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    基于計(jì)算機(jī)仿真的鐵路、機(jī)場(chǎng)電磁兼容評(píng)估

    2020-07-13 10:43:40
    關(guān)鍵詞:中波高速鐵路電磁

    周 勇

    (1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043; 2.軌道交通信息化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710043)

    近年來(lái),隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng),我國(guó)的交通運(yùn)輸事業(yè)呈現(xiàn)出井噴式的發(fā)展勢(shì)頭。其中,高速鐵路的發(fā)展尤為迅速,到2019年年底,中國(guó)高鐵營(yíng)業(yè)總里程達(dá)3.5萬(wàn)km,超過(guò)世界高鐵總里程的2/3。出于經(jīng)濟(jì)效益以及地形、地理狀況的考慮,越來(lái)越多的高鐵線路不可避免地穿行于機(jī)場(chǎng)附近地域,鐵路設(shè)施的興建勢(shì)必改變機(jī)場(chǎng)導(dǎo)航臺(tái)站周邊電磁環(huán)境,若產(chǎn)生干擾甚至可能影響航空飛行安全[1]。因此,在線路勘察設(shè)計(jì)階段就必須對(duì)擬建線路沿線附近機(jī)場(chǎng)電磁環(huán)境進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)、細(xì)致的評(píng)估、分析。

    在電氣化鐵路,特別是高速電氣化鐵路建設(shè)起步較早的歐洲、日本、美國(guó)等國(guó)家和地區(qū),對(duì)電氣化鐵路電磁兼容的科研開(kāi)展較早,進(jìn)行了大量的實(shí)際測(cè)量和研究,同時(shí)制定了大量的設(shè)計(jì)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)[2]。隨著我國(guó)高速鐵路建設(shè)的加快推進(jìn),特別是航空、高鐵綜合交通樞紐概念的興起,高速鐵路與沿線機(jī)場(chǎng)導(dǎo)航設(shè)施的電磁兼容問(wèn)題,日益引起國(guó)家、行業(yè)和業(yè)內(nèi)學(xué)者的高度重視[3-5]。

    目前,電磁兼容評(píng)估工作大多采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法,對(duì)鐵路的輻射特征進(jìn)行評(píng)估。這種方法依據(jù)原鐵道部、空軍聯(lián)合試驗(yàn)組針對(duì)陽(yáng)安線城固機(jī)場(chǎng)所做試驗(yàn)得到的電磁干擾公式,量化電氣化鐵路的干擾特性。由于該公式基于時(shí)速80 km列車(chē)得出,遠(yuǎn)低于高速鐵路設(shè)計(jì)時(shí)速,又根據(jù)日本及我國(guó)實(shí)測(cè)結(jié)論,對(duì)上述公式進(jìn)行了修正[5-6]。朱峰等[7-10]以達(dá)成(達(dá)州至成都)鐵路為對(duì)象,重點(diǎn)研究了高鐵弓網(wǎng)電弧輻射特性及對(duì)導(dǎo)航設(shè)施的影響,為線路勘測(cè)評(píng)估提供了大量第一手資料。但這種評(píng)估模式,無(wú)法兼顧鐵路沿線的電波傳播條件,可能造成測(cè)試偏差。在工程實(shí)踐中,為穩(wěn)妥起見(jiàn),往往尋找一處與擬建高鐵線路技術(shù)條件類(lèi)似的已運(yùn)營(yíng)的線路進(jìn)行電磁兼容試驗(yàn),收集電磁干擾各項(xiàng)數(shù)據(jù),作為新建線路的勘測(cè)、設(shè)計(jì)依據(jù)。本質(zhì)上,這是一種經(jīng)驗(yàn)性的測(cè)評(píng)方法。然而,不同的工程,不可能具備完全一致的周邊地理環(huán)境,同時(shí),周邊建筑物分布、形態(tài)也是千差萬(wàn)別,獲得的指標(biāo)數(shù)據(jù)仍有可能出現(xiàn)較為顯著的偏差,從而對(duì)設(shè)計(jì)施工造成不利的影響。

