飛機進近著陸電磁環境建模與輻射分布分析

王 磊 蘇東林 謝樹果 趙子華

(北京航空航天大學 電子信息工程學院，北京100191)

飛機進近著陸電磁環境是由機場終端區無線電臺站電磁輻射、地空電波傳播媒質以及各種有源無源電磁干擾構成的復雜開放巨系統，是影響飛機進近著陸安全的重要因素.傳統上獲取終端區電磁環境信息主要基于實際飛行測試，不僅技術難度大、投資耗費高，而且測試時間和周期受多種客觀條件制約［1］.因此，研究飛機進近著陸電磁環境仿真建模方法，構建機場終端區電磁輻射表征與計算模型，科學分析與快速生成進近著陸電磁環境時空分布信息，對于彌補飛行實測不足、提高終端區電磁環境評估效率具有重要價值.

機場終端區電磁、地形和地物在拓撲、物理和語義上的異構性導致電磁環境構成機理十分復雜，很難用單尺度解析模型表征進近著陸電磁環境的本質屬性.文獻［2－3］對機場終端區臺站參數、電磁環境保護以及地形和障礙物數據提出了相關指標要求，但未給出具體的電磁環境建模方法.文獻［4］基于飛機動力學和導航數據庫，建立飛機近程無線電導航系統的行為級仿真模型，模擬無線電信標信號隨飛機狀態的變化過程.文獻［5］通過實際飛行測試和數據分析，給出了一種求解機場終端區電磁頻譜使用和信號分布的工程估算方法，但兩者由于均未考慮終端區地形地物對臺站電磁輻射的反射、繞射效應，導致計算結果精度不高.文獻［6－7］采用有限元法、物理光學法以及幾何繞射理論等多種混合數值方法，分析機場區域大型地物(如機庫、?？匡w機等)對導航信號造成的散射和失真效應，指出建立系統仿真模型的關鍵點在于對系統所處客觀世界足夠準確的模擬、描述和評估.這種方法對少量散射體影響下的系統電磁兼容性分析較為適用，但不適用于解決進近著陸電磁環境研究中地形、地物、干擾要素關聯耦合復雜、電磁計算涉及空間范圍大以及終端區準確數據獲取困難等現實問題.

本文在分析進近著陸電磁環境構成機理以及多要素關聯耦合特征的基礎上，提出一種多層融合的進近著陸電磁環境模型架構.針對場邊界特性不規則時空變化帶來的電磁輻射表征與計算困難，綜合采用矩量法和射線追蹤法建立終端區輻射源和地空電波傳播模型，量化表征和計算地形地物影響下電磁輻射空間分布.最后結合某機場地形和臺站數據，對終端區航向臺電磁輻射強度和覆蓋范圍進行仿真計算和分析.

1 進近著陸電磁環境體系架構

系統層次性和分形理論認為，一個復雜系統可以由低級到高級逐級組織整合成為系統整體，復雜系統具有自然分形的自相似性屬性，可以采用多種分形維數從不同角度刻畫分形對象的復雜結構特征［8］.飛機進近著陸電磁環境包含終端區無線電臺站、地形、地物和干擾體等眾多實體要素，是一個復雜開放的巨系統.各要素幾何尺度不一、物理內涵相異、語法和語義表達方式多樣，整體結構呈現出顯著的多源異構特征和多維分層性質.根據系統構成機理和要素耦合關聯關系，將電磁環境從整體到局部、從宏觀到微觀逐步分解，用一種由幾何層、物理層、行為層和態勢層以及數據庫構成的多層融合模型表現系統從低層到高層不同質的涌現性.整體架構如圖1所示.

圖1 飛行終端區電磁環境分層融合模型架構

1.1 幾何層描述

幾何層主要描述終端區無線電臺站、地形、地貌、地物等電波傳播媒質以及有源干擾體、無源干擾體的拓撲和形狀特征.無線電臺站建模主要是對發射接收天線系統的幾何建模.地形模型根據實際終端區地形地物的數字高程數據、矢量數據、柵格數據和圖像數據，在一定的投影坐標系中分層構建.對于數據庫中沒有的各種隨機地物模型，如跑道周邊新建建筑、停靠飛機等，需根據散射體的姿態和形狀參數建立干擾體結構等效模型.各要素模型要在統一的空間坐標系下(一般為地理坐標)完成統一配準和表達.

