非常規(guī)架設(shè)地網(wǎng)對(duì)DVOR系統(tǒng)空間輻射特性的影響

倪育德 孟 康 劉瑞華

（中國(guó)民航大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300300）

1 引言

多普勒甚高頻全向信標(biāo)（Doppler very high frequency omnidirectional range，DVOR）是民用航空廣泛使用的高精度相位式測(cè)向?qū)Ш较到y(tǒng)，其1 個(gè)載波天線和若干個(gè)邊帶天線安裝在一個(gè)圓形金屬地網(wǎng)上，地網(wǎng)的常規(guī)架高及直徑分別為5 m左右和30.5 m［1］。作為DVOR 信標(biāo)的組成部分，地網(wǎng)對(duì)于保障該信標(biāo)的空間輻射特性起著重要作用。

隨著城市/城鎮(zhèn)建設(shè)的不斷擴(kuò)張，越來(lái)越多的DVOR 臺(tái)站環(huán)境正在急劇惡化，有些DVOR 臺(tái)逐漸被周邊的高大建筑物所包圍。在DVOR 臺(tái)不遷址的前提下，為了盡量減少周?chē)ㄖ飳?duì)DVOR 信標(biāo)輻射性能的影響，一些民航單位嘗試采取將地網(wǎng)架高和地網(wǎng)直徑同時(shí)增大的做法，例如西南地區(qū)某DVOR 臺(tái)地網(wǎng)架高和直徑分別達(dá)到非常規(guī)的21 m和45 m；華北地區(qū)某DVOR 臺(tái)地網(wǎng)架高和直徑更是分別達(dá)到70 m和50 m，大大超出地網(wǎng)常規(guī)架設(shè)時(shí)的值。然而，國(guó)際民航組織（International Civil Aviation Organization，ICAO）“附件10”并沒(méi)有給出DVOR信標(biāo)地網(wǎng)架設(shè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或建議，只是規(guī)定了在DVOR 信標(biāo)覆蓋范圍內(nèi)輻射場(chǎng)強(qiáng)值的最低要求為90 μV/m，并且目前對(duì)于這些非常規(guī)架設(shè)地網(wǎng)對(duì)DVOR 臺(tái)輻射特性的影響缺乏理論分析，對(duì)這類(lèi)地網(wǎng)的架設(shè)缺乏理論指導(dǎo)。

目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)地網(wǎng)對(duì)DVOR 系統(tǒng)輻射特性影響直接研究的公開(kāi)報(bào)道很少，對(duì)非常規(guī)架設(shè)地網(wǎng)對(duì)DVOR輻射特性影響研究的報(bào)道就更少。2021年河南空管局的梁東升簡(jiǎn)單分析了地網(wǎng)對(duì)DVOR 垂直方向輻射特性的影響［2］；2019 年中國(guó)民航局第二研究所的梁飛等人研究了地網(wǎng)架高和地網(wǎng)直徑對(duì)DVOR 水平覆蓋的影響，但底層數(shù)學(xué)建模很少［3］；歐洲Thales 公司開(kāi)發(fā)了有關(guān)地網(wǎng)架高和地網(wǎng)直徑對(duì)DVOR 臺(tái)信號(hào)覆蓋影響的仿真軟件BI-TOOLS，但由于技術(shù)壁壘，無(wú)法獲取該軟件底層的數(shù)學(xué)模型。

有一些利用專(zhuān)業(yè)軟件研究地網(wǎng)對(duì)通用型天線輻射特性影響報(bào)道，例如，2007年，海軍航空大學(xué)的李潤(rùn)貴、鄭龍根使用基于矩量法的仿真軟件研究了地網(wǎng)上方垂直偶極子天線的增益、輸入阻抗等輻射特性［4］；2019 年，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)的袁曉偉利用電磁仿真軟件HFSS 對(duì)比分析了架設(shè)地網(wǎng)前后V 型偶極子天線的增益、方向性等輻射特性［5］；2018 年，美國(guó)賓夕法尼亞州匹茲堡斯旺森工程學(xué)院的Bertin M等人基于OpenETran軟件分析了地網(wǎng)對(duì)電力傳輸系統(tǒng)雷電性能的影響［6］；2019年，泰國(guó)Kumwell 公司的Sirachansawang P 等人基于一款全波電磁仿真軟件分析了不同材料的地網(wǎng)對(duì)電力傳輸系統(tǒng)接地電位的影響［7］。

本文力圖從底層數(shù)學(xué)模型及仿真實(shí)驗(yàn)出發(fā)，依據(jù)ICAO“附件10”的要求［8］，系統(tǒng)研究非常規(guī)架設(shè)地網(wǎng)對(duì)DVOR 信標(biāo)輻射特性的影響，為DVOR 地網(wǎng)架設(shè)提供相應(yīng)理論指導(dǎo)，同時(shí)為開(kāi)發(fā)國(guó)產(chǎn)相應(yīng)專(zhuān)業(yè)軟件提供底層支持。