    目前,電磁場(chǎng)的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在通信行業(yè)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用,基于物理原型的電磁場(chǎng)仿真軟件能夠準(zhǔn)確地仿真和驗(yàn)證設(shè)計(jì)原型,基本上可以做到設(shè)計(jì)仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果非常相近,從而大大降低了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期和研制費(fèi)用。

    1 干擾產(chǎn)生機(jī)理分析

    機(jī)場(chǎng)無(wú)線電導(dǎo)航臺(tái)站是利用無(wú)線電信號(hào),為航空器提供準(zhǔn)確、可靠的方位、距離和位置信息,指引航空器安全著陸的電子設(shè)備。根據(jù)機(jī)場(chǎng)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)及飛行程序的要求,一般的導(dǎo)航體系通常配置有儀表著陸系統(tǒng)、微波著陸系統(tǒng)、精密進(jìn)場(chǎng)雷達(dá)以及若干航路導(dǎo)航臺(tái)。作為精密的有源電子設(shè)備,要盡可能地避免周邊設(shè)施引起的有源及無(wú)源干擾對(duì)導(dǎo)航信息造成有害影響。

    高速鐵路作為大型電氣化基礎(chǔ)設(shè)施工程,必然要考慮對(duì)臨近導(dǎo)航臺(tái)站可能造成的電磁干擾。一般可劃分為無(wú)源干擾與有源干擾兩個(gè)方面。首先,電氣化鐵道的牽引供電系統(tǒng)從三相電力系統(tǒng)接受電能,通過(guò)牽引變電所里的牽引變壓器降壓,經(jīng)過(guò)饋電線、接觸網(wǎng)、機(jī)車(chē)、鋼軌、回流線或地構(gòu)成回路從而實(shí)現(xiàn)向電力機(jī)車(chē)供電。就牽引供電方式而言,我國(guó)高鐵多采用AT大功率牽引供電系統(tǒng),由于電壓和電流變化率一般較大,將在牽引電流中產(chǎn)生諧波,可能造成電磁輻射污染;另外,接觸網(wǎng)中的長(zhǎng)導(dǎo)體也是150 kHz~20 MHz的有效輻射源;最后,當(dāng)機(jī)車(chē)駛過(guò)鐵路與機(jī)場(chǎng)交叉環(huán)境時(shí),受電弓與接觸網(wǎng)之間放電產(chǎn)生的電磁干擾,同樣可能影響航空器的安全著陸[11-13]。另一方面,線路、鐵路鋼軌、架空電力貫通線、電氣化鐵路接觸網(wǎng)、支撐塔架,以及列車(chē)車(chē)體等金屬導(dǎo)體對(duì)導(dǎo)航設(shè)施發(fā)射電磁波將形成二次輻射,從而影響發(fā)射天線的方向特性,極易造成航路的抖動(dòng)或偏移。

    2 鐵路、機(jī)場(chǎng)電磁兼容的仿真評(píng)估策略

    實(shí)踐中,選用Rainbow EM Studio三維電磁場(chǎng)全波仿真分析軟件作為仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。這是一款通用的三維電磁場(chǎng)全波仿真分析軟件,具有強(qiáng)大的幾何建模、創(chuàng)新的電磁算法和優(yōu)化技術(shù)以及豐富的圖表顯示,為設(shè)計(jì)者提供功能全面、易于使用的一體化集成操作環(huán)境。它具備從射頻到太赫茲應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)、從電小到電大尺寸的復(fù)雜模型的仿真分析能力。同時(shí),該軟件已配置于無(wú)錫太湖之光超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng),可提供高性能的并行計(jì)算服務(wù)[14]。

