機載天線遮擋角在地空通信中的影響探析

王國民，谷曉鵬，邱 愷

（中國洛陽電子裝備試驗中心，河南 洛陽 471023）

機載天線遮擋角在地空通信中的影響探析

王國民，谷曉鵬，邱 愷

（中國洛陽電子裝備試驗中心，河南 洛陽 471023）

為解決某次電子信息裝備試驗中某型通信設(shè)備地空通信聯(lián)絡(luò)效果欠佳的問題，在認真分析試驗任務(wù)中通信聯(lián)絡(luò)數(shù)據(jù)采集表的基礎(chǔ)上，得出了機載天線遮擋的原因，建立了某型機載天線遮擋的模型，根據(jù)球面三角學求解出天線遮擋角，利用一致性幾何繞射理論，深入分析天線遮擋導致的信號損耗，在計算天線遮擋角的基礎(chǔ)上，繪制出理想空域、遮擋空域、無效空域，給出了天線遮擋對飛行空域申請與航跡設(shè)計的具體影響，可為該型通信設(shè)備的戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用提供參考。

天線遮擋；空域；航跡；球面三角學

0 引 言

某次電子信息裝備試驗中，發(fā)現(xiàn)在沒有干擾的情況下，某型設(shè)備的通聯(lián)效果仍然不佳。為尋求解決方案，建立了機載天線遮擋的模型，利用一致性幾何繞射理論，深入分析信號損耗的原因，并結(jié)合電子信息裝備試驗任務(wù)數(shù)據(jù)進行了驗證。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)球面三角學求解出天線遮擋角，闡述天線遮擋對空域申請的具體影響，可為相關(guān)飛行試驗提供理論參考借鑒。

1 機載某型天線遮擋的數(shù)學模型

1.1 天線遮擋的原因

某型機載設(shè)備的天線安裝于飛機下方，如圖1所示。由于飛機的布局限制，機身下方其他設(shè)備的高度和寬度均大于機載天線，導致該天線被部分遮擋，從而引起信號損耗，使得地空通聯(lián)效果不佳。

圖1 天線遮擋示意模型

1.2 天線遮擋角

天線高度差會產(chǎn)生一個天線遮擋角γ，如圖2所示。在直角三角形△ABC中，如果能夠測量直角邊AB、BC的長度，就可以求解出天線遮擋角γ。需要注意的是，γ是一個變量，它由航跡、飛機俯仰角、天線的高度差等多種因素決定。在飛機高速飛行時，精確計算γ值不但困難，而且沒有必要。只要估算出γ的最大值在垂直面的分量α，就可用于指導空域申請、航跡設(shè)計等重要問題。

圖2 天線遮擋角

球面三角學是解決三維問題的有效方法，在處理某些空間關(guān)系方面具有很大優(yōu)勢[1-2]。球面三角形是用半徑為1的單位球體來定義的。它的邊必須是單位球的大圓，它的角是大圓平面相交的夾角。邊和角都用弧度來度量。為了便于計算天線遮擋角，選擇接收天線的中心作為球心，邊的大小等于該邊的兩個端點在球心處所形成的夾角。

如圖3所示，α、β、γ形成一個球面直角三角形，滿足奈培規(guī)則[3]：cosγ=cosα·cosβ。通過測量機載天線與其他設(shè)備的距離s、高度差h，可以得出α的估計值[4-5]：

圖3 球面三角形

1.3 信號損耗估算與數(shù)據(jù)驗證

天線遮擋問題，可以理解為近點電波繞射問題。根據(jù)一致性幾何繞射理論[6-7]，對于源在曲面上的問題，繞射路徑如圖4所示。

圖4 機身天線繞射示意

天線位于曲面上Rs點，接收點R0處于陰影區(qū)，則接收點處R0的繞射場為[8-9]：

式中，Te為并矢繞射系數(shù)；Rs及Sd2為源點和繞射點；ρc為聚散距離；sd為第2個繞射點Sd2到場點R0的距離；dPe(Rs)為源點處天線等效場。

該型通信設(shè)備的天線處于R0位置。通過一致性幾何繞射理論計算可知，當處于遮擋空域時，接收信號幅度降低，相應(yīng)的接收包數(shù)較少（見表1）；當處于理想空域時，接收信號幅度穩(wěn)定，相應(yīng)的接收包數(shù)基本不變（見表2）。