1.2 物理層描述

物理層主要描述臺站、地形、地物和干擾要素的靜態電磁屬性信息.臺站天線需要根據不同的天線種類、形狀以及安裝條件，建立與實體參數相一致的仿真模型，并采用合適的數值仿真算法，計算得到天線三維方向圖和增益等近遠場輻射特征.對于地形、地物和干擾要素，則要在幾何層模型基礎上，進一步描述實體的電參數、材質參數和相關頻率信號參數.物理層還要根據無線電頻段和業務范圍，提供相應的電波傳播模型、電磁散射模型和干擾機理模型.各要素模型的數據結構和邏輯關系由數據庫系統統一表示和分類管理.

1.3 行為層描述

行為層主要描述無線電臺站的位移特征和動態電磁特征，包括實體運動特征模型、系統行為級仿真模型、信號時頻域響應模型以及電磁波可視化繪制引擎.

建立行為層的目的，一方面是在各要素狀態參數支持下，依照事件驅動機理，刻畫飛機進近著陸過程中由于各要素物理狀態以及時間、空間和頻率尺度變化，所引起的各要素物理和電磁屬性，以及臺站運行區域電磁信號在時間、空間和頻率空間的響應，從而為狀態層描述電磁場變化提供邏輯結構和數據驅動模型.另一方面，結合狀態層電磁環境表現需求和紋理映射等關鍵技術，構建電波可視化繪制引擎，將不可見的場數據映射為可見可繪制的圖元數據，并通過可視化的手段揭示場數據的分布和演化規律，為狀態層信息顯示提供算法和數據支持.

1.4 狀態層描述

狀態層是進近著陸電磁環境模型架構的表現和互操作窗口，主要包括臺站運行區域電磁輻射分布、臺站地理位置分布、頻譜使用信息和干擾信息顯示等模塊.狀態和顯示模塊根據行為層提供的算法和數據支撐，按照用戶需求直觀展現電磁環境各構成要素在空域、頻域、時域和能量域的分布狀態.同時利用系統生成的人機交互界面，對幾何層、物理層和行為層的相關參數進行靈活設置，有針對性地展現進近著陸電磁場景變化過程.

1.5 電磁環境數據庫

電磁環境數據庫包括終端區電磁環境實測數據、要素數據、機場運行管理數據以及相關電磁算法集.數據庫的作用是將各種多源異構數據通過元數據管理規則轉化為表結構統一的數據集合，向各邏輯層提供相應約束條件定義下的數據子集，保證數據的高效調用和傳遞.同時，定期加載各邏輯層反饋的計算結果，不斷更新數據和信息樣本，從而實現對數據的閉環控制和按需分發.

1.6 各層相互關系

電磁環境模型體架構各個層次以及數據庫是一個有機融合的統一整體，幾何層提供電磁環境的空間分布和載體，物理層提供電磁環境的本質屬性——電磁信息，實現幾何空間到電磁空間的映射;行為層為狀態層各模塊提供在電磁環境信息計算和展示方面共性的物理和信號特征，狀態層匯聚前三層的數據和計算結果，并按照信號、臺站、頻譜、干擾等主題進行可視化展現.數據庫為各層提供基礎數據支撐，并管理更新電磁環境信息.

2 終端區電磁輻射表征與分布計算

終端區地形、地物和氣象環境的不規則時空變化使電磁波邊界特性表現出明顯的非平穩性和隨機性.地空電波傳播的物理機制和傳播模式涉及反射、繞射、吸收以及多徑干涉等多重效應，導致終端區電磁輻射發生衰減、衰落、極化偏移和時、頻域畸變等效應.根據終端區電磁輻射產生機理，運用射線追蹤方法描述和表征電磁輻射的傳播特性，通過建立進近著陸電磁輻射多要素模型，闡述了電磁輻射計算的方法和流程.

2.1 終端區電磁輻射表征

射線跟蹤方法基于電磁理論、幾何光學理論(GO，Geometrical Optics)、幾何繞射理論(GTD ，Geometrical Theory of Diffraction)以及一致性幾何繞射理論(UTD，Uniform geometrical Theory of Diffraction)，通過模擬電磁射線的傳播路徑來確定多徑信道中發射機與接收機之間所有可能的射線路徑，從而計算場點的電磁參數.射線在傳播過程中，遇到障礙物時發生反射或繞射，根據一致性幾何繞射原理和鏡面反射原理計算出反射點和繞射點處的場強.