2 DVOR信標(biāo)空間輻射場(chǎng)的形成

假設(shè)DVOR 的邊帶天線數(shù)為最常用的48個(gè)，按照DVOR 信標(biāo)的饋電規(guī)則，載波天線與邊帶天線共有24 種不同的饋電組合，在任意一個(gè)1/1440 s 內(nèi)，載波天線與4個(gè)邊帶天線同時(shí)輻射信號(hào)。

圖1 展示了DVOR 信標(biāo)天線系統(tǒng)的構(gòu)成及輻射場(chǎng)的組成，其中載波天線和各邊帶天線均使用水平放置的Alford 天線，每個(gè)天線元相對(duì)地網(wǎng)架高h(yuǎn)a≈1.3 m，天線元垂直面歸一化方向性函數(shù)F(φ)=cosφ，其中φ是仰角［9］；水平面方向圖則是一個(gè)圓。以載波天線相位中心為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系xOyz，分別將O與1 號(hào)邊帶天線、37 號(hào)邊帶天線相位中心連線的方向作為磁北和磁東方向，第n（n=1，2，…，48）號(hào)邊帶天線相位中心的坐標(biāo)則為(xn，yn，0)。

根據(jù)Alford 天線自身的方向性函數(shù)可知，除了由各天線直接輻射到接收點(diǎn)M（機(jī)載VOR 接收機(jī)）的電磁波以外，天線發(fā)射的部分電磁波直接入射到地面后經(jīng)地面反射形成反射波，同時(shí)也有部分電磁波入射到地網(wǎng)表面。地網(wǎng)材質(zhì)為表面鍍鋅的鋼材，鋅的電導(dǎo)率為1.7×107S/m，可認(rèn)為地網(wǎng)的建材屬于理想電導(dǎo)體，地網(wǎng)網(wǎng)格大小為10 cm×10 cm，因此地網(wǎng)完全能夠屏蔽Alford天線入射到地網(wǎng)表面的那部分電磁波，這部分電磁波不會(huì)泄漏到地面而是能在地網(wǎng)表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，該感應(yīng)電流可進(jìn)一步在空間激發(fā)出散射場(chǎng)。因此，DVOR 系統(tǒng)可在空間產(chǎn)生直射場(chǎng)、地面反射場(chǎng)和地網(wǎng)散射場(chǎng)，如圖1所示，它們各自的場(chǎng)強(qiáng)大小將分別在2.1節(jié)～2.3節(jié)詳細(xì)闡述。

2.1 直射場(chǎng)

直射場(chǎng)就是由發(fā)射天線直接輻射到接收點(diǎn)的電場(chǎng)。假設(shè)載波天線輻射功率為Pc，且距原點(diǎn)為r的機(jī)載VOR 接收機(jī)的坐標(biāo)為M(rcosφcosθ，rcosφsinθ，rsinφ)，θ是自磁北順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)的水平方位角，即飛機(jī)磁方位。結(jié)合Alford 天線垂直面方向性函數(shù)F（φ）和相位因子，載波天線在M點(diǎn)產(chǎn)生的直射電場(chǎng)大小Ed，c為［10-12］

式中，相位常數(shù)k=2πfc/ c，fc是載波頻率，c 是光速，Pc是載波天線的輻射功率。

上、下邊帶信號(hào)頻率分別為fc+9960 Hz 和fc-9960 Hz，故邊帶天線輻射場(chǎng)的相位常數(shù)約等于k。

假設(shè)Ps是邊帶天線的輻射功率，rn是n號(hào)邊帶天線的相位中心到M點(diǎn)的距離，可得

在飛行的絕大部分時(shí)間內(nèi)，飛機(jī)離DVOR 臺(tái)的距離遠(yuǎn)大于天線陣直徑，故有

進(jìn)而可求得n號(hào)邊帶天線在M點(diǎn)產(chǎn)生的直射場(chǎng)大小Ed，n為

2.2 地面反射場(chǎng)

架設(shè)在地網(wǎng)上的Alford天線沒(méi)有入射到地網(wǎng)上的電磁波依然會(huì)在空間形成地面反射場(chǎng)，但M點(diǎn)處不一定能夠接收到，該問(wèn)題將于3.1節(jié)分析，在此利用鏡像原理求解地面反射波的場(chǎng)強(qiáng)大?。?2］。

可以求得載波天線及n號(hào)邊帶天線的鏡像天線的相位中心坐標(biāo)分別為(0，0，-2h-2ha)、(xn，yn，-2h-2ha)。載波天線的鏡像天線相位中心到M點(diǎn)的距離dc為