    圖1 仿真評(píng)估流程

    計(jì)算機(jī)仿真評(píng)估的關(guān)鍵,在于電磁環(huán)境模型的構(gòu)建與主要工作場(chǎng)景的臺(tái)站工作性能評(píng)估。如圖1所示,電磁兼容仿真評(píng)估的實(shí)施方法可劃分為以下步驟:首先,對(duì)鐵路及周邊地理、地表環(huán)境進(jìn)行3D建模;其次,對(duì)上述特定環(huán)境下的臺(tái)站天線進(jìn)行建模;再次,將電磁環(huán)境模型移植到超算平臺(tái),依托超算強(qiáng)大的并行計(jì)算能力,計(jì)算機(jī)場(chǎng)典型工作場(chǎng)景下導(dǎo)航臺(tái)站的工作性能指標(biāo),并與國(guó)家或行業(yè)強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比,從而形成評(píng)估結(jié)論(結(jié)果輸出)。

    3 基于實(shí)例的仿真建模方法

    以西安至延安高速鐵路項(xiàng)目設(shè)計(jì)中的工程實(shí)例,詳細(xì)介紹計(jì)算機(jī)電磁環(huán)境建模的實(shí)施方法。該項(xiàng)目的具體情況概述如下。

    規(guī)劃中的西延高鐵將與沿線機(jī)場(chǎng)相鄰,線路斜交叉通過(guò)機(jī)場(chǎng)跑道西南端延長(zhǎng)線,從西遠(yuǎn)距導(dǎo)航臺(tái)與西近距導(dǎo)航臺(tái)之間穿越,最近點(diǎn)距跑道端口距離485.5 m。

    該機(jī)場(chǎng)配備的導(dǎo)航設(shè)施可滿足東西兩個(gè)方向進(jìn)近著陸,其中西方向?yàn)橹髦懛较?。由于高鐵線路在西近距導(dǎo)航臺(tái)和西遠(yuǎn)距導(dǎo)航臺(tái)之間橫穿跑道西側(cè)中心延長(zhǎng)線,因此,當(dāng)飛機(jī)由西頭(主著陸方向)進(jìn)近時(shí),可能對(duì)用于西側(cè)引導(dǎo)的儀表著陸系統(tǒng)、西近距中波導(dǎo)航機(jī)、西遠(yuǎn)距中波導(dǎo)航機(jī),以及精密進(jìn)場(chǎng)雷達(dá)造成干擾;同時(shí),當(dāng)飛機(jī)實(shí)施東頭進(jìn)近著陸時(shí),用于次著陸方向引導(dǎo)的精密進(jìn)場(chǎng)雷達(dá)和微波著陸系統(tǒng)同樣可能受到干擾。由此,可明確測(cè)試場(chǎng)景以及各場(chǎng)景下的測(cè)試、仿真對(duì)象。

    3.1 仿真平臺(tái)構(gòu)建

    精準(zhǔn)的電磁環(huán)境建模,是獲取可靠評(píng)估數(shù)據(jù),做出合理決策的前提條件。本項(xiàng)目的建模問(wèn)題主要涵蓋地理、地表環(huán)境建模與天線傳播特性建模兩個(gè)方面。

    3.2 地理、地表環(huán)境建模

    地理、地表環(huán)境建模,首先需要搜集機(jī)場(chǎng)附近40 km范圍15 m精度數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù),以及設(shè)計(jì)方提供的高鐵線路設(shè)計(jì)、勘察數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上,Rainbow EM Studio即可實(shí)現(xiàn)三維地圖模型的導(dǎo)入,并轉(zhuǎn)化為仿真需要的三維幾何圖形,然后定義各地物、建筑物的物理介電特性??紤]高鐵的最大電磁干擾,將線路整體等效為具有高度和寬度的純金屬體對(duì)象。

    3.3 天線建模

    天線建模主要分為3個(gè)步驟。

    (1)對(duì)天線進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)全尺寸測(cè)量,同時(shí)測(cè)量天線輻射性能數(shù)據(jù),含輻射功率、天線增益等,依據(jù)設(shè)備技術(shù)手冊(cè),在仿真平臺(tái)調(diào)用Rainbow BEM3D算法引擎對(duì)信標(biāo)天線進(jìn)行全尺寸建模;對(duì)建模所得天線方向圖與手冊(cè)提供方向圖對(duì)比,驗(yàn)證方向圖增益,主副瓣電平等指標(biāo),評(píng)估模型的準(zhǔn)確性。該步驟得到的是理想條件下的天線模型,也是仿真平臺(tái)輸入的輻射源數(shù)據(jù)。

