雷电电磁脉冲对典型机载GPS模块的损伤效应研究

雷电电磁脉冲对典型机载 GPS 模块的毁伤效应研讨

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. 南京理工年夜学 机器工程学院，南京 210094;

2. 工业和信息化部电子第五研讨所 质量平安监测中心，广州 510610)

摘 要:为研讨雷电电磁脉冲对典型无人机机载 GPS 模块的毁伤效应，经由过程仿真模拟和实验阐发相联合 的办法，获取了对 GPS 模块受雷电电磁脉冲暂态滋扰与永远毁伤进程的熟悉，并得到了响应端口的毁伤阈值。基于对雷电流特征的阐发成果，应用 CST 仿真模拟了雷击时，无人机表里发生的繁杂电磁场情况和 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:跟着雷电脉冲的赓续加强，GPS 输出波形受到减弱影响的水平赓续加重，直至丢失地位信息传输才能并发 生物理毁伤。GPS 数据输入端口的雷电脉冲毁伤阈值为 314.5 V，GPS 数据输出端口的雷电脉冲毁伤阈值为 235.2 V。

关 键 词 :雷电电磁脉冲; 数值仿真; GPS 模块; 注入实验; 毁伤效应中图分类号: TN972 文献标记码: A doi: 10.11884/HPLPB202133.200264

跟着无人机体系集成度越来越高，对外部电磁情况也越来越敏感。雷电电磁脉冲作为天然界中常见的一种强 电磁脉冲，会对无人机的飞行平安造成严重威逼[1]。无人机雷电效应一样平常分为直接效应和间接效应。直接效应是 指雷电流在飞行器外面的传导造成的物理效应，包含布局的机器变形、绝缘击穿等[2];而间接效应是指雷击电流产 生的时变电磁场经由过程孔缝布局进入飞行器内部，在机载线缆上和装备端口耦合发生高电压和年夜电流，对电子装备 造成滋扰和毁伤[3-7]。

环球卫星导航体系(GPS)模块作为无人机导航体系中紧张的一环，可以或许全天候、全天时地为无人机提供准确 的地位信息 [8]。在一样平常导航体系中，GPS 模块常共同电子罗盘使用。为寻求更高的精度和稳固性，也常常采纳GPS/惯导组合导航的计划。当无人机遭遇雷击时，机载 GPS 模块可否正常事情对飞行器的飞行平安问题至关 紧张。

对付雷击间接效应，海内外学者开展了年夜量的研讨。Maurizio Aprà等人应用 VAM-LIFE 软件对象联合数字滤 波计划，完成了对 C-27J 飞机复合资料和线缆的建模，办理了瞬变电磁场数值不稳固的问题[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对象[10];黄军玲等人以雷电流模子、雷击路径、机身 资料、线缆类型等为研讨变量，以小型运输机、年夜型运输机和直升机模子为作用工具，经由过程上百次仿真实验完成了 雷击间接效应研讨[11]。对付电磁脉冲对 GPS 接管机的滋扰研讨中，赵铜城等人测试阐发了在分歧地位、分歧高 度、分歧状况、分歧飞行模式下无人机 GPS 接管机的高反复频率超宽谱电磁脉冲滋扰效应[12];张智香等人从理论 阐发、数值仿真和试验方面研讨了高重频超宽谱短电磁脉冲对 GPS 接管机滋扰后果与脉冲参数之间的依附关系[13]; 以上研讨事情主要集中在雷电间接效应的电磁场散布、线缆耦合和 GPS 接管机受超高重电磁脉冲的滋扰问题，并 未涉及雷电电磁脉冲对典型 GPS 的电磁毁伤效应。

本文基于针对雷电流的特征阐发，对雷击在典型六旋翼无人机表里发生的电磁场情况和 GPS 线缆耦合感应电 压睁开仿真阐发;拔取典型的机载 GPS 模块作为雷电电磁脉冲的作用目的，对其数据输入和数据输出端口开展雷 电电磁脉冲的注入实验。对 GPS 模块的滋扰毁伤进程及其电磁毁伤阈值进行了研讨。本文采纳的研讨办法和分 析成果对无人机机载 GPS 模块的雷电防护设计研讨具有参考意义。

01

无人机雷击电磁仿真

近些年跟着计算电磁学与相关电磁仿真软件的联合，电磁模拟仿真已经成为研讨各种飞行器雷击间接效应的紧张道路。本文拔取典型的六旋翼无人机体系进行建模，经由过程 CST 对其进行雷击瞬态电磁仿真，其模子颠末简化后如图 1所示。