式中，h和ha分別是地網(wǎng)架高和Alford天線相對(duì)地網(wǎng)的高度，φ是仰角。

n號(hào)邊帶天線鏡像天線的相位中心到M點(diǎn)的距離ds，n為

式中，xn、yn分別為n（n=1，2，…，48）號(hào)邊帶天線相位中心的橫、縱坐標(biāo)。

通常r遠(yuǎn)大于h、ha以及邊帶天線所在圓周的半徑a，故載波天線在M點(diǎn)產(chǎn)生的地面反射電場(chǎng)大小Er，c可表示為

同理，n號(hào)邊帶天線在M點(diǎn)產(chǎn)生的地面反射波的電場(chǎng)大小Er，n為

式（7）和式（8）中，地面反射系數(shù)Rh為

式中，Δ是反射角的余角；εc是地面的相對(duì)介電常數(shù)，一般取15。

通常飛機(jī)距DVOR 臺(tái)足夠遠(yuǎn)，可認(rèn)為地面反射場(chǎng)和直射場(chǎng)到達(dá)M點(diǎn)的傳播路徑近似平行，故有Δ≈φ。

2.3 地網(wǎng)散射場(chǎng)

Alford 天線直接入射到地網(wǎng)上的電磁波可在地網(wǎng)表面形成感應(yīng)電流，進(jìn)而在空間形成散射波，其電場(chǎng)可利用物理光學(xué)法求得［13-16］。

因此，式（10）中S是指散射體表面的亮區(qū)，散射電場(chǎng)即為亮區(qū)內(nèi)各點(diǎn)對(duì)M點(diǎn)的輻射貢獻(xiàn)之和。

根據(jù)DVOR 信標(biāo)各天線與地網(wǎng)的相對(duì)位置可知（見(jiàn)圖1），在地網(wǎng)表面不存在暗區(qū)，故式（10）中二重積分的積分區(qū)域S應(yīng)為整個(gè)地網(wǎng)面。

3 DVOR信標(biāo)頂空盲區(qū)和水平作用距離

機(jī)載VOR 接收機(jī)所在M點(diǎn)一定存在直射場(chǎng)和地網(wǎng)散射場(chǎng)，但是否存在地面反射場(chǎng)則需要根據(jù)反射點(diǎn)能否落在地面來(lái)確定，而反射點(diǎn)的位置與M點(diǎn)所處的仰角大小有關(guān)，將M點(diǎn)接收到的各部分場(chǎng)進(jìn)行疊加可得到接收點(diǎn)合成場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)大小。

因?yàn)檩d波天線的輻射功率遠(yuǎn)大于各邊帶天線的輻射功率，故在此將接收點(diǎn)處是否存在載波天線的地面反射波的臨界仰角β0視作接收點(diǎn)處有無(wú)地面反射波的臨界仰角。利用鏡像原理可求得β0為

式中，ha是Alford 天線相對(duì)地網(wǎng)的高度，R是地網(wǎng)半徑。

可以認(rèn)為若M點(diǎn)位于0°～β0的仰角范圍內(nèi)，則M點(diǎn)處可接收到直射場(chǎng)、地面反射場(chǎng)和地網(wǎng)散射場(chǎng)；若M點(diǎn)位于β0～90°的仰角范圍內(nèi)，則只可接收到直射場(chǎng)和地網(wǎng)散射場(chǎng)。在假定M點(diǎn)離地高度及M點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)之間的水平距離后，則可根據(jù)M點(diǎn)所處的仰角來(lái)判斷在M點(diǎn)是否存在地面反射場(chǎng)。

3.1 DVOR信標(biāo)的頂空盲區(qū)

ICAO“附件10”規(guī)定，機(jī)載接收機(jī)對(duì)DVOR信標(biāo)輻射場(chǎng)強(qiáng)值的最低要求為90 μV/m，且DVOR 信標(biāo)需要在直至40°仰角范圍內(nèi)，使機(jī)載VOR 接收機(jī)在飛行空域所要求的高度及對(duì)應(yīng)的水平距離上滿意地工作，即DVOR 臺(tái)站的頂空盲區(qū)仰角范圍不應(yīng)大于50°。顯然，要計(jì)算頂空盲區(qū)仰角范圍，只需要考慮直射場(chǎng)和地網(wǎng)散射場(chǎng)的合成場(chǎng)強(qiáng)大小。

假定hM和h分別是飛機(jī)離地高度和地網(wǎng)架高，結(jié)合2.1 節(jié)、2.3 節(jié)可知，在β0～90°仰角范圍內(nèi)M點(diǎn)可接收直射場(chǎng)和地網(wǎng)散射場(chǎng)，DVOR 信標(biāo)在β0～90°仰角范圍內(nèi)產(chǎn)生的輻射場(chǎng)強(qiáng)大小E1（φ，θ）為

