地面無人平臺電磁兼容及防護技術研究

趙曉凡，李小健

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地面無人平臺電磁兼容及防護技術研究

趙曉凡，李小健

（中國北方車輛研究所，北京 100072）

闡述了地面無人平臺電磁兼容性的一些關鍵問題，介紹了地面無人平臺的分類及關鍵能力。根據系統(tǒng)組成和應用場景，分類研究了各類設備所處的內外電磁環(huán)境，剖析了其面臨的電磁兼容隱患。最后，從總體設計、頻譜規(guī)劃、測試驗證三個方面，給出了針對地面無人平臺電磁兼容工作的具體建議。

地面無人平臺；電磁兼容；電磁干擾；電磁防護零散

地面無人平臺是一種有動力且不需要人員駕駛的地面機動平臺，它可以采用一種或多種控制方式（自主/半自主/遙控方式）工作，既具有車輛機動性特點，又包含智能自主性的特點，同時可以攜帶各種致命或非致命武器裝備。近年來，隨著無人技術的發(fā)展，地面無人平臺在許多領域得到了廣泛應用[1—3]，通過地面環(huán)境感知系統(tǒng)實時接收來自多種探測傳感器的目標特征描述，以及精密定位系統(tǒng)給出的位置、姿態(tài)、運動參數等數據，并將這些數據傳輸給計算機處理系統(tǒng)，進行分析處理及有效融合、決策與規(guī)劃，向動力推進系統(tǒng)、搭載的武器系統(tǒng)等輸出控制指令，實現(xiàn)自主機動及自主控制。為了實現(xiàn)該目標，需要安裝大量的傳感器和探測器等觀瞄系統(tǒng)，同時其控制系統(tǒng)較有人裝備而言，對安全性、準確性的要求更高。與此同時，相較于有人裝備，無人平臺的應用場景更加多樣，任務地點涵蓋了整個陸基環(huán)境，面臨的電磁環(huán)境復雜多變[4]。

在這種狀況下，電磁兼容成為了地面無人平臺的一個關鍵性問題，直接影響到平臺的功能和生存能力，然而，目前并不具備成熟的地面無人平臺電磁兼容性設計試驗方法[5—7]。復雜的使用環(huán)境和精密的感知設備，使得針對傳統(tǒng)裝備的電磁兼容設計指標和驗證方法不再有效[8]。同時，常規(guī)的電磁兼容設計方法對于寬頻譜、高度數字化的無人平臺也不再適用。如何進行防護性能總體設計和測試評價成為了亟待研究的問題。

文中就地面無人平臺電磁兼容性的一些關鍵問題進行了闡述。首先，介紹地面無人平臺的分類及關鍵能力。然后根據系統(tǒng)組成和應用場景，分類研究了各類設備所處的內外電磁環(huán)境，剖析了其面臨的電磁兼容隱患。最后，從總體設計、頻譜規(guī)劃、測試驗證三個方面，給出了針對地面無人平臺電磁兼容工作的具體建議。

1 地面無人平臺發(fā)展及共性特點

國外發(fā)達國家開展了大量的無人平臺系統(tǒng)開發(fā)研制工作，并取得大量研究成果。其中以軍事應用為目的開發(fā)的典型無人平臺有PackBot，SMSS，Avant Guard，Bigdog等，如圖1所示。可以執(zhí)行偵察監(jiān)視、任務支援、武裝警衛(wèi)、丘陵地形負重行走等眾多任務。國內相關的技術開發(fā)工作也在緊鑼密鼓進行中，有些系統(tǒng)已經達到實用階段。

分析其實現(xiàn)功能性能的共性特點，各類地面無人平臺至少需要具備以下四個方面的基本能力。

1）環(huán)境感知或探測能力：感知平臺周圍環(huán)境，為智能系統(tǒng)提供決策依據。

2）綜合決策能力：依據感知系統(tǒng)得到的環(huán)境數據作出決策，并向執(zhí)行系統(tǒng)下達指令。

3）執(zhí)行能力：執(zhí)行決策系統(tǒng)、操作控制系統(tǒng)等下達的行動指令。

4）通信能力：保證地面無人移動平臺與操作控制系統(tǒng)信息聯(lián)絡。

上述四方面基本能力的實現(xiàn)采用的技術不僅涉及光、機、電、磁等多學科領域，還涉及感知、導航、動力能源、自動控制、人機交互、計算機、通信等綜合集成設計應用技術，這些相關學科和技術領域都與電磁兼容技術密切相關，同時存在大量的電磁干擾問題，無人平臺的電磁兼容性能直接影響其功能性能的實現(xiàn)。如何開展電磁兼容和防護設計，并對其進行驗證與評價是極為復雜的問題，也是無人平臺技術集成設計中的一項關鍵技術。

