儀表著陸系統(tǒng)干擾現(xiàn)狀分析與多徑干擾仿真＊

吳岳洲，傅 強(qiáng)，郭 康

(中國(guó)民用航空飛行學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，四川 德陽(yáng) 618307)

0 引言

隨著我國(guó)民航航班數(shù)量和機(jī)場(chǎng)數(shù)量越來(lái)越多，各類通信、導(dǎo)航、電力等電磁輻射源設(shè)備的使用，導(dǎo)致機(jī)場(chǎng)電磁頻譜環(huán)境愈發(fā)復(fù)雜[1-2]，對(duì)保障民航飛行安全、專用航空臺(tái)站設(shè)備無(wú)線電頻率有序使用提出挑戰(zhàn)。其中，儀表著陸系統(tǒng)是引導(dǎo)航空器非目視精密進(jìn)近和著陸的重要國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)航系統(tǒng)，通過(guò)地面的航向信標(biāo)、下滑信標(biāo)和指點(diǎn)信標(biāo)為航空器提供距離、水平和垂直引導(dǎo)，保障飛機(jī)沿跑道中心線的垂直面和和下滑角進(jìn)行著陸。文獻(xiàn)[3]通過(guò)研究高鐵的弓網(wǎng)離線電弧現(xiàn)象，分析其電磁輻射對(duì)儀表著陸系統(tǒng)的影響。文獻(xiàn)[4]根據(jù)不同儀表著陸系統(tǒng)的電磁特性參數(shù)和干擾防護(hù)指標(biāo)，分析了無(wú)線電干擾程度及干擾防護(hù)率。文獻(xiàn)[5]研究機(jī)場(chǎng)空域和周邊建筑對(duì)儀表著陸系統(tǒng)信號(hào)干擾現(xiàn)象，提出一種基于修正快速傅里葉變換頻譜校正的儀表著陸系統(tǒng)信號(hào)鑒頻分離技術(shù)。文獻(xiàn)[6]提出了針對(duì)機(jī)場(chǎng)儀表著陸系統(tǒng)與電氣鐵路間的電磁兼容預(yù)測(cè)分析方法。本文將進(jìn)一步梳理儀表著陸系統(tǒng)的干擾源和干擾類別，并針對(duì)常見(jiàn)的多徑干擾現(xiàn)象進(jìn)行仿真分析。

1 儀表著陸系統(tǒng)干擾現(xiàn)狀分析

無(wú)線電干擾導(dǎo)致有用信號(hào)質(zhì)量下降、丟失或阻斷。在無(wú)線電通信業(yè)務(wù)中，干擾分為三個(gè)級(jí)別：允許干擾、可接受干擾和有害干擾[7]。機(jī)場(chǎng)及其周邊的地形地貌、建筑物、電磁輻射等環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，使得儀表著陸系統(tǒng)經(jīng)常受到不同程度、不同類型的干擾。根據(jù)儀表著陸系統(tǒng)接收到的電磁干擾來(lái)源，干擾主要分為無(wú)源干擾和有源干擾（見(jiàn)表1）。

表1 儀表著陸系統(tǒng)常見(jiàn)干擾源

比較常見(jiàn)的無(wú)源干擾包括金屬圍欄、建筑物、樹(shù)木等。無(wú)源干擾主要因?yàn)闊o(wú)線電波傳播時(shí)受障礙物影響，使得儀表著陸系統(tǒng)的無(wú)線電波傳播路徑發(fā)生了變化，進(jìn)而造成無(wú)線電波的減弱或遮蔽。一旦不同無(wú)源干擾產(chǎn)生多徑疊加，就會(huì)加劇無(wú)線電傳播受影響的程度，因此分析無(wú)源干擾對(duì)儀表著陸系統(tǒng)的干擾影響非常重要[8]。

比較常規(guī)的有源干擾包括民用無(wú)線電廣播、非航空類電子設(shè)備、各類高壓電線等。有源干擾主要因?yàn)闊o(wú)線電波在空間傳播時(shí)，受到來(lái)自非儀表著陸系統(tǒng)的電磁設(shè)備發(fā)射信號(hào)影響，使得無(wú)線電波在頻率、波道、頻段等方面出現(xiàn)變化，進(jìn)而使得信號(hào)傳播路徑發(fā)生改變，影響導(dǎo)航的精準(zhǔn)性。這些常規(guī)的有源干擾物體會(huì)發(fā)射帶有脈沖性能的電流或者帶有隨機(jī)脈沖干擾性能的弓網(wǎng)離線電弧，在不同程度上對(duì)儀表著陸系統(tǒng)的導(dǎo)航性能造成影響[9-10]。

2 航向信標(biāo)多徑干擾

儀表著陸系統(tǒng)指點(diǎn)信標(biāo)臺(tái)在機(jī)場(chǎng)終端，受干擾程度較小。當(dāng)前對(duì)儀表著陸系統(tǒng)天線陣的干擾研究大多集中于航向信標(biāo)臺(tái)天線陣，航向信標(biāo)臺(tái)天線主要采用對(duì)數(shù)周期偶極子天線（Log Periodic Dipole Antenna，LPDA）。本文重點(diǎn)研究?jī)x表著陸系統(tǒng)航向信標(biāo)天線電磁輻射場(chǎng)，并進(jìn)行多徑干擾現(xiàn)象的仿真分析。