利用式（20）可進(jìn)一步求得在β0～90°的仰角范圍內(nèi)，DVOR信標(biāo)的輻射方向性函數(shù)f1（φ，θ）為

式（20）和式（21）中，φ∈（β0，90°］，θ∈［0°，360°），n1～n4是指在任一個(gè)1/1440 s 內(nèi)同時(shí)工作的4 個(gè)邊帶天線的編號(hào)（以下n1～n4的含義相同）。

對(duì)φ在β0～90°的范圍內(nèi)取值后，可求得在hM和h為不同值時(shí)，DVOR 信標(biāo)在各個(gè)仰角上產(chǎn)生的合成場(chǎng)強(qiáng)大小。根據(jù)所得各仰角上的輻射場(chǎng)強(qiáng)是否小于90 μV/m，來(lái)判斷DVOR 臺(tái)在該仰角是否存在使機(jī)載接收機(jī)無(wú)法有效接收信號(hào)的點(diǎn)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“盲點(diǎn)”），若存在則認(rèn)為DVOR 信標(biāo)在該仰角上的輻射有盲點(diǎn)，反之則沒(méi)有。圖2 給出了判斷DVOR信標(biāo)在β0～90°內(nèi)的某個(gè)仰角上的輻射是否存在盲點(diǎn)的流程圖。

圖2 判斷β0～90°內(nèi)某仰角上有無(wú)盲點(diǎn)的流程圖Fig.2 The flow chart of judging whether there is a silence point on an elevation angle within β0～90°

根據(jù)圖2 逐個(gè)判斷在β0～90°內(nèi)的各個(gè)仰角是否存在盲點(diǎn)后，即可獲得頂空盲區(qū)的大小，具體求解過(guò)程于4.1節(jié)詳細(xì)闡述。

3.2 DVOR信標(biāo)的水平作用距離

要分析DVOR 信標(biāo)在某個(gè)水平作用距離之內(nèi)的輻射場(chǎng)強(qiáng)覆蓋，首先需要計(jì)算機(jī)載VOR接收機(jī)所在M點(diǎn)仰角的大小，據(jù)此來(lái)判斷M點(diǎn)是否存在地面反射場(chǎng)。

在假定h、hM以及M點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)之間水平距離L的前提下，可求得M點(diǎn)所處高度的仰角φ為

若φ位于（0°，β0］內(nèi)，M點(diǎn)接收的場(chǎng)包括直射場(chǎng)、地面反射場(chǎng)和地網(wǎng)散射場(chǎng)，結(jié)合2.1 節(jié)～2.3 節(jié)可得M點(diǎn)合成場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)大小E2（φ，θ）為

利用式（23）可同時(shí)求得在（0°，β0］仰角范圍內(nèi)，DVOR信標(biāo)的輻射方向性函數(shù)為

式（23）和式（24）中，φ∈（0°，β0］，θ∈［0°，360°）。

當(dāng)M點(diǎn)位于（β0，90°］的仰角范圍內(nèi)，則需利用式（20）計(jì)算合成場(chǎng)強(qiáng)的大小。結(jié)合式（20）和式（23），可以分析在某個(gè)水平距離以?xún)?nèi)DVOR 信標(biāo)輻射場(chǎng)強(qiáng)大小的分布情況。

4 仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1 非常規(guī)地網(wǎng)架高下DVOR信標(biāo)頂空盲區(qū)實(shí)驗(yàn)

DVOR 信標(biāo)地網(wǎng)的常規(guī)架高和直徑分別為5 m和30.5 m。本文探究非常規(guī)架高地網(wǎng)對(duì)航路DVOR臺(tái)頂空盲區(qū)及水平作用距離的影響。沿豎直方向，在10 m～100 m 的范圍內(nèi)每隔10 m 假定一個(gè)地網(wǎng)架高h(yuǎn)；同時(shí)，取地網(wǎng)直徑2R為30.5 m，邊帶功率Ps為標(biāo)稱(chēng)值5 W，載波功率Pc為常用功率108 W，載波頻率fc取DVOR 系統(tǒng)工作頻段的中間頻率113 MHz，邊帶天線所在圓周直徑2a為13.5 m，據(jù)此分析在飛機(jī)離地高度hM取不同值時(shí)，DVOR信標(biāo)頂空盲區(qū)范圍。

