弓網(wǎng)電弧對航空器儀表著陸系統(tǒng)的電磁干擾影響研究

茍江川， 朱 峰， 鄒 杰， 葉家全， 李華瓊， 王雨果

(1. 中國民航飛行學(xué)院 空中交通管理學(xué)院， 四川 廣漢 618307；2. 西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 四川 成都 610031； 3. 中國民航局 第二研究所， 四川 成都 610041)

隨著電氣化鐵路與航空事業(yè)的高速發(fā)展，將電氣化鐵路引入機場區(qū)域成為一種發(fā)展趨勢[1]。然而電氣化鐵路的電磁干擾，尤其是弓網(wǎng)電弧對其周圍的各類電磁敏感設(shè)施的影響十分突出[2]。而儀表著陸系統(tǒng)ILS(Instrument Landing System)電磁環(huán)境是影響飛機進近著陸安全的重要因素之一[3]。因此，探究電氣化鐵路弓網(wǎng)電弧對ILS電磁環(huán)境的影響，對于研究鐵路與民航的電磁兼容性具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者針對弓網(wǎng)電弧的電磁輻射進行了大量的研究：馬云雙等[4]分析動車組車速與弓網(wǎng)電弧產(chǎn)生的電磁騷擾的關(guān)系，建立動車組弓網(wǎng)離線放電電磁騷擾源模型；郭鳳儀等[5]設(shè)計一套弓網(wǎng)電弧電磁噪聲實驗系統(tǒng)，采取實驗室實驗的方式研究弓網(wǎng)電弧輻射噪聲特性；周克生等[6]在一定假設(shè)條件下，建立“動力集中型”高速列車產(chǎn)生的脈沖噪聲模型，從理論上預(yù)測高速列車產(chǎn)生的無線電噪聲情況；Virginie等[7]通過建立電力機車仿真模型分析弓網(wǎng)電弧輻射噪聲對鐵路移動通信系統(tǒng)的影響。文獻[8]研究電氣化鐵路弓網(wǎng)電弧的電磁干擾，但主要是針對機車各個電氣設(shè)備的影響。而針對ILS的電磁干擾，大多是對地形以及周邊的建筑等無源干擾的研究[9-10]，對電氣化鐵路弓網(wǎng)電弧這種有源干擾的研究還比較少。

上述研究是采用理論分析、仿真研究或者實驗驗證等方式進行的，但這些方法因模型和參數(shù)的不確定性，往往會導(dǎo)致其結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果之間存在一定的差異。本文根據(jù)ILS的電磁環(huán)境要求及測試規(guī)范，對電氣化鐵路產(chǎn)生弓網(wǎng)電弧的典型位置進行標準化測試，獲得弓網(wǎng)離線電弧在ILS工作頻段內(nèi)的幅頻特性；理論分析電氣化鐵路線垂直穿越航空器下滑道的電磁兼容問題；以防護率為評估依據(jù)，結(jié)合實測數(shù)據(jù)，給出電磁兼容預(yù)測；為電氣化鐵路的選線和機場選址提供建議及數(shù)據(jù)支撐。

1 ILS及其電磁環(huán)境要求

ILS是引導(dǎo)飛機進行精密進近和著陸的導(dǎo)航系統(tǒng)。它由三個分系統(tǒng)組成，包括航向信標、下滑信標和指點信標。每個分系統(tǒng)又包含地面發(fā)射設(shè)備和機載接收設(shè)備兩個部分，本文討論的是對機載接收設(shè)備的影響。

飛機在進近著陸時，為了保障ILS的正常運行，ILS各信標的防護率R應(yīng)滿足

Es-En≥R

( 1 )

式中:Es為飛機處ILS地面設(shè)備發(fā)射的導(dǎo)航信號;En為飛機處同頻騷擾信號(本文指弓網(wǎng)電弧輻射騷擾信號)。式( 1 )也是判斷是否存在干擾的依據(jù)。

針對弓網(wǎng)電弧這類輻射騷擾，GB/T 6364規(guī)定了ILS各信標的防護率要求[11]，見表1。

2 弓網(wǎng)電弧及其典型位置

文獻[12]對武廣高速鐵路進行了弓網(wǎng)電弧的輻射測試，從其測試結(jié)果可以得到弓網(wǎng)電弧頻率主要集中在30～400 MHz，而且幅值普遍在50～70 dBμV之間，最大幅值可達86 dBμV。雖然ILS只工作在固定頻點上，但是弓網(wǎng)電弧這種隨機型脈沖騷擾，部分頻率極有可能落在ILS工作頻點上，造成同頻干擾。

弓網(wǎng)電弧的產(chǎn)生與接觸網(wǎng)懸掛方式、外界環(huán)境、供電制式、列車運行狀態(tài)以及弓網(wǎng)匹配等因素密切相關(guān)，因此，弓網(wǎng)電弧的產(chǎn)生原因十分復(fù)雜[13]。一般列車在運行過程中易產(chǎn)生弓網(wǎng)電弧的位置大致可以分為三類：電分相、錨段關(guān)節(jié)和普通點。電氣化鐵路不同位置處產(chǎn)生的弓網(wǎng)電弧不盡相同，應(yīng)根據(jù)具體情況具體對待。

