機載通信導航設備對機載北斗接收機干擾評估

天津七一二通信廣播股份有限公司 呂琳 呂自鵬 張建軍 韓明

北斗衛星導航接收機作為機載導航設備，可能受到其他機載電子設備信號的干擾，本文分析了若干機載通信導航設備及相應地面端對機載北斗接收機可能造成的干擾情況，并提出相應防護建議。結果表明，所分析的機載電子設備存在干擾機載北斗接收機的可能性，但影響程度較小。

隨著衛星導航技術的發展，空中交通管理系統逐漸從現有陸基導航轉向星基導航，中國民航未來的主用導航系統將逐步過渡到以北斗系統為基礎，兼容多導航星座的衛星導航系統[1]。在飛機飛行過程中，尤其是近著陸階段，干擾會對衛星導航的精度、完好性、連續性和可用性構成威脅，是影響飛機安全的重要因素。北斗衛星導航接收機作為未來的機載導航設備，可能受到其他機載電子設備信號的干擾，對此，本文理論分析了若干機載通信導航設備及相應地面端對機載北斗接收機造成的干擾情況，并給出了一些干擾防護建議。

1 甚高頻通信設備對機載北斗接收機的影響

甚高頻（Very High Frequency，VHF）航空移動服務波段（118.0MHz到136.975MHz）分為760個頻道，每個頻道間隔25kHz。VHF通信是民航飛機與飛機之間，飛機與地面之間的主要通信方式。對于大多數地面端和所有的機載發射器來說，國際民航組織（International Civil Aviation Organization，ICAO）規定最大有效全向輻射功率（Equivalent Isotropically Radiated Power， EIRP）為13dBW（20W）[2]。

VHF機載空地無線收發機的高次諧波可能會進入到北斗導航頻段，對北斗機載接收機的正常運行造成干擾威脅，其干擾途徑可分為以下兩種：

1.1 天線到天線的耦合

VHF收發機基本輸出頻率為118MHz～136.975MHz，其中的第12或第13次諧波可能會對北斗B1I信號造成干擾。對于大部分飛機，通過在收發機天線使用低通濾波器便可有效控制這種干擾。

1.2 天線電纜到天線電纜的耦合

從VHF收發機天線電纜到北斗接收機天線電纜的耦合作用會產生干擾。對于這種干擾，可通過適當的隔離，天線接地以及電纜屏蔽即可有效消除。在電纜隔離距離受限的小型飛機上，還需要在VHF收發機加裝濾波器，以便更好的消除干擾影響。

相比于機載VHF設備，地面VHF無線電很難干擾到機載北斗接收機，主要是因為相對于機載VHF設備，地面VHF發射器天線距離機載北斗接收機天線更遠。如果發生了這種干擾，則可能是由于地面VHF設備的諧波輻射造成的，解決方法仍然是對VHF發射器的輸出進行濾波。

2 測距儀對機載北斗接收機的影響

測距儀（Distance Measure Equipment， DME）是一種測距系統，由機載詢問器和地面應答器組成，二者配合工作，可連續向飛行員提供飛機到地面測距臺的實時距離信息[3]。

DME的機上詢問器的工作頻率為1025MHz～1150MHz，地面應答器的工作頻率為962MHz～1213MHz。DME工作頻率與共用中心頻率為1176.45MHz的GPS L5信號、北斗B2a信號和伽利略E5a信號的工作頻帶發生部分重疊，可能會對這些信號形成干擾從而導致使用這些信號的導航接收機無法正常工作。然而，對于中心頻率為1561.098MHz的北斗B1I信號，DME信號與其有很大的頻率間隔。

DME地面端和機載端發射近似于鐘型包絡的射頻脈沖，半振幅點寬度為3.5μs，這樣的波形設計是為了壓縮DME的頻譜寬度，減小對相鄰信號的干擾，其基帶和調制后的波形如圖1和圖2所示。

圖1 基帶DME波形Fig.1 Baseband DME waveform

圖2 調制DME時域波形Fig.2 Modulated DME time domain waveform

為了進一步減小干擾，DME詢問器和應答器都采用脈沖對編碼發射，同時也只接收編碼時間間隔符合要求的信號。DME功率譜密度如圖3所示，可見其脈沖對能量的99%都集中在了0.8MHz的帶寬內，且鄰波道頻率中心間隔1MHz，通過這樣的設計，可以避免DME其他波道信號的干擾。在發射功率方面，ICAO規定地面DME應答脈沖的最大應答率為2700對/秒，終端信標應答脈沖的最大輸出功率大于100W，而航路信標則要大于1kW。

