民航通信導航系統的多路徑效應及解決方法

摘要：民航通信導航系統在保障飛行安全和運行效率方面發揮著至關重要的作用。然而多路徑效應作為一個普遍存在的問題，嚴重影響了系統的穩定性和可靠性，本文深入分析了多路徑效應的產生機制、影響因素及其對民航通信導航系統的具體影響，并系統地探討了各種解決方法的原理、優缺點及適用條件。研究表明，結合天線設計優化、信號處理技術改進和環境因素控制等多種手段，可以有效減輕多路徑效應的負面影響，提高民航通信導航系統的整體性能和可靠性。

關鍵詞：民航通信導航系統；多路徑效應；天線設計；信號處理；環境因素

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2025.03.019

中圖分類號：TN 973.3 " " " " "文獻標志碼：B " " " " " "文章編碼：1672-7274（2025）03-00-03

Multi Path Effect and Solution of Civil Aviation Communication and Navigation System

SHEN Bin

（Shanghai Civil Aviation East China Communication Network Development Co.， Ltd.， Shanghai 200000， China）

Abstract： Civil aviation communication and navigation systems play a crucial role in ensuring flight safety and operational efficiency. However， multipath effect， as a common problem， seriously affects the stability and reliability of the system. This article deeply analyzes the mechanism， influencing factors， and specific impact of multipath effect on civil aviation communication and navigation systems， and systematically explores the principles， advantages， disadvantages， and applicable conditions of various solutions. Research has shown that combining antenna design optimization， signal processing technology improvement， and environmental factor control can effectively reduce the negative impact of multipath effects and improve the overall performance and reliability of civil aviation communication and navigation systems.

Keywords： civil aviation communication and navigation system; multi-path effect; antenna design; signal processing; environmental factor

民航通信導航系統是保障飛行安全和提高運行效率的核心技術支撐。隨著航空業的快速發展，對通信導航系統的性能和可靠性要求日益提高。多路徑效應作為一種普遍存在的物理現象，對民航通信導航系統的性能造成了顯著影響，可導致信號失真、延遲擴展和相位抖動等問題，降低系統的精度和可靠性。因此深入研究多路徑效應的產生機制、影響因素及解決方法，對提升民航通信導航系統的性能具有重要的理論和實踐意義。

1 " 多路徑效應的產生機制及影響因素

1.1 多路徑效應的物理原理

多路徑效應是電磁波傳播過程中的一種常見現象，源于信號在傳播途中遇到各種障礙物而產生反射、折射和散射。當發射信號經過不同路徑到達接收端時，由于傳播距離和介質特性的差異，各路徑信號會產生時間延遲和幅度衰減，這些經過不同路徑傳播的信號在接收端疊加，能導致信號失真、相位偏移和幅度波動。在民航通信導航系統中多路徑效應尤為顯著，因為飛行器周圍復雜的電磁環境和地面反射的存在為多路徑傳播提供了條件，多路徑效應不僅影響信號的質量還可能導致定位誤差過大和通信中斷，對飛行安全構成嚴重威脅。

1.2 影響多路徑效應的主要因素

多路徑效應的嚴重程度受多種因素影響，其中最為關鍵的是環境因素和系統參數。環境因素包括地形地貌、建筑物分布、大氣條件等，這些因素決定了反射面的數量和特性，直接影響多路徑信號的強度和傳播路徑。系統參數則涉及信號頻率、帶寬、發射功率、天線特性等，這些參數影響信號的傳播特性和抗多路徑能力，例如高頻信號較易受多路徑效應影響，而寬帶信號則具有較強的抗多路徑能力。飛行器的速度和高度也是重要影響因素，高速運動可能導致多普勒效應，進一步加劇多路徑問題復雜性，了解這些影響因素對于設計有效的多路徑抑制策略至關重要，需要在系統設計和運行中綜合考慮[1]。

2 " 多路徑效應對民航通信導航系統的

影響

2.1 對通信系統性能的影響

多路徑效應對民航通信系統的性能造成了顯著影響，主要表現在信號質量下降、數據傳輸錯誤率增加和通信容量減少等方面。當多路徑信號在接收端疊加時，會導致信號波形畸變和符號間干擾，增加了信號解調的難度，這種干擾在高速數據傳輸中表現得更為明顯，可能導致比特錯誤率（BER）顯著上升，影響通信的可靠性。多路徑效應還會引起信道的頻率選擇性衰落，造成某些頻帶信號嚴重衰減，而其他頻帶信號則相對較強，這種不均勻的頻率響應特性會降低系統的頻譜利用效率，減少可用的通信帶寬。在語音通信中多路徑效應可能導致聲音失真和回聲，影響通話質量，對于數據鏈通信，多路徑效應可能造成數據包丟失或重傳，增加了通信延遲和系統開銷，在極端情況下嚴重的多路徑干擾甚至可能導致通信中斷，對飛行安全構成威脅。因此在民航通信系統設計中，必須充分考慮多路徑效應的影響，采取有效措施進行抑制和補償。

