高鐵弓網(wǎng)電弧對飛機進近著陸的電磁干擾影響

魯合德，張強

中國民用航空飛行學院 空中交通管理學院，廣漢 618307

為了方便人們對軌道交通與航空換乘的需要，很多城市的高速鐵路距離機場很近甚至有些高速鐵路橫穿機場，實現(xiàn)了軌道交通與航空的零換乘。然而隨著列車速度的不斷提高，當列車受電弓與高壓接觸網(wǎng)由于接觸不平順或硬點等因素，二者就會因接觸不良造成弓網(wǎng)的分離，產(chǎn)生弓網(wǎng)離線電弧現(xiàn)象[1-5]，這種情況在列車過電分相時尤為突出。當發(fā)生弓網(wǎng)離線電弧瞬間，會向周圍空間輻射電磁波，對周圍的敏感電子設(shè)備造成一定的干擾，影響其正常工作。著陸是飛機整個飛行過程中飛行難度最大、操作最復雜，也是飛行事故多發(fā)的階段，根據(jù)國際民用航空組織(ICAO)統(tǒng)計，49%的飛行事故都發(fā)生在著陸階段[6]。由于著陸階段飛機速度很快，任何微小的干擾都會對飛機的著陸造成很大的影響，導致飛機降落偏離正常飛行軌道。當高速鐵路列車與機場距離較近或有交叉時，弓網(wǎng)離線電弧產(chǎn)生的電磁干擾可能會對機場的無線電導航設(shè)備產(chǎn)生干擾，影響飛機的安全起降[7]。因此研究高速鐵路弓網(wǎng)離線電弧對飛機無線電設(shè)備的電磁干擾影響規(guī)律具有重要的意義。

國內(nèi)外有很多人對弓網(wǎng)離線電弧的電磁干擾有過很多研究：Midya等系統(tǒng)地研究了弓網(wǎng)離線電弧產(chǎn)生的原因及弓網(wǎng)離線電弧傳導干擾和輻射干擾的影響因素[8-12]；國內(nèi)高宗寶教授等對高速鐵路中的弓網(wǎng)電弧現(xiàn)象進行了研究，對電弧產(chǎn)生的危害、電弧研究現(xiàn)狀、電弧產(chǎn)生機理及電弧的特性進行了詳細的研究[13]；支永健對弓網(wǎng)電弧電磁干擾傳播的理論進行了探究，對分層土壤下弓網(wǎng)電弧的傳導及輻射進行了仿真研究[14];遼寧工程大學的郭鳳儀教授等利用實驗對弓網(wǎng)電弧的輻射進行了實驗研究[15-18]；對于弓網(wǎng)離線電弧對機場無線電設(shè)備的影響，國內(nèi)朱峰教授團隊也進行了大量的理論及試驗研究[19-22]。其實弓網(wǎng)離線電弧電磁輻射對無線電設(shè)備的影響主要是對機載接收端接收信號的干擾，其本質(zhì)是接收信號的信干比。之前的研究只是針對單個信標，或某一種情形下的，給出的結(jié)論一般是針對某一個信標臺某段頻率在某一特定情形下的影響結(jié)論。本文針對飛機進近階段儀表著陸系統(tǒng)(Instrument Landing System,ILS)3個信標臺(航向信標、下滑信標、指點信標)進行分析，首先計算分析了高鐵線路與機場跑道以不同角度交叉對機載信號信干比的影響規(guī)律；然后結(jié)合實際測試數(shù)據(jù)分析了弓網(wǎng)離線電弧在最強干擾位置時對ILS各信標臺的影響；最后通過綜合數(shù)據(jù)分析給出高鐵弓網(wǎng)離線電弧對機場儀表著陸系統(tǒng)3個信標影響的規(guī)律。

1 機場無線電設(shè)備及防護率要求

ILS是目前國內(nèi)外在機場終端區(qū)引導飛機精密進近著陸的主要著陸引導設(shè)備，俗稱盲降系統(tǒng)。儀表著陸系統(tǒng)主要分為3個子系統(tǒng)：提供橫向引導的航向信標系統(tǒng)、提供垂直引導的下滑信標系統(tǒng)和提供距離引導的指點信標系統(tǒng)組成，其相對位置關(guān)系如圖1所示，圖中h為飛機飛行高度。

圖1 儀表著陸系統(tǒng)相對位置關(guān)系示意圖Fig.1 Schematic diagram of relative position of instrument landing system

