飛機進近著陸電磁環(huán)境建模與輻射分布分析

王 磊 蘇東林 謝樹果 趙子華

(北京航空航天大學 電子信息工程學院，北京100191)

飛機進近著陸電磁環(huán)境是由機場終端區(qū)無線電臺站電磁輻射、地空電波傳播媒質(zhì)以及各種有源無源電磁干擾構成的復雜開放巨系統(tǒng)，是影響飛機進近著陸安全的重要因素.傳統(tǒng)上獲取終端區(qū)電磁環(huán)境信息主要基于實際飛行測試，不僅技術難度大、投資耗費高，而且測試時間和周期受多種客觀條件制約［1］.因此，研究飛機進近著陸電磁環(huán)境仿真建模方法，構建機場終端區(qū)電磁輻射表征與計算模型，科學分析與快速生成進近著陸電磁環(huán)境時空分布信息，對于彌補飛行實測不足、提高終端區(qū)電磁環(huán)境評估效率具有重要價值.

機場終端區(qū)電磁、地形和地物在拓撲、物理和語義上的異構性導致電磁環(huán)境構成機理十分復雜，很難用單尺度解析模型表征進近著陸電磁環(huán)境的本質(zhì)屬性.文獻［2－3］對機場終端區(qū)臺站參數(shù)、電磁環(huán)境保護以及地形和障礙物數(shù)據(jù)提出了相關指標要求，但未給出具體的電磁環(huán)境建模方法.文獻［4］基于飛機動力學和導航數(shù)據(jù)庫，建立飛機近程無線電導航系統(tǒng)的行為級仿真模型，模擬無線電信標信號隨飛機狀態(tài)的變化過程.文獻［5］通過實際飛行測試和數(shù)據(jù)分析，給出了一種求解機場終端區(qū)電磁頻譜使用和信號分布的工程估算方法，但兩者由于均未考慮終端區(qū)地形地物對臺站電磁輻射的反射、繞射效應，導致計算結(jié)果精度不高.文獻［6－7］采用有限元法、物理光學法以及幾何繞射理論等多種混合數(shù)值方法，分析機場區(qū)域大型地物(如機庫、?？匡w機等)對導航信號造成的散射和失真效應，指出建立系統(tǒng)仿真模型的關鍵點在于對系統(tǒng)所處客觀世界足夠準確的模擬、描述和評估.這種方法對少量散射體影響下的系統(tǒng)電磁兼容性分析較為適用，但不適用于解決進近著陸電磁環(huán)境研究中地形、地物、干擾要素關聯(lián)耦合復雜、電磁計算涉及空間范圍大以及終端區(qū)準確數(shù)據(jù)獲取困難等現(xiàn)實問題.

本文在分析進近著陸電磁環(huán)境構成機理以及多要素關聯(lián)耦合特征的基礎上，提出一種多層融合的進近著陸電磁環(huán)境模型架構.針對場邊界特性不規(guī)則時空變化帶來的電磁輻射表征與計算困難，綜合采用矩量法和射線追蹤法建立終端區(qū)輻射源和地空電波傳播模型，量化表征和計算地形地物影響下電磁輻射空間分布.最后結(jié)合某機場地形和臺站數(shù)據(jù)，對終端區(qū)航向臺電磁輻射強度和覆蓋范圍進行仿真計算和分析.

1 進近著陸電磁環(huán)境體系架構

系統(tǒng)層次性和分形理論認為，一個復雜系統(tǒng)可以由低級到高級逐級組織整合成為系統(tǒng)整體，復雜系統(tǒng)具有自然分形的自相似性屬性，可以采用多種分形維數(shù)從不同角度刻畫分形對象的復雜結(jié)構特征［8］.飛機進近著陸電磁環(huán)境包含終端區(qū)無線電臺站、地形、地物和干擾體等眾多實體要素，是一個復雜開放的巨系統(tǒng).各要素幾何尺度不一、物理內(nèi)涵相異、語法和語義表達方式多樣，整體結(jié)構呈現(xiàn)出顯著的多源異構特征和多維分層性質(zhì).根據(jù)系統(tǒng)構成機理和要素耦合關聯(lián)關系，將電磁環(huán)境從整體到局部、從宏觀到微觀逐步分解，用一種由幾何層、物理層、行為層和態(tài)勢層以及數(shù)據(jù)庫構成的多層融合模型表現(xiàn)系統(tǒng)從低層到高層不同質(zhì)的涌現(xiàn)性.整體架構如圖1所示.

