随着无人机 （UAV） 的普及和太空电磁环境的不断升级，无人机的强电磁效应和电磁防护设计越来越受到关注和研究。本文旨在介绍无人机在飞行过程中可能遇到的潜在强电磁干扰。它特别关注三个关键子系统：数据链系统、飞行控制和导航系统以及电力系统。目标是概述无人机强电磁效应的研究现状，并讨论常用的研究方法。此外，本文还介绍了可用于无人机的各种强电磁保护方法。最后，总结了强电磁干扰影响的研究现状和发展趋势以及无人机的相应保护措施。

关键词：

强电磁干扰;无人机;保护

无人机 （UAV） 是指通过无线电遥控或预定程序进行操作的车辆。随着电子信息科学与技术 （EISAT）、微控制器单元 （MCU） 和人工智能 （AI） 的快速发展，无人机技术已日益成熟。无人机具有许多优点，包括体积小、价格低、易于操作和高机动性，这使其在通信、航空摄影、物流、农业和电力等各个领域得到广泛应用[1,2,3,4,5,6]。然而，随着无人机系统的不断集成和发展，它们也越来越容易受到复杂的电磁环境的影响，尤其是强电磁干扰 （EMI） 的存在，这对无人机的安全稳定运行构成了重大威胁。

当无人机在强 EMI 环境中运行时，能量可以通过前门或后门耦合进入内部系统，从而可能干扰无人机的通信、控制和其他功能。在极端情况下，这种干扰甚至可能导致不受控制的碰撞。研究强 EMI 对无人机的影响具有重要意义，不仅在确保无人机的安全飞行方面，而且在为电磁兼容性 （EMC） 设计提供信息方面。因此，学者们对强 EMI 对无人机的影响进行了广泛的研究。然而，仍然缺乏对这一系列工作的全面总结。为了更清楚地比较不同类型的强 EMI 对无人机的影响，必须整合和总结以前的研究。

对无人机 EMI 的现有研究的分析表明，该领域的研究包括一系列强电磁干扰类型，包括连续波和脉冲波干扰。研究方法主要涉及辐照和注射测试等测试方法，以及利用基于计算机的建模的模拟方法。然而，目前的研究主要集中在总结和分析宏观效应现象，而较少强调理解强 EMI 如何影响无人机电子元件的基本原理。因此，未来的研究应着眼于改进研究方法，提高研究精度，并更加强调理解强电磁干扰对无人机内部电子元件的耦合过程、影响模式和潜在机制。

本文旨在概述有关强电磁效应对无人机各系统的研究现状和方法。具体来说，重点将集中在三个关键方面：数据链系统、飞行控制和导航系统以及电力系统。通过研究这些领域，读者可以深入了解有关无人机强电磁效应的知识现状。此外，还将讨论可以实施的有效措施来保护无人机免受强 EMI 的影响。最后，将探讨该领域的未来研究趋势。

要全面了解太空中复杂的电磁环境对无人机飞行的影响，必须分析无人机暴露在电磁环境中的特性。无人机飞行过程中的 EMI 可分为两大类：内部 EMI 和外部 EMI。本文专门关注源自环境的外部 EMI。表 1 [7] 中给出了对这种干扰的详细分析。

强 EMI 是指在电子设备或系统运行过程中出现的高振幅电磁干扰信号。这种高振幅 EMI 是相对于电子设备或系统的正常工作环境进行评估的，并且有可能对其功能和正常运行产生不利影响。这种干扰包括各种类型的波，如连续波 （CW）、高空电磁脉冲 （HEMP）、闪电电磁脉冲 （LEMP）、超宽带电磁脉冲 （UWB EMP） 和高功率微波 （HPM） 等 [8]。为了便于对强 EMI 进行分类，Giri 和 Tesche 提出了一种基于频谱的分类方法，如图 1 [9] 所示。

图 1.强电磁脉冲波形谱。

无人机作为高度集成的电子系统，由众多电子设备组成。从整体角度来看，无人机系统可以分为两个环路系统，即信号环路和电路环路 [10]，如图 2 所示。信号回路作为无人机系统部件之间或无人机与地面站之间的数据传输通道，而电路回路代表无人机系统内部的供电电路。强 EMI 可以耦合到这些回路中的任何一个，可能会影响内部电子设备，并使无人机受到不同程度的干扰和损坏。