航向信標為進近著陸的飛機提供水平引導，其工作頻率為108.1～111.95 MHz，地面航向信標輻射分別有150 Hz和90 Hz調(diào)制的兩個調(diào)幅信號組成的和信號(CSB信號)和差信號(SBO信號)，機載接收機通過比較150 Hz和90 Hz這兩個信號的大小，指示飛機飛左飛右。下滑信標為進近著陸的飛機提供垂直引導，其工作頻率為329.15～335.0 MHz，和航向信標一樣，下滑信標同樣輻射分別有150 Hz和90 Hz調(diào)制的兩個調(diào)幅信號組成的和信號(CSB信號)和差信號(SBO信號)，機載接收機通過比較150 Hz和90 Hz這兩個信號的大小，指示飛機飛上飛下。指點信標的工作頻率為75 MHz，指點信標不輻射與導航參數(shù)有關(guān)的信息，僅向飛行員提供位置信息，指點信標有內(nèi)指點、中指點和外指點3個信標組成，對于I類儀表著陸系統(tǒng)的機場，只需設(shè)置外、中指點信標，中國絕大多數(shù)機場均采用這種安裝方法[23]。

儀表著陸系統(tǒng)對飛機進近著陸的引導是飛機飛行過程的關(guān)鍵階段，由于此時飛機的速度非?？欤魏螌x表著陸系統(tǒng)信號微小的干擾都會使飛機飛行軌跡產(chǎn)生極大的偏差，造成嚴重的飛行事故。因此為確保儀表著陸系統(tǒng)信號不受干擾，國家專門給出了相應的防護率要求。GB 6364—2013《航空無線電臺(站)電磁環(huán)境要求》針對各種有源干擾源給出了儀表著陸系統(tǒng)各信標臺相應的防護率要求，如表1所示。由于鐵路弓網(wǎng)離線電弧產(chǎn)生的電磁干擾屬于有源干擾源，因此采用有源干擾源的防護率要求進行分析。

表1 ILS相關(guān)參數(shù)Table 1 Parameters of ILS

2 弓網(wǎng)離線電弧測試

2.1 測試地點選取

根據(jù)以往的測試研究可知，在鐵路產(chǎn)生弓網(wǎng)離線電弧的各典型點中，鐵路電分相處產(chǎn)生的弓網(wǎng)離線電弧電磁干擾強度最大，對機場儀表著陸系統(tǒng)產(chǎn)生的影響最大，因此本文主要以電分相處產(chǎn)生的弓網(wǎng)離線電弧研究其電磁干擾對飛機進近著陸的影響。

選取某高速鐵路典型位置電分相處進行電磁干擾測試，具體測試布局圖如圖2所示，其中電分相距離測試點的距離為165 m。

圖2 電分相測試現(xiàn)場圖Fig.2 Electrical phase separation test spot

2.2 測試參數(shù)設(shè)置

通常對于弓網(wǎng)離線電弧電磁干擾測試有兩種方式：接收機點頻測試和頻譜儀掃頻測試。頻譜儀掃頻測試，一次可以掃描整個頻段內(nèi)的電場強度，可以從整體上把握整個頻段內(nèi)的干擾強度大小；接收機的點頻測試是通過測試單個頻點上的場強從而得到不同頻點的電磁干擾強度。由于電磁干擾測試接收機比掃描儀具有更高的精度，本文采用點頻方式進行測試。

利用ESCI電磁干擾接收機進行頻段內(nèi)特定的頻點進行精確測試。測試中分辨率帶寬為120 kHz(CISPR16-1中規(guī)定)，天線采用水平極化。測試檢波方式采用峰值檢波(PeaK detector,PK)、準峰值檢波(Quasi PeaK detector,QPK)和平均值檢波(AVerage detector,AV)。測試儀器及其技術(shù)指標如表2所示。利用網(wǎng)絡(luò)分析儀測得5 m同軸電纜的衰減損耗為0.81 dB，接頭損耗忽略不計。

表2 測試儀器型號及其技術(shù)指標Table 2 Types and technical specifications of test instruments

2.3 測試數(shù)據(jù)

對于航向信標和下滑信標的測試，在其工作頻段內(nèi)隨機選擇3個頻點進行測試，指點信標由于是單頻點工作，測試其工作頻率就可以了。接收機測試得到的數(shù)據(jù)如表3所示。表3給出了不同頻點測試得到的峰值檢波、準峰值檢波和平均值檢波場強值。為了給飛機安全留有足夠安全裕度，以峰值數(shù)據(jù)作為計算參考。

