磁環(huán)境已導(dǎo)致多起安全事故,例如2024年12月福建泉州與奧蘭多的無(wú)人機(jī)表演中,大量飛行器因信號(hào)干擾墜落,造成設(shè)備損壞及人員受傷。國(guó)際航空安全協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)顯示,2024年全球1.2萬(wàn)起無(wú)人機(jī)失控事件中,76%與5G基站等新型干擾源直接相關(guān)。
電磁兼容性(EMC)是指電子設(shè)備、分系統(tǒng)或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能夠正常運(yùn)行,同時(shí)不對(duì)該環(huán)境中的其他設(shè)備產(chǎn)生無(wú)法忍受的電磁干擾的能力。其核心理論框架包含三個(gè)關(guān)鍵要素:發(fā)射、傳輸與敏感度。
低空飛行器的電磁干擾機(jī)理具有顯著特殊性,主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面。一是復(fù)合材料機(jī)身導(dǎo)致雷電敏感性增加。傳統(tǒng)航空器多采用金屬機(jī)身,可通過(guò)自身導(dǎo)電性實(shí)現(xiàn)雷電能量的快速消散與屏蔽,而低空飛行器廣泛使用的復(fù)合材料機(jī)身導(dǎo)電性較差,雷電能量難以通過(guò)機(jī)身結(jié)構(gòu)有效傳導(dǎo),導(dǎo)致設(shè)備對(duì)雷電干擾的敏感性顯著提升。
國(guó)內(nèi)低空飛行器電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)體系可按"現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)-征求意見(jiàn)稿"分類,其演進(jìn)呈現(xiàn)從設(shè)備級(jí)測(cè)試向系統(tǒng)級(jí)綜合評(píng)估擴(kuò)展的趨勢(shì),并持續(xù)強(qiáng)化與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的銜接。
以GB/T 38909-2020《民用輕小型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)電磁兼容性要求與試驗(yàn)方法》為核心,該標(biāo)準(zhǔn)由國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局發(fā)布,于2021年2月1日實(shí)施,適用范圍覆蓋民用輕小型無(wú)人機(jī)系統(tǒng),核心測(cè)試項(xiàng)目包括輻射發(fā)射、傳導(dǎo)發(fā)射、輻射抗擾度、傳導(dǎo)抗擾度、工頻磁場(chǎng)抗擾度、靜電放電抗擾度、電快速瞬變脈沖群抗擾度、浪涌抗擾度、電壓暫降和短時(shí)中斷等。
《航空飛行器系統(tǒng)電磁兼容性試驗(yàn)方法》(計(jì)劃號(hào)T-469)由中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所牽頭,適用于通用航空飛行器, 包括以航空發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的固定翼、旋翼等有人機(jī)及無(wú)人機(jī)系統(tǒng)(無(wú)人機(jī)應(yīng)含其地面控制站系統(tǒng)),核心技術(shù)內(nèi)容包括系統(tǒng)自兼容檢查、外部射頻電磁環(huán)境抗擾度測(cè)試、全機(jī)靜電放電抗擾度測(cè)試等。
國(guó)際低空飛行器電磁兼容性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)體系呈現(xiàn)多維度發(fā)展特征,不同標(biāo)準(zhǔn)基于應(yīng)用場(chǎng)景和技術(shù)需求形成差異化側(cè)重點(diǎn)。其中,美國(guó)航空無(wú)線電技術(shù)委員會(huì)(RTCA)發(fā)布的RTCA DO-160G是應(yīng)用最廣泛的綜合性標(biāo)準(zhǔn),涵蓋16項(xiàng)環(huán)境測(cè)試(含電磁干擾/抗擾度)。
| 標(biāo)準(zhǔn)號(hào) | 發(fā)布機(jī)構(gòu) | 適用范圍 | 核心測(cè)試項(xiàng)目 | 特點(diǎn) |
|---|---|---|---|---|
