航空通信導(dǎo)航頻率干擾問題探究

摘要：基于航空業(yè)的快速發(fā)展，空中交通流量顯著增加，給航空通信導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性和安全性產(chǎn)生較大的挑戰(zhàn)。重點(diǎn)分析航空通信導(dǎo)航頻率受干擾問題，研究該干擾對飛行安全可能產(chǎn)生的影響，并提出確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的有效策略。研究指出，航空通信導(dǎo)航頻率遭受的干擾源多樣，包括非法的無線電發(fā)射、自然界的電磁現(xiàn)象、其他合法無線電信號的意外干擾以及蓄意干擾等。希望通過論述能夠?yàn)橥I(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員提供理論支持。

關(guān)鍵詞：航空；通信；導(dǎo)航；頻率；干擾

一、前言

航空通信導(dǎo)航系統(tǒng)對保障航班安全與高效運(yùn)行具有重要作用?；跓o線電技術(shù)的普及和廣泛應(yīng)用，頻率干擾已成為影響航空通信導(dǎo)航性能的主要因素。此類干擾不僅可削弱通信效果，還可導(dǎo)致導(dǎo)航數(shù)據(jù)的偏差，極端情況下甚至可能引發(fā)飛行安全事故。鑒于此，航空通信導(dǎo)航頻率干擾問題成為最大研究重點(diǎn)。

二、航空通信導(dǎo)航頻率干擾機(jī)制

航空通信導(dǎo)航中的頻率干擾問題涉及無線電頻譜的有效管理和信號處理技術(shù)的應(yīng)用，旨在確保航空器與地面控制中心以及其他航空器之間的安全通信。干擾來源多樣化，既包括自然環(huán)境因素，也包含了人為活動和設(shè)備本身的特性。對信號干擾的理解，可以使用信噪比（SNR）來量化，其計(jì)算公式為（1）：

（1）

其中，Ps—信號功率；Pn—噪聲功率；

當(dāng)航空器處于高干擾狀態(tài)下，信號功率可能會產(chǎn)生較大的影響，進(jìn)而導(dǎo)致信噪比降低，最終會影響通信質(zhì)量與導(dǎo)航精度。

三、航空通信導(dǎo)航頻率干擾的來源

（一）內(nèi)部干擾

內(nèi)部干擾主要源自航空通信導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備本身的問題。該問題往往由設(shè)備老化、維護(hù)不及時(shí)或設(shè)計(jì)上的不足引起。例如，發(fā)射機(jī)與接收機(jī)經(jīng)過長期使用后可能出現(xiàn)性能衰退，導(dǎo)致發(fā)射信號的頻譜特性發(fā)生改變，產(chǎn)生未預(yù)料到的雜散信號。這些雜散信號可能會影響鄰近的通信信道，造成頻率干擾。同時(shí)，接收機(jī)的靈敏度和選擇性也可能因老化而減弱，使其難以有效過濾背景噪音及其他干擾信號，進(jìn)而影響通信質(zhì)量。此外，缺乏定期的校準(zhǔn)和檢查也是引發(fā)內(nèi)部干擾的重要因素之一[1]。當(dāng)設(shè)備未能及時(shí)維護(hù)，其性能指標(biāo)可能會偏離正常范圍，進(jìn)而導(dǎo)致一系列問題的發(fā)生。

（二）外部干擾

外部干擾因素主要來自航空通信導(dǎo)航系統(tǒng)之外的無線電設(shè)備，包括地面移動通信設(shè)備、工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療設(shè)備（ISM設(shè)備）以及非法無線電發(fā)射設(shè)備等。地面移動通信設(shè)備是最為常見的外部干擾源。基于移動通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，手機(jī)基站和用戶終端數(shù)量大幅增長，這些設(shè)備在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生大量無線電信號。盡管該信號通常限定在特定的頻段內(nèi)，但若頻率分配不當(dāng)或設(shè)備出現(xiàn)問題，依然可能對航空通信導(dǎo)航系統(tǒng)造成干擾。例如，當(dāng)手機(jī)基站的發(fā)射功率超出規(guī)定范圍或天線指向設(shè)置不正確時(shí)，可能導(dǎo)致信號泄露至航空專用頻段，干擾飛行員與地面控制中心的通信。ISM設(shè)備是主要外部干擾源，此設(shè)備的應(yīng)用十分廣泛，包括家用微波爐、無線對講機(jī)、醫(yī)療儀器等。

四、航空通信導(dǎo)航頻率干擾的影響

（一）通信質(zhì)量下降

干擾信號可以顯著降低信號的信噪比（SNR），使得通信內(nèi)容難以識別，嚴(yán)重影響航空通信的質(zhì)量。在極端條件下，信噪比的下降可能導(dǎo)致信號被噪聲掩蓋，接收機(jī)無法準(zhǔn)確地解碼和理解信號內(nèi)容，從而引發(fā)通信中斷或誤碼率上升。例如，地面移動通信設(shè)備因其較高的發(fā)射功率，若頻率規(guī)劃不合理或設(shè)備出現(xiàn)故障，可能會干擾航空使用的頻段，使飛行員與地面控制中心之間的通信變得模糊不清，甚至徹底中斷[2]。另外，工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療設(shè)備（ISM設(shè)備），如微波爐、無線對講機(jī)等，盡管其操作限于特定的頻段，但鑒于該設(shè)備具有較大的發(fā)射功率且頻率管理不夠嚴(yán)格，仍可能產(chǎn)生廣泛的噪聲，干擾航空通信導(dǎo)航系統(tǒng)的正常功能。這樣的干擾不僅會降低語音通信的清晰度，還可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯誤，影響飛行任務(wù)的順利執(zhí)行。

