無人機導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾措施 - 岳長松-

1、·EMI SUPPRESSION TECHNOLOGY · SAFETY &EMC No.52010摘要通過介紹無人機導(dǎo)航系統(tǒng)的接收機特性,分析了無人機GPS 信號不穩(wěn)定的原因,并采取合理布局GPS 接收天線的位置、在GPS 接收天線與設(shè)備特別是有源設(shè)備之間加入隔離裝置等措施,提高了無人機導(dǎo)航系統(tǒng)的抗干擾性。關(guān)鍵詞無人機;GPS 靈敏度;環(huán)境噪聲電平AbstractBy introducing the receiver characteristics of UAV navigation system,the cause of the instability of t

2、he UAV GPS signal is analyzed.The immunity of the UAV navigation system is improved through rational distribution of GPS receiver antenna loca -tion and by introducing and by adding some particular isolation device between the active devices.Keywordsunmanned aerial vehicle;GPS sensitivity;ambient no

3、ise level磁環(huán)境的電子干擾。而GPS 接收機依賴于GPS 衛(wèi)星(SV 發(fā)射的外部射頻(RF 信號工作,所以GPS 接收機很容易受到RF 干擾的影響。RF 干擾能使GPS 接收機導(dǎo)航精度性能降低或使GPS 接收機跟蹤完全丟失。1.1電磁環(huán)境電平電磁環(huán)境電平的定義:在規(guī)定的試驗地點和時間內(nèi),當試驗樣品未通電時,已存在的輻射及傳導(dǎo)的信號和噪聲電平。圖1中是GJB 151A-1997中給出的RE102極限值曲線。引言無人機關(guān)鍵技術(shù)之一是導(dǎo)航/飛控系統(tǒng),它是無人機安全飛行、有效完成任務(wù)的重要保證。當前的衛(wèi)星定位系統(tǒng)包括美國的GPS 、俄羅斯的Glonass 及中國正在研究的“北斗”系統(tǒng)。其中,G

4、PS 導(dǎo)航系統(tǒng)主要負責(zé)GPS 信息采集、電子羅盤信息采集、坐標轉(zhuǎn)換、飛行控制策略確定及控制任務(wù)執(zhí)行等工作。GPS 的靈敏度非常高,如何提高GPS 導(dǎo)航控制系統(tǒng)的抗干擾性就顯得相當重要。1GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)的接收機特性GPS 是一種全向天線,需要借助于低噪聲放大器來提高其增益,達到高增益和高靈敏度的性能要求。GPS 衛(wèi)星信號所包含的載波、測距碼(包括P 碼、C/A 碼、數(shù)據(jù)碼(導(dǎo)航電文,或稱D 碼都在同一個基本頻率f 0=19MHz 控制下產(chǎn)生的。其中載波是GPS 衛(wèi)星信號取無線電波中L 波段的兩種不同頻率的電磁波。其中的一個載波上調(diào)制有2MHz 的偽隨機噪聲碼(稱為粗碼或C/A 碼、20MHz

5、加密的偽隨機噪聲碼(稱為精碼或P 碼。在另一個載波上調(diào)制有精碼和導(dǎo)航電文,區(qū)別不同衛(wèi)星采用碼分多址,C/A 碼用于普通測距并過渡到捕獲精碼,精碼用于精密測距,一般用戶只能用C/A 碼。在20000km 高空飛行的GPS 衛(wèi)星,向地面用戶發(fā)送的導(dǎo)航定位信號(GPS 信號是一種可供全球用戶共享的空間信息資源,但其信號強度極其微弱,即使在天頂運行的GPS 衛(wèi)星,其信號到達GPS 接收天線時,信號電平約為-129.6dBm ,如此微弱的GPS 信號極易受到系統(tǒng)電無人機導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾措施Solutions for Improving Immunity of UAV Navigation System北京

6、航空航天大學(xué)岳長松潘耀鵬韋志棉圖1RE102極限值曲線幅度/(d B V /m 頻率/HzGPS 接收機接收到的信號電平必須低于RE102極限值曲線。1.2GPS 靈敏度GPS 靈敏度是指GPS 接收機的靈敏度,是GPS 接收機最為重要的性能指標之一,它包括:跟蹤靈敏度、捕獲靈敏度、初始啟動靈敏度。52·電磁干擾抑制技術(shù)·2010年第5期安全與電磁兼容GPS ICD (Interface Control Document ,接口控制文檔文件規(guī)定的GPS 系統(tǒng)L1頻段C/A 碼信號功率最小值為-160dBW ,即GPS 靈敏度S =-130dBm 。GPS 工作頻率f =15

