機(jī)載天線遮擋角在地空通信中的影響探析

王國(guó)民，谷曉鵬，邱 愷

（中國(guó)洛陽(yáng)電子裝備試驗(yàn)中心，河南 洛陽(yáng) 471023）

機(jī)載天線遮擋角在地空通信中的影響探析

王國(guó)民，谷曉鵬，邱 愷

（中國(guó)洛陽(yáng)電子裝備試驗(yàn)中心，河南 洛陽(yáng) 471023）

為解決某次電子信息裝備試驗(yàn)中某型通信設(shè)備地空通信聯(lián)絡(luò)效果欠佳的問題，在認(rèn)真分析試驗(yàn)任務(wù)中通信聯(lián)絡(luò)數(shù)據(jù)采集表的基礎(chǔ)上，得出了機(jī)載天線遮擋的原因，建立了某型機(jī)載天線遮擋的模型，根據(jù)球面三角學(xué)求解出天線遮擋角，利用一致性幾何繞射理論，深入分析天線遮擋導(dǎo)致的信號(hào)損耗，在計(jì)算天線遮擋角的基礎(chǔ)上，繪制出理想空域、遮擋空域、無效空域，給出了天線遮擋對(duì)飛行空域申請(qǐng)與航跡設(shè)計(jì)的具體影響，可為該型通信設(shè)備的戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用提供參考。

天線遮擋；空域；航跡；球面三角學(xué)

0 引 言

某次電子信息裝備試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)在沒有干擾的情況下，某型設(shè)備的通聯(lián)效果仍然不佳。為尋求解決方案，建立了機(jī)載天線遮擋的模型，利用一致性幾何繞射理論，深入分析信號(hào)損耗的原因，并結(jié)合電子信息裝備試驗(yàn)任務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)球面三角學(xué)求解出天線遮擋角，闡述天線遮擋對(duì)空域申請(qǐng)的具體影響，可為相關(guān)飛行試驗(yàn)提供理論參考借鑒。

1 機(jī)載某型天線遮擋的數(shù)學(xué)模型

1.1 天線遮擋的原因

某型機(jī)載設(shè)備的天線安裝于飛機(jī)下方，如圖1所示。由于飛機(jī)的布局限制，機(jī)身下方其他設(shè)備的高度和寬度均大于機(jī)載天線，導(dǎo)致該天線被部分遮擋，從而引起信號(hào)損耗，使得地空通聯(lián)效果不佳。

圖1 天線遮擋示意模型

1.2 天線遮擋角

天線高度差會(huì)產(chǎn)生一個(gè)天線遮擋角γ，如圖2所示。在直角三角形△ABC中，如果能夠測(cè)量直角邊AB、BC的長(zhǎng)度，就可以求解出天線遮擋角γ。需要注意的是，γ是一個(gè)變量，它由航跡、飛機(jī)俯仰角、天線的高度差等多種因素決定。在飛機(jī)高速飛行時(shí)，精確計(jì)算γ值不但困難，而且沒有必要。只要估算出γ的最大值在垂直面的分量α，就可用于指導(dǎo)空域申請(qǐng)、航跡設(shè)計(jì)等重要問題。

圖2 天線遮擋角

球面三角學(xué)是解決三維問題的有效方法，在處理某些空間關(guān)系方面具有很大優(yōu)勢(shì)[1-2]。球面三角形是用半徑為1的單位球體來定義的。它的邊必須是單位球的大圓，它的角是大圓平面相交的夾角。邊和角都用弧度來度量。為了便于計(jì)算天線遮擋角，選擇接收天線的中心作為球心，邊的大小等于該邊的兩個(gè)端點(diǎn)在球心處所形成的夾角。

如圖3所示，α、β、γ形成一個(gè)球面直角三角形，滿足奈培規(guī)則[3]：cosγ=cosα·cosβ。通過測(cè)量機(jī)載天線與其他設(shè)備的距離s、高度差h，可以得出α的估計(jì)值[4-5]：

圖3 球面三角形

1.3 信號(hào)損耗估算與數(shù)據(jù)驗(yàn)證

天線遮擋問題，可以理解為近點(diǎn)電波繞射問題。根據(jù)一致性幾何繞射理論[6-7]，對(duì)于源在曲面上的問題，繞射路徑如圖4所示。

圖4 機(jī)身天線繞射示意

天線位于曲面上Rs點(diǎn)，接收點(diǎn)R0處于陰影區(qū)，則接收點(diǎn)處R0的繞射場(chǎng)為[8-9]：

式中，Te為并矢繞射系數(shù)；Rs及Sd2為源點(diǎn)和繞射點(diǎn)；ρc為聚散距離；sd為第2個(gè)繞射點(diǎn)Sd2到場(chǎng)點(diǎn)R0的距離；dPe(Rs)為源點(diǎn)處天線等效場(chǎng)。

該型通信設(shè)備的天線處于R0位置。通過一致性幾何繞射理論計(jì)算可知，當(dāng)處于遮擋空域時(shí)，接收信號(hào)幅度降低，相應(yīng)的接收包數(shù)較少（見表1）；當(dāng)處于理想空域時(shí)，接收信號(hào)幅度穩(wěn)定，相應(yīng)的接收包數(shù)基本不變（見表2）。

