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雷电电磁脉冲对典型机载GPS模块的损伤效应研究

张万里 史云雷 何勇 沈杰 潘绪超 方中 陈鸿

张万里, 史云雷, 何勇, 等. 雷电电磁脉冲对典型机载GPS模块的损伤效应研究[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202133.200264
引用本文: 张万里, 史云雷, 何勇, 等. 雷电电磁脉冲对典型机载GPS模块的损伤效应研究[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202133.200264
Zhang Wanli, Shi Yunlei, He Yong, et al. Study on damage effects of lightning electromagnetic pulse on typical airborne GPS module[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202133.200264
Citation: Zhang Wanli, Shi Yunlei, He Yong, et al. Study on damage effects of lightning electromagnetic pulse on typical airborne GPS module[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202133.200264

雷电电磁脉冲对典型机载GPS模块的损伤效应研究

doi: 10.11884/HPLPB202133.200264
基金项目: 装备预研基金项目(61402090104);国家自然科学基金项目(11504173,11502118)
详细信息
    作者简介:

    张万里(1995—),男,硕士研究生,主要从事雷电间接效应研究;1372007310@qq.com

    通讯作者:

    何 勇(1964—),男,教授,博士生导师,主要从事弹药高效毁伤、智能弹药、电磁脉冲效应等方向的研究;yonghe1964@163.com

  • 中图分类号: TN972

Study on damage effects of lightning electromagnetic pulse on typical airborne GPS module

  • 摘要: 为研究雷电电磁脉冲对典型无人机机载GPS模块的损伤效应,通过仿真模拟和试验分析相结合的方法,获取了对GPS模块受雷电电磁脉冲暂态干扰与永久损伤过程的认识,并获得了相应端口的损伤阈值。基于对雷电流特性的分析结果,利用CST仿真模拟了雷击时,无人机内外产生的复杂电磁场环境和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:随着雷电脉冲的不断增强,GPS输出波形受到削弱影响的程度不断加重,直至丧失位置信息传输能力并发生物理损伤。GPS数据输入端口的雷电脉冲损伤阈值为314.5 V;GPS数据输出端口的雷电脉冲损伤阈值为235.2 V。
  • 图  1  无人机3D模型

    Figure  1.  3D model of drone

    图  2  电流分量A的时域波形

    Figure  2.  Time domain waveform of current component A

    图  3  探针和线缆布局

    Figure  3.  Layout of probes and cable

    图  4  雷击电磁环境

    Figure  4.  Lightning electromagnetic environment

    图  5  线缆耦合感应电压

    Figure  5.  Transient voltage waveform on cable

    图  6  GPS模块

    Figure  6.  GPS module

    图  7  正常工作状态下GPS输出波形

    Figure  7.  GPS output waveform under normal working conditions

    图  8  注入试验布局

    Figure  8.  Layout of the injection experiment

    图  9  注入雷电脉冲波形

    Figure  9.  Waveform of the injected electric pulse

    图  10  不同U0条件下UPIP变化曲线

    Figure  10.  Variation trend of UP and IP under different condition of U0

    图  11  不同U0下端口2输出UHUL变化趋势

    Figure  11.  Variation trend of UH and UL under different condition of U0

    图  12  不断提高U0对GPS输出波形影响

    Figure  12.  Influence on GPS output waveform with increasing U0

    图  13  不同U0条件下UP变化曲线

    Figure  13.  Variation trend of UP under different condition of U0

    图  14  暂态干扰信号

    Figure  14.  Transient interference signal

    图  15  永久损伤信号

    Figure  15.  Permanent damage signal

    表  1  无人机材料参数

    Table  1.   Material parameters of the drone

    No.materialdensity/(kg·m−3permittivityconductivity/(S·m−1relative permeability/(H·m−1application
    1copper8500/5.8×1071motor
    2polyimide12002.4~4.5/1shell of battery、control module、stage
    3Al 70752800/351wing frame、main part
    4carbon fiber150053001panel
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    表  2  GPS模块端口信息