圖1 飛行終端區(qū)電磁環(huán)境分層融合模型架構

1.1 幾何層描述

幾何層主要描述終端區(qū)無線電臺站、地形、地貌、地物等電波傳播媒質(zhì)以及有源干擾體、無源干擾體的拓撲和形狀特征.無線電臺站建模主要是對發(fā)射接收天線系統(tǒng)的幾何建模.地形模型根據(jù)實際終端區(qū)地形地物的數(shù)字高程數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)，在一定的投影坐標系中分層構建.對于數(shù)據(jù)庫中沒有的各種隨機地物模型，如跑道周邊新建建筑、?？匡w機等，需根據(jù)散射體的姿態(tài)和形狀參數(shù)建立干擾體結(jié)構等效模型.各要素模型要在統(tǒng)一的空間坐標系下(一般為地理坐標)完成統(tǒng)一配準和表達.

1.2 物理層描述

物理層主要描述臺站、地形、地物和干擾要素的靜態(tài)電磁屬性信息.臺站天線需要根據(jù)不同的天線種類、形狀以及安裝條件，建立與實體參數(shù)相一致的仿真模型，并采用合適的數(shù)值仿真算法，計算得到天線三維方向圖和增益等近遠場輻射特征.對于地形、地物和干擾要素，則要在幾何層模型基礎上，進一步描述實體的電參數(shù)、材質(zhì)參數(shù)和相關頻率信號參數(shù).物理層還要根據(jù)無線電頻段和業(yè)務范圍，提供相應的電波傳播模型、電磁散射模型和干擾機理模型.各要素模型的數(shù)據(jù)結(jié)構和邏輯關系由數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)統(tǒng)一表示和分類管理.

1.3 行為層描述

行為層主要描述無線電臺站的位移特征和動態(tài)電磁特征，包括實體運動特征模型、系統(tǒng)行為級仿真模型、信號時頻域響應模型以及電磁波可視化繪制引擎.

建立行為層的目的，一方面是在各要素狀態(tài)參數(shù)支持下，依照事件驅(qū)動機理，刻畫飛機進近著陸過程中由于各要素物理狀態(tài)以及時間、空間和頻率尺度變化，所引起的各要素物理和電磁屬性，以及臺站運行區(qū)域電磁信號在時間、空間和頻率空間的響應，從而為狀態(tài)層描述電磁場變化提供邏輯結(jié)構和數(shù)據(jù)驅(qū)動模型.另一方面，結(jié)合狀態(tài)層電磁環(huán)境表現(xiàn)需求和紋理映射等關鍵技術，構建電波可視化繪制引擎，將不可見的場數(shù)據(jù)映射為可見可繪制的圖元數(shù)據(jù)，并通過可視化的手段揭示場數(shù)據(jù)的分布和演化規(guī)律，為狀態(tài)層信息顯示提供算法和數(shù)據(jù)支持.

1.4 狀態(tài)層描述

狀態(tài)層是進近著陸電磁環(huán)境模型架構的表現(xiàn)和互操作窗口，主要包括臺站運行區(qū)域電磁輻射分布、臺站地理位置分布、頻譜使用信息和干擾信息顯示等模塊.狀態(tài)和顯示模塊根據(jù)行為層提供的算法和數(shù)據(jù)支撐，按照用戶需求直觀展現(xiàn)電磁環(huán)境各構成要素在空域、頻域、時域和能量域的分布狀態(tài).同時利用系統(tǒng)生成的人機交互界面，對幾何層、物理層和行為層的相關參數(shù)進行靈活設置，有針對性地展現(xiàn)進近著陸電磁場景變化過程.

1.5 電磁環(huán)境數(shù)據(jù)庫

電磁環(huán)境數(shù)據(jù)庫包括終端區(qū)電磁環(huán)境實測數(shù)據(jù)、要素數(shù)據(jù)、機場運行管理數(shù)據(jù)以及相關電磁算法集.數(shù)據(jù)庫的作用是將各種多源異構數(shù)據(jù)通過元數(shù)據(jù)管理規(guī)則轉(zhuǎn)化為表結(jié)構統(tǒng)一的數(shù)據(jù)集合，向各邏輯層提供相應約束條件定義下的數(shù)據(jù)子集，保證數(shù)據(jù)的高效調(diào)用和傳遞.同時，定期加載各邏輯層反饋的計算結(jié)果，不斷更新數(shù)據(jù)和信息樣本，從而實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的閉環(huán)控制和按需分發(fā).