根據(jù)采用混合函數(shù)調(diào)制時(shí)邊帶天線的饋電規(guī)則［1］，將載波天線和1、25、2、26號(hào)天線記為第1組天線，載波天線與2、26、3、27號(hào)天線記為第2組天線，……，載波天線與24、48、1、25 號(hào)天線記為第24 組天線，共可以給出24 組天線。在h取不同值的前提下，結(jié)合式（21）和式（24）可獲得DVOR信標(biāo)垂直面方向圖。限于篇幅，以第1組～第4組天線為例，取θ為90°，依次給出h為10 m，20 m，……，100 m時(shí)，DVOR信標(biāo)垂直面歸一化方向圖，分別如圖3（a）～（j）所示。

圖3 地網(wǎng)架高h(yuǎn)取不同值時(shí)DVOR信標(biāo)垂直面歸一化方向圖（θ=90o）Fig.3 When h takes different values，the vertical normalized pattern of the DVOR beacon（θ=90o）

由圖3（a）～（j）可知，當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)架高h(yuǎn)取不同值時(shí)，DVOR 信標(biāo)均在60°～90°的仰角范圍內(nèi)輻射信號(hào)較弱，增大地網(wǎng)架高并沒(méi)有影響到信標(biāo)在該仰角范圍內(nèi)的輻射，并且也未出現(xiàn)多瓣現(xiàn)象。

為了驗(yàn)證這部分所建模型的正確性，圖4 展示了文獻(xiàn)［17］利用Thales 公司開(kāi)發(fā)的軟件BI-TOOLS對(duì)DVOR 信標(biāo)天線系統(tǒng)垂直面方向圖的仿真結(jié)果，如圖4 曲線（2）所示，此時(shí)地網(wǎng)架高為10 m、直徑為30.5 m［17］。

圖4 文獻(xiàn)［17］利用BI-TOOLS軟件仿真的DVOR天線系統(tǒng)垂直面方向圖Fig.4 Vertical pattern of DVOR antenna systems simulated by BI-TOOLS software in reference ［17］

圖4中，橫坐標(biāo)表示仰角角度，雖未標(biāo)出縱坐標(biāo)的單位，但通過(guò)縱坐標(biāo)“E”可知其表示的為垂直面電場(chǎng)的方向性，只是圖4 并未將方向圖做歸一化。對(duì)比圖3（a）與圖4 曲線（2）可以看出，除圖4 曲線（2）較圖3（a）在5°～30°仰角范圍內(nèi)存在些許波動(dòng)外，二者的變化趨勢(shì)是相同的，說(shuō)明本文這部分所建模型是值得信賴(lài)的。

下面分析在h及hM取不同值時(shí)，DVOR 信標(biāo)頂空盲區(qū)范圍。

根據(jù)西南地區(qū)某民航單位提供的DVOR 信標(biāo)校飛方案，將飛機(jī)的離地高度hM設(shè)置為3000 m～6000 m，并在此范圍內(nèi)每隔1000 m 對(duì)hM取值一次，在hM為不同取值時(shí)，分別計(jì)算使用直徑為30.5 m、地網(wǎng)架高為h的DVOR信標(biāo)頂空盲區(qū)范圍。

依據(jù)圖2，在（β0，90°］仰角范圍內(nèi)，每隔1°對(duì)仰角φ取值一次；對(duì)仰角取某值的同時(shí)，在［0°，360°）范圍內(nèi)每隔1°對(duì)θ取值一次。將hM、h為不同取值時(shí)，所獲得的頂空盲區(qū)記錄至表1。

表1 頂空盲區(qū)仰角范圍的統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.1 Statistics results of elevation range of upper space of silence

上述實(shí)驗(yàn)中，若hM、h不變，則獲得每一組天線工作時(shí)的頂空盲區(qū)仰角范圍均相同。通過(guò)表1可以看出，在hM、h取不同值時(shí)，所得頂空盲區(qū)仰角范圍的結(jié)果均小于20°，滿足“附件10”的要求。同時(shí)，若保持2R及hM不變，增大h并不會(huì)影響到DVOR 信標(biāo)頂空盲區(qū)的范圍，而頂空盲區(qū)的范圍會(huì)受hM的影響。

4.2 非常規(guī)地網(wǎng)架設(shè)下DVOR 信標(biāo)水平作用距離實(shí)驗(yàn)

下面研究在地網(wǎng)架高h(yuǎn)為不同值時(shí)，DVOR 臺(tái)在ICAO“附件10”規(guī)定的不同飛行高度所對(duì)應(yīng)最遠(yuǎn)水平作用距離內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋。“附件10”規(guī)定，對(duì)于航路DVOR 系統(tǒng)，當(dāng)載波功率為100 W 左右時(shí)，DVOR 信標(biāo)在3000 m、4000 m、5000 m 和6000 m 的離地高度上應(yīng)滿足的最遠(yuǎn)水平覆蓋距離Lmax分別為75海里（NM）、85 NM、95 NM和105 NM。