    Table  2.   GPS module port information

    No.nameI/ODescriptioncharacteristic
    1SDAOI2C bus master-slave datecompass clock pin
    2GNDGgroundground
    3TXOUART communication interfaceGPS date output pin
    4RXIUART communication interfaceGPS date input pin
    5VCCIDC supply3.6−5.5 V
    6SCLII2C bus master-slave datecompass clock pin
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-09-14
  • 修回日期:  2020-11-13
  • 网络出版日期:  2020-11-23

雷电电磁脉冲对典型机载GPS模块的损伤效应研究

doi: 10.11884/HPLPB202133.200264
    基金项目:  装备预研基金项目(61402090104);国家自然科学基金项目(11504173,11502118)
    作者简介:

    张万里(1995—),男,硕士研究生,主要从事雷电间接效应研究;1372007310@qq.com

    通讯作者: 何 勇(1964—),男,教授,博士生导师,主要从事弹药高效毁伤、智能弹药、电磁脉冲效应等方向的研究;yonghe1964@163.com
  • 中图分类号: TN972

摘要: 为研究雷电电磁脉冲对典型无人机机载GPS模块的损伤效应,通过仿真模拟和试验分析相结合的方法,获取了对GPS模块受雷电电磁脉冲暂态干扰与永久损伤过程的认识,并获得了相应端口的损伤阈值。基于对雷电流特性的分析结果,利用CST仿真模拟了雷击时,无人机内外产生的复杂电磁场环境和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:随着雷电脉冲的不断增强,GPS输出波形受到削弱影响的程度不断加重,直至丧失位置信息传输能力并发生物理损伤。GPS数据输入端口的雷电脉冲损伤阈值为314.5 V;GPS数据输出端口的雷电脉冲损伤阈值为235.2 V。

English Abstract

张万里, 史云雷, 何勇, 等. 雷电电磁脉冲对典型机载GPS模块的损伤效应研究[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202133.200264
引用本文: 张万里, 史云雷, 何勇, 等. 雷电电磁脉冲对典型机载GPS模块的损伤效应研究[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202133.200264
Zhang Wanli, Shi Yunlei, He Yong, et al. Study on damage effects of lightning electromagnetic pulse on typical airborne GPS module[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202133.200264
Citation: Zhang Wanli, Shi Yunlei, He Yong, et al. Study on damage effects of lightning electromagnetic pulse on typical airborne GPS module[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202133.200264
  • 随着无人机系统集成度越来越高,对外部电磁环境也越来越敏感。雷电电磁脉冲作为自然界中常见的一种强电磁脉冲,会对无人机的飞行安全造成严重威胁[1]。无人机雷电效应一般分为直接效应和间接效应。直接效应是指雷电流在飞行器表面的传导造成的物理效应,包括结构的机械变形、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通过孔缝结构进入飞行器内部,在机载线缆上和设备端口耦合产生高电压和大电流,对电子设备造成干扰和损伤[3-7]

    全球卫星导航系统(GPS)模块作为无人机导航系统中重要的一环,能够全天候、全天时地为无人机提供精确的位置信息 [8]。在一般导航系统中,GPS模块常配合电子罗盘使用。为追求更高的精度和稳定性,也经常采用GPS/惯导组合导航的方案。当无人机遭受雷击时,机载GPS模块能否正常工作对飞行器的飞行安全问题至关重要。

    对于雷击间接效应,国内外学者开展了大量的研究。Maurizio Aprà等人利用VAM-LIFE软件工具结合数字滤波方案,完成了对C-27J飞机复合材料和线缆的建模,解决了瞬变电磁场数值不稳定的问题[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工具[10];黄军玲等人以雷电流模型、雷击路径、机身材料、线缆类型等为研究变量,以小型运输机、大型运输机和直升机模型为作用对象,通过上百次仿真试验完成了雷击间接效应研究[11]。对于电磁脉冲对GPS接收机的干扰研究中,赵铜城等人测试分析了在不同位置、不同高度、不同状态、不同飞行模式下无人机GPS接收机的高重复频率超宽谱电磁脉冲干扰效应[12];张智香等人从理论分析、数值仿真和实验方面研究了高重频超宽谱短电磁脉冲对GPS接收机干扰效果与脉冲参数之间的依赖关系[13];以上研究工作主要集中在雷电间接效应的电磁场分布、线缆耦合和GPS接收机受超高重电磁脉冲的干扰问题,并未涉及雷电电磁脉冲对典型GPS的电磁损伤效应。