2 無人平臺系統(tǒng)組成及電磁干擾特點分析

無人機動平臺雖然在結構匹配、傳感器配置、功能實現(xiàn)上各不相同，但是在無人駕駛系統(tǒng)組成上有著顯著的共同點，都包含環(huán)境感知系統(tǒng)（含定位）、運動規(guī)劃系統(tǒng)、跟蹤控制系統(tǒng)、底盤動力系統(tǒng)等子系統(tǒng)，這些共同點構成無人機動平臺的基本組成部分[9]。與有人車輛相比，車輛普遍安裝光電、紅外探測裝置、目標識別系統(tǒng)、無線通信設備、雷達傳感器、攝像機、變焦設備、夜視鏡等大量光電探測設備和高速網絡數據傳輸系統(tǒng)，以實現(xiàn)各種功能[10—11]。就電磁兼容和電磁防護技術而言，由于無人平臺各系統(tǒng)凸顯對電和電磁波的強烈依賴性，系統(tǒng)電磁兼容問題更加突出。平臺采用的混合動力驅動系統(tǒng)、控制決策高速處理系統(tǒng)、光電探測環(huán)境感知系統(tǒng)本身都存在電磁干擾控制的難題，更不用說集成到一個有限空間里，電磁干擾的概率大大增加。由于多域環(huán)境的使用要求，外部電磁環(huán)境對其功能性能的影響也遠高于傳統(tǒng)的有人平臺，解決方案有待進一步探索，需要高度重視。

2.1 環(huán)境感知系統(tǒng)的電磁干擾特性

環(huán)境感知系統(tǒng)是指通過各種傳感器設備的輸入建立無人車輛周圍包含二維或三維環(huán)境特征的環(huán)境模型的系統(tǒng)。其中主要包含以下四類傳感器。

1）全局姿態(tài)傳感器：全局姿態(tài)傳感器的功能是確定平臺的全局位置和方向。報告全局姿態(tài)消息提供平臺的位置和方向。運用適當的傳感器測量轉動、傾斜和偏航參數，可以標定車輛方向。

2）局部姿態(tài)傳感器：局部姿態(tài)傳感器負責計算車輛的局部姿態(tài)，模塊啟動后定位車輛。局部姿態(tài)通常用、、、旋轉量、傾斜度和偏航角計算。當該模塊使用位移表示的譯碼器和用流速表示的陀螺儀時，局部姿態(tài)估計的精確度將逐漸降低。特別是干燥路面上使用高摩擦力的輪胎/輪胎面和光纖視覺陀螺儀，會導致大約1%的距離誤差。該模塊和速率狀態(tài)模塊都要求相同的傳感器消息（陀螺儀、譯碼器）。

3）速率狀態(tài)傳感器：速率狀態(tài)傳感器負責報告平臺的瞬時線速度和角速度。該模塊和局部姿態(tài)模塊要求同樣的傳感器消息（陀螺儀、譯碼器）。

4）視覺感受器：視覺感受器模塊為車輛上的一個或多個攝像頭提供通用界面。它可以為所有攝像頭類型提供通用界面——串口、線路、USB 等，還能同時支持多攝像頭（任意維度）工作。

由于功能需求以上各種傳感器模塊分布在車身周圍，它的主要作用是建立地面無人機動平臺周圍的環(huán)境模型，為無人系統(tǒng)的決策、規(guī)劃和控制提供地圖、環(huán)境約束和定位信息。這類帶窗口和圖像功能的傳感器靈敏度高、使用頻譜寬，本身就是敏感源，非常容易受電磁干擾。同時這類探測傳感器又是各類數據的前端，采樣數據的可靠性要求高，目前主要采用成熟的工業(yè)級產品。這類傳感器的電磁兼容設計和工藝實現(xiàn)都比較困難，防護能力相對薄弱，同時又缺乏經驗和試驗數據，因此存在較大的電磁干擾風險。