表1 飛機在理想空域的測試數(shù)據(jù)

表2 飛機在遮擋空域與無效空域的測試數(shù)據(jù)

2 天線遮擋角應(yīng)用

2.1 空域劃分

根據(jù)天線遮擋角的垂直面分量α、飛行高度H、設(shè)備最遠通聯(lián)距離D，可以將飛行的空域劃分為：理想空域、遮擋空域、無效空域，見圖5。

圖5 空域劃分

理想空域不存在天線遮擋問題，如果設(shè)備工作正常，且不存在人為干擾，那么通聯(lián)效果良好。遮擋空域存在天線遮擋的問題，當飛機抵近地面站飛行時，天線無遮擋，通聯(lián)效果較好；當飛機遠離地面站飛行時，天線有遮擋，通聯(lián)效果較差。無效空域，由于超過了最遠通聯(lián)距離，信號損耗大，通聯(lián)效果差。

理想空域的臨界圓錐角θ1與天線遮擋角的垂直面分量α滿足：

遮擋空域的臨界圓錐角θ2取決于飛行高度H和最遠通聯(lián)距離D，即：

當圓錐角θ滿足0≤θ＜θ1時，飛行的空域為理想空域，臨界圓錐的底面半徑為r1=H·tan(θ1/2)；

當圓錐角θ滿足θ1≤θ＜θ2時，飛行的空域為遮擋空域，臨界圓錐的底面半徑為r2=H·tan(θ2/2)；

當圓錐角θ滿足θ2≤θ＜π時，飛行的空域為無效空域，飛機超過設(shè)備的最遠通聯(lián)距離。

2.2 遮擋空域應(yīng)用

某型設(shè)備曾經(jīng)承擔多項任務(wù)，所申請的空域基本上都處于理想空域，不存在天線遮擋的問題。如果所申請的空域在遮擋空域，甚至是無效空域，則見圖6。此時，天線遮擋問題就必須認真考慮。在遮擋空域，設(shè)計該設(shè)備的通聯(lián)方案時，應(yīng)盡量選擇在飛機抵近地面站時工作，此時天線無遮擋。如果飛機遠離地面站，天線遮擋導致信號損耗，會影響通聯(lián)效果。

圖6 空域劃分圖在水平面的投影

3 結(jié) 語

本文結(jié)合某次試驗任務(wù)的信息采集表，建立天線遮擋的數(shù)學模型，求解天線遮擋角，采用一致性幾何繞射理論，深入分析天線遮擋導致的信號損耗。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合飛行高度、某型設(shè)備的最遠通聯(lián)距離，將飛機的空域劃分為理想空域、遮擋空域、無效空域，以對該設(shè)備的戰(zhàn)術(shù)使用提供理論參考。不過，僅結(jié)合一致性幾何繞射理論對天線遮擋產(chǎn)生的電波繞射問題、信號損耗進行了說明，更為精確的損耗模型尚有待進一步深入研究。

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王國民（1977—），男，碩士，工程師，主要研究方向為通信技術(shù)；

谷曉鵬（1980—），男，學士，工程師，主要研究方向為通信技術(shù)；

邱 愷（1983—），男，學士，助理工程師，主要研究方向為通信技術(shù)。

Effects of Airborne-Antena Blocking Angle on Air-Ground Communication

WANG Guo-min, GU Xiao-peng, QIU Kai
(Luoyang Electric Equipment Test Center, Luoyang Henan 471023, China)

In order to solve the poor communication between ground and air of certain-type communication equipments in an experiment, the occlusion cause of airborne antenna is acguired on the basis of careful analysis of the communication contact data acquisition table in the experiment task. Based on spherical trigonometry and uniform geometrical theory of diffraction (UTD), certain type of airborne antenna sheltering is modeled and analyzed. The attenuation caused by shelter is calculated. Based on the calculation of the antenna occlusion angle, the ideal airspace, occluded airspace and void space are plotted. The specific effects of antenna occlusion on flight airspace and task design are given, and these could serve as a reference for airspace application and flight path design.

antenna block; airspace; flight path; spherics

TN92

A

1002-0802(2016)-12-1724-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.12.028

2016-08-14

2016-11-19 Received date:2016-08-14;Revised date:2016-11-19