    (2)現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的天線建模。該步驟主要分析天線在無(wú)高鐵環(huán)境下的輻射特性,調(diào)用Rainbow SBR/PO暗室仿真模塊,在已建立的環(huán)境模型下,模擬微波暗室,對(duì)各類(lèi)型無(wú)線電進(jìn)行測(cè)試,實(shí)現(xiàn)參數(shù)測(cè)試和目標(biāo)散射特性測(cè)量。該模型是仿真評(píng)估的基準(zhǔn)。

    (3)高鐵環(huán)境下的天線建模。該步驟與第二步的實(shí)施方法相同,不同之處在于,此時(shí)的環(huán)境模型為高鐵存在條件下的模型。

    4 仿真驗(yàn)證與評(píng)估

    仿真評(píng)估則主要以GJB4443—2002《航空無(wú)線電特種導(dǎo)航臺(tái)站飛行校驗(yàn)規(guī)程》以及GB6364—2013《航空無(wú)線電導(dǎo)航臺(tái)(站)電磁環(huán)境要求》為依據(jù),使用前期構(gòu)建的電磁環(huán)境模型,依托超級(jí)計(jì)算機(jī)平臺(tái)實(shí)施電磁計(jì)算,從無(wú)源干擾、有源干擾兩方面給出評(píng)測(cè)結(jié)果。

    4.1 保護(hù)區(qū)分析

    保護(hù)區(qū)是國(guó)家或軍方對(duì)導(dǎo)航設(shè)施周邊建設(shè)工程的禁止性規(guī)范。GB6364—2013《航空無(wú)線電導(dǎo)航臺(tái)(站)電磁環(huán)境要求》對(duì)各導(dǎo)航設(shè)施的保護(hù)區(qū)范圍進(jìn)行了逐一、具體劃分、規(guī)定。以中波導(dǎo)航臺(tái)為例,以信標(biāo)天線為中心,半徑100 m的范圍內(nèi),地勢(shì)應(yīng)平坦、開(kāi)闊。信標(biāo)臺(tái)天線中心點(diǎn)與鐵路等地形地物之間所允許的最小間隔也給出了具體規(guī)定,例如,鐵路、電氣化鐵路、架空低壓電力線、通信線纜、金屬柵欄為150 m,110 kV以下架空高壓輸電線為150 m,而110 kV以上架空高壓輸電線則為300 m。進(jìn)入中波導(dǎo)航臺(tái)的通信和電源線纜,應(yīng)從距中波導(dǎo)航臺(tái)天線中心點(diǎn)150 m以外埋入地下。上述規(guī)定是機(jī)場(chǎng)周邊一切建設(shè)項(xiàng)目的紅線,不可違反。

    西延高速鐵路與西近距中波導(dǎo)航臺(tái)的最近距離為300 m,大于國(guó)標(biāo)規(guī)定的最小間距150 m,而高速鐵路高壓傳輸線一般為25 kV,因此,高鐵線路在西近距中波導(dǎo)航臺(tái)保護(hù)區(qū)范圍以外,符合機(jī)場(chǎng)場(chǎng)地保護(hù)要求。

    而其余各導(dǎo)航設(shè)施的保護(hù)區(qū)范圍,GB6364—2013《航空無(wú)線電導(dǎo)航臺(tái)(站)電磁環(huán)境要求》也有詳盡的規(guī)范性要求,必須逐一對(duì)照,這里不再贅述。因此,對(duì)導(dǎo)航設(shè)施保護(hù)區(qū)的認(rèn)定與評(píng)估,是電磁環(huán)境評(píng)估的首要步驟。