图 2.无人机信号回路和回路回路。

无人机数据链系统是无人机与地面站之间重要的双向数据传输通道，可实现实时通信和远距离远程控制。它依赖于无线通信，包括用于传输远程控制信号的数据上行链路和用于中继无人机状态数据和视频图像的数据下行链路。

然而，数据链系统中的天线不仅接收来自地面站的控制信号，而且还充当强电磁能进入内部系统的潜在网关。这可以通过前门耦合和后门耦合机制实现，如图 3 所示。无人机数据链系统的内部电路集成了许多有源敏感器件，如放大器和混频器 [11]。遗憾的是，这些设备极易受到强电磁波的干扰，从而导致故障和功能受损。

图 3.数据链路系统上的强 EMI 示意图。

无人机的数据链系统极易受到强 EMI 的影响，一直是学术研究的焦点。本文提供了表 2，它简要总结了关于强 EMI 对无人机数据链路系统影响的现有研究。

CW 干扰是一种常见的 EMI 类型，通常在低频下运行。参考文献[12]通过进行连续波辐照测试和注入测试，确定天线是数据链路系统的主要耦合路径。据观察，当干扰信号频率接近遥控信号频率时，射频前端无法有效隔离干扰信号，从而导致数据链路中断。在参考文献 [13] 中，进行了测试以评估 CW 辐照对无人机数据链系统的影响。结果强调，数据链路在特定频率的 EMI 下无法正常工作。此外，电磁场的极化方向也会影响干扰。参考文献 [14] 中使用 MATLAB 仿真来建立单频干扰下数据链路的信噪比和误码率 （BER） 之间的关系。此外，还对数据链路系统进行了连续波辐照测试，以 2 MHz 的步长扫描了 200 MHz 至 10 GHz 的频率范围，最大电场强度约为 70 V/m。研究结果表明，当干扰信号频率落在遥测链路的工作频带内时，数据链路被解锁的可能性更高。该文阐明了单频连续波干扰对数据链路系统的影响。在参考文献 [14] 讨论的辐照测试的基础上，参考文献 [15] 通过连续波注入测试进一步证实了单频连续波干扰对数据链路系统的影响规律和干扰机制。参考文献 [16] 在参考文献 [14] 的基础上扩展了动态数据链路测试的频率扫描范围和精度。照射源从 0 到 18 GHz 扫描，频率步长为 1 MHz，测试区域场强增加到 200 V/m。通过这些测试，确定了数据上行链路的敏感频段，并分析了场强阈值、自动增益控制 （AGC） 电压和 BER 之间的内在联系。此外，参考文献[17]对数据链路系统进行了带内CW注入测试，并研究了单频和双频EMI对数据链路系统的影响。结果表明，与单频干扰相比，当双频干扰的两个频率都落在系统的工作频带内时，导致系统解锁的能量较低。

除了 CW 影响无人机数据链系统外，EMP 还会对电子系统的内部设备产生影响甚至造成永久性损坏。参考文献[18]使用三个具有不同脉冲重复频率和幅度的UWB EMP发生器对无人机进行了辐照测试，发现这可能导致遥控器和无人机之间的数据链路故障。分析实验结果，确定振幅大小对无人机的影响更大。参考文献 [19] 以 UWB EMP 作为干扰源进行了电磁辐照测试，发现当重复频率为 5 Hz，电场强度为 140 kV/m 时，无人机的数据上行链路解锁。进一步的测试验证显示，板载接收器内的前两个低噪声放大器 （LNA） 已损坏。

与场强幅值占主导地位的 UWB EMP 不同，窄带强 EMP 的频率对无人机数据链系统的影响更大。在参考文献 [20] 中，对无人机数据链进行了 L、S 和 C 波段 HPM 辐照测试，并总结了不同 HPM 波段对无人机数据链系统的影响。一方面，当 HPM 频率落在数据链路工作频段内时，干扰信号可以通过前门耦合路径到达射频前端，从而对敏感器件造成物理损坏。另一方面，当频率远离工作频段时，后门耦合成为主要耦合路径，这可能导致数据链路设备供电异常。该研究还通过理论计算和干扰信号注入测试证明，HPM 会损坏接收器内部的 LNA。在参考文献 [21] 中，使用 SIMULINK 构建了无人机数据链系统的行为级模型，以模拟无人机在受到 HPM 干扰后的行为变化，仿真结果与辐照测试结果吻合良好。