在地形條件比較復雜的機場，隨著進近著陸飛機高度逐步降低(典型從2000 m到4 m)，終端區中的山體和高大障礙物將進入臺站天線與飛機接收機通信鏈路菲涅爾區，如圖2所示.進近空域電磁輻射是由直射、反射和繞射電波干涉形成的合成場量.

圖2 進近著陸典型地空電波傳播路徑剖面圖

根據射線跟蹤原理，進近著陸臺站運行覆蓋區內r接收點處的電磁信號場強可表示為

其中，N為到達接收點r的射線總數;E(rn)為第n條到達接收點射線的場強矢量，且

式中，E0為單位距離處全向點源天線的輻射場強;Gt(θn，φn)為臺站天線在第n條射線方向上的增益別為第n條射線第i次并矢反射系數和第j次并矢繞射系數;Ars和Ads分別為反射和繞射擴散因子，它取決于邊緣的幾何形狀和電磁特性，以及入射波的入射方向、極化特性和類型;rn為第n條射線經過的傳播路程［9］.

2.2 終端區電磁輻射要素建模和分布計算

基于進近著陸電磁環境模型架構，依據電磁輻射表征內涵，分別構建臺站、地形和地物的幾何模型、物理模型和行為模型，合理選取電磁輻射分布表現參數，預測進近著陸空域的電磁輻射分布狀態.

2.2.1 終端區地形地物環境建模

地形地物建模涉及的地理范圍一般包括以跑道幾何中心為圓心、半徑為45 km以上的實體.數據組織按照圖層結構以數據高程數據、矢量數據、柵格數據和圖像掃描數據分層疊加，以經緯度、國家坐標以及高度輪廓等多種格式劃分和展現.數據分辨率按照進近程序類別和區域范圍相應設置，終端控制區外分辨率達到50 m，適用于Ⅱ/Ⅲ類進近區分辨率達到5 m.臺站天線的敏感區和保護區內的地形地物，一般要根據臺站建模和輻射特性分析的要求，建立精確的全尺寸幾何和物理模型.各層和各類數據最后在地理坐標系中完成空間尺度變化和配準.

2.2.2 地面臺站建模

終端區臺站建模，主要是對臺站的天線的輻射特性進行建模.進近著陸無線電信標天線一般均為大型天線陣列，運用數值仿真算法時剖分網格數據巨大，同時方向系數很容易受到陣列配置結構和周圍地形地物的影響.采用矩量法(MoM，Method of Moment)結合快速多極子算法可以在保證高精度數值結果的基礎上，顯著提高大網格剖分數量條件下的運算效率.根據天線陣列形狀、材質、架設條件、周圍地貌等物體尺寸和電磁屬性，將物理實體模型映射為電磁計算模型，合理設置算法參數并在系統行為級仿真信號的激勵下，得到準確的天線陣列的方向圖和增益特性.

2.2.3 進近著陸地空電波傳播模型

現有考慮地形地物因素影響的地空電波傳播模型包括基于雙射線原理的ITU-P.528模型、基于地形繞射原理的ITU-P.452模型以及物理光學法等高頻近似方法.由于雙射線模型要求地表光滑，其計算精度受到菲涅爾區視距限制，在飛機高度較低時存在較大誤差［10］;地形繞射模型是一種概率統計模型，而且由于未考慮繞射信號相位變化，應用于直射、反射和繞射相混合的低空信道傳播精度不高;物理光學方法考慮到散射物體表面電流再輻射效應，對金屬散射體計算精度較高，但運行包含大型山體和障礙物散射效應時運算效率有所降低.UTD采用射線追蹤方法，分析不同類型的反射和繞射造成的電磁散射問題.由于它考慮了信號散射相位因素、不受物體尺寸限制以及精度高、運算量不大等特點，同時克服了幾何繞射理論在入射和反射陰影邊界兩側過渡區內失效的缺點，可有效改善進近著陸傳播大范圍多尺度電波傳播計算和信號場強預測精度.

綜合上述分析，終端區電磁輻射分布計算流程如圖3所示.

圖3 飛行終端區電磁輻射分布計算流程

3 仿真計算實例分析

根據上述電磁環境模型架構和電磁輻射分布計算方法，建立某機場儀表著陸系統航向臺電磁輻射多層融合模型，并對臺站運行區域電磁信號覆蓋進行仿真計算.分析步驟遵循圖3流程.