    本文基于针对雷电流的特性分析,对雷击在典型六旋翼无人机内外产生的电磁场环境和GPS线缆耦合感应电压展开仿真分析;选取典型的机载GPS模块作为雷电电磁脉冲的作用目标,对其数据输入和数据输出端口开展雷电电磁脉冲的注入试验。对GPS模块的干扰损伤过程及其电磁损伤阈值进行了研究。本文采用的研究方法和分析结果对无人机机载GPS模块的雷电防护设计研究具有参考意义。

    • 近些年随着计算电磁学与相关电磁仿真软件的结合,电磁模拟仿真已经成为研究各类飞行器雷击间接效应的重要途径。本文选取典型的六旋翼无人机系统进行建模,通过CST对其进行雷击瞬态电磁仿真,其模型经过简化后如图1所示。

      图  1  无人机3D模型

      Figure 1.  3D model of drone

      该六旋翼无人机翼展约900 mm,结构分为1电机、2机翼支杆、3脚架、4载物台、5面板、6控制模块壳体和7电池壳体。根据无人机常用材料类型和性能参数,在CST对相应结构进行材料定义。表1为无人机仿真设置的材料参数。

      表 1  无人机材料参数

      Table 1.  Material parameters of the drone

      No.materialdensity/(kg·m−3permittivityconductivity/(S·m−1relative permeability/(H·m−1application
      1copper8500/5.8×1071motor
      2polyimide12002.4~4.5/1shell of battery、control module、stage
      3Al 70752800/351wing frame、main part
      4carbon fiber150053001panel

      激励源的选用参考了美军标SAE-ARP5412[14]。在SAE-ARP5412的定义下,标准的外部雷电环境可由电流波形表征。在评估雷击间接效应时,电流上升/下降速率和峰值幅度是雷电流波形的重要参数。对于低空工作的飞行器目标,电流分量A的作用效果最明显。因此,在仿真和测试中,通常将电流A作为主要激励。电流分量A可以用双指数函数定义[15]

      $$ I(t) = {I_0}({{\rm{e}}^{ - \alpha t}} - {{\rm{e}}^{ - \beta t}}){(1 - {{\rm{e}}^{ - \gamma t}})^2} $$ (1)

      式中:$ {I}_{0}=218\;810\;{\rm{A}};\alpha =11\;354\;{\rm{s}}^{-1};\beta =647\;265\;{\rm{s}}^{-1};\gamma =11\;354\;{\rm{s}}^{-1}$。电流分量A的时域波形如图2所示,电流分量A的峰值时间为6.4 μs,半峰值时间为69 μs。

      图  2  电流分量A的时域波形

      Figure 2.  Time domain waveform of current component A

      经过对电流分量A进行频谱分析,确定其能量主要集中在10 MHz以下,因此将仿真频率范围设置为0~30 MHz。综合考虑仿真时长和仿真结果的完整性,将仿真时间设为100 μs。边界条件设置为open以模拟无人机空中遭受雷击的情况。分别在控制模块壳体内部、控制模块外部上方和载物台处设定电场和磁场探针,检测无人机内外的瞬态电场、磁场环境。在控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产生的感应电压。探针和线缆布局如图3所示。

