儀表著陸系統(tǒng)干擾現(xiàn)狀分析與多徑干擾仿真＊

吳岳洲，傅 強，郭 康

(中國民用航空飛行學院計算機學院，四川 德陽 618307)

0 引言

隨著我國民航航班數(shù)量和機場數(shù)量越來越多，各類通信、導航、電力等電磁輻射源設備的使用，導致機場電磁頻譜環(huán)境愈發(fā)復雜[1-2]，對保障民航飛行安全、專用航空臺站設備無線電頻率有序使用提出挑戰(zhàn)。其中，儀表著陸系統(tǒng)是引導航空器非目視精密進近和著陸的重要國際標準導航系統(tǒng)，通過地面的航向信標、下滑信標和指點信標為航空器提供距離、水平和垂直引導，保障飛機沿跑道中心線的垂直面和和下滑角進行著陸。文獻[3]通過研究高鐵的弓網(wǎng)離線電弧現(xiàn)象，分析其電磁輻射對儀表著陸系統(tǒng)的影響。文獻[4]根據(jù)不同儀表著陸系統(tǒng)的電磁特性參數(shù)和干擾防護指標，分析了無線電干擾程度及干擾防護率。文獻[5]研究機場空域和周邊建筑對儀表著陸系統(tǒng)信號干擾現(xiàn)象，提出一種基于修正快速傅里葉變換頻譜校正的儀表著陸系統(tǒng)信號鑒頻分離技術(shù)。文獻[6]提出了針對機場儀表著陸系統(tǒng)與電氣鐵路間的電磁兼容預測分析方法。本文將進一步梳理儀表著陸系統(tǒng)的干擾源和干擾類別，并針對常見的多徑干擾現(xiàn)象進行仿真分析。

1 儀表著陸系統(tǒng)干擾現(xiàn)狀分析

無線電干擾導致有用信號質(zhì)量下降、丟失或阻斷。在無線電通信業(yè)務中，干擾分為三個級別：允許干擾、可接受干擾和有害干擾[7]。機場及其周邊的地形地貌、建筑物、電磁輻射等環(huán)境越來越復雜，使得儀表著陸系統(tǒng)經(jīng)常受到不同程度、不同類型的干擾。根據(jù)儀表著陸系統(tǒng)接收到的電磁干擾來源，干擾主要分為無源干擾和有源干擾（見表1）。

表1 儀表著陸系統(tǒng)常見干擾源

比較常見的無源干擾包括金屬圍欄、建筑物、樹木等。無源干擾主要因為無線電波傳播時受障礙物影響，使得儀表著陸系統(tǒng)的無線電波傳播路徑發(fā)生了變化，進而造成無線電波的減弱或遮蔽。一旦不同無源干擾產(chǎn)生多徑疊加，就會加劇無線電傳播受影響的程度，因此分析無源干擾對儀表著陸系統(tǒng)的干擾影響非常重要[8]。

比較常規(guī)的有源干擾包括民用無線電廣播、非航空類電子設備、各類高壓電線等。有源干擾主要因為無線電波在空間傳播時，受到來自非儀表著陸系統(tǒng)的電磁設備發(fā)射信號影響，使得無線電波在頻率、波道、頻段等方面出現(xiàn)變化，進而使得信號傳播路徑發(fā)生改變，影響導航的精準性。這些常規(guī)的有源干擾物體會發(fā)射帶有脈沖性能的電流或者帶有隨機脈沖干擾性能的弓網(wǎng)離線電弧，在不同程度上對儀表著陸系統(tǒng)的導航性能造成影響[9-10]。

2 航向信標多徑干擾

儀表著陸系統(tǒng)指點信標臺在機場終端，受干擾程度較小。當前對儀表著陸系統(tǒng)天線陣的干擾研究大多集中于航向信標臺天線陣，航向信標臺天線主要采用對數(shù)周期偶極子天線（Log Periodic Dipole Antenna，LPDA）。本文重點研究儀表著陸系統(tǒng)航向信標天線電磁輻射場，并進行多徑干擾現(xiàn)象的仿真分析。