2.2 對導航系統精度的影響

多路徑效應對民航導航系統的精度影響尤為顯著，直接關系到飛行安全和效率。在衛星導航系統中多路徑效應是影響定位精度的主要誤差源之一，多路徑信號與直射信號在接收機中疊加，導致偽距測量誤差和載波相位測量誤差，從而影響定位解算的精度。這種誤差在復雜環境下（如機場周邊）尤為明顯，可能導致數米甚至數十米的定位誤差，對于地基導航系統如儀表著陸系統（ILS）和微波著陸系統（MLS），多路徑效應可能引起航向偏差和下滑道偏差，影響著陸精度和安全性。在測距系統中多路徑效應會導致距離測量誤差，影響對飛行器位置的準確判斷，多路徑效應還可能引起導航信號的衰落和斷續，降低系統的可用性和完好性。在某些情況下多路徑信號甚至可能被誤認為是直射信號，導致嚴重的定位錯誤，對于依賴高精度導航的現代飛行程序，如性能基礎導航（PBN）和所需導航性能（RNP）程序，多路徑效應的影響尤其不容忽視。因此在導航系統設計和使用中，必須采取有效措施來檢測、緩解和補償多路徑效應，以確保導航精度滿足飛行安全和效率的要求[2]。

3 " 多路徑效應的解決方法

3.1 天線設計優化技術

天線設計優化是減輕多路徑效應影響的關鍵技術之一，通過改進天線結構和特性可以有效抑制多路徑信號的接收。一種常用的方法是采用定向天線，通過優化天線的方向圖增強主瓣方向的信號接收能力，同時抑制其他方向的信號，例如在衛星導航系統中，可使用右旋圓極化天線，利用多路徑反射信號極化特性的變化來抑制多路徑干擾。另一種有效的技術是采用自適應天線陣列，通過動態調整天線單元的相位和幅度形成可控的波束方向圖，實現對多路徑信號的空間濾波，在地面導航系統中如儀表著陸系統（ILS），可使用大尺寸反射面天線來提高方向性，減少地面反射造成的多路徑干擾。天線罩設計也是一個重要方面，通過優化天線罩的材料和結構可以減少電磁波在天線罩表面的反射和散射，從而降低多路徑效應。近年來超材料天線和智能天線技術的發展為多路徑抑制提供了新的可能性，這些技術可以實現更精確的波束控制和信號選擇性接收。在實際應用中天線設計需要綜合考慮多路徑抑制、增益、帶寬等多方面因素，以達到最佳的系統性能。值得注意的是，天線設計還需要考慮實際安裝環境的限制，如飛機機身的空氣動力學要求和空間限制。為此研究人員正在探索小型化、輕量化天線設計，如微帶天線和平面陣列天線，這些設計不僅能滿足抗多路徑要求還能適應嚴苛的安裝條件。隨著人工智能技術的發展，基于機器學習的智能天線優化算法也逐漸應用于天線設計中，其能夠根據實時環境自動調整天線參數，進一步提高系統的抗多路徑能力和整體性能。

3.2 信號處理技術改進

信號處理技術在多路徑效應抑制中發揮著核心作用，通過先進的算法和處理方法可以在接收端有效分離和抑制多路徑信號。一種廣泛應用的技術是多路徑估計和消除算法，如延遲鎖定環（DLL）和多相關器技術，這些方法通過估計多路徑信號的延遲和幅度，從接收信號中分離出直射信號。在衛星導航接收機中，常用的多路徑抑制技術包括窄相關器技術、雙三角相關器技術和多路徑估計延遲鎖定環（MEDLL）等，這些技術通過改進相關器的設計，提高了對多路徑信號的分辨能力。另一類重要的技術基于陣列信號處理的方法，如空時自適應處理（STAP）和波束形成技術，這些方法利用多天線接收的空間信息來抑制多路徑干擾。在通信系統中均衡技術也是抑制多路徑效應的有效手段，如決策反饋均衡器（DFE）和自適應均衡器，可以動態補償信道的頻率選擇性衰落。對于寬帶系統，正交頻分復用（OFDM）技術通過將寬帶信號分解為多個窄帶信號傳輸，有效減少了多路徑干擾。基于機器學習的多路徑抑制方法近年來也得到了廣泛關注，如使用深度學習網絡來識別和抑制多路徑信號，在實際應用中常常需要結合多種信號處理技術，并根據具體的系統特性和環境條件進行優化以實現最佳的多路徑抑制效果。值得注意的是，信號處理技術的實現通常具有較高的計算復雜度，因此在設計中需要平衡性能提升和系統資源消耗之間的關系[3]。