    4.2 電磁散射特性計(jì)算與仿真

    完成電磁環(huán)境建模后,將該模型發(fā)送至無(wú)錫超算中心,利用部署在超算上的配套仿真平臺(tái)軟件進(jìn)行超大規(guī)模電磁散射計(jì)算,獲得相應(yīng)電磁環(huán)境影響下的各導(dǎo)航設(shè)備遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)矢量場(chǎng)數(shù)據(jù),包括信號(hào)極化方式、電場(chǎng)幅度、相位等數(shù)據(jù)。以上述參數(shù)為基礎(chǔ),模擬飛行器進(jìn)近程序和復(fù)飛程序,并進(jìn)行性能評(píng)估。

    4.2.1 無(wú)源干擾計(jì)算

    對(duì)于無(wú)源干擾,主要評(píng)估高鐵線路、設(shè)施對(duì)電磁波的散射、反射等特性,對(duì)導(dǎo)航臺(tái)站信號(hào)覆蓋情況的影響。

    以西近距中波導(dǎo)航臺(tái)為例。根據(jù)中波導(dǎo)航臺(tái)飛行檢驗(yàn)規(guī)范,近距中波導(dǎo)航臺(tái)覆蓋允許公差為: 全頻段覆蓋距離不小于70 km,進(jìn)近航線上,無(wú)線電羅盤(pán)指針擺動(dòng)不超過(guò)±3°,功率變化等價(jià)于±3 dB。根據(jù)GB6364—2013《航空無(wú)線電導(dǎo)航臺(tái)(站)電磁環(huán)境要求》的要求,中波導(dǎo)航臺(tái)信號(hào)覆蓋區(qū)在北緯30°以北的最低信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)為70 μV/m。

    根據(jù)機(jī)場(chǎng)設(shè)備性能指標(biāo),工作場(chǎng)景設(shè)置為:導(dǎo)航臺(tái)各向同性有效輻射功率100 W;考慮40 km范圍內(nèi)環(huán)境影響。計(jì)算目標(biāo)為:評(píng)估高速鐵路對(duì)西近距中波導(dǎo)航臺(tái)70 km遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)內(nèi)信號(hào)功率覆蓋的影響。

    根據(jù)極化方式的不同,分別給出水平方向與垂直方向圖的信號(hào)功率覆蓋情況變化。

    圖2表示隨觀察方位角度變化,信號(hào)功率覆蓋情況的相應(yīng)改變。圖中,0°~180°為西近距導(dǎo)航臺(tái)面向跑道一側(cè),90°為跑道中心延長(zhǎng)線,因此,主要考慮180°~360°范圍的場(chǎng)強(qiáng)變化。容易看出,對(duì)于水平方向而言,理想傳播條件下,西近中波導(dǎo)航臺(tái)信號(hào)強(qiáng)度是一條直線,也就是說(shuō),在70 km范圍內(nèi),信號(hào)水平覆蓋為一正圓形區(qū)域??紤]附近場(chǎng)地環(huán)境影響后,沒(méi)有高速鐵路情況下,在180°~360°范圍內(nèi),280°附近西近中波導(dǎo)航臺(tái)輻射信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)衰減最大,為0.5 dB,會(huì)造成一定程度的指針抖動(dòng)。綜合考慮環(huán)境和高速鐵路因素,在180°~360°范圍內(nèi),260°附近西近距中波導(dǎo)航臺(tái)輻射信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)變化最大,增加了0.7 dB,會(huì)對(duì)西近距中波導(dǎo)航信號(hào)覆蓋造成一定程度的影響,引起一定程度的指針抖動(dòng),但滿足航線內(nèi)左右3°覆蓋區(qū)內(nèi)信號(hào)強(qiáng)度變化的飛行檢驗(yàn)規(guī)范要求。

    圖2 西近中波導(dǎo)航臺(tái)水平面信號(hào)功率覆蓋評(píng)估

    至于垂直方向,如圖3所示,有、無(wú)高鐵時(shí)左右扇區(qū)內(nèi)影響均小于0.3 dB,滿足中波導(dǎo)航臺(tái)飛行檢驗(yàn)規(guī)范要求。