1.6 各層相互關系

電磁環(huán)境模型體架構各個層次以及數(shù)據(jù)庫是一個有機融合的統(tǒng)一整體，幾何層提供電磁環(huán)境的空間分布和載體，物理層提供電磁環(huán)境的本質(zhì)屬性——電磁信息，實現(xiàn)幾何空間到電磁空間的映射;行為層為狀態(tài)層各模塊提供在電磁環(huán)境信息計算和展示方面共性的物理和信號特征，狀態(tài)層匯聚前三層的數(shù)據(jù)和計算結(jié)果，并按照信號、臺站、頻譜、干擾等主題進行可視化展現(xiàn).數(shù)據(jù)庫為各層提供基礎數(shù)據(jù)支撐，并管理更新電磁環(huán)境信息.

2 終端區(qū)電磁輻射表征與分布計算

終端區(qū)地形、地物和氣象環(huán)境的不規(guī)則時空變化使電磁波邊界特性表現(xiàn)出明顯的非平穩(wěn)性和隨機性.地空電波傳播的物理機制和傳播模式涉及反射、繞射、吸收以及多徑干涉等多重效應，導致終端區(qū)電磁輻射發(fā)生衰減、衰落、極化偏移和時、頻域畸變等效應.根據(jù)終端區(qū)電磁輻射產(chǎn)生機理，運用射線追蹤方法描述和表征電磁輻射的傳播特性，通過建立進近著陸電磁輻射多要素模型，闡述了電磁輻射計算的方法和流程.

2.1 終端區(qū)電磁輻射表征

射線跟蹤方法基于電磁理論、幾何光學理論(GO，Geometrical Optics)、幾何繞射理論(GTD ，Geometrical Theory of Diffraction)以及一致性幾何繞射理論(UTD，Uniform geometrical Theory of Diffraction)，通過模擬電磁射線的傳播路徑來確定多徑信道中發(fā)射機與接收機之間所有可能的射線路徑，從而計算場點的電磁參數(shù).射線在傳播過程中，遇到障礙物時發(fā)生反射或繞射，根據(jù)一致性幾何繞射原理和鏡面反射原理計算出反射點和繞射點處的場強.

在地形條件比較復雜的機場，隨著進近著陸飛機高度逐步降低(典型從2000 m到4 m)，終端區(qū)中的山體和高大障礙物將進入臺站天線與飛機接收機通信鏈路菲涅爾區(qū)，如圖2所示.進近空域電磁輻射是由直射、反射和繞射電波干涉形成的合成場量.

圖2 進近著陸典型地空電波傳播路徑剖面圖

根據(jù)射線跟蹤原理，進近著陸臺站運行覆蓋區(qū)內(nèi)r接收點處的電磁信號場強可表示為

其中，N為到達接收點r的射線總數(shù);E(rn)為第n條到達接收點射線的場強矢量，且

式中，E0為單位距離處全向點源天線的輻射場強;Gt(θn，φn)為臺站天線在第n條射線方向上的增益別為第n條射線第i次并矢反射系數(shù)和第j次并矢繞射系數(shù);Ars和Ads分別為反射和繞射擴散因子，它取決于邊緣的幾何形狀和電磁特性，以及入射波的入射方向、極化特性和類型;rn為第n條射線經(jīng)過的傳播路程［9］.

2.2 終端區(qū)電磁輻射要素建模和分布計算

基于進近著陸電磁環(huán)境模型架構，依據(jù)電磁輻射表征內(nèi)涵，分別構建臺站、地形和地物的幾何模型、物理模型和行為模型，合理選取電磁輻射分布表現(xiàn)參數(shù)，預測進近著陸空域的電磁輻射分布狀態(tài).

2.2.1 終端區(qū)地形地物環(huán)境建模

地形地物建模涉及的地理范圍一般包括以跑道幾何中心為圓心、半徑為45 km以上的實體.數(shù)據(jù)組織按照圖層結(jié)構以數(shù)據(jù)高程數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)和圖像掃描數(shù)據(jù)分層疊加，以經(jīng)緯度、國家坐標以及高度輪廓等多種格式劃分和展現(xiàn).數(shù)據(jù)分辨率按照進近程序類別和區(qū)域范圍相應設置，終端控制區(qū)外分辨率達到50 m，適用于Ⅱ/Ⅲ類進近區(qū)分辨率達到5 m.臺站天線的敏感區(qū)和保護區(qū)內(nèi)的地形地物，一般要根據(jù)臺站建模和輻射特性分析的要求，建立精確的全尺寸幾何和物理模型.各層和各類數(shù)據(jù)最后在地理坐標系中完成空間尺度變化和配準.