表1 ILS各信標防護率要求

2.1 電分相

我國電氣化鐵路上運行的電力機車和動車組均采用單相供電，為平衡電力系統(tǒng)各相負荷，牽引供電方式一般實行相序輪換供電，為此在接觸網(wǎng)不同供電臂的分解處設(shè)置了絕緣結(jié)構(gòu)，即電分相。列車受電弓從有電區(qū)進入無電區(qū)，又從無電區(qū)進入有電區(qū)，極易產(chǎn)生拉弧現(xiàn)象[14]。

2.2 錨段關(guān)節(jié)

接觸網(wǎng)是由很多在機械上相互獨立的錨段組成的，兩個相鄰錨段相銜接的區(qū)段稱為錨段關(guān)節(jié)。錨段關(guān)節(jié)能使受電弓沿一個錨段的接觸網(wǎng)平穩(wěn)滑行到相連錨段的接觸網(wǎng)上。在過渡區(qū)內(nèi)，兩側(cè)錨段分別由工作支變?yōu)榉枪ぷ髦Щ蛴煞枪ぷ髦ё優(yōu)楣ぷ髦В词茈姽c接觸網(wǎng)從良好接觸到脫離接觸或從未接觸到良好接觸。若供給受電弓與接觸線間隙的電壓與電流超過生弧電壓與生弧電流，電弧的產(chǎn)生將不可避免[15]。

2.3 普通點

普通點指的是接觸網(wǎng)的連續(xù)段，即沒有機械或者電氣隔離的部分。在弓網(wǎng)滑動接觸過程中，因表面不平順、有硬點或冰雪等異物以及弓網(wǎng)接觸壓力較小等情況，受電弓與接觸網(wǎng)無法良好接觸，從而產(chǎn)生電火花或者燃弧現(xiàn)象[16]。這類電弧的產(chǎn)生是一種隨機現(xiàn)象。

3 現(xiàn)場測試方案

本文按照GB/T 6364的測試要求進行弓網(wǎng)電弧現(xiàn)場實測[11]。在電氣化鐵路沿線選取典型測試點，利用接收機和天線，在儀表著陸系統(tǒng)的三個頻段內(nèi)進行頻譜測試。

3.1 測試位置

由上述討論可知，產(chǎn)生弓網(wǎng)電弧的因素很多，本文要探究電氣化鐵路不同位置處的輻射情況，并找到輻射最強點，故測試點選取在同一條鐵路沿線，針對同一種列車，沿同一運行方向、相同運行速度的幾個典型測試點上進行。本次測試點選擇的是達成鐵路復(fù)線上的3種典型測試點：電分相、錨段關(guān)節(jié)和普通點，其中電分相選了2處。測試對象選擇的是運行速度為200 km/h的16編組動車組，運行方向均選擇成都到達州的方向，見圖1。

表2 天線與軌道的相對位置m

因測試現(xiàn)場地理條件的限制，每個位置的測試點的天線到軌中心的距離D與到軌平面的高度H根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境而定，其具體參數(shù)見表2。表2中負數(shù)表示測試天線位置在軌平面以下。測試結(jié)果可以根據(jù)GB/T 24338.2中的規(guī)定轉(zhuǎn)換為10 m法標準值[17]。

3.2 測試儀器

本次測試頻段為儀表著陸系統(tǒng)的三個信標：指點信標(75 MHz)、航向信標(108～112 MHz)、下滑信標(328.6～335.4 MHz)。故測試儀器采用R&S公司的接收機ESCI，其測試頻率范圍為9 kHz～3 GHz。測試天線選用R&S公司的雙錐天線HK116(測試頻率范圍30～300 MHz)及對數(shù)周期天線HL223(測試頻率范圍300 MHz～1.3 GHz)。根據(jù)測試頻段信號的極化方式，測試天線采用水平極化方式，架設(shè)高度為1.5 m。

3.3 測試參數(shù)

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研，在測試位置電分相處，列車經(jīng)過必拉弧，拉弧持續(xù)時間約400 ms。所以接收機掃描時間不宜過長，應(yīng)低于拉弧持續(xù)時間，以免影響測試的準確性，故采用點頻讀取模式。

不同敏感設(shè)備對測試采用的檢波方式要求不同，為了使結(jié)果更具普遍性，本次測試直接采用三種檢波方式。接收機參數(shù)設(shè)置見表3。

表3 測試儀器參數(shù)設(shè)置

按表3設(shè)置，在4個測試地點、針對3個測試頻率點，在16編組動車組經(jīng)過時，進行點頻讀取。為了考慮環(huán)境因素，在列車到來之前，進行一次背景掃描，便于對比。

4 測試結(jié)果與分析

4.1 換算

(1) 接收機測得的數(shù)據(jù)是接收端口的電壓或功率，轉(zhuǎn)換為電場強度需要再加天線系數(shù)AF。考慮放大器和衰減器增益G和線纜損耗L，換算公式為

E=U-G+AF+L

( 2 )