圖3 DME基帶信號功率譜Fig.3 DME baseband signal power spectrum

典型機載DME天線和北斗天線位置如圖4所示，機載DME天線位于機身前部的下方，而機載北斗天線位于機身前部上方。在飛機位于機場附近時，DME地面端應答信號在傳輸到北斗天線過程中，絕大部分會被機身屏蔽掉[4]。需要注意的是，如今很多飛機大量采用了復合材料，例如波音787，其機身大量采用碳纖維復合材料，纖維增強復合材料占了整個機體重量的50%，國產大飛機C919也達到了約30%，復合材料機身對DME信號的屏蔽作用會減小。

圖4 DME和北斗天線安裝位置Fig.4 DME and BDS antenna installation location

鑒于以下四方面因素，分析認為DME地面站對機載北斗接收機的干擾可能性很小：(1)衛星導航接收機對于脈沖干擾信號有其固有的不敏感性，而且DME脈沖信號的占空比較低。(2)DME地面應答器所發射的射頻脈沖信號的包絡形狀為高斯型，因此其信號頻譜寬度較窄，減少了對鄰道的干擾。(3)DME信號與北斗B1I信號之間較大的頻率間隔。(4)DME地面站與飛機之間的距離較遠。

對于機載DME詢問機發射的脈沖信號來說，與DME地面端類似，其脈沖為占空比較低的高斯型包絡，使得其頻率旁瓣最小化從而避免了對相鄰信號的干擾。同樣，導航接收機對此種脈沖干擾并不敏感，干擾可能性低。

3 甚高頻全向信標對機載北斗接收機的影響

甚高頻全向信標系統（VHF Omni-Directional Range，VOR）屬于近程測角導航系統。其機載接收機通過接收地面VOR導航臺發射的電波，可以直接確定以導航臺所在位置的北向為基準的飛機方位[5]。

VOR機載接收機不刻意發射信號，但其本地振蕩器可能會產生諧波輻射，因此仍需考慮它對北斗接收機的干擾。對于機載北斗接收機來說，如果與機載VOR接收機之間出現干擾問題，可以使用適用于VHF通信收發機的干擾減輕技術，例如使用濾波器、加裝外殼、保持安全距離等。

對于VOR地面臺發射機來說，其頻率在108.0MHz～117.950MHz的航空無線電導航業務（Aeronautical Radio Navigation Service， ARNS）頻帶內，通常航路VOR地面臺輻射功率為200W，而終端VOR地面臺輻射功率大約為50W。由于在北斗B1I頻帶和VOR頻帶之間有較大的頻率間隔，因此，如果對北斗B1I信號造成干擾，可能是由于VOR地面臺的諧波輻射造成的，VOR的第N次諧波落入了B1I頻帶內，理論上可能導致對北斗B1I接收機的干擾。

4 高頻通信設備對機載北斗接收機的影響

高頻通信方式利用了地球表面和電離層的反射，信號傳播距離很遠，可在數千公里距離上為飛機與飛機之間或地面站與飛機之間提供通信，通信頻率在2.850 MHz～23.350MHz之間的各個頻率上，大多數需要越洋的民用飛機都裝配了高頻通信系統。

標準規定機載高頻通信發射機的最大發射能量是26 dBW，帶外雜散輻射須低于-43dBW[6]，因此，雖然機載高頻通信發射機可能產生高階諧波進入北斗B1I頻帶內，但其功率將非常低。另一方面，高頻通信使用次數并不多，在甚高頻通信覆蓋不到的區域，例如越洋飛行階段會使用高頻通信，最多一小時使用幾分鐘。綜合以上兩點，分析認為高頻通信對機載北斗B1I接收機的干擾威脅很小。

5 結論

分析了若干機載通信導航設備對機載北斗接收機的干擾情況，理論分析表明，所分析的機載電子設備存在干擾機載北斗接收機的可能性，可考慮增加相應防護措施以避免干擾事件的發生，在北斗接收機裝機前需進行一系列嚴格的測試，以確保所處電磁環境的安全。