仿真思路為：分別假定hM及h的大小，并設(shè)L為原點(diǎn)O與M點(diǎn)的水平距離（見(jiàn)圖1），在某離地高度hM所對(duì)應(yīng)的Lmax以?xún)?nèi)，自原點(diǎn)O開(kāi)始每隔5 NM 對(duì)水平距離L取值一次，利用式（22）計(jì)算出M點(diǎn)在每段水平距離所對(duì)應(yīng)的仰角φ，再通過(guò)式（20）或式（23）計(jì)算在每個(gè)仰角所對(duì)應(yīng)的0°～360°水平范圍內(nèi)各處的輻射場(chǎng)強(qiáng)值（θ的分辨率取為1°），考慮到DVOR信標(biāo)在水平面內(nèi)的輻射并非嚴(yán)格全向，為此找出在0°～360°范圍內(nèi)的輻射場(chǎng)強(qiáng)最小值，將該最小值與90 μV/m 比較，分析信標(biāo)在每段水平距離上的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋，繼而獲得每個(gè)最遠(yuǎn)水平覆蓋范圍之內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋，若在某個(gè)最遠(yuǎn)水平覆蓋距離以?xún)?nèi)出現(xiàn)了輻射場(chǎng)強(qiáng)最小值低于90 μV/m，則考慮增大地網(wǎng)直徑重復(fù)上述過(guò)程。圖5展示了本節(jié)相應(yīng)的仿真流程。

圖5 最遠(yuǎn)水平作用距離內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)覆蓋仿真流程Fig.5 Simulation process of field intensity coverage within the farthest horizontal radiation distance

首先保持2R=30.5 m，分析h=10 m時(shí)，DVOR信標(biāo)在各飛行高度所對(duì)應(yīng)的水平作用距離之內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)。圖6（a）和圖7（a）給出了各飛行高度所對(duì)應(yīng)的最遠(yuǎn)水平作用距離之內(nèi)每隔5 NM，DVOR 信標(biāo)的輻射場(chǎng)強(qiáng)分布。為進(jìn)一步明晰離DVOR 信標(biāo)較遠(yuǎn)處的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋，圖6（b）和圖7（b）給出了各飛行高度所對(duì)應(yīng)的最遠(yuǎn)水平作用距離以?xún)?nèi)最后25 NM 范圍內(nèi)每隔2.5 NM，DVOR 信標(biāo)的輻射場(chǎng)強(qiáng)分布，其中橫坐標(biāo)表示M點(diǎn)與原點(diǎn)之間的水平距離L，縱坐標(biāo)表示機(jī)載VOR接收機(jī)所接收的場(chǎng)強(qiáng)大小。

圖6 hM為3000 m、4000 m對(duì)應(yīng)覆蓋范圍的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋（h=10 m，2R=30.5 m）Fig.6 The radiation field strength of DVOR beacon within coverage range corresponding to 3000 m and 4000 m（h=10 m，2R=30.5 m）

圖7 hM為5000 m、6000 m對(duì)應(yīng)覆蓋范圍的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋（h=10 m，2R=30.5 m）Fig.7 The radiation field strength of DVOR beacon within coverage range corresponding to 5000 m and 6000 m（h=10 m，2R=30.5 m）

從圖6 和圖7 可以看出，保持地網(wǎng)直徑30.5 m不變，但將地網(wǎng)架高由常規(guī)5 m增大到非常規(guī)的10 m，DVOR信標(biāo)在各飛行高度所對(duì)應(yīng)覆蓋范圍之內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)均未出現(xiàn)低于90 μV/m的狀況。

保持地網(wǎng)直徑30.5 m 不變而增大地網(wǎng)架高，當(dāng)h=20 m 時(shí)，在各飛行高度上機(jī)載接收機(jī)接收的場(chǎng)強(qiáng)大小與L的關(guān)系分別如圖8（a）、（b）和圖9（a）、（b）所示，圖8（b）、圖9（b）給出了各飛行高度所對(duì)應(yīng)的最遠(yuǎn)水平作用距離以?xún)?nèi)的最后25 NM內(nèi)，每隔2.5 NM DVOR信標(biāo)的輻射場(chǎng)強(qiáng)分布。

圖8 hM為3000 m、4000 m對(duì)應(yīng)覆蓋范圍的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋（h=20 m，2R=30.5 m）Fig.8 The radiation field strength of DVOR beacon within coverage range corresponding to 3000 m and 4000 m（h=20 m，2R=30.5 m）

圖9 hM為5000 m、6000 m對(duì)應(yīng)覆蓋范圍的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋（h=20 m，2R=30.5 m）Fig.9 The radiation field strength of DVOR beacon within coverage range corresponding to 5000 m and 6000 m（h=20 m，2R=30.5 m）