| RTCA DO-160G | 美國(guó)航空無(wú)線電技術(shù)委員會(huì) | 航空電子設(shè)備 | 16項(xiàng)環(huán)境測(cè)試(含電磁干擾/抗擾度) | 被FAA、EASA廣泛采用 |
| SAE ARP5583 | 國(guó)際自動(dòng)機(jī)工程師學(xué)會(huì) | 高強(qiáng)度輻射場(chǎng)(HIRF)防護(hù) | 射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度 | 針對(duì)復(fù)合材料機(jī)身優(yōu)化 |
| EUROCAE ED-248 | 歐洲民用航空設(shè)備組織 | 民用航空器 | 全機(jī)電磁兼容性驗(yàn)證 | 與DO-160G兼容 |
低空飛行器電磁兼容性測(cè)試的國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)在技術(shù)側(cè)重點(diǎn)、測(cè)試細(xì)則及應(yīng)用場(chǎng)景覆蓋等方面存在顯著差異,這些差異既反映了技術(shù)發(fā)展路徑的不同,也體現(xiàn)了應(yīng)用需求的分化。
| 對(duì)比維度 | 國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)特點(diǎn) | 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)特點(diǎn) |
|---|---|---|
| 標(biāo)準(zhǔn)側(cè)重點(diǎn) | 側(cè)重地面設(shè)備兼容性,針對(duì)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)、地面控制站等制定專項(xiàng)要求 | 強(qiáng)調(diào)空-地一體化干擾,要求設(shè)備兼容多場(chǎng)景標(biāo)準(zhǔn) |
| 測(cè)試細(xì)則明確性 | 對(duì)測(cè)試工況、接地條件等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行明確規(guī)定 | 僅提供測(cè)試示例圖,未明確工況、接地等操作細(xì)節(jié) |
| 應(yīng)用場(chǎng)景覆蓋 | 重點(diǎn)覆蓋通用航空及低空飛行器,補(bǔ)充無(wú)人機(jī)及地面控制站的系統(tǒng)級(jí)測(cè)試要求 | 側(cè)重傳統(tǒng)有人機(jī)電子設(shè)備測(cè)試,覆蓋更廣泛的空-地協(xié)同場(chǎng)景 |
低空飛行器工作在1000米以下空域,面臨地面建筑、高壓線路、通信基站等多重電磁干擾源,需同時(shí)滿足抗干擾能力和低輻射要求。
集成了通信、導(dǎo)航、飛控、動(dòng)力等多套電子系統(tǒng),各系統(tǒng)間存在潛在電磁耦合路徑,易引發(fā)自干擾問(wèn)題。
大量使用碳纖維等復(fù)合材料,導(dǎo)致傳統(tǒng)金屬屏蔽效能下降,需采用新型電磁屏蔽技術(shù)。
飛行姿態(tài)變化會(huì)導(dǎo)致天線方向圖改變,電磁輻射和接收特性呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化特征。
直流電源系統(tǒng)易產(chǎn)生開關(guān)噪聲,對(duì)敏感電路(如MEMS傳感器)造成傳導(dǎo)干擾。
輻射發(fā)射測(cè)試是評(píng)估低空飛行器在工作狀態(tài)下通過(guò)空間傳播的電磁輻射強(qiáng)度,確保其符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)限值,避免對(duì)周圍無(wú)線電設(shè)備及通信基礎(chǔ)設(shè)施造成干擾的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。該測(cè)試主要針對(duì)低空飛行器整機(jī)及地面控制站,覆蓋30MHz-18GHz的頻率范圍,涵蓋其通信導(dǎo)航核心頻段(如2.4GHz、5.8GHz)。
低空飛行器因電池密集布局及電機(jī)高頻開關(guān)特性,其內(nèi)部電源系統(tǒng)易成為傳導(dǎo)干擾的主要耦合路徑。電池管理系統(tǒng)與電機(jī)控制器在高頻開關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的電磁噪聲,可能通過(guò)電源線傳導(dǎo)至地面站或其他設(shè)備,引發(fā)供電異常、數(shù)據(jù)傳輸中斷等風(fēng)險(xiǎn)。
