淺談航空通信導航的干擾問題

(中國民用航空華北地區空中交通管理局,北京 100621)

0 引言

當今社會,伴隨著我國科學技術的不斷進步,無線電通信事業也得到了快速的發展,同時地面發射臺站的數量逐漸增多,導致航空無線電設備面臨著更多的干擾問題。航空無線電設備由導航系統和通信系統兩部分組成,通常航空受到干擾主要表現在通信干擾方面,如果不能及時的處理這些問題,就會使飛行員和管制員不能進行正常的交流。如果導航信號受到干擾,會使航空器偏離航道,發生不堪設想的后果。因此,需要重視航空通信導航干擾問題。

1 航空飛機無線電設備的相關概念

飛機所使用的無線電設備具有不同的功能,種類頗多,在飛行過程中廣泛的利用無線電頻譜資源,為了深入的對其進行研究,可以把飛機無線電設備分為兩種,即導航系統和通信系統。圖1是飛機無線電設備的工作原理[1]。

圖1 飛機無線電設備的工作原理Fig.1 Working principle of aircraft radio equipment

1.1 通信系統

超短波電臺與短波單邊帶調幅電臺構成了機載通信系統,超短波電臺的主要職責是在終端交通密集的區域對空中、地面的航空器進行指揮,然而遠程空中、地面通信主要是使用短波單邊帶調幅電臺。航空電臺在進行通信時,還會運用應急救生頻率獲取應急呼救信號。航行系統經過完善之后,會使用航空移動衛星通信,通過和機載衛星導航接收信號機進行緊密的關聯,通過這種方式可以使飛機無論在什么環境下都可以和地面人員進行正常的交流。

1.2 導航系統

飛機機載導航系統包括多個方面,儀表著陸系統(ILS)、全向信標(VOR)、測距儀(DME)和自動定向機(ADF)系統等是最主要的系統。儀表著陸系統由三部分構成,航向接收機對應地面航向信標發射臺,是用于接收進近和著陸的飛機對準跑道中心延長線航向道信息。下滑接收機對應下滑信標發射臺,是用于接收進近和著陸的飛機與地面成一定角度的下滑道信息。全向信標接收機對應VOR 發射臺,是用于接收飛機相對于VOR 臺站方位角的信號。測距儀則是給飛機提供至測距儀臺或跑道入口的距離。在飛機飛行過程中,儀表著陸系統可以提供精準的著陸定位信息,同時還可以指引飛機的飛行方向。自動定向機可以獲取中波導航臺傳遞的信號,利用這種信號系統可以實時的對飛機在飛行期間和中波電臺構成的相對位角,使指揮人員能夠根據這個角度對飛機的飛行方向進行引導,保證飛機可以正常的飛行。

2 航空通信導航無線電干擾分析

2.1 基本干擾類型

2.1.1 A型干擾

A 型干擾是由來自一個或多個廣播發射機的無用輻射串入航空波段而引起的干擾。A 型干擾可分為A1 型、A2型干擾。A1型干擾是單個發射機可以產生雜散發射或幾個廣播發射機可以互調以產生落在航空頻段的成分。A2 型干擾是廣播信號可能包含了在航空頻段內不可忽略的成分。這種干擾實際上僅在頻率接近108MHz的發射機中產生,且僅干擾頻率接近108MHz的ILS航向信標/VO R 服務。

2.1.2 B型干擾

B 型干擾是由頻率在航空頻段之外的廣播發射在航空接收機中產生的干擾。B型干擾可分為B1型、B2型干擾。B1型干擾是因為接收機受到航空頻段之外廣播信號的非線性驅動,而在航空接收機內部產生互調。為了產生這種類型的干擾,至少需要提供兩個廣播信號并具備一定的頻率關系,能在非線性處理過程中產生航空接收機有用RF 通道內的互調產物。其中一個廣播信號的幅度必須足以驅動接收機進入非線性區域,這種情況下,盡管其它信號的幅度非常低,也有可能產生干擾。

只考慮三階的互調產物,頻率關系如下式:

fintermod=2f1-f2 兩個信號的情況

fintermod=f1+f2-f3 三個信號的情況

式中:

f1、f2、f3:廣播頻率(MHz)且f1≥f2≥f3

fintermod:互調產物頻率(MHz)

B2型干擾是當航空接收機的RF部分因一個或多個廣播發射而處于過載時,會降低靈敏度。其它內部接收機機制,例如雜散響應,可能會被錯誤地識別為B2型干擾。當在未調制的RF 模式上測試時,由于該干擾對頻率極其敏感的屬性而識別出這些響應。

2.1.3 ILS多路徑干擾

ILS天線周圍的整體環境和天線特性會引起多路徑干擾。任何大的反射物體,包括車輛或者固定物體,例如輻射信號覆蓋區內的建筑物,都會對ILS航道和下滑道結構造成多路徑干擾。

2.2 在空管運行中,常見的干擾源

2.2.1 無線電設備

在飛機飛行的過程中會受到很多無線電設備的影響,比如有線電視、民航設備等,從而使航空的通信系統和導航設備都受到相應的影響。功率較大的移動電話會通過雜散輻射的方法去分散功率信號,這樣就會對航空飛機的導航設備的頻率帶來不利的影響。