必須提及，上述實(shí)驗(yàn)中，若hM、h及L不變，則4.1 節(jié)所定義的24 組天線中的每一組天線在同一水平面內(nèi)的輻射場(chǎng)強(qiáng)最小值均相同。

對(duì)圖8（a）、（b）和圖9（a）、（b）而言，當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)架高h(yuǎn)增大到20 m 后，由于地面反射場(chǎng)的影響，在hM為4000 m、5000 m和6000 m所對(duì)應(yīng)的最遠(yuǎn)水平作用距離內(nèi)均出現(xiàn)了輻射場(chǎng)強(qiáng)值小于90 μV/m的情況。即當(dāng)hM為4000 m時(shí)，在35 NM處的輻射場(chǎng)強(qiáng)最小值為4.09×10-5V/m；當(dāng)hM為5000 m 時(shí)，在45 NM 處的輻射場(chǎng)強(qiáng)最小值為4.20×10-5V/m；當(dāng)hM為6000 m 時(shí)，在50 NM 和55 NM 處的輻射場(chǎng)強(qiáng)最小值分別為5.12×10-5V/m和4.48×10-5V/m。針對(duì)上述情況，考慮增大地網(wǎng)直徑能否解決這一問(wèn)題。

圖10（a）和圖11（a）展示了h=20 m 且2R=45 m時(shí)，DVOR 信標(biāo)在各個(gè)最遠(yuǎn)水平作用距離之內(nèi)每隔5 NM 的輻射場(chǎng)強(qiáng)分布；圖10（b）和圖11（b）給出了各飛行高度對(duì)應(yīng)的最遠(yuǎn)水平作用距離以?xún)?nèi)的最后25 NM，每隔2.5 NM DVOR信標(biāo)的輻射場(chǎng)強(qiáng)分布。

圖10 hM為3000 m、4000 m對(duì)應(yīng)覆蓋范圍的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋（h=20 m，2R=45 m）Fig.10 The radiation field strength of DVOR beacon within coverage range corresponding to 3000 m and 4000 m（h=20 m，2R=45 m）

圖11 hM為5000 m、6000 m對(duì)應(yīng)覆蓋范圍的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋（h=20 m，2R=45 m）Fig.11 The radiation field strength of DVOR beacon within coverage range corresponding to 5000 m and 6000 m（h=20 m，2R=45 m）

結(jié)合式（19）和式（22）可知，保持hM不變而增大地網(wǎng)直徑，hM對(duì)應(yīng)的Lmax以?xún)?nèi)存在地面反射場(chǎng)的范圍會(huì)減?。蝗?R=45 m，在hM為4000 m、5000 m 和6000 m 時(shí)分別對(duì)應(yīng)離坐標(biāo)原點(diǎn)36 NM、45 NM 和55 NM 的水平距離以?xún)?nèi)，M點(diǎn)不會(huì)接收到地面反射場(chǎng)。由圖10 和圖11 可看出，在h=20 m 且2R=45 m時(shí)，DVOR 信標(biāo)在各飛行高度所對(duì)應(yīng)最遠(yuǎn)作用距離之內(nèi)均未出現(xiàn)輻射場(chǎng)強(qiáng)值低于90 μV/m的情況。

圖12（a）和（b）展示了h=30 m 且2R=45 m 時(shí)，DVOR信標(biāo)在不同最遠(yuǎn)水平作用距離之內(nèi)每隔5 NM的輻射場(chǎng)強(qiáng)分布。

圖12 各個(gè)作用距離之內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋（h=30 m，2R=45 m）Fig.12 The radiation field strength of DVOR beacon within each radiation range（h=30 m，2R=45 m）

由于圖12（a）和（b）中縱坐標(biāo)低于90 μV/m 的數(shù)據(jù)點(diǎn)較多，為更好地表述，將圖12（a）和（b）中場(chǎng)強(qiáng)值低于90 μV/m的數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)記錄至表2。

表2 圖12（a）和（b）中場(chǎng)強(qiáng)值低于90 μV/m的數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)Tab.2 Coordinates of points with field strength values below 90 μV/m in figure 12（a）and（b）

圖13（a）和（b）展示了h=30 m 且2R=50 m 時(shí)，DVOR信標(biāo)在不同最遠(yuǎn)水平作用距離之內(nèi)的輻射場(chǎng)強(qiáng)分布。

圖13 各個(gè)作用距離之內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋（h=30 m，2R=50 m）Fig.13 The radiation field strength of DVOR beacon within each radiation range（h=30 m，2R=50 m）

將圖13（a）和（b）中場(chǎng)強(qiáng)值低于90 μV/m 的數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)記錄至表3。