2.2 底盤動力系統(tǒng)電磁環(huán)境特性

底盤動力系統(tǒng)采用混合動力或純電動模式，其控制系統(tǒng)主要包括底盤綜合測控計算機、動力系統(tǒng)控制器及各類功能控制器等。其中動力傳動系統(tǒng)采用高功率電機、大功率和脈寬調制技術的控制器，采用約390~400 V直流高壓供電，具有功率大、瞬態(tài)變化快等類型的電磁干擾特性。與以往有人車輛底盤安裝相比，內部空間更加狹小，安裝密集度更高，平臺內的供電特性、接地特性、安裝方式、匹配設計都有自身的特點，而且集中了不同類別的電子電氣設備，各種大功率設備、敏感設備與控制終端緊密排列，使系統(tǒng)內電磁環(huán)境更加復雜。這一復雜系統(tǒng)既包含使用強電的各種大功率、大電流電力電子設備，又包含小功率、小電流微電子器件構成的控制設備以及產生微弱信號的各種傳感器。系統(tǒng)內部的大功率高頻開關電源、高功率密度輪轂電機、大功率脈寬調制信號等都是容易產生電磁輻射的系統(tǒng)，產生的強烈電磁噪聲將對控制器等弱電設備的正常工作和周圍環(huán)境產生嚴重的干擾。主要包括以下幾種影響較為嚴重的電磁干擾特性：混合動力系統(tǒng)及高壓供電系統(tǒng)電磁兼容特性；大功率脈寬調制技術產生的電磁干擾特性；電源變換器DC/DC產生的電磁干擾特性。

平臺系統(tǒng)內共地安裝的大量傳感器、探測器、計算機、控制器、通信類負載均屬于低電壓、小電流的弱電設備，與系統(tǒng)中的強電高壓設備之間通過電源線、信號線互連，機電復合傳動、起動/發(fā)電一體機、電源變換器等工作時產生的強烈的電磁噪聲將通過導線傳導或電磁輻射構成干擾。干擾幅值高、覆蓋頻段包括大部分電子設備工作頻段，干擾信號頻率容易被電子設備響應，對智能控制單元和接口器件、傳感器、通訊串口、電磁閥和繼電器等造成干擾。產生的諧波可能引起電子控制系統(tǒng)的邏輯錯誤，甚至導致部分敏感器件或固體組件的損壞。

2.3 偵察打擊任務載荷系統(tǒng)的外部電磁環(huán)境適應性

偵察打擊任務載荷系統(tǒng)，其特點是安裝在平臺外部，主要的偵察攻擊設備都暴露在車體外部，直接面臨復雜的電磁環(huán)境。其功能具備環(huán)境偵察、監(jiān)視和一定的目標打擊能力。主要包括偵察系統(tǒng)、武器系統(tǒng)和任務載荷控制系統(tǒng)等部分。偵察系統(tǒng)用來對任務環(huán)境實施監(jiān)視觀察并搜索打擊目標；武器系統(tǒng)用來對目標進行瞄準、跟蹤和打擊；任務載荷控制系統(tǒng)負責對偵察系統(tǒng)和武器系統(tǒng)進行控制，并與其他設備進行數據通信。如何在復雜環(huán)境中保證上述各類設備的正常工作，特別是保證偵察感知系統(tǒng)、高速數據臺的正常工作成為該平臺電磁兼容工作的重點及難點。

3 無人平臺電磁兼容工作要點

地面無人平臺系統(tǒng)本身就處于一個極端復雜的電磁環(huán)境中，不僅有自身產生的電磁特性，還將對周圍外界環(huán)境非常敏感。平臺長期處在復雜的電磁輻射環(huán)境中，會增加種種不穩(wěn)定的因素。其一就是對電子器件的影響，可能使其老化或失效。射頻激勵信號還可能誘發(fā)設備的潛通路，從而使感知等系統(tǒng)誤操作。同時地面無人平臺技術超前，集成度和技術含量高，還有大量新出現(xiàn)的電磁干擾問題需要探索和研究，分析研究并評估各種電磁環(huán)境及對平臺功能使命的影響，并采取措施加以控制，可以避免或減少上述現(xiàn)象的發(fā)生。