然而調頻廣播與有線電視類似于移動電話,如果調頻廣播和有線電視使用的不合理就會對航空通信系統的信號產生干擾,這樣就會對航空導航設備產生直接的影響,這種情況非常不利于飛機飛行的安全。

至于非無線設備,從理論方面來講不會產生干擾飛機的信號,假如在導航臺站附近有非無線設備,很可能會對航空的通信頻率產生一定的影響。

2.2.2 ILS天線周圍環境

對于航向信標,任何處于天線主要輻射方向的大型目標,包括在跑道上和在滑行道上的航空器,都視作可能產生嚴重信號干擾的干擾源。對于下滑信標,任何位于下滑信號反射面以上或在信號覆蓋范圍內的物體,都視作信號的干擾源。天線水平面之上的這個面的角度與所用下滑信標天線陣種類有關。當大型航空器在下滑信標天線和進近航道之間,距下滑標天線幾千英尺范圍內停留或滑行,通常會對下滑信號造成嚴重干擾。

經驗表明,影響ILS信號反射和衍射而產生多路徑干擾的主要因素是航空器和車輛垂直面的高度和朝向。必須結合最壞情況下的朝向來確定可能會遇到的垂直面最大高度。這是因為,相比平行或垂直的朝向,某一特定朝向更容易引起航道或下滑道的偏差,從而超出門限。

3 航空通信導航頻率干擾解決措施

3.1 加強對干擾源的排查及檢測

民用航空公司需要根據航空飛行的環境要不斷的增強對無線電干擾源的檢測,這樣可以有效保證航空通信導航系統的安全。相關研究表明,對無線電干擾檢驗過程中,在排除地面無線電的同時,還需要對空中的無線電波進行排除,通過專門檢測的機器對空中無線電干擾的現象進行掃描。空中干擾檢測具有很多的優勢,比如:精準度高、檢測的范圍廣泛、速度快,與地面干擾檢測技術相比較,可以對任何環境中的無線電干擾進行檢測[2]。所以,在航空忙碌的航段或者是客流量多的機場中,合理的運用空中干擾檢查系統可以精準的發現干擾源,同時對干擾源進行有效的處理,在一定程度上保證航空通信導航系統的正常運行,進而可以有效的提高飛機飛行的安全性。

3.2 保證ILS航向信標接收系統抗干擾性能

考慮到廣播信號干擾對設備運行的影響,若能提高航向信標接收系統的抗干擾性能,也可以為飛機飛行提供有力保障。ILS航向信標接收系統必須提供對下列電平的甚高頻調頻(FM)廣播信號引起的兩個信號的三階互調產物的干擾有足夠的抗干擾度[3]。

2N1+N2+72≤0

對應于107.7-108.0MHz內的VHF調頻聲音廣播信號:

2N1+N2+3(24-20logΔf/0.4)≤0

對應于低于107.7MHz的VHF調頻聲音廣播信號:

在接收機內,兩個VHF 調頻廣播信號頻率會產生一個由兩個信號形成的三階互調產物落在ILS航向信標所用的頻率上。

N1和 N2是兩個VHF調頻聲音廣播信號在ILS航向信標接收機輸入端的電平(dBm)。兩個電平中任何一個電平均不應超過表1中給出的降低靈敏度的標準。

表1 降低靈敏度的標準Tab.1 Standards for reducing sensitivity

Δf=108.1-f1,f1為N1的頻率,VHF調頻聲音廣播信號靠近108.1MHz。

3.3 與INS結合

可將全球導航衛星系統(GNSS)接收機和慣性導航系統(INS)的配對使用,即可以互相補充又可以保護免受干擾的影響。INS對于外界干擾是有免疫能力的,它提供出色的穩定的短時位置信息,但是隨著最近一次位置更新的時間的推移,定位誤差會累積增加。另一方面GNSS具有優秀穩定的長期定位,但是可能會由瞬態干擾引起的短時信號中斷。兩者相結合,被認為是對不可預見的干擾事件額外的保護。

3.4 保護臨界區、敏感區

為降低障礙物在臨界區、敏感區產生的信號干擾,在ILS設備運行期間,必須禁止任何車輛進入該區域,禁止任何航空器在該區域內滑行或停留。每個航向設備和下滑設備的臨界區應當明確指定。在穿越臨界區的滑行道和車道上,應當設置適當的信號裝置,用以管束車輛和航空器進入。對于敏感區,按照干擾的潛在可能以及類別運行的不同禁止部分或所有移動交通工具進入。建議將所有敏感區設置在機場邊界以內,這樣便能對所有移動交通工具進行控制,防止對ILS信號造成嚴重干擾。

4 結論

通過本文以上所敘述,航空通信導航系統具有獨特的性能,會受到外界各種干擾源的影響,如果處理不及時就會發生不堪設想的后果。長期以來,航空通信導航系統的干擾問題受到了社會各界人士的高度關注,有關技術工作人員需要選擇專業的技術手段對航空區域的無線電干擾進行檢測,同時對干擾源進行排除,最大限度的解決這個問題。也要保證地面導航系統發射信號的抗干擾性能,這樣才能使飛機上的機載設備接收到穩定、準確的信號。并且還要大力的宣傳關于飛機飛行的安全知識,進而有效的提升飛行的質量,保障飛行的安全,在一定程度上有效的保證航空人員和乘客的人身安全。