      图  3  探针和线缆布局

      Figure 3.  Layout of probes and cable

      雷电流经过无人机后,会在周围空间感生出极强的时变电磁场。图4是无人机内外各处的电磁场强度时域波形。由图可知,无人机遭受雷击时,其内外电磁场强度会在5.15~6.49 μs达到最大值,在波形上和电流分量A保持一致。控制模块壳体内部处最大电场强度达到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达到峰值646 V,半高宽为55.5 μs。

      图  4  雷击电磁环境

      Figure 4.  Lightning electromagnetic environment

      图  5  线缆耦合感应电压

      Figure 5.  Transient voltage waveform on cable

      无人机的GPS模块置于壳体的内部,其通讯线缆一般为未加屏蔽的带状线,线缆穿过屏蔽铜箔连接GPS模块和主控板。自带屏蔽铜箔厚度薄,覆盖面积小,主要用于屏蔽下方主控板的电磁干扰。当雷击发生时,铜箔无法对耦合电流产生屏蔽效果。因此,线缆上耦合产生的过电压会对严重威胁GPS模块的正常工作。为模拟线缆耦合雷电电磁脉冲对机载GPS模块的作用效果,选取GPS模块的数据通讯端口进行雷电脉冲注入试验。

    • 基于上述仿真结果,选择峰值时间为6.4 μs,半高宽为69 μs的相应电压波形作为注入源,研究雷电电磁脉冲对GPS模块的损伤效应。

    • 本文试验对象为常见的GPS罗盘一体模块,型号为BN-880。GPS模块通过背面的陶瓷天线,接收卫星发出的电磁波信号,处理后向无人机主控板输出位置信息。GPS模块如下图6所示。模块与主控板通过6pin线连接。

      图  6  GPS模块

      Figure 6.  GPS module

      GPS模块的6个接口参数如表2所示。

      表 2  GPS模块端口信息

      Table 2.  GPS module port information

      No.nameI/ODescriptioncharacteristic
      1SDAOI2C bus master-slave datecompass clock pin
      2GNDGgroundground
      3TXOUART communication interfaceGPS date output pin
      4RXIUART communication interfaceGPS date input pin
      5VCCIDC supply3.6−5.5 V
      6SCLII2C bus master-slave datecompass clock pin

      当GPS模块正常工作时,端口3输出方波信息,波形如下图7所示。方波高低电平的基本脉宽T约为100 μs,低电平为0 V,高电平为3.15 V,其余方波脉宽均为T的整数倍。GPS模块的通讯端口采用TTL电平标准,在该标准下规定最小输入高电平和低电平为: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”。通过对“0”和“1”信号序列的识别处理,GPS模块向主控板输出相应的位置信息。

      图  7  正常工作状态下GPS输出波形

      Figure 7.  GPS output waveform under normal working conditions

    • 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)进行插针注入试验。试验设备和试验布局如图8所示。

      图  8  注入试验布局

      Figure 8.  Layout of the injection experiment

      试验过程如下:①试验开始前,单独连接GPS,通过电脑软件读取定位信息以确保其可以正常工作。②在对GPS正常供电的情况下,分别对端口3和端口4注入雷电脉冲波形,同时在注入端检测实际进入的电压和电流。③单次注入完成,断开雷电脉冲发生器,连接GPS和示波器测量其输出波形。再使用软件读取GPS模块的输出位置信息,通过对比实际地理位置,判断GPS模块是否损坏。

      值得提出的是,在对端口4注入雷电脉冲时,可以同时通过高电压探头监测端口3的输出电压波形,从而分析雷电脉冲对GPS模块输出信号的作用效果。图9为选择注入的雷电脉冲的开路电压与短路电流波形。

      图  9  注入雷电脉冲波形

      Figure 9.  Waveform of the injected electric pulse

    • 在不同脉冲峰值U0试验条件下,从端口3(数据输出端口)注入雷电脉冲,实际注入的电压峰值Up和电流峰值Ip变化趋势如图10所示。试验结果表明,随着U0的不断提高,UpIp也在不断提高,且在GPS模块发生损坏前基本符合线性关系。