2.2.2 地面臺站建模

終端區(qū)臺站建模，主要是對臺站的天線的輻射特性進行建模.進近著陸無線電信標天線一般均為大型天線陣列，運用數(shù)值仿真算法時剖分網(wǎng)格數(shù)據(jù)巨大，同時方向系數(shù)很容易受到陣列配置結(jié)構和周圍地形地物的影響.采用矩量法(MoM，Method of Moment)結(jié)合快速多極子算法可以在保證高精度數(shù)值結(jié)果的基礎上，顯著提高大網(wǎng)格剖分數(shù)量條件下的運算效率.根據(jù)天線陣列形狀、材質(zhì)、架設條件、周圍地貌等物體尺寸和電磁屬性，將物理實體模型映射為電磁計算模型，合理設置算法參數(shù)并在系統(tǒng)行為級仿真信號的激勵下，得到準確的天線陣列的方向圖和增益特性.

2.2.3 進近著陸地空電波傳播模型

現(xiàn)有考慮地形地物因素影響的地空電波傳播模型包括基于雙射線原理的ITU-P.528模型、基于地形繞射原理的ITU-P.452模型以及物理光學法等高頻近似方法.由于雙射線模型要求地表光滑，其計算精度受到菲涅爾區(qū)視距限制，在飛機高度較低時存在較大誤差［10］;地形繞射模型是一種概率統(tǒng)計模型，而且由于未考慮繞射信號相位變化，應用于直射、反射和繞射相混合的低空信道傳播精度不高;物理光學方法考慮到散射物體表面電流再輻射效應，對金屬散射體計算精度較高，但運行包含大型山體和障礙物散射效應時運算效率有所降低.UTD采用射線追蹤方法，分析不同類型的反射和繞射造成的電磁散射問題.由于它考慮了信號散射相位因素、不受物體尺寸限制以及精度高、運算量不大等特點，同時克服了幾何繞射理論在入射和反射陰影邊界兩側(cè)過渡區(qū)內(nèi)失效的缺點，可有效改善進近著陸傳播大范圍多尺度電波傳播計算和信號場強預測精度.

綜合上述分析，終端區(qū)電磁輻射分布計算流程如圖3所示.

圖3 飛行終端區(qū)電磁輻射分布計算流程

3 仿真計算實例分析

根據(jù)上述電磁環(huán)境模型架構和電磁輻射分布計算方法，建立某機場儀表著陸系統(tǒng)航向臺電磁輻射多層融合模型，并對臺站運行區(qū)域電磁信號覆蓋進行仿真計算.分析步驟遵循圖3流程.

3.1 仿真設置

1)載入地理數(shù)據(jù).在仿真平臺上載入以分層形式(柵格數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)、掃描格式)存放的某機場終端區(qū)地理信息數(shù)據(jù)，地形最佳分辨率為50 m，比例尺1∶25000.選取機場跑道中線延長線上某點(離跑道著陸終端150 m)作為航向臺天線陣架設位置.

2)設置航向臺發(fā)射機和天線參數(shù).臺站發(fā)射機工作頻率為110 MHz，發(fā)射信號為載波加邊帶信號和純邊帶疊加而成的雙音頻調(diào)幅格式.根據(jù)實際發(fā)射機數(shù)據(jù)建立系統(tǒng)行為級仿真模型，模擬系統(tǒng)輸出信號的時頻域特征.發(fā)射天線陣列由14副對數(shù)周期陣子單元組成.

3)設定計算邊界.根據(jù)航向臺電磁環(huán)境要求，設定如圖4所示系統(tǒng)運行覆蓋區(qū).其中AB=AE=31.5 km，AF=AD=46.3 km，∠ABE=350，∠ACD=200，ACD的角平分線為跑道延長線，所包含區(qū)域為主航道.ABE區(qū)域中除主航道區(qū)以外的區(qū)域為余隙航道.

圖4 航向臺電磁輻射強度分布圖

4)調(diào)用電波傳播模型.采用統(tǒng)計模型和幾何光學模型進行對比分析.統(tǒng)計模型采用國際電聯(lián)航空移動傳播模型P.528，射線追蹤模型采用一致性幾何繞射理論，障礙物數(shù)量設置為3個.

3.2 仿真結(jié)果及分析

1)在考慮天線陣列架設結(jié)構和周圍地形因素條件下，采用矩量法建立對數(shù)周期天線陣全尺寸仿真模型，并應用快速多極子算法，得到如圖5所示航向臺天線陣三維遠場方向圖.其中天線H面最大增益為22.7 dB，半功率角為5°.

