復雜電磁環(huán)境下航空通信效能試飛評估*

劉滿堂，張家新劉 悅

(1.中國西南電子技術研究所，成都610036;2.成都天奧信息科技有限公司，成都611731)

1 引言

復雜電磁環(huán)境下航空通信能力不僅與系統(tǒng)固有性能有關，也與飛機平臺電磁環(huán)境密切相關，而且，惡劣電磁環(huán)境條件對航空通信質量的影響是巨大的。所以，研究復雜電磁環(huán)境條件下航空通信系統(tǒng)效能評估是提高航空通信系統(tǒng)使用效能的重要措施之一。

隨著航空通信系統(tǒng)的應用范圍不斷擴大，系統(tǒng)組成也成倍增長，采用拆分隔離等單一方式進行通信效能評估[1]已不能滿足現(xiàn)實需求，如何確保系統(tǒng)效能的準確評估是通信系統(tǒng)能力驗證的關鍵。

鑒于技術發(fā)展和用戶劇增所導致的航空平臺電磁環(huán)境日益惡化的現(xiàn)狀，開展復雜電磁環(huán)境通信能力[2]試飛評估研究具有現(xiàn)實意義。

本文主要進行復雜電磁環(huán)境和通信系統(tǒng)的特點探討，分析典型應用環(huán)境。

2 航空通信系統(tǒng)構成

2.1 通信天線

通信系統(tǒng)主要通信設備大都采用全向高增益天線，部分設備應用大角度定向天線，完成通信信號的磁電轉換，實現(xiàn)無線收發(fā)。

2.2 通信設備

通信設備主要是航空通信系統(tǒng)內的信號接收和發(fā)射設備，完成信號的調制發(fā)射和接收解調還原。

2.3 系統(tǒng)其他設備

系統(tǒng)其他設備是除天線及收發(fā)設備外的其他輔助設備，完成系統(tǒng)供電、交聯(lián)、計算、控制等功能。

2.4 通信對象

一般是與航空平臺互通的地面通信設備或其他航空平臺，主要配合完成通信信息交換。

從通信系統(tǒng)組成來看，受到環(huán)境影響的主要環(huán)節(jié)是天線和通信設備。天線在高性能接收通信信號的同時，對干擾信號也進行了高效接收。通信設備的高靈敏性也易受到影響，發(fā)射功率高會惡化航空平臺自身和近場環(huán)境。系統(tǒng)交聯(lián)控制間的串擾也是不可忽視的問題。同時，通信對象受其自身性能和環(huán)境的變化也會對通信效果產(chǎn)生明顯影響。

3 復雜電磁環(huán)境特點

復雜電磁環(huán)境由空域、時域、頻域和能量上分布的數(shù)量繁多、樣式復雜、密集重疊、動態(tài)交迭的電磁信號構成[3]。復雜電磁環(huán)境在一定空域、時域、頻域和功率域上，多種電磁信號同時存在，對航空通信裝備應用產(chǎn)生一定影響[4]。

3.1 航空平臺內部電磁環(huán)境

電子信息技術的發(fā)展增強了航空電子系統(tǒng)的功能，擴展了應用范圍，使得航空平臺有限的區(qū)域內形成了極為復雜的電磁環(huán)境。航電設備電磁頻譜分布寬[5]，輻射功率大，眾多設備集中安裝。系統(tǒng)運行過程中，由于電磁干擾(EMI)導致設備之間、系統(tǒng)之間電磁兼容性(EMC)下降，造成系統(tǒng)功能失效或性能降級，必然影響系統(tǒng)試飛評估結果。

3.2 自然空間環(huán)境

新的電子信息技術研究成果帶動了通信產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，通信產(chǎn)品種類和數(shù)量不斷增加，電磁輻射和人為無意干擾有增無減，這不僅破壞了背景噪聲占優(yōu)的分布特征，而且使得航空通信系統(tǒng)試飛實施變得更加困難。

3.3 干擾對抗環(huán)境

通信截獲與干擾能力伴隨通信技術的發(fā)展而不斷提升，生產(chǎn)和應用大功率、寬頻帶干擾設備也變得容易。由于通信系統(tǒng)自身在作用距離、靈敏度等方面性能的提高，也給敵對干擾信號的進入留下了更大的空間。

3.4 綜合環(huán)境

對航空平臺和電子系統(tǒng)而言，真實和復雜電磁環(huán)境往往是集合自身環(huán)境、自然環(huán)境和對抗環(huán)境于一體的多維度的綜合環(huán)境，對通信系統(tǒng)的影響也復雜多變，使得航空通信系統(tǒng)試飛評估變得更加困難。

4 復雜電磁環(huán)境的量化分級

4.1 電磁環(huán)境測試

電磁環(huán)境測試主要目的是完成電磁環(huán)境復雜度評估分級，為通信能力評估提供參考。通過環(huán)境測試建立完備的試飛電磁環(huán)境數(shù)據(jù)庫是基礎。

電磁環(huán)境量化主要從電磁信號平均功率譜密度、頻譜占用度、時間占用度、空間覆蓋率等方面進行分析:頻譜占用度衡量電磁環(huán)境與航空通信系統(tǒng)試飛用頻在頻域的沖突;時間占用度衡量電磁環(huán)境與航空通信系統(tǒng)試飛用頻時域沖突;空間覆蓋率衡量電磁環(huán)境與航空通信系統(tǒng)試飛用頻空域的沖突。