在城市密集電磁環(huán)境中,基站密度普遍≤500米/個(gè),無(wú)人機(jī)等低空飛行器需在復(fù)雜射頻場(chǎng)中保持穩(wěn)定運(yùn)行。此類環(huán)境中,無(wú)線電通信、導(dǎo)航信號(hào)、雷達(dá)信號(hào)等寬頻段干擾交織,對(duì)飛行器的抗干擾能力構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
低空飛行器在多人員操作場(chǎng)景中面臨顯著的靜電放電(ESD)風(fēng)險(xiǎn)。例如農(nóng)業(yè)植保作業(yè)中操作人員頻繁接觸設(shè)備、物流裝卸過(guò)程中人員與飛行器部件的交互,均可能因人體靜電積累引發(fā)放電。
隨著低空飛行器集群作業(yè)模式的快速發(fā)展,如無(wú)人機(jī)編隊(duì)表演、協(xié)同物流配送等應(yīng)用場(chǎng)景的普及,多機(jī)間射頻信號(hào)的相互干擾及其疊加效應(yīng)已成為影響系統(tǒng)安全性與可靠性的關(guān)鍵因素。
| 測(cè)試項(xiàng)目 | 測(cè)試條件 | 技術(shù)挑戰(zhàn) | 應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn) |
|---|---|---|---|
| 多機(jī)協(xié)同干擾測(cè)試 | 3架以上無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行 | 干擾信號(hào)同步采集 | RTCA DO-317A |
| 雷電間接效應(yīng)測(cè)試 | 模擬雷電脈沖波形(8/20μs) | 復(fù)合材料機(jī)身耦合路徑復(fù)雜 | SAE ARP5412 |
| 高壓輸電線電磁環(huán)境測(cè)試 | 模擬110kV輸電線路電磁場(chǎng) | 磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)50μT | GB/T 34668-2017 |
低空飛行器電磁兼容性(EMC)測(cè)試的必要性可系統(tǒng)歸納為"必要性四象限",即安全保障、法規(guī)準(zhǔn)入、性能優(yōu)化與成本控制,四者共同構(gòu)成低空經(jīng)濟(jì)規(guī)?;l(fā)展的基礎(chǔ)支撐。
安全保障
低空飛行器面臨復(fù)雜電磁環(huán)境(如反無(wú)人機(jī)干擾、雷擊浪涌等),電磁干擾是導(dǎo)致失控、設(shè)備損壞甚至人員傷亡的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素。
法規(guī)準(zhǔn)入
國(guó)內(nèi)外已形成完善的標(biāo)準(zhǔn)體系,國(guó)內(nèi)以GB/T系列為主,國(guó)際涵蓋CISPR、ISO、IEC及RTCA DO-160等。
性能優(yōu)化
EMC測(cè)試可提升設(shè)備在復(fù)雜電磁環(huán)境中的通信導(dǎo)航可靠性,通過(guò)輻射/傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試控制EMI。
成本控制
全流程自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備可提升測(cè)試效率、降低人力成本,而預(yù)合規(guī)測(cè)試能有效減少首次測(cè)試失敗率。
為推動(dòng)低空飛行器電磁兼容性(EMC)測(cè)試體系的完善與行業(yè)健康發(fā)展,需從政策、技術(shù)及國(guó)際協(xié)作三方面協(xié)同推進(jìn)。
加快《航空飛行器系統(tǒng)電磁兼容性試驗(yàn)方法》等核心標(biāo)準(zhǔn)的正式發(fā)布與落地實(shí)施,明確民用無(wú)人機(jī)等低空飛行器的EMC測(cè)試要求。
普及近場(chǎng)掃描、頻譜分析儀與三維定位技術(shù)及全流程自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳、報(bào)告生成及干擾源快速定位。
加強(qiáng)與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織的對(duì)接,推動(dòng)國(guó)內(nèi)EMC標(biāo)準(zhǔn)與RTCA/SAE等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的互認(rèn),參與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定以提升話語(yǔ)權(quán)。