3.1 電磁兼容總體設計技術

大量的感知、探測傳感器、天線等的布局由于車體物理尺寸限值，可能無法達到理想的布局設計，或者系統(tǒng)工作時進行電磁兼容設計的結果可能與功能兼容性要求出現(xiàn)偏差，都有可能會導致系統(tǒng)功能降低，應該通過試驗驗證給出合理的指標體系。總體設計規(guī)劃對無人平臺來說非常重要，重點應該開展以下幾方面的研究工作。

1）頂層設計：結合任務使用需求，從頂層設計高度出發(fā)，進行全系統(tǒng)設計規(guī)劃，提出綜合設計方案。

2）指標分配：采取量化預測設計手段，開展動態(tài)指標分配研究，建立分配機制，合理分配設計指標。針對強電磁防護的設計應該建立三級的防護體系，使其更有針對性。

3）布局設計：天線、車載設備、電纜敷設、屏蔽設計、優(yōu)化總體布局，空間、時間、頻率隔離V/UHF頻段的自適應干擾對消技術等。

4）信息安全防護設計：為了保證嚴酷電磁環(huán)境中信息傳輸性能，需要從三個方面進行設計。首先采用錯誤檢測和校準機制的優(yōu)化通信協(xié)議；其次采用平衡（而不是單邊）發(fā)射和接收信號；第三建立過載保護機制。系統(tǒng)內通信方式采用紅外、激光或點對點的微波信號，加大頻譜使用間隔，減少諧波干擾。傳輸線纜采用光纖而不是傳統(tǒng)的銅線電纜。

3.2 對于有意和無意輻射的頻率使用規(guī)劃

就地面無人平臺感知系統(tǒng)而言，它將涉及射頻資源總體規(guī)劃、頻譜共用與復用、射頻綜合探測、綜合寬帶射頻網絡、分布式超寬帶有源陣列天線、毫米波寬帶收發(fā)組件、寬帶射頻并行多通道接收與發(fā)射等先進技術，本身內部電磁環(huán)境復雜，它既是干擾源也是敏感源。因此無人平臺感知系統(tǒng)總體設計需要對各類傳感器集成和射頻傳感器等關鍵設備進行電磁兼容建模仿真[12]，利用仿真模擬特定電磁環(huán)境，合理規(guī)劃選用頻率。通過多方案比較，并且獲取各種潛在電磁干擾的計算結果，從而判斷干擾源發(fā)射的電磁能量是否影響敏感設備，系統(tǒng)能否兼容工作，這樣不僅可以及早發(fā)現(xiàn)設計中的薄弱環(huán)節(jié)，也便于對系統(tǒng)總體布局方案和電磁兼容設計進行評估分析和量化改進[13—15]。重點開展以下幾方面的研究。

1）電磁仿真計算：建立數字化電子樣機開展電磁環(huán)境仿真，結合發(fā)射功率、發(fā)射機帶外衰減、接收機靈敏度、接收機帶外抑制等指標、電磁頻譜分析。

2）天線性能試驗：方向圖仿真及試驗驗證。

3）關鍵設備影響分析：屏蔽效能、電纜布局、分系統(tǒng)設備降級狀況、分系統(tǒng)設備安全性等因素、無線電設備影響。

4）電磁防護設計：結合外部射頻電磁輻射數據與平臺屏蔽效能測試結果對車載安全類設備開展電磁兼容性防護技術分析、設計。

5）全車射頻參數規(guī)劃：諧波、寬帶噪聲、接收機參數、天線參數、電子設備晶振參數等。

3.3 電磁環(huán)境適應性試驗與評價方法研究

相較傳統(tǒng)裝備，地面無人平臺擁有更為精密的感知系統(tǒng)，更為緊湊的布局布線，面臨更為復雜的使用環(huán)境。傳統(tǒng)的電磁兼容試驗評價方法不再適用。要想有效地評價無人平臺的電磁兼容性，需要在明確定義背景環(huán)境和威脅環(huán)境的前提下，結合系統(tǒng)特點分析干擾耦合機理，提出針對性的指標，建立可行的試驗評價方法[13]。具體內容如下。