7、75.42MHz ,其信號波長=19cm 。1.3GPS 天線系數(shù)工程上常根據(jù)天線增益來計算天線系數(shù),表示為:AF=9.76G姨(1換算成dB 表示為:dB (AF =20lg 9.73G姨(2為了計算方便,寫成如下形式:dB (AF =-29.75+20lg f -10lg G(3式中,f 為頻率(MHz ;G 為GPS 天線增益。GPS 天線增益包括無源天線增益和有源放大器增益兩部分,其中無源天線增益G p =-4dB ,有源部分的增益G a =40dB 。通過式(3可知,工作頻率f =1575.42MHz 的GPS 天線,其無源部分的天線系數(shù)AF =38.1979dB 。根據(jù)RE102極

8、限值,在f =1575.42MHz 上背景電平的幅度最大值約為L =46dB V/m 。GPS 接收機前端的信號最高能量為:P =L -AF+G a(4所以,GPS 接收機前端信號最高能量為47.8dB V即-59.2dBm 。由于GPS 接收機的靈敏度為-130dBm ,滿足RE102的設(shè)備級輻射發(fā)射的最高信號要比GPS 靈敏度高大約70dB ,可能對GPS 接收機造成干擾。也就是說,無人機系統(tǒng)在該頻點的信號電平很可能超過GPS 信號電平,進而對GPS 接收裝置造成干擾。2GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)干擾分析GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)干擾通常分為四類:帶干擾、連續(xù)波干擾和脈沖干擾。(1寬帶(WB 干擾指占用兩個調(diào)

9、制帶寬的干擾信號。它是干擾GPS 信號最有效的方式,一般難以被濾除掉。(2窄帶(NB 干擾指占用帶寬大于1MHz ,小于等于整個C/A 碼帶寬的任何有害信號。窄帶干擾主要圍繞著載頻集中發(fā)射干擾信號,以達到最大的干擾效果。(3連續(xù)波(CW 干擾指占用帶寬小于100MHz 的干擾信號。它主要在一定頻率上產(chǎn)生單尖峰噪聲,如果它集中在擴頻譜信號的截頻附近,將極具破壞性,但它容易從所接收的信號中被濾除掉。(4脈沖干擾指采用脈沖持續(xù)時間極短、功率很大的信號。這些信號相當于噪聲源,會使數(shù)據(jù)流產(chǎn)生猝發(fā)性誤差,它對理想接收機中的數(shù)據(jù)檢測器很不利。它可以通過在發(fā)射的GPS 信號中加入衰減校正能力,或者通過估計干擾

10、機狀態(tài)(有或無,并在有干擾機時忽略其數(shù)據(jù)而進行補償。在某型無人機系統(tǒng)的試飛試驗中,曾出現(xiàn)過無線電數(shù)據(jù)鏈設(shè)備干擾GPS 的現(xiàn)象。無人機在飛行過程中,GPS 信號突然不穩(wěn)定,甚至收不到GPS 信號,導(dǎo)致導(dǎo)航系統(tǒng)誤差增大,飛機不得不帶油返航。飛機落地后,進行了飛機環(huán)境電平測試,發(fā)現(xiàn)測控數(shù)據(jù)鏈設(shè)備在GPS 接收機頻帶內(nèi)有一個固定的脈沖信號,干擾了GPS 信號的正常接收。通過降低測控數(shù)據(jù)鏈設(shè)備機箱輻射、改善濾波器性能等方法濾除了干擾。我們對無人機發(fā)生的電磁干擾現(xiàn)象進行了分析:(1測控鏈路的C 波段設(shè)備小信號工作時,差分GPS 天線接收信號的旁邊有寬帶干擾信號存在,并且兩個天線距離太近,影響正常GPS 信

11、號接收;(2UHF 天線發(fā)射狀態(tài)下,在GPS 工作頻率附近的1590MHz 受到對講機干擾;(3對無人機的設(shè)備艙施加10kHz18GHz 外界干擾時,光電平臺抖動,圖像出現(xiàn)條紋,通信鏈路C 波段失鎖,KU 天線失鎖,油量傳感器異常。(4測控鏈路視距UHF 設(shè)備干擾了正常GPS 信號的接收。測控鏈路的C 波段設(shè)備小信號工作時,差分GPS 天線接收信號在1.21.8GHz 頻帶范圍內(nèi)的信號能量約為-100dBm ,比GPS 接收機靈敏度高30dB 。而當該小信號不工作時,該頻帶范圍的信號能量回復(fù)到-150dB 以下,遠遠小于GPS 接收機的靈敏度,不會影響到GPS 接收機的信號接收。經(jīng)RE102測

12、試發(fā)現(xiàn),在UHF 天線發(fā)射狀態(tài)下,1590MHz 附近的環(huán)境電平約為67dB V ,即能量約為-40dBm ,比第二節(jié)中得出的GPS 接收機前端的信號最高能量-59.2dBm 高出約20dB ,因此GPS 容易受到干擾。而當UHF 天線不處于發(fā)射狀態(tài)時,該環(huán)境電平下降到20dB V 左右,能量約為-87dBm ,比-59.2dBm 低約30dBm ,不會對GPS 的接收造成干擾。3改善GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾性由于無人機GPS 接收機的靈敏度非常高,在GPS 接收天線附近工作的設(shè)備特別是有源設(shè)備極容易造成其環(huán)境電平的上升而對GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)造成干擾。我們通過增加機載設(shè)備與GPS 接收機的隔離度來