2.1 航向信標輻射場分析

航向信標為飛機航向道提供橫向指引信號，其準確性主要依賴于天線輻射信號場型。航向信標臺的對數(shù)周期偶極子天線由多幅相互對稱的長振子和短振子構(gòu)成，在短振子一側(cè)采用集合線進行交叉饋電，并向長振子一側(cè)傳遞饋電，這種饋電和排列方式，使振子間相互激勵，在空間中產(chǎn)生有效信號輻射場，其空間輻射方向指向短振子一側(cè)[11-12]。

航向信標發(fā)射兩類引導信號，即載波加邊帶信號（carrier plus sidebands，CSB）和純邊帶信號（sidebands only，SBO），調(diào)制頻率分別為150Hz和90Hz，采用比幅制，通過比較兩種信號強度，可分析飛機航向的變化情況。CSB 信號產(chǎn)生沿跑道中心線的單瓣方向圖，以及SBO 信號產(chǎn)生指向跑道中心線的雙葉方向圖，如圖1所示。

圖1 航向信標信號輻射示意圖

如圖2所示，通過對航向信標天線仿真分析，得到其E 面、H 面和三維方向圖。分析表明，天線整體輻射朝向一個方向，輻射定向性強，在H面上信號輻射滿足左右35°范圍內(nèi)有較強增益，在E 面上滿足7°范圍內(nèi)信號有效覆蓋。

圖2 航向信標天線方向圖

對于等幅同相二元天線陣，間距為d，電流幅度比為1:I，I表示天線陣列單元數(shù)，當坐標原點為相位中心時，陣因子為[13-14]：

其中，θ為天線相對跑道中心線的方位角。

航向信標天線陣列第i對天線饋電幅度為Ai，饋電相位為φi，左右天線距離為di，則第i對天線陣CSB 或SBO信號陣因子方向性函數(shù)為：

對數(shù)周期天線水平方向性函數(shù)為：

其中，θ在-50o～50o范圍變化。由方向圖乘積定理知，第i對二元天線陣的CSB 信號和SBO 信號的方向性函數(shù)分別為：

2.2 航向信標多徑干擾仿真

飛機進近著陸階段受復雜地理和電磁環(huán)境影響，不同障礙物對儀表著陸系統(tǒng)信號的多徑反射會影響天線輻射場，導致機載設備可能同時接收到航向天線陣的直達信號和障礙物反射的多徑信號，影響儀表著陸系統(tǒng)的引導準確性。為分析航向天線受多徑干擾時的電磁輻射場型變化，基于機場周邊環(huán)境，利用二元陣理論，將多徑干擾反射信號等效為鏡像天線的直達信號，如圖3所示。

圖3 多徑效應示意圖

在多徑干擾情況下，輻射場型在原有基礎(chǔ)上增加的陣因子為：

最終，CSB信號和SBO信號的方向性函數(shù)為：

選擇機場典型的20 單元和12 單元航向信標臺天線陣作為研究對象，通信頻率為111.1MHz，通信波長為2.7m。具體的航向信標臺天線陣饋電情況如表2和表3所示。

表2 航向信標臺20單元天線陣饋電表

表3 航向信標臺12單元天線陣饋電表

針對航向信標臺的CSB 和SBO 信號，分別進行理想情況下和多徑干擾情況下的方向圖歸一化仿真分析。鏡像天線與航向信標臺天線距離設為800m，仿真分析結(jié)果如圖4 和圖5 所示。結(jié)果表明，理想情況下，CSB 和SBO 信號幅值變化曲線光滑且方向性良好；多徑干擾情況下，信號幅值變化曲線則出現(xiàn)了較大幅度抖動和尖峰，產(chǎn)生信號偏差，影響導航的精準性和可靠性。

圖4 CSB信號理想情況與多徑干擾下幅值對比

圖5 SBO信號理想情況與多徑干擾下幅值對比

3 結(jié)束語

通過研究機場儀表著陸系統(tǒng)的工作原理和受干擾類型，利用天線二元陣理論和天線鏡像原理，分析多徑干擾對機場儀表著陸系統(tǒng)的影響，并對不同類型航向信標臺天線陣的CSB 和SBO 信號進行仿真與對比分析。本文研究對航空器進近飛行安全具有重要意義，后期將綜合考慮干擾類型、射頻防護比和保護間距等因素，開展干擾信號檢測與干擾效能評估。