2)圖4a、圖4b分別給出離地600 m和200 m高度航道區(qū)，航向臺電磁輻射功率通量密度的分布情況.由圖4a可知，在離地600 m高度，仿真航向臺有效信號(大于－100 dBW/m2)覆蓋率為100%，余隙航道有效信號(大于－107 dBW/m2)覆蓋率為83.4%，考慮到指標中余隙航道信號一般要比主航道低10～20 dB，上述結(jié)果可以達到指標要求.在圖4b中，當離地高度降至200 m時，由于地形因素對信號傳播的遮擋或損耗作用，主航道和余隙航道有效信號覆蓋率分別降至84.1%和57.8%，而在這個高度，飛機會處于著陸區(qū)(距機場中心18.5 km扇形區(qū)域)，其主航道信號覆蓋率為100%，符合指標要求.

圖5 航向臺天線陣三維仿真方向圖

3)為進一步分析進近著陸區(qū)域電磁輻射分布，基于前述航向臺電磁發(fā)射模型，分別采用ITU P.528傳播模型和UTD模型，給出了主航道和余隙航道電磁場功率通量密度90%統(tǒng)計值與飛機離地高度的關系.如圖6a和圖6b所示.由圖可知，雖然在航線臺近距區(qū)域由于地形因素影響，功率密度值顯著降低，但主航道和余隙航道功率密度中值均大于門限值，說明該電磁輻射強度達到電磁環(huán)境指標要求.但采用ITU P.528模型預測值比UTD模型平均分別高4.4dB和4.9dB，表明若采用基于雙射線傳播機理的P.528模型可能會造成對輻射強度的過高預測，從而可能對臺站電磁環(huán)境保護甚至飛行安全帶來不利影響.同時也證明采用UTD模型能夠充分反映地形地物對電波的反射和繞射效應，提高復雜地形條件下航道安全運行區(qū)域和電磁環(huán)境保護區(qū)域計算的準確性.

圖6 進近著陸不同高度電磁輻射強度

4 結(jié)束語

飛機進近著陸電磁環(huán)境是影響飛機著陸安全的重要因素.研究飛機進近著陸電磁環(huán)境仿真建模方法，構建機場終端區(qū)電磁輻射表征與計算模型，有助于科學分析與快速生成進近著陸電磁環(huán)境分布信息，彌補飛行實測方法的諸多不足.本文在對機場終端區(qū)電磁、地形、地物等相關要素耦合機理分析的基礎上，構建多層融合的進近著陸電磁環(huán)境體系架構，綜合采用矩量法和射線追蹤方法，量化表征和計算進近著陸電磁輻射分布信息.通過對某機場終端區(qū)航向臺電磁輻射強度和覆蓋范圍的仿真計算和分析表明，該方法能夠較好地體現(xiàn)地形、地物等因素對進近著陸電磁環(huán)境的影響機理及效應，有效降低由于場邊界特性不規(guī)則時空變化帶來的電磁輻射計算誤差，對于提高進近著陸電磁環(huán)境評估的準確性和效率具有重要價值.

References)

［1］ICAO.Manual on testing of radio navigation［R］.ICAO Doc 8071，2002

［2］ICAO.Radio navigation aids［R］.ICAO Annex 10，2006

［3］ICAO.Guidelines for electronic terrain，obstacle and aerodrome mapping information［R］.ICAO Doc 9881，2009

［4］黃金明.飛行模擬器近程無線電導航系統(tǒng)建模與仿真［J］.計算機仿真，2007，24(2):282 －285 Huang Jinming.Modeling and simulation of short-range radio navigation system in flight simulator［J］.Computer Simulation，2007，24(2):282 －285(in Chinese)

［5］Sandra V Koppen.Airborne RF measurement system(ARMS)and analysis of representative flight RF environment［R］.NASA/TP-2007-214883，2007

［6］Greving G，Biermann W D，Mundt R.Status of advanced scattering distortion system analysis for navaids and radar-examples of A380 and wind turbines［C］//Felix Yanovsky，Proceedings of Microwaves，Radar and Remote Sensing 2008 Symposium.Kyiv，Ukraine:National Aviation University，2008:42 －47

［7］Greving G.Hybrid numerical scattering field analysis embedded into simulations of complex radio based systems-examples，capabilities and limitations［C］//Greving G.Proceedings of the 11th International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications.New York:IEEE，2009:493 －496

［8］劉興堂，梁炳成.復雜系統(tǒng)建模理論、方法與技術［M］.北京:科學出版社，2010:43－51 Liu Xingtang，Liang Bingcheng.The theory，method ＆ technique for complex system modeling［M］.Beijing:Science Press，2010:43－51(in Chinese)

［9］Holm P.UTD-diffraction coefficients for higher order wedge diffracted fields［J］.IEEE Trans Antennas Propagation，1996:44(6):879－888

［10］Arnaud Dedryvere.A general model for VHF aeronautical multipath propagation channel［R］.ICAO AMCP/WG-D//WP6，1999