该六旋翼无人机翼展约 900 mm，布局分为 1 电机、2 机翼支杆、3 脚架、4 载物台、5 面板、6 节制模块壳体和 7 电池壳体。依据无人机常用资料类型和机能参数，在 CST 对响应布局进行资料界说。表 1 为无人机仿真设置的资料参数。

激励源的选用参考了美军标 SAE-ARP5412[14]。在 SAE-ARP5412 的界说下，尺度的外部雷电情况可由电流波形表征。在评估雷击间接效合时，电流上升/降落速度和峰值幅度是雷电流波形的紧张参数。对付低空事情的飞行器目的，电流分量A 的作用后果最显著。是以，在仿真和测试中，通常将电流 A 作为主要激励。电流分量 A 可以用双指数函数界说[15]

式中:I0 =218810A;α=11354s−1;β=647265s−1;γ=11354s−1。

电流分量 A 的时域波形如图 2 所示，电流分量 A 的峰值光阴为6.4 μs，半峰值光阴为 69 μs。

颠末对电流分量 A 进行频谱阐发，肯定其能量主要集中在10 MHz 以下，是以将仿真频率规模设置为 0~30 MHz。综合斟酌仿真时长和仿真成果的完备性，将仿真光阴设为 100 μs。界限前提设置为 open 以模拟无人机空中遭遇雷击的环境。分离在节制模块壳体内部、节制模块外部上方和载物台处设定电场和磁场探针，检测无人机表里的瞬态电场、磁场情况。在节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发生的感应电压。探针和线缆结构如图 3 所示。

雷电流颠末无人机后，会在四周空间感生出极强的时变电磁场。图 4 是无人机表里遍地的电磁场强度时域波形。由图可知，无人机遭遇雷击时，其表里电磁场强度会在5.15~6.49 μs 到达最年夜值，在波形上和电流分量 A 坚持同等。节制模块壳体内部处最年夜电场强度到达 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 到达峰值 646 V，半高宽为 55.5 μs。

无人机的 GPS 模块置于壳体的内部，其通信线缆一样平常为未加屏障的带状线，线缆穿过屏障铜箔衔接 GPS 模块和主控板。自带屏障铜箔厚度薄，笼罩面积小，主要用于屏障下方主控板的电磁滋扰。当雷击产生时，铜箔无法对耦合电流发生屏障后果。是以，线缆上耦合发生的过电压会严重威逼GPS 模块的正常事情。为模拟线缆耦合雷电电磁脉冲对机载 GPS 模块的作用后果，拔取 GPS 模块的数据通信端口进行雷电脉冲注入实验。

02

雷电脉冲注入实验

基于上述仿真成果，选择峰值光阴为 6.4 μs，半高宽为 69 μs的响应电压波形作为注入源，研讨雷电电磁脉冲对 GPS 模块的毁伤效应。

2.1 实验工具

本文实验工具为常见的 GPS 罗盘一体模块，型号为 BN-880。GPS 模块经由过程后头的陶瓷天线，接管卫星发出的电磁波旌旗灯号，处置后向无人机主控板输出地位信息。GPS 模块如下图 6 所示。模块与主控板经由过程 6pin 线衔接。

GPS 模块的 6 个接口参数如表 2 所示。

当 GPS 模块正常事情时，端口 3 输出方波信息，波形如下图 7 所示。方波高下电平的根本脉宽 T 约为 100 μs，低电平为 0 V，高电平为 3.15 V，别的方波脉宽均为 T 的整数倍。GPS 模块的通信端口采纳 TTL 电平尺度，在该尺度下划定最小输入高电温和低电平为: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”。经由过程对“0”和“1”旌旗灯号序列的辨认处置，GPS 模块向主控板输出响应的地位信息。

2.2 实验计划

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)进行插针注入实验。实验装备和实验结构如图 8 所示。

实验进程如下:1实验开端前，零丁衔接 GPS，经由过程电脑软件读取定位信息以确保其可以正常事情。2在对 GPS 正常供电的环境下，分离对端口 3 和端口 4 注入雷电脉冲波形，同时在注入端检测现实进入的电压和电流。3单次注入完成，断开雷电脉冲产生器，衔接 GPS 和示波器丈量其输出波形。再使用软件读取 GPS 模块的输出地位信息，经由过程对照现实地舆地位，断定 GPS 模块是否毁坏。

值得提出的是，在对端口 4 注入雷电脉冲时，可以同时经由过程高电压探头监测端口 3 的输出电压波形，从而阐发雷电脉冲对 GPS 模块输出旌旗灯号的作用后果。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