3.1 仿真設置

1)載入地理數據.在仿真平臺上載入以分層形式(柵格數據、矢量數據、掃描格式)存放的某機場終端區地理信息數據，地形最佳分辨率為50 m，比例尺1∶25000.選取機場跑道中線延長線上某點(離跑道著陸終端150 m)作為航向臺天線陣架設位置.

2)設置航向臺發射機和天線參數.臺站發射機工作頻率為110 MHz，發射信號為載波加邊帶信號和純邊帶疊加而成的雙音頻調幅格式.根據實際發射機數據建立系統行為級仿真模型，模擬系統輸出信號的時頻域特征.發射天線陣列由14副對數周期陣子單元組成.

3)設定計算邊界.根據航向臺電磁環境要求，設定如圖4所示系統運行覆蓋區.其中AB=AE=31.5 km，AF=AD=46.3 km，∠ABE=350，∠ACD=200，ACD的角平分線為跑道延長線，所包含區域為主航道.ABE區域中除主航道區以外的區域為余隙航道.

圖4 航向臺電磁輻射強度分布圖

4)調用電波傳播模型.采用統計模型和幾何光學模型進行對比分析.統計模型采用國際電聯航空移動傳播模型P.528，射線追蹤模型采用一致性幾何繞射理論，障礙物數量設置為3個.

3.2 仿真結果及分析

1)在考慮天線陣列架設結構和周圍地形因素條件下，采用矩量法建立對數周期天線陣全尺寸仿真模型，并應用快速多極子算法，得到如圖5所示航向臺天線陣三維遠場方向圖.其中天線H面最大增益為22.7 dB，半功率角為5°.

2)圖4a、圖4b分別給出離地600 m和200 m高度航道區，航向臺電磁輻射功率通量密度的分布情況.由圖4a可知，在離地600 m高度，仿真航向臺有效信號(大于－100 dBW/m2)覆蓋率為100%，余隙航道有效信號(大于－107 dBW/m2)覆蓋率為83.4%，考慮到指標中余隙航道信號一般要比主航道低10～20 dB，上述結果可以達到指標要求.在圖4b中，當離地高度降至200 m時，由于地形因素對信號傳播的遮擋或損耗作用，主航道和余隙航道有效信號覆蓋率分別降至84.1%和57.8%，而在這個高度，飛機會處于著陸區(距機場中心18.5 km扇形區域)，其主航道信號覆蓋率為100%，符合指標要求.

圖5 航向臺天線陣三維仿真方向圖

3)為進一步分析進近著陸區域電磁輻射分布，基于前述航向臺電磁發射模型，分別采用ITU P.528傳播模型和UTD模型，給出了主航道和余隙航道電磁場功率通量密度90%統計值與飛機離地高度的關系.如圖6a和圖6b所示.由圖可知，雖然在航線臺近距區域由于地形因素影響，功率密度值顯著降低，但主航道和余隙航道功率密度中值均大于門限值，說明該電磁輻射強度達到電磁環境指標要求.但采用ITU P.528模型預測值比UTD模型平均分別高4.4dB和4.9dB，表明若采用基于雙射線傳播機理的P.528模型可能會造成對輻射強度的過高預測，從而可能對臺站電磁環境保護甚至飛行安全帶來不利影響.同時也證明采用UTD模型能夠充分反映地形地物對電波的反射和繞射效應，提高復雜地形條件下航道安全運行區域和電磁環境保護區域計算的準確性.

圖6 進近著陸不同高度電磁輻射強度

4 結束語

飛機進近著陸電磁環境是影響飛機著陸安全的重要因素.研究飛機進近著陸電磁環境仿真建模方法，構建機場終端區電磁輻射表征與計算模型，有助于科學分析與快速生成進近著陸電磁環境分布信息，彌補飛行實測方法的諸多不足.本文在對機場終端區電磁、地形、地物等相關要素耦合機理分析的基礎上，構建多層融合的進近著陸電磁環境體系架構，綜合采用矩量法和射線追蹤方法，量化表征和計算進近著陸電磁輻射分布信息.通過對某機場終端區航向臺電磁輻射強度和覆蓋范圍的仿真計算和分析表明，該方法能夠較好地體現地形、地物等因素對進近著陸電磁環境的影響機理及效應，有效降低由于場邊界特性不規則時空變化帶來的電磁輻射計算誤差，對于提高進近著陸電磁環境評估的準確性和效率具有重要價值.

References)

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