1）定義無人平臺的背景環(huán)境和威脅環(huán)境。首先應該開展地面裝備面臨的背景環(huán)境和威脅環(huán)境分析，設置專門專題（課題）進行研究。準確給出干擾類型、干擾樣式、干擾量級及響應機理，準確定義背景環(huán)境和威脅環(huán)境，提出采購、設計雙方認可的環(huán)境定義和考核項目及設施方法，逐步開展試驗考核：哪些是必須考核的環(huán)境；哪些要求適用于當前受試的平臺；在幾種確認的測試方法中選取特定的測試方法；選擇適合的符合性等級和極限值（設計是否已經考慮，破壞性多高）；合適的操作模式以測試對照或證實其符合性。

2）分析確定無人平臺主要受威脅的系統(tǒng)和作用機理。對于無人平臺來說，重點分析感知、決策、動力及通信系統(tǒng)，摸清目前的設計情況、敏感度閾值、已經通過的試驗項目等。通過高性能的頻譜監(jiān)測設備，捕獲常態(tài)及瞬態(tài)干擾信號，監(jiān)測頻率捷變信號和寬帶信號，采集電磁環(huán)境數據，包括雷達信號環(huán)境、通信信號環(huán)境、光電信號環(huán)境等描述參數。采用功能強大的處理軟件和信號模擬系統(tǒng)，通過實時頻譜、時頻特性等多頻譜電磁特征提取技術，借助行之有效的分析控測策略，自適應地進行復雜電磁環(huán)境的數據采集提取，實現(xiàn)窄帶數字信號的解調、信號調制特性的識別等功能。針對感知系統(tǒng)，探索電磁環(huán)境對其的作用規(guī)律，確定干擾、損傷機理，建立設備電磁耦合模型，電子元器件、部件及系統(tǒng)的電磁損傷模型，探索電磁防護設計的新方法、新技術，為系統(tǒng)電磁兼容分析預測技術、優(yōu)化設計技術和防護加固技術奠定基礎[14]。

3）指標剪裁及評估方法。借鑒以往項目的經驗進行理論分析和研究，在實際使用中總結經驗來對選用測試項目的適用范圍、頻率范圍、極限值進行剪裁，從而制訂出適合該平臺情況的無人平臺電磁兼容指標要求。由于一些通用的標準并不是針對該無人平臺的專用電磁兼容測試標準，因此在實際測試中有些指標很難達標，有些指標需要加強。為制定有針對性的指標要求，這就需要找出標準中各項測試的理論依據，然后再針對無人平臺的實際情況進行合理的剪裁，以減少不必要的開支。

4 結論

地面無人平臺對電磁頻譜的依賴性很強，無論從管理方面還是設計方面都高度重視電磁兼容保障性工作。從技術儲備來說，在無人平臺這類項目中，電磁兼容設計及防護技術還是空白。電磁兼容設計和控制本身是系統(tǒng)工程，特別是在該系統(tǒng)缺乏防護設計和試驗經驗數據的情況下，探索試驗項目和試驗方法，對強電磁干擾不同等級的劃分及量級的選擇凸顯重要。系統(tǒng)的防護設計原則上只能根據系統(tǒng)關重性，按照設備的功能在系統(tǒng)中的重要性進行加權。從行業(yè)角度來說，在自動化、信息化、數字化程度較高，感知控制要求高的產品經驗還很欠缺，需要在實踐中通過定量的和定性的分析，不斷摸索經驗，以系統(tǒng)最終在規(guī)定的電磁環(huán)境中正常工作為目標，采取各種措施使得地面無人平臺能夠在系統(tǒng)內和系統(tǒng)外都有良好的電磁兼容和防護性能。

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Electromagnetic Compatibility and Protection Techniques of Ground Unmanned Vehicles

ZHAO Xiao-fan1, LI Xiao-jian1

(China North Vehicle Research Institute, Beijing 100072, China)

This paper elaborated some key problems on electromagnetic compatibility of ground unmanned platform and introduced classification and key abilities of the ground unmanned platform. Based on system composition and application scenarios, this paper researched internal and external electromagnetic environment of different equipment by classification, and analyzed hidden risks in electromagnetic compatibility it faces. Finally, it proposed specific suggestions on electromagnetic compatibility of ground unmanned platform from overall design, spectrum test and validation test.

groundunmanned vehicle; EMC; EMI; scattering of electromagnetic protection

10.7643/ issn.1672-9242.2017.05.015

TJ07

A

1672-9242(2017)05-0064-05

2016-11-02；

2016-12-10

趙曉凡（1963—），女，河北人，研究員, 主要從事車輛電磁兼容研究。