表3 圖13（a）和（b）中場(chǎng)強(qiáng)值低于90 μV/m的數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)Tab.3 Coordinates of points with field strength values below 90 μV/m in figure 13（a）and（b）

結(jié)合圖6～圖13以及表2～表3可以看出，若保持地網(wǎng)架高不變而增大地網(wǎng)直徑，有利于DVOR 信標(biāo)的輻射場(chǎng)強(qiáng)覆蓋。但是若h=30 m，即便當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)直徑增大到50 m，DVOR 信標(biāo)在離地高度為4000 m、5000 m 和6000 m 對(duì)應(yīng)的最遠(yuǎn)水平作用距離內(nèi)依舊存在著不滿足最低場(chǎng)強(qiáng)要求的情況?？紤]到在高空架設(shè)龐大地網(wǎng)的難度以及成本，以下并未采取繼續(xù)增大地網(wǎng)直徑的做法進(jìn)行仿真。

下面繼續(xù)給出h=40 m、2R=50 m 時(shí)，DVOR 臺(tái)在hM分別為3000 m、4000 m、5000 m和6000 m所對(duì)應(yīng)的最遠(yuǎn)水平作用距離之內(nèi)的輻射場(chǎng)強(qiáng)分布，如圖14（a）和（b）所示。

圖14 各個(gè)作用距離之內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋（h=40 m，2R=50 m）Fig.14 The radiation field strength of DVOR beacon within each radiation range（h=40 m，2R=50 m）

將圖14（a）和（b）中場(chǎng)強(qiáng)值低于90 μV/m 的數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)記錄至表4。

表4 圖14（a）和（b）中場(chǎng)強(qiáng)值低于90 μV/m的數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)Tab.4 Coordinates of points with field strength values below 90 μV/m in figure 14（a）and（b）

從圖14以及表4可以看出，在h=40 m且2R=50 m時(shí)，DVOR 信標(biāo)在hM為3000 m、4000 m、5000 m 和6000 m 所對(duì)應(yīng)的最遠(yuǎn)水平覆蓋范圍之內(nèi)均存在輻射場(chǎng)強(qiáng)值低于90 μV/m 的情況。對(duì)圖12～圖14 而言，因?yàn)楫?dāng)水平距離的分辨率為5 NM 時(shí)已出現(xiàn)了很多不滿足90 μV/m 的點(diǎn)，故并未降低水平距離的分辨率繼續(xù)進(jìn)行仿真。

可見(jiàn)，持續(xù)增大地網(wǎng)架高對(duì)DVOR 信標(biāo)在“附件10”規(guī)定的最遠(yuǎn)作用距離內(nèi)提供滿足規(guī)定要求的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋是不利的。因此，若要保證DVOR 信標(biāo)在所要求最遠(yuǎn)水平作用范圍之內(nèi)提供滿足“附件10”要求的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋，則不宜將地網(wǎng)架高增大到30 m以上。而前面所述華北地區(qū)某DVOR 臺(tái)在絕大多數(shù)時(shí)間內(nèi)僅需在40°及以上仰角為飛機(jī)提供方位信息，即無(wú)須在整個(gè)最遠(yuǎn)作用距離內(nèi)為機(jī)載VOR接收機(jī)提供滿足要求的信號(hào)，因此將地網(wǎng)架高調(diào)整到70 m 的同時(shí)加大地網(wǎng)直徑的做法是合適的。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)非常規(guī)架設(shè)地網(wǎng)對(duì)DVOR 信標(biāo)輻射特性影響的深入研究，得出以下結(jié)論：

1）若地網(wǎng)直徑為常規(guī)的30.5 m，即使將地網(wǎng)架到非常規(guī)的100 m，DVOR 信標(biāo)的垂直輻射性能也不會(huì)出現(xiàn)多瓣現(xiàn)象，頂空盲區(qū)不會(huì)受到影響。

2）若地網(wǎng)直徑為常規(guī)的30.5 m，當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)架高增大到20 m時(shí)，便難以滿足“附件10”規(guī)定的水平覆蓋場(chǎng)強(qiáng)要求，這時(shí)適當(dāng)增大地網(wǎng)直徑會(huì)改善水平覆蓋場(chǎng)強(qiáng)，但當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)架高增大到30 m 及以上時(shí)，即使將地網(wǎng)直徑增大到50 m，也難以滿足這種覆蓋要求。因此，若要使DVOR 信標(biāo)在整個(gè)最遠(yuǎn)服務(wù)距離以?xún)?nèi)為機(jī)載VOR 系統(tǒng)提供不低于90 μV/m 的場(chǎng)強(qiáng)，則不宜將地網(wǎng)架高增大到30 m以上。