4 " 多路徑效應解決方法的綜合應用

4.1 多種技術的協同使用策略

多路徑效應的復雜性決定了單一技術難以全面解決問題，因此在實際應用中，采用多種技術的協同使用策略成為必然選擇，這種策略通過結合天線設計、信號處理和系統級優化，形成一個多層次、多角度的解決方案。在接收端可以首先通過優化天線設計來減少多路徑信號的接收，如使用自適應天線陣列技術；緊接著，利用高級信號處理算法如多相關器技術或空時自適應處理技術，進一步分離和抑制殘余的多路徑信號。在系統層面可以采用多源融合技術，綜合利用不同頻段、不同系統的數據，如GPS、Galileo和地基增強系統的協同使用，通過數據互補和交叉驗證來提高抗多路徑能力；對于通信系統，可以結合自適應均衡、OFDM調制和前向糾錯編碼等技術，形成一個多重保護機制；在導航系統中可以集成慣性測量單元（IMU）數據，利用卡爾曼濾波等算法進行數據融合，提高系統對短時多路徑干擾的抵抗能力。軟件定義無線電（SDR）技術的應用為多種技術的靈活集成提供了平臺，使得系統能夠根據實時環境動態調整處理策略，在實施過程中需要考慮不同技術之間的兼容性和資源分配，通過優化算法設計和硬件實現平衡系統性能和復雜度，這種協同策略不僅能夠顯著提高系統的抗多路徑能力，還能增強系統的整體魯棒性和適應性[4]。

4.2 環境因素控制與系統優化

環境因素控制和系統優化是解決多路徑效應的重要補充手段，通過對外部環境的改造和系統運行策略的調整可以從源頭上減少多路徑干擾。在機場環境中，可以通過合理規劃建筑物布局、控制反射面材料和幾何形狀來減少多路徑信號的產生，例如在跑道周圍使用電磁吸波材料，或者設計特殊的地面結構來散射入射信號，可以有效降低地面反射造成的多路徑干擾。對于固定的地面導航設備如VOR和ILS，可以通過精心選擇安裝位置和優化天線高度來最小化多路徑效應。在衛星導航系統中可以利用多路徑環境建模技術，結合地理信息系統（GIS）數據，預測特定區域的多路徑特性并據此優化接收機的處理算法或調整衛星選擇策略，通過建立多路徑效應監測網絡實時收集和分析多路徑數據，可以為系統優化提供依據，如動態調整導航信號的功率分配或改變通信系統的頻率使用計劃，在飛行操作層面可以根據多路徑環境特性制定優化的飛行路徑和程序，避開嚴重的多路徑區域。對于新型的空中交通管理系統如基于軌跡的運行（TBO）系統，可以將多路徑效應作為一個重要參數納入路徑規劃和容量管理算法中，在系統設計階段通過全面的仿真和實地測試可以識別出多路徑效應的薄弱環節，從而有針對性地進行優化，這種環境因素控制和系統優化的方法雖然在實施上可能面臨技術和成本的挑戰，但從長遠來看，能夠為民航通信導航系統提供一個更加穩定和可靠的運行環境，是解決多路徑效應問題的重要戰略選擇[5]。

5 " 結束語

通過深入研究民航通信導航系統中的多路徑效應問題，可以得出以下結論：多路徑效應是一個復雜的物理現象，其產生和影響受多種因素的綜合作用。針對多路徑效應，可以采用天線設計優化、信號處理技術改進等多種方法進行緩解。在實際應用中應根據具體情況選擇合適的解決方案并綜合考慮環境因素的影響，以實現民航通信導航系統性能的全面提升。未來研究應進一步探索新型材料和先進算法在多路徑效應抑制中的應用，為民航通信導航系統的持續發展提供技術支撐。

參考文獻

[1] 李明.民航通信導航監視運行支持系統設計研究[J].電子技術與軟件工程，2022（9）：25-28.

[2] 盧耀新.提升民航通信導航監視系統的可靠性路徑[J].中國航務周刊，2022（4）：62-63.

[3] 饒紅偉.淺談民航通信導航系統中的工藝防雷接地系統[J].數字通信世界，2021（9）：121-122.

[4] 李明.如何提高民航通信導航監視系統的可靠性[J].中國航務周刊，2021（27）：46-47.

[5] 孫毅馳.淺析中國民用航空通信、導航系統發展現狀[J].中國新通信，2020，22（13）：19-20.