式中：E為轉(zhuǎn)換后的電場強度;U為接收端口的電壓。

( 3 )

換算后的天線與導(dǎo)軌相對位置見表4。

表4 換算后的天線與軌道相對位置 m

(3) 將各點測試獲得的測試數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為10 m處的測試結(jié)果，即

( 4 )

4.2 測試結(jié)果

根據(jù)上述換算，得到距離弓網(wǎng)電弧10 m處輻射測試值見表5。

從表5中數(shù)據(jù)可以看出：

(1) 測試點不同，電弧產(chǎn)生的電磁騷擾程度不同，電分相處明顯高于錨段關(guān)節(jié)和普通點。故分析電弧對其他設(shè)備的影響，應(yīng)考慮到鐵路不同位置的影響，尤其是電分相處。

(2) 檢波方式不同，測試數(shù)值不同，其中峰值檢波數(shù)值最大。故根據(jù)不同敏感設(shè)備的電磁兼容要求，在分析時應(yīng)采用對應(yīng)的檢波方式測得的數(shù)據(jù)?？紤]最嚴苛的情況，本文采用峰值檢波數(shù)據(jù)來分析。

表5 10 m處輻射測試值 dBμV/m

4.3 電磁兼容預(yù)測

如圖2所示，以一起典型的鐵路線垂直穿越飛機下滑道為例，其相關(guān)參數(shù)見表6。以表中峰值檢波數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，討論電氣化鐵路弓網(wǎng)電弧對ILS的影響。

表6 機場ILS及敏感點相關(guān)參數(shù)

設(shè)ILS信標臺發(fā)射功率為P，天線增益為G，則觀測點(飛機處)的功率譜面密度為

( 5 )

式中:ds為觀測點到ILS信標臺的距離。

Es=134.77+10 lgP+G+20 lgds

( 6 )

式中:Es為觀測點處ILS信標的電場強度。

電氣化鐵路電弧距離飛機dn處騷擾場強為

( 7 )

式中:En為觀測點處電弧的騷擾場強;E10為距離電弧10 m處的電場強度;dn為電弧到觀測點處的距離。根據(jù)式( 6 )和式( 7 )得

Es-En=

( 8 )

設(shè)θ1為下滑道與電弧點到信標臺連線的夾角，θ2為下滑道與電弧點到飛機連線的夾角，根據(jù)幾何關(guān)系有

( 9 )

代入式( 8 )得

Es-En=114.77+10 lgP+G-

(10)

按照表5、表6中的參數(shù)，利用式( 8 )可以得到電氣化鐵路不同位置電弧電磁輻射(峰值)與ILS信號的相對值(Es-En)，見表7。

從表7中的數(shù)據(jù)可以看到：

(1) 電分相處相較錨段關(guān)節(jié)和普通點(Es-En)明顯更小，說明電分相處弓網(wǎng)電弧輻射騷擾最大。

(2) 電分相1和電分相2處對ILS航向信標的(Es-En)均已低于防護率要求4.8 dB和5.8 dB，而其他均未超標，即此時交匯點處的電氣化鐵路結(jié)構(gòu)剛好是電分相時，其弓網(wǎng)電弧產(chǎn)生的電磁輻射就極有可能會對ILS的航向信標構(gòu)成同頻干擾。

表7 各測試點(Es-En)大小及防護率

所以弓網(wǎng)電弧是否會對ILS造成干擾，主要是考察(Es-En)是否超出ILS防護率R的要求，而電分相處的弓網(wǎng)電弧是考慮的重點。弓網(wǎng)電弧輻射具有隨機性，數(shù)值可能會更大，故考慮10 dB富裕度，建議電分相應(yīng)選址在距離交叉點250 m以外。

5 結(jié)論

(1) 以達成鐵路復(fù)線的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行分析，電氣化鐵路電分相處產(chǎn)生的弓網(wǎng)電弧輻射值最大。距離接觸網(wǎng)10 m處，弓網(wǎng)電弧在ILS的指點信標、航向信標和下滑信標的工作頻段內(nèi)的輻射峰值數(shù)據(jù)分別可達87.6 dBμV/m(75 MHz)、89.3 dBμV/m(110 MHz)和82.2 dBμV/m(332 MHz)。

(2) 電氣化鐵路垂直穿越飛機下滑道時，弓網(wǎng)電弧對航向信標和下滑信標的最強騷擾點在鐵路線與下滑面交叉點的正上方；對指點信標的最強騷擾點為指點信標臺站正上方。

(3) 以ILS的防護率為評估依據(jù)，本例中電分相處弓網(wǎng)電弧對ILS航向信標的(Es-En)低于了防護率要求，故電氣化鐵路電分相處弓網(wǎng)電弧對ILS航向信標的電磁兼容性是考慮的重點，電分相選址應(yīng)盡可能遠離飛機下滑道。

現(xiàn)場測試結(jié)果與電磁兼容預(yù)測方法，可為電氣化鐵路與民航的電磁兼容性研究提供數(shù)據(jù)支持和理論依據(jù)，并為電氣化鐵路的選線以及機場選址的合理化與可行性提供技術(shù)支持。