表3 測試結(jié)果Table 3 Test results

為了與國標規(guī)定的保護率要求進行對比研究，需要將測試得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為10 m法數(shù)據(jù)，其計算公式為[24]

(1)

式中：ED和E10分別表示距離電弧D和10 m法得到的電場強度值，n為轉(zhuǎn)換系數(shù)，在30 MHz～110 MHz頻段內(nèi)，n=1.2，在110 MHz～1 GHz頻段內(nèi)，n=1.0。由于同軸電纜存在一定的衰減損耗，實際的10 m法場強應該是轉(zhuǎn)換后得到的計算值加電纜損耗。

3 弓網(wǎng)電弧電磁干擾的影響

由于弓網(wǎng)離線電弧在不同頻率范圍內(nèi)的電磁干擾場強不同，因此對不同信標臺的影響結(jié)果不同。本文主要研究鐵路下穿機場跑道的情形。由于鐵路以不同角度下穿機場跑道會造成不同的影響，同時飛機在不同位置處收到的干擾也不同，因此本文首先研究了鐵路以不同下穿角下穿機場跑道以及飛機在不同高度時弓網(wǎng)電弧對信標臺的電磁干擾影響規(guī)律；然后以電磁干擾影響最嚴重的飛機高度位置處，對儀表著陸系統(tǒng)3個信標臺分別進行計算分析，評估弓網(wǎng)電弧對儀表著陸系統(tǒng)的影響。

3.1 機載信號信干比的變化規(guī)律

3.1.1 鐵路下穿角α對信干比的影響

當鐵路以不同角下穿機場跑道時，弓網(wǎng)離線電弧對ILS產(chǎn)生的電磁干擾影響不同，因此本節(jié)以航向信標為例研究鐵路下穿角度的影響規(guī)律。

假設(shè)鐵路以α角度下穿機場跑道，其中飛機下滑角度θ=3°[23]，如圖3所示。根據(jù)電磁場基本原理可知：電弧與飛機的距離越近則產(chǎn)生的干擾強度越大，因此電弧發(fā)生位置在飛機著陸跑道入口處時干擾比跑道遠端的干擾更大，因此如果條件允許應該將電分相的位置建在著陸跑道遠端。本文考慮干擾比較大的情況，如果電分相不可避免的必須建立在著陸跑道入口一側(cè)時的影響情況。

已知航向信標距離跑道遠端的長度為300 m，機場跑道長度為3 600 m。通過圖3的幾何關(guān)系可得飛機在某一位置時距離航向信標臺Ds和電弧的距離Dn：

圖3 鐵路下穿機場跑道示意圖Fig.3 Schematic diagram of railway passing airport runway underground

(2)

(3)

設(shè)航向信標臺的發(fā)射功率為P，天線增益為G，則根據(jù)電磁波傳播原理，在距離航向信標Ds(飛機處)位置處的功率流密度為

(4)

(5)

式中：Es為飛機接收到的航向信標信號強度；η為空氣的本征阻抗。

假設(shè)弓網(wǎng)離線電弧某頻點的輻射功率為

Pn,電弧均勻向空間輻射，則在距離Dn(飛機處)位置處的功率流密度為

(6)

(7)

式中：En為飛機接收到的弓網(wǎng)離線電弧信號強度。

R=Es-En

(8)

只要機載信號的信干比大于GB 6364—2013《航空無線電臺(站)電磁環(huán)境要求》的防護率就能夠保證飛機接收到的信號不受電磁干擾影響。

航向信標發(fā)射功率為15 W，增益為9.5 dB，假設(shè)弓網(wǎng)電弧電磁發(fā)射功率不變，當飛機的飛行高度為100 m時，通過計算得到機載信號信干比與鐵路下穿機場角的關(guān)系如圖4所示。

圖4 機載接收信號信干比與鐵路下穿角的關(guān)系Fig.4 Relationship between signal-to-interference ratio of airborne received signals and railway under-passing angle

通過圖4可以看出下穿角越小機載信號的信干比越小，越容易受到電磁干擾影響。因此如果電分相在跑道著陸入口一端時，增大下穿角有利于減小干擾影響。

3.1.2 電分相位置x對信干比的影響

以鐵路45°角下穿機場跑道情形，對于飛機在某一固定位置時，研究電分相在沿跑道方向的不同位置對飛機電磁干擾的影響規(guī)律。如圖5所示，以跑道著陸入口處為原點，鐵路電分相(弓網(wǎng)離線電弧發(fā)生點)距離跑道著陸入口處的平行距離為x，飛機距離跑道著陸入口的水平距離為：hcotθ。