      图  10  不同U0条件下UPIP变化曲线

      Figure 10.  Variation trend of UP and IP under different condition of U0

      当实际注入电压峰值Up不低于235.2 V时,GPS模块发生不可恢复的损坏。由此确定,GPS模块的数据输出端口的雷电脉冲损伤阈值为235.2 V。

      在进行不同U0的雷电脉冲注入后,端口3的输出电压高低电平UHUL变化如图11所示。

      图  11  不同U0下端口2输出UHUL变化趋势

      Figure 11.  Variation trend of UH and UL under different condition of U0

      在GPS正常工作状态下,观察到端口3输出规则工整的高低电平方波,传递位置信息。随着U0的不断提高,起初端口3的UH基本维持不变,UL值逐渐上升。此时UHUL均在TTL规定电平值范围内,在此期间连接电脑后GPS尚可正常工作。当U0提高至240 V时,UL升高到0.8 V以上,模块无法传递逻辑“0”信息。此时,使用配套的信号读取和处理软件已无法有效读取识别GPS模块的定位信息,至此认为GPS进入损伤阶段。随后,端口3输出UL不断提高,而UH不断降低。最终,由于模块中的部分元件损坏,高电平也陡然提高,UHUL值逼近,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输出波形的影响过程。图12(a)为正常工作输出波形,图12(b)表示U0提高至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。

      图  12  不断提高U0对GPS输出波形影响

      Figure 12.  Influence on GPS output waveform with increasing U0

    • U0为变量,对端口4(数据输入端口)注入的雷电脉冲,GPS模块的受损伤情况如图13所示。随着U0的不断提高,实际注入的电压峰值Up和电流峰值Ip也在不断提高,且基本符合线性关系。当实际注入电压峰值UP不低于314.5 V时,GPS发生不可恢复的损坏。由此确定,从GPS模块输入端口的雷电脉冲损伤阈值为314.5 V。

      图  13  不同U0条件下UP变化曲线

      Figure 13.  Variation trend of UP under different condition of U0

      在注入雷电脉冲过程中,同时监测端口3的输出电压波形。结果表明GPS模块出现了暂态干扰和永久损伤两种状态信号。典型暂态干扰信号如图14所示,典型永久损伤信号如图15所示。

      图  14  暂态干扰信号

      Figure 14.  Transient interference signal

      图  15  永久损伤信号

      Figure 15.  Permanent damage signal

      U0较小条件下,雷电脉冲对GPS的输出波形造成暂态干扰,形成了干扰区域。原本低电平的区域产生了最高约2.25 V的尖峰,随后,端口3输出恢复正常状态。当U0提高到315 V时,在输出波形中产生最高97 V左右的尖峰脉冲,GPS发生不可逆损伤只输出低电平,无法提供位置信息。

    • 本文对雷电流进行了特性分析,模拟仿真了六旋翼无人机遭受雷击时,其内外瞬态电磁场环境和GPS线缆上耦合感应产生的瞬态电压。之后,开展了典型机载GPS模块数据通讯端口的雷电脉冲注入试验和损伤过程分析。研究结果表明:

      (1)无人机在遭受雷击时,GPS模块位置的电磁场强度极大,电场强度峰值可达351 MV/m,磁场强度可达304 kA/m。复杂的电磁环境会通过数据传输线的耦合作用,对机载GPS模块造成严重威胁。

      (2)GPS模块的数据输出端口雷电脉冲损伤阈值为235.2 V,其损伤过程可以总结为:在${U_0}$的不断提高下,GPS的输出方波不断受损并最终丧失传输逻辑信号“0”和“1”的能力,致使GPS模块无法正常工作。

      (3)GPS模块的数据输入端口雷电脉冲损伤阈值为314.5 V,当实际注入电压超过阈值时,GPS模块由暂态干扰状态转为永久损伤状态。

      (4)由此可知,对于无人机机载GPS模块应加强数据通讯端口,尤其是数据输出端口的防雷设计,保证雷击发生时相应端口的感应电压被钳在损伤阈值以下。

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