2.1 航向信標(biāo)輻射場(chǎng)分析

航向信標(biāo)為飛機(jī)航向道提供橫向指引信號(hào)，其準(zhǔn)確性主要依賴于天線輻射信號(hào)場(chǎng)型。航向信標(biāo)臺(tái)的對(duì)數(shù)周期偶極子天線由多幅相互對(duì)稱的長(zhǎng)振子和短振子構(gòu)成，在短振子一側(cè)采用集合線進(jìn)行交叉饋電，并向長(zhǎng)振子一側(cè)傳遞饋電，這種饋電和排列方式，使振子間相互激勵(lì)，在空間中產(chǎn)生有效信號(hào)輻射場(chǎng)，其空間輻射方向指向短振子一側(cè)[11-12]。

航向信標(biāo)發(fā)射兩類引導(dǎo)信號(hào)，即載波加邊帶信號(hào)（carrier plus sidebands，CSB）和純邊帶信號(hào)（sidebands only，SBO），調(diào)制頻率分別為150Hz和90Hz，采用比幅制，通過(guò)比較兩種信號(hào)強(qiáng)度，可分析飛機(jī)航向的變化情況。CSB 信號(hào)產(chǎn)生沿跑道中心線的單瓣方向圖，以及SBO 信號(hào)產(chǎn)生指向跑道中心線的雙葉方向圖，如圖1所示。

圖1 航向信標(biāo)信號(hào)輻射示意圖

如圖2所示，通過(guò)對(duì)航向信標(biāo)天線仿真分析，得到其E 面、H 面和三維方向圖。分析表明，天線整體輻射朝向一個(gè)方向，輻射定向性強(qiáng)，在H面上信號(hào)輻射滿足左右35°范圍內(nèi)有較強(qiáng)增益，在E 面上滿足7°范圍內(nèi)信號(hào)有效覆蓋。

圖2 航向信標(biāo)天線方向圖

對(duì)于等幅同相二元天線陣，間距為d，電流幅度比為1:I，I表示天線陣列單元數(shù)，當(dāng)坐標(biāo)原點(diǎn)為相位中心時(shí)，陣因子為[13-14]：

其中，θ為天線相對(duì)跑道中心線的方位角。

航向信標(biāo)天線陣列第i對(duì)天線饋電幅度為Ai，饋電相位為φi，左右天線距離為di，則第i對(duì)天線陣CSB 或SBO信號(hào)陣因子方向性函數(shù)為：

對(duì)數(shù)周期天線水平方向性函數(shù)為：

其中，θ在-50o～50o范圍變化。由方向圖乘積定理知，第i對(duì)二元天線陣的CSB 信號(hào)和SBO 信號(hào)的方向性函數(shù)分別為：

2.2 航向信標(biāo)多徑干擾仿真

飛機(jī)進(jìn)近著陸階段受復(fù)雜地理和電磁環(huán)境影響，不同障礙物對(duì)儀表著陸系統(tǒng)信號(hào)的多徑反射會(huì)影響天線輻射場(chǎng)，導(dǎo)致機(jī)載設(shè)備可能同時(shí)接收到航向天線陣的直達(dá)信號(hào)和障礙物反射的多徑信號(hào)，影響儀表著陸系統(tǒng)的引導(dǎo)準(zhǔn)確性。為分析航向天線受多徑干擾時(shí)的電磁輻射場(chǎng)型變化，基于機(jī)場(chǎng)周邊環(huán)境，利用二元陣?yán)碚摚瑢⒍鄰礁蓴_反射信號(hào)等效為鏡像天線的直達(dá)信號(hào)，如圖3所示。

圖3 多徑效應(yīng)示意圖

在多徑干擾情況下，輻射場(chǎng)型在原有基礎(chǔ)上增加的陣因子為：

最終，CSB信號(hào)和SBO信號(hào)的方向性函數(shù)為：

選擇機(jī)場(chǎng)典型的20 單元和12 單元航向信標(biāo)臺(tái)天線陣作為研究對(duì)象，通信頻率為111.1MHz，通信波長(zhǎng)為2.7m。具體的航向信標(biāo)臺(tái)天線陣饋電情況如表2和表3所示。

表2 航向信標(biāo)臺(tái)20單元天線陣饋電表

表3 航向信標(biāo)臺(tái)12單元天線陣饋電表

針對(duì)航向信標(biāo)臺(tái)的CSB 和SBO 信號(hào)，分別進(jìn)行理想情況下和多徑干擾情況下的方向圖歸一化仿真分析。鏡像天線與航向信標(biāo)臺(tái)天線距離設(shè)為800m，仿真分析結(jié)果如圖4 和圖5 所示。結(jié)果表明，理想情況下，CSB 和SBO 信號(hào)幅值變化曲線光滑且方向性良好；多徑干擾情況下，信號(hào)幅值變化曲線則出現(xiàn)了較大幅度抖動(dòng)和尖峰，產(chǎn)生信號(hào)偏差，影響導(dǎo)航的精準(zhǔn)性和可靠性。

圖4 CSB信號(hào)理想情況與多徑干擾下幅值對(duì)比

圖5 SBO信號(hào)理想情況與多徑干擾下幅值對(duì)比

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)研究機(jī)場(chǎng)儀表著陸系統(tǒng)的工作原理和受干擾類型，利用天線二元陣?yán)碚摵吞炀€鏡像原理，分析多徑干擾對(duì)機(jī)場(chǎng)儀表著陸系統(tǒng)的影響，并對(duì)不同類型航向信標(biāo)臺(tái)天線陣的CSB 和SBO 信號(hào)進(jìn)行仿真與對(duì)比分析。本文研究對(duì)航空器進(jìn)近飛行安全具有重要意義，后期將綜合考慮干擾類型、射頻防護(hù)比和保護(hù)間距等因素，開(kāi)展干擾信號(hào)檢測(cè)與干擾效能評(píng)估。