实验成果与阐发

3.1 数据输出端口注入实验成果

在分歧脉冲峰值 U0 实验前提下，从端口 3(数据输出端口)注入雷电脉冲，现实注入的电压峰值 Up 和电流峰值 Ip 变化趋向如图 10 所示。实验成果注解，跟着 U0 的赓续进步，Up 和 Ip 也在赓续进步，且在 GPS 模块产生毁坏前根本相符线性关系。

当现实注入电压峰值 Up 不低于 235.2 V 时，GPS 模块产生弗成规复的毁坏。由此肯定，GPS 模块的数据输出端口的雷电脉冲毁伤阈值为 235.2 V。

在进行分歧 U0 的雷电脉冲注入后，端口 3 的输出电压高下电平 UH 和 UL 变化如图 11 所示。

在 GPS 正常事情状况下，察看到端口 3 输出规矩工致的高下电平方波，通报地位信息。跟着 U0 的赓续进步，起先端口 3 的 UH 根本维持不变，UL 值逐渐上升。此时 UH 和 UL 均在 TTL 划定电平值规模内，在此时代衔接电脑后 GPS 尚可正常事情。当 U0 进步至 240 V 时，UL 升高到 0.8 V 以上，模块无法通报逻辑“0”信息。此时，使用配套的旌旗灯号读取和处置软件已无法有用读取辨认 GPS 模块的定位信息，至此以为 GPS 进入毁伤阶段。随后，端口 3 输出 UL 赓续进步，而UH 赓续低落。终极，因为模块中的部门元件毁坏，高电平也陡然进步，UH 和 UL 值切近亲近，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 输出波形的影响进程。图 12(a)为正常事情输出波形，图 12(b)表现 U0 进步至 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数据输入端口注入实验成果

以 U0 为变量，对端口 4(数据输入端口)注入的雷电脉冲，GPS 模块的受毁伤环境如图 13 所示。跟着 U0 的赓续进步，现实注入的电压峰值 Up 和电流峰值 Ip 也在赓续进步，且根本相符线性关系。当现实注入电压峰值 UP 不低于 314.5 V时，GPS 产生弗成规复的毁坏。由此肯定，从 GPS 模块输入端口的雷电脉冲毁伤阈值为 314.5 V。

在注入雷电脉冲进程中，同时监测端口 3 的输出电压波形。成果注解 GPS 模块呈现了暂态滋扰和永远毁伤两种状况旌旗灯号。典型暂态滋扰旌旗灯号如图 14 所示，典型永远毁伤旌旗灯号如图 15 所示。

在 U0 较小前提下，雷电脉冲对 GPS 的输出波形造成暂态滋扰，形成了滋扰区域。底本低电平的区域发生了最高约 2.25 V 的尖峰，随后，端口 3 输出规复正常状况。当U0 进步到 315 V 时，在输出波形中发生最高 97 V 左右的尖峰脉冲，GPS 产生弗成逆毁伤只输出低电平，无法提供地位信息。

04

结 论

本文对雷电流进行了特征阐发，模拟仿真了六旋翼无人机遭遇雷击时，其表里瞬态电磁场情况和 GPS 线缆上

耦合感应发生的瞬态电压。之后，开展了典型机载 GPS 模块数据通信端口的雷电脉冲注入实验和毁伤进程阐发。研讨成果注解:

(1)无人机在遭遇雷击时，GPS 模块地位的电磁场强度极年夜，电场强度峰值可达 351 MV/m，磁场强度可达304 kA/m。繁杂的电磁情况会经由过程数据传输线的耦互助用，对机载 GPS 模块造成严重威逼。

(2)GPS 模块的数据输出端口雷电脉冲毁伤阈值为 235.2 V，其毁伤进程可以总结为:在U0的赓续进步下，GPS 的输出方波赓续受损并终极丢失传输逻辑旌旗灯号“0”和“1”的才能，致使 GPS 模块无法正常事情。

(3)GPS 模块的数据输入端口雷电脉冲毁伤阈值为 314.5 V，当现实注入电压跨越阈值时，GPS 模块由暂态滋扰状况转为永远毁伤状况。

(4)由此可知，对付无人机机载 GPS 模块应增强数据通信端口，尤其是数据输出端口的防雷设计，保证雷击产生时响应端口的感应电压被钳在毁伤阈值以下。

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起源 | 《强激光与粒子束》2021年第03期

天然界中的雷电弗成能消散

人类对技术提高的憧憬和激动也弗成能终止

技术提高带来的潜在威逼

只能靠技术的继续提高来办理