    4.2.2 有源干擾計(jì)算

    高速鐵路的有源干擾主要由高壓輸電線路引起。高壓輸電線路的干擾主要集中在較低頻段[15-19],因此,對(duì)于工作頻段較高的導(dǎo)航設(shè)施,例如工作于C波段(5 000~5 250 MHz)的測(cè)角系統(tǒng)(方位臺(tái)、仰角臺(tái))可不考慮有源干擾的影響。而對(duì)于中波導(dǎo)航臺(tái)而言,則容易受到電弧的干擾[11]。

    根據(jù)GB6364—2013《航空無(wú)線電導(dǎo)航臺(tái)(站)電磁環(huán)境要求》的要求,中波導(dǎo)航臺(tái)信號(hào)覆蓋區(qū)在北緯30°以北的最低信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)為70 μV/m,中波導(dǎo)航臺(tái)信號(hào)覆蓋區(qū)內(nèi),對(duì)工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療設(shè)備干擾的防護(hù)率為9 dB,對(duì)其他各種有源干擾的防護(hù)率為15 dB。

    圖3 西近中波導(dǎo)航臺(tái)垂直面信號(hào)功率覆蓋評(píng)估

    根據(jù)線路與導(dǎo)航設(shè)施的相對(duì)位置分析可知,飛機(jī)飛越西近距中波導(dǎo)航臺(tái)時(shí),恰有高速列車(chē)通過(guò)時(shí),可能造成的影響最大。因此,工作場(chǎng)景可設(shè)置為非精密進(jìn)近過(guò)程,此時(shí),飛機(jī)下滑角約為3°,此時(shí),飛機(jī)相對(duì)西近距中波導(dǎo)航臺(tái)天線的高度約為56 m,飛機(jī)距離高速列車(chē)約691 m。

    所謂干擾防護(hù)率,就是有用信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)與干擾場(chǎng)強(qiáng)之差[20]。首先計(jì)算進(jìn)近航道方向上西近距中波導(dǎo)航臺(tái)正上方,下滑道寬度2.65°~3.35°范圍內(nèi)11個(gè)計(jì)算點(diǎn)處信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)Es(μV/m)。由于高速鐵路高壓傳輸線和通信基站的輻射信號(hào)干擾是無(wú)方向性有源干擾,因此,可以將高鐵信號(hào)的有源干擾看作是一個(gè)全向天線輻射源。同樣,計(jì)算11個(gè)指定點(diǎn)處的干擾場(chǎng)強(qiáng),從而可以得到信號(hào)干擾防護(hù)率,如表1所示??梢?jiàn),西近中波導(dǎo)航臺(tái)正上方測(cè)試點(diǎn)處對(duì)西延高速鐵路有源干擾防護(hù)滿足GB6364防護(hù)率大于15 dB的標(biāo)準(zhǔn)要求。

    表1 計(jì)算點(diǎn)處西近中波導(dǎo)航臺(tái)信號(hào)防護(hù)率

    5 結(jié)論

    將電磁分析仿真平臺(tái)引入高速鐵路的設(shè)計(jì)、勘察,是一種高精度、低成本的電磁兼容評(píng)價(jià)手段,它實(shí)現(xiàn)了多場(chǎng)景、多角度模擬仿真,計(jì)算功能強(qiáng)大,輸出結(jié)果直觀。這一評(píng)估模式在西延高鐵的勘察建設(shè)中進(jìn)行了有益的嘗試,在設(shè)計(jì)方案滿足國(guó)家強(qiáng)制性技術(shù)規(guī)范的前提下,利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)機(jī)場(chǎng)、鐵道鄰近區(qū)域電磁環(huán)境進(jìn)行建模,對(duì)未來(lái)高鐵實(shí)際運(yùn)營(yíng)環(huán)境下,機(jī)場(chǎng)導(dǎo)航設(shè)備的工作場(chǎng)景進(jìn)行了高精度仿真與性能評(píng)估。結(jié)果表明,現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案不會(huì)對(duì)鄰近機(jī)場(chǎng)形成有害電磁干擾。

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