試飛電磁環(huán)境測試流程如圖1所示。

圖1 電磁環(huán)境測試流程Fig.1 Electromagnetic environment test process

4.2 電磁環(huán)境等級分類

工程試飛實踐證明，只有制定了電磁干擾級別和通信降級準則，才能有效開展復雜電磁環(huán)境通信能力試飛評估。

通信距離是航空通信系統(tǒng)最重要戰(zhàn)術指標之一，以通信距離作為系統(tǒng)能力試飛評估基準量評估系統(tǒng)狀態(tài)，將其分為正常工作、基本正常工作、降級工作和不能工作4級。

依據(jù)相關標準并參照工程試飛經(jīng)驗數(shù)據(jù)，將航空超短波通信頻段電磁環(huán)境規(guī)劃為以下4級:

一級環(huán)境:接收天線端口電磁背景電平P≤－110 dBm;

二級環(huán)境:接收天線端口電磁背景電平－110 dBm≤P≤ －104 dBm;

三級環(huán)境:接收天線端口電磁背景電平－97 dBm≤P≤－80 dBm;

四級環(huán)境:接收天線端口電磁背景電平P≥－78 dBm。

5 典型應用及效果估計

復雜電磁環(huán)境航空通信效能試飛評估依賴通信接收天線端口信噪比分析計算，當通信信號接近靈敏度值時，電磁噪聲和隨機干擾對分析計算影響更大，因此，需要測試多種信號電平信噪比數(shù)據(jù)并按照準則進行加權計算。

假設超短波通信系統(tǒng)發(fā)射功率Pt=10 W(40 dBm)，通信頻率 f=300 MHz，系統(tǒng)損耗為－4 dB，天線增益 G=Gt+Gr= －4 dB，Gt為發(fā)增益，Gr為收增益，收發(fā)天線阻抗、極化方式匹配，通信距離300 km，根據(jù)公式

計算可得機載通信系統(tǒng)接收天線端口電平Psi=Pt+G－Lp0= －100 dBm。

考慮信噪比(S+N)/N≥10 dB，保障正常通信的基本條件是接收天線端噪聲電平小于－110 dBm。

5.1 仿真推演

仿真推演具有經(jīng)濟性、安全性、靈活性、可控性等優(yōu)勢，能可視化檢查試飛規(guī)劃、航線設計、資源保障的符合性，對真實試飛數(shù)據(jù)進行重演并與仿真結果對比分析，輔助航線優(yōu)化制定最佳試飛方案。仿真推演是實現(xiàn)復雜電磁環(huán)境航空通信能力試飛評估的有效途徑。

航空通信系統(tǒng)試飛任務推演流程如圖2所示。

圖2 試飛推演流程Fig.2 Flight－ test emulation process

5.2 試驗評估

按照試飛需要布設地面配試站點，并完成試飛準備。干擾站布置在試飛出航航線的前側方向，地面通信站、干擾站與飛機之間距離關系滿足飛機在試驗區(qū)域內干擾壓制系數(shù)要求(壓制系數(shù)KjR等于抗干擾容限Mj)。圖3所示為空中試飛驗證示意圖。

圖3 空中試飛示意圖Fig.3 Flight－ test scene

由理論推導可知，壓制系數(shù)與干擾功率、通信功率、通信距離、干擾距離等滿足

式中，Ps為信號發(fā)射機功率;GsR為發(fā)射天線在接收機方向上的增益;GRs為接收天線在發(fā)射機方向上的增益;λ為工作波長;rsR為通信距離;LRs為通信實際傳播偏離理想自由空間傳播的衰耗量(機載通信LRs≈1);Pj為干擾機發(fā)射機功率;GjR為干擾天線在接收機方向上的增益;GRj為接收天線在干擾機方向上的增益;rjR為干擾距離;LRj為干擾天線與接收天線間實際傳播偏離理想自由空間傳播的衰耗量(機載通信，LRj≈1);KP為天線極化形式，當電磁波極化形式與天線極化形式相同時，Kp≈1。

依據(jù)圖4所示流程開展空中試飛，包括實驗室仿真推演、地面模擬試驗和空中飛行試驗。

圖4 試飛試驗流程Fig.4 Flight－ test process

5.2.1 試飛數(shù)據(jù)分析

完成空中試飛，將試飛數(shù)據(jù)加載至試飛仿真系統(tǒng)進行試飛場景回放，綜合分析實驗室試飛仿真推演與空中試飛數(shù)據(jù)結果，開展試飛數(shù)據(jù)相容性分析重建，依據(jù)試飛數(shù)據(jù)處理準則進行完整試飛數(shù)據(jù)處理。試飛數(shù)據(jù)處理流程如圖5所示。

圖5 試飛數(shù)據(jù)分析流程Fig.5 The analytical process of flight－ test data

5.2.2 綜合評估

根據(jù)試飛數(shù)據(jù)分析和復雜電磁環(huán)境測試的分級，結合當前飛行時刻的飛機姿態(tài)信息和系統(tǒng)控制操作，通過鏈路通信質量變化，準確評估各級電磁環(huán)境對通信質量和通信距離的影響?；跁r間相關綜合分析飛行航跡、通信質量和電磁頻譜數(shù)據(jù)，并采用可視化手段還原試飛場景，定量分析形成綜合評估結論。

6 結束語

開展復雜電磁環(huán)境下航空通信系統(tǒng)試飛評估是提升通信系統(tǒng)使用效能的有效保障。本文結合工程實際，對復雜電磁環(huán)境量化分級，實現(xiàn)了集實驗室仿真、空中飛行試驗等于一體的綜合性航空通信系統(tǒng)試飛評估，對工程航空電子系統(tǒng)試飛具有參考價值。

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