圖5 鐵路以45°下穿跑道示意圖Fig.5 Schematic diagram of railway passing under runway at 45°

還是假設(shè)飛機的飛行高度為100 m，研究機載信號信干比隨鐵路電分相位置x的變化規(guī)律。此時電弧距離飛機的距離變?yōu)?/p>

不同地應力條件下，高壓水滲透進入煤體中對裂隙擴張效果有所差別，并且地應力又對起裂壓力、起裂位置產(chǎn)生影響[20-21]。因此，當孔隙水壓和水平應力比組合影響時，定向壓裂效果有待研究。延用圖6的模型，控制水壓設(shè)定為8 MPa。試驗中，通過改變模型邊界荷載形成不同水平應力比，具體參數(shù)見表3。以此，研究非對稱孔隙壓力場與不同地應力比共同影響下裂隙的起裂、擴展規(guī)律。

(9)

圖6給出了飛機接收到的航向信標信號的信干比隨鐵路電分相位置的變化規(guī)律，從圖6可以看出，隨著x的增大信干比逐漸增大，因此當x=0 m，即位于跑道入口位置處弓網(wǎng)離線電弧產(chǎn)生的影響最大。

圖6 機載接收信號信干比隨x的變化曲線Fig.6 Curve of signal-to-interference ratio of airborne received signals along with x

3.1.3 飛機著陸高度h對信干比的影響

同樣地，以鐵路45°角下穿機場跑道的情形，電分相位置在機場跑道入口處(x=0 m)，當飛機進近著陸時隨高度的變化，機載信號信干比隨著陸高度h的變化規(guī)律如圖7所示。

圖7 機載接收信號信干比隨飛機著陸高度的變化曲線Fig.7 Curve of signal-to-interference ratio of airborne received signals along with aircraft landing height

通過圖7可以看出，隨著飛機著陸高度的增大，機載信號信干比先減小后增大，當飛機著陸高度為43 m時，信干比最小，受到弓網(wǎng)電弧的電磁干擾最大。

3.2 弓網(wǎng)離線電弧對ILS各信標臺信號的影響

以鐵路45°角下穿機場跑道情形為例結(jié)合實際測試弓網(wǎng)電弧干擾場強大小求解高速鐵路電分相到機場跑道的最小保護距離。對于航向信號和下滑信號，當飛機高度為43 m時干擾最大，為了保證飛機飛行安全，如果此位置處飛機沒有受到干擾則飛機在整個進近著陸過程就不會受到影響。

對于下滑信標和航向信標一樣，干擾最大的位置在飛機高度為43 m處，由于指點信標發(fā)射信號是垂直向上的，只有當飛機飛越其上空時才會收到指點信標信號，因此受干擾的位置在飛機飛越指點信標上空。

3.2.1 弓網(wǎng)離線電弧對航向信標的影響

根據(jù)GB 6364—2013《航空無線電臺(站)電磁環(huán)境要求》規(guī)定，航向信標的最遠覆蓋范圍為146.3 km，在航向信標信號覆蓋區(qū)內(nèi)，最低信號場強為Emin=40 μV/m。利用電磁波傳播原理可以得到飛機在進近著陸高度為43 m處的航向信標信號強度為

(10)

根據(jù)表3的實際測試結(jié)果，實際測試得到的距離電弧位置165 m處的弓網(wǎng)離線電弧的電磁干擾最大場強為68 dB·μV/m，加上同軸電纜的衰減損耗，可以得到弓網(wǎng)離線電弧在165 m處實際的電磁干擾最大場強為68.81 dB·μV/m。通過電磁波傳播基本原理可以得到當鐵路以45°角下穿機場跑道，電分相位于與機場跑道入口平行的位置時，飛機在進近著陸高度為43 m處接收到的電磁干擾場強大小為

(11)

然后利用信干比式(8)可以得到當鐵路經(jīng)過電分相發(fā)生弓網(wǎng)離線電弧時，機載接收航向信標的信干比為12.92 dB，小于GB 6364—2013《航空無線電臺(站)電磁環(huán)境要求》規(guī)定的20 dB最小防護率。因此如果鐵路以45°角下穿機場跑道，電分相位于與機場跑道入口平行位置處，同時飛機下落高度為43 m時，飛機接收到的航向信標信干比為12.92 dB，低于國標規(guī)的7.08 dB，會對航向信標產(chǎn)生干擾。