考虑到不同波形的干扰信号对数据链路影响的潜在变化，参考文献 [22] 建立了一个典型的电磁脉冲模型。他们采用仿真分析方法研究了正弦脉冲、高斯噪声、方波脉冲、三角脉冲、电快速瞬态脉冲和浪涌脉冲对数据下行链路中图像传输质量的影响。结果表明，高斯噪声、方波脉冲和浪涌脉冲对数据链路的影响更大。此外，当 BER 相似时，正弦脉冲、高斯噪声和浪涌脉冲对图像传输的影响更为显著。

基于上述发现，很明显已经对无人机数据链系统的强电磁效应进行了广泛的研究。综合采用了各种方法，包括电磁辐照测试、电磁注入测试和模拟分析，以研究不同脉冲波和连续波对数据链系统的影响。然而，大多数研究主要集中在分析干扰信号的频率上，而对其他参数的影响的关注相对较少。

飞行控制和导航系统是无人机的中央系统，由飞行控制模块和导航模块组成，每个模块都有特定的功能。该系统主要由惯性测量单元 （IMU）、机载微型计算机和 GPS 接收器组成。IMU 集成了各种传感器设备来测量无人机的三轴姿态角和运动参数，如表 3 所示。飞控导航系统的核心部件是机载微机，负责处理和收集来自传感器的信号。它实现了无人机的智能控制和自主决策。GPS 接收器获取卫星信号并持续监控无人机的实时位置信息，提供准确的方向参考和位置坐标。

无人机的飞行控制和导航系统容易受到强 EMI 的影响，导致运行异常，如图 4 所示。电磁场会干扰 IMU 内的陀螺仪和磁罗盘等传感器，导致姿态估计精度下降和飞行稳定性降低。此外，EMI 会影响来自机载微型计算机的命令信号，导致无人机操作错误。GPS 接收器配备了用于接收卫星信号的天线，由于功率低、传输距离长而面临挑战。为了接收微弱的卫星信号，接收器需要高灵敏度，从而降低了其抵抗 EMI 的能力。表 4 总结了关于强 EMI 对飞行控制和导航系统影响的研究现状。

图 4.飞行控制和导航系统上的强 EMI 示意图。顶部的虚线框表示 IMU 由这五个部分组成，底部的虚线表示与板载微型计算机与其他子系统的连接。

当无人机在强电磁环境中运行时，电力系统内的某些组件或电路可能会受到强 EMI 的影响，从而导致故障。图 5 显示了一个示意图，描述了强 EMI 对无人机电源系统的影响。一方面，干扰可以通过印刷电路板 （PCB） 上的微带线耦合渗透到电路中，从而损坏电子元件 [43]。另一方面，它也可以通过电缆耦合影响 PWM 控制信号或电缆电压，导致电机失控。表 6 总结了当前关于无人机电源系统强 EMI 的研究。

图 5.电源系统上的强 EMI 示意图。

目标电子设备、电路、设备或系统上强 EMI 的相互作用和耦合过程涉及多个物理参数。理论分析或建模计算可能会导致获得的结果与实际测试结果之间存在重大差异。因此，通常需要进行测试研究，以准确、真实地研究强 EMI 对这些目标的影响。为了促进此类实验研究，已经制定了相应的测试标准，例如国际电工委员会制定的EMC测试标准IEC-61000-4-3 [48]、美国军用标准MIL-STD-461 [49]和MIL-STD-464 [50]、航空无线电技术委员会制定的测试标准DO-160 [51]等 [52].对被测设备（EUT，指不同系统中的物体，包括电子设备、电路、设备、系统等）的强电磁效应的测试研究可分为以下两大类：

辐照测试：EUT 直接暴露在强电磁辐照场中。该方法模拟真实环境中的电磁场，可以评估此类场景下设备的性能和容忍度。

注入测试：直接向 EUT 注入或施加大电流或高电压，应保证注入信号的波形与实际情况一致。

辐照测试通常用于评估强 EMI 对电子系统的影响。这种测试方法涉及通过天线传输电磁波，在 EUT 运行时对其进行照射。监控 EUT 的工作状态，以确定强 EMI 的影响。此外，这种测试方法可以确定诱发特定现象所需的场强或功率阈值。

辐照测试有几个常见的测试场地，包括室外测试场地、TEM 室、混响室和消声室。表 7 总结了这些测试站点的特征。在无人机作为 EUT 的情况下，最普遍的方法是在电波暗室中进行辐照测试。这种方法可以更准确地测量测试位置的照射场强度和能量密度。此外，它还能够实时监控无人机的状态和任何相关现象的发生。图 6 说明了用于此类辐照测试的测试系统的典型组件。