表1 飛機(jī)在理想空域的測(cè)試數(shù)據(jù)

表2 飛機(jī)在遮擋空域與無效空域的測(cè)試數(shù)據(jù)

2 天線遮擋角應(yīng)用

2.1 空域劃分

根據(jù)天線遮擋角的垂直面分量α、飛行高度H、設(shè)備最遠(yuǎn)通聯(lián)距離D，可以將飛行的空域劃分為：理想空域、遮擋空域、無效空域，見圖5。

圖5 空域劃分

理想空域不存在天線遮擋問題，如果設(shè)備工作正常，且不存在人為干擾，那么通聯(lián)效果良好。遮擋空域存在天線遮擋的問題，當(dāng)飛機(jī)抵近地面站飛行時(shí)，天線無遮擋，通聯(lián)效果較好；當(dāng)飛機(jī)遠(yuǎn)離地面站飛行時(shí)，天線有遮擋，通聯(lián)效果較差。無效空域，由于超過了最遠(yuǎn)通聯(lián)距離，信號(hào)損耗大，通聯(lián)效果差。

理想空域的臨界圓錐角θ1與天線遮擋角的垂直面分量α滿足：

遮擋空域的臨界圓錐角θ2取決于飛行高度H和最遠(yuǎn)通聯(lián)距離D，即：

當(dāng)圓錐角θ滿足0≤θ＜θ1時(shí)，飛行的空域?yàn)槔硐肟沼颍R界圓錐的底面半徑為r1=H·tan(θ1/2)；

當(dāng)圓錐角θ滿足θ1≤θ＜θ2時(shí)，飛行的空域?yàn)檎趽蹩沼颍R界圓錐的底面半徑為r2=H·tan(θ2/2)；

當(dāng)圓錐角θ滿足θ2≤θ＜π時(shí)，飛行的空域?yàn)闊o效空域，飛機(jī)超過設(shè)備的最遠(yuǎn)通聯(lián)距離。

2.2 遮擋空域應(yīng)用

某型設(shè)備曾經(jīng)承擔(dān)多項(xiàng)任務(wù)，所申請(qǐng)的空域基本上都處于理想空域，不存在天線遮擋的問題。如果所申請(qǐng)的空域在遮擋空域，甚至是無效空域，則見圖6。此時(shí)，天線遮擋問題就必須認(rèn)真考慮。在遮擋空域，設(shè)計(jì)該設(shè)備的通聯(lián)方案時(shí)，應(yīng)盡量選擇在飛機(jī)抵近地面站時(shí)工作，此時(shí)天線無遮擋。如果飛機(jī)遠(yuǎn)離地面站，天線遮擋導(dǎo)致信號(hào)損耗，會(huì)影響通聯(lián)效果。

圖6 空域劃分圖在水平面的投影

3 結(jié) 語(yǔ)

本文結(jié)合某次試驗(yàn)任務(wù)的信息采集表，建立天線遮擋的數(shù)學(xué)模型，求解天線遮擋角，采用一致性幾何繞射理論，深入分析天線遮擋導(dǎo)致的信號(hào)損耗。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合飛行高度、某型設(shè)備的最遠(yuǎn)通聯(lián)距離，將飛機(jī)的空域劃分為理想空域、遮擋空域、無效空域，以對(duì)該設(shè)備的戰(zhàn)術(shù)使用提供理論參考。不過，僅結(jié)合一致性幾何繞射理論對(duì)天線遮擋產(chǎn)生的電波繞射問題、信號(hào)損耗進(jìn)行了說明，更為精確的損耗模型尚有待進(jìn)一步深入研究。

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王國(guó)民（1977—），男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)橥ㄐ偶夹g(shù)；

谷曉鵬（1980—），男，學(xué)士，工程師，主要研究方向?yàn)橥ㄐ偶夹g(shù)；

邱 愷（1983—），男，學(xué)士，助理工程師，主要研究方向?yàn)橥ㄐ偶夹g(shù)。

Effects of Airborne-Antena Blocking Angle on Air-Ground Communication

WANG Guo-min, GU Xiao-peng, QIU Kai
(Luoyang Electric Equipment Test Center, Luoyang Henan 471023, China)

In order to solve the poor communication between ground and air of certain-type communication equipments in an experiment, the occlusion cause of airborne antenna is acguired on the basis of careful analysis of the communication contact data acquisition table in the experiment task. Based on spherical trigonometry and uniform geometrical theory of diffraction (UTD), certain type of airborne antenna sheltering is modeled and analyzed. The attenuation caused by shelter is calculated. Based on the calculation of the antenna occlusion angle, the ideal airspace, occluded airspace and void space are plotted. The specific effects of antenna occlusion on flight airspace and task design are given, and these could serve as a reference for airspace application and flight path design.

antenna block; airspace; flight path; spherics

TN92

A

1002-0802(2016)-12-1724-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.12.028

2016-08-14

2016-11-19 Received date:2016-08-14;Revised date:2016-11-19