13、降低干擾,既:(1合理布局GPS 接收天線的位置,將GPS 接收天線安放在UHF 天線的副瓣位置。由于天線副瓣位置處的53·EMI SUPPRESSION TECHNOLOGY ·SAFETY &EMC No.52010編輯:王淑華E-mail:wangsh編輯:王穎E-mail:wangy天線發(fā)射功率最小,因此對GPS 接收天線造成的干擾也就最少。(2在GPS 接收天線與測控鏈路的C 波段設(shè)備的小信號工作通道之間加入濾波器或衰減器,將影響GPS 接收頻段的信號濾除,這樣保證測控鏈路的C 波段設(shè)備小信號工作時傳導(dǎo)到GPS 接收器前端的信號小于GPS 的靈敏度。4結(jié)語

14、利用電磁環(huán)境、GPS 靈敏度及GPS 天線系數(shù)的概念對實際工作情況下的GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)的抗干擾性進行了定量分析。實測結(jié)果表明,測控鏈路的C 波段設(shè)備易受到寬帶信號的干擾。并且在UHF 天線發(fā)射狀態(tài)下,GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)易受1590MHz 的GPS 工作頻率附近的信號干擾,嚴重影響了GPS 信號的接收。通過增加濾波器或衰減器、調(diào)整GPS 接收天線位置等整改措施后,GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)能夠正常地接收GPS 信號。參考文獻1陳淑鳳,馬蔚宇,馬曉慶.電磁兼容試驗技術(shù)M.北京:郵電大學(xué)出版社,2001.2曲長云,王素英,郭仕恩,等.軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度測量M.北京:國防科工委軍標出版發(fā)行部,199

15、7.3韋錦松,湯恒正,陳世鋼,等.軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求M.北京:國防科工委軍標出版發(fā)行部,1997.4蔡仁鋼.電磁兼容原理,設(shè)計和預(yù)測技術(shù)M.北京:航空航天大學(xué)出版社,1997.5高攸綱.電磁兼容總論M.北京:郵電大學(xué)出版社,2001.全國無線電干擾標準化技術(shù)委員會(以下簡稱“無干委”機動車輛和內(nèi)燃機的無線電干擾分技術(shù)委員會(SAC/TC79/SC4(簡稱“D 分會”2010年會于2010年9月1113日在山西省大同市召開。會議由D 分會主任委員徐立主持。無干委秘書長壽建霞代表總會對TC79/SC4在秘書處掛靠單位的支持下完成的預(yù)定任務(wù)予以肯定,期望今后D 分會能夠進一步加強同

16、基礎(chǔ)分會及其他分會之間的密切合作,實質(zhì)性參與國際標準化工作。標準主要起草單位之一上海電科所的劉媛同志代表標準起草工作組介紹了GB 14023-201X 車輛、船和內(nèi)燃機無線電騷擾特性用于保護車外接收機的限值和測量方法(送審稿的編寫結(jié)構(gòu)及采標過程中有關(guān)技術(shù)內(nèi)容的處理情況。該標準等同采用最新版本國際標準CISPR 12Ed.6.1車輛、船和內(nèi)燃機-無線電騷擾特性-用于保護車外接收機的限值和測量方法。會議審查并原則通過了該標準。委員們一致認為該國家標準的制定和實施將進一步完善我國汽車行業(yè)EMI 標準體系,有助于汽車制造商和供應(yīng)商改善整車和相關(guān)設(shè)備的設(shè)計,有利于我國電磁兼容標準與國際標準接軌,提高國內(nèi)

17、車輛電磁兼容標準水平。全國無線電干擾標準化技術(shù)委員會D 分會2010年年會召開參考文獻1上海市醫(yī)療器械檢測所.GB 9706.12007醫(yī)用電氣設(shè)備第一部分:安全通用要求S.北京:中國標準出版社,2007.2中國電子技術(shù)標準化研究所.GB 49432001信息技術(shù)設(shè)備的安全S.北京:中國標準出版社,2007.3IEC 60601-1:2005Medical electrical equipment -Part 1:General requirements for basic safety and essential perfor -manceS.2005.4IEC 60950-1:2001Information Technology Equipment -Safety -Part 1:General RequirementsS.2001.5IEC 60950-1:2005Information Technology Equipment -Safety -Part 1:General RequirementsS.2005.(上接第28頁不同部件的溫度限值的劃分。針對表10a 中的部件,需要在溫升測試后把所獲得的結(jié)果換算到環(huán)境溫度為40(如果廠家宣稱的設(shè)備環(huán)境許可溫度不超過40,而表10b 中相應(yīng)的部件僅需要在環(huán)境溫度為2