3.2.2 弓網(wǎng)離線電弧對下滑信標的影響

根據(jù)GB 6364—2013《航空無線電臺(站)電磁環(huán)境要求》規(guī)定，下滑信標的最遠覆蓋范圍為18.5 km，在下滑信標信號覆蓋區(qū)內(nèi)，最低信號場強為Emin=400 μV/m。根據(jù)圖1可以計算得到下滑信標臺距離飛機的距離為

(12)

利用電磁波傳播原理可以得到飛機在進近著陸高度為43 m處的下滑信標信號強度為

(13)

將式(13)減去式(11)可以得到當鐵路經(jīng)過電分相發(fā)生弓網(wǎng)離線電弧時，機載接收下滑信標的信干比為29.08 dB，大于GB 6364—2013《航空無線電臺(站)電磁環(huán)境要求》規(guī)定的20 dB最小防護率。因此如果鐵路以45°角下穿機場跑道，電分相位于與機場跑道入口平行位置處，同時飛機下落高度為43 m時，飛機接收到的下滑信標信干比為29.08 dB，大于國標規(guī)定的最小防護率要求，不會干擾下滑信標。

3.2.3 弓網(wǎng)離線電弧對指點信標的影響

中國民航大多數(shù)機場均采用只設(shè)置外指點和內(nèi)指點信標的形式，因此以距離跑道入口較近的中指點信標為例計算弓網(wǎng)離線電弧對指點信標的影響。根據(jù)GB 6364—2013《航空無線電臺(站)電磁環(huán)境要求》規(guī)定指點信標臺向空中垂直發(fā)射錐型場，其中中指點信標信號覆蓋范圍：高度為60～80 m，縱向?qū)挾葹?00～400 m，如圖8所示。信號覆蓋區(qū)內(nèi)最低信號場強為Emin=1.5 mV/m=1 500 μV/m。

圖8 中指點信標臺信號覆蓋區(qū)域Fig.8 Signal coverage area of middle marker beacon

中指點信標臺距離跑道入口的距離取1 200 m，以中指點信標所能覆蓋的最大范圍計算，即高度取80 m，縱向?qū)挾热?00 m，此時電分相距離飛機的距離及此時飛機接收到的弓網(wǎng)離線電弧信號強度為

(14)

(15)

機載信號接收指點信標的信干比為

R1=20lgEmin-En1

(16)

根據(jù)式(14)～式(16)可以求得機載信號接收到的指點信標信號的信干比為16.64 dB，小于GB 6364—2013《航空無線電臺(站)電磁環(huán)境要求》規(guī)定的23 dB最小防護率。因此如果鐵路以45°角下穿機場跑道，電分相位于與機場跑道入口平行位置處，飛機經(jīng)過中指點信標時接收到的指點信標信干比為16.64 dB，低于國標規(guī)定3.36 dB。

4 結(jié) 論

1) 當鐵路以不同角度下穿機場跑道中心時，橫穿角度越小機載信號的信干比越小，越容易受到電磁干擾影響。因此增大下穿角度有利于減小干擾影響。

2) 當鐵路以某一固定角度下穿機場時，隨著電分相到跑道距離增加干擾逐漸減小。

3) 當鐵路以45°角下穿機場跑道中心，電分相位置與跑道入口平行時，隨著飛機著陸高度不斷降低，機載接收信號信干比先減小后增大，當飛機高度為43 m時，信干比最小，受到弓網(wǎng)電弧的電磁干擾最大。

4) 通過實測數(shù)據(jù)分析了弓網(wǎng)離線電弧電磁輻射對機場ILS信標臺的電磁干擾影響：當鐵路以45°角下穿機場跑道，鐵路電分相位置與跑道入口平行時，飛機接收到的航向信標信號的信干比為12.92 dB，低于國標規(guī)定的最小防護率要求；飛機接收到的下滑信標信號信干比為29.08 dB，大于國標規(guī)定的最小防護率，不會對下滑信標產(chǎn)生干擾；飛機接收到的指點信標信號信干比為16.64 dB，低于國標規(guī)定的最小23 dB的防護率要求。

5) 在機場及鐵路規(guī)劃設(shè)計中應著重考慮鐵路電分相弓網(wǎng)離線電弧對機場ILS的電磁干擾，應給出足夠的余量，以保證弓網(wǎng)離線電弧產(chǎn)生的電磁輻射不會對機載信號產(chǎn)生影響，從而影響飛機的進近著陸安全。

本文可為高速鐵路與民航的電磁兼容性研究提供理論依據(jù)和技術(shù)方法，同時可為機場選址和鐵路選線提供技術(shù)支持。