（二）導(dǎo)航精度降低

干擾信號可能對導(dǎo)航信號的準(zhǔn)確性產(chǎn)生負(fù)面影響，導(dǎo)致定位誤差，進(jìn)而影響航空器的安全導(dǎo)航。航空導(dǎo)航系統(tǒng)依靠精確的信號來確定航空器的位置、速度和方向。常用導(dǎo)航系統(tǒng)有全球定位系統(tǒng)（GPS）、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）和甚高頻全向信標(biāo)（VOR）等。該系統(tǒng)通過接收并處理來自不同源的導(dǎo)航信號，來計(jì)算出準(zhǔn)確的位置信息。若干擾信號侵入導(dǎo)航系統(tǒng)，就可能破壞信號的完整性和一致性，導(dǎo)致定位誤差。例如，INS系統(tǒng)通過測量航空器的加速度和旋轉(zhuǎn)速率，利用積分算法計(jì)算位置、速度和姿態(tài)。干擾信號可能會影響傳感器的測量準(zhǔn)確性，進(jìn)而導(dǎo)致誤差的累積[3]。a是加速度測量值，ω是角速度測量值，干擾信號na和nω分別影響加速度和角速度測量，如式（2）和（3）：

（2）

（3）

位置p和速度v的更新公式為式（4）：

（4）

因此，位置誤差?p和速度誤差?v可以表示為公式（5）：

（5）

（三）安全隱患增加

嚴(yán)重的頻率干擾可能導(dǎo)致通信中斷，對飛行安全構(gòu)成了較大的威脅，是航空通信導(dǎo)航頻率干擾中最嚴(yán)重隱患。航空器在飛行期間必須與地面控制中心維持穩(wěn)定的通信聯(lián)系，以便接收航行指令、氣象信息及緊急情況通知等重要信息。若發(fā)生通信中斷，飛行員將無法及時(shí)獲取這些關(guān)鍵信息，不僅可能導(dǎo)致飛行任務(wù)的延遲或失敗，甚至可能對飛行安全造成嚴(yán)重威脅。例如，非法無線電發(fā)射設(shè)備的使用可能侵占航空通信頻段，阻礙飛行員接收地面控制中心的指示，影響飛行操作。同時(shí)，地面移動通信設(shè)備如果發(fā)射功率過高或天線方向設(shè)置不當(dāng)，也可能導(dǎo)致信號溢出至航空頻段，干擾飛行員與地面控制中心的通信。該干擾不僅影響語音通信的質(zhì)量，還可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)鏈路中斷，進(jìn)一步影響飛行計(jì)劃的實(shí)施。

五、應(yīng)對策略

（一）技術(shù)改進(jìn)

提升設(shè)備的抗干擾能力是解決航空通信導(dǎo)航頻率干擾問題的關(guān)鍵措施之一。通過技術(shù)創(chuàng)新，可以顯著增強(qiáng)航空通信導(dǎo)航設(shè)備的抗干擾性能。一方面，采用頻率跳變技術(shù)是有效抵御干擾的方法之一[4]。該技術(shù)通過實(shí)時(shí)變換工作頻率，降低了遭遇干擾的可能性。若檢測到干擾信號，系統(tǒng)可快速切換至正常頻率范圍，保證通信的連貫性和穩(wěn)定性。在現(xiàn)代軍事通信系統(tǒng)中，頻率跳變技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用，用于對抗?jié)撛诘碾娮痈蓴_。另一方面，應(yīng)用先進(jìn)的信號處理技術(shù)。例如，自適應(yīng)濾波技術(shù)也能進(jìn)一步加強(qiáng)信號的抗干擾性能。自適應(yīng)濾波技術(shù)依據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測的干擾狀況，自動調(diào)節(jié)濾波參數(shù)，有效去除背景噪聲和其他干擾信號，從而提高信號的信噪比。多天線技術(shù)與正交頻分復(fù)用（OFDM）等技術(shù)的應(yīng)用也有助于提高系統(tǒng)的抗干擾水平。多天線技術(shù)利用空間分集和波束形成的優(yōu)勢，增強(qiáng)了信號的接收與發(fā)送效率，減少了干擾的影響。而OFDM技術(shù)通過將信號分布于多個子載波上，即便部分子載波受到干擾，其余子載波仍可正常工作，最大限度提升系統(tǒng)穩(wěn)定性。不同技術(shù)對抗干擾能力的影響如圖1所示。

（二）管理措施

強(qiáng)化頻率管理是減少航空通信導(dǎo)航頻率干擾的重要行政措施。通過合理的頻率規(guī)劃和分配，可以有效避免頻率重疊與沖突，降低干擾發(fā)生的可能性。第一，無線電管理機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)構(gòu)建完善的頻率管理體系，科學(xué)地規(guī)劃和分配頻率資源，確保各個設(shè)備間的頻率間隔足夠?qū)挿?，以防止相互干擾。第二，加強(qiáng)對無線電設(shè)備的管理是防范非法干擾的核心。無線電管理機(jī)構(gòu)需要加大對無線電發(fā)射設(shè)備的監(jiān)督力度，確保所有設(shè)備遵循國家制定的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，嚴(yán)厲打擊非法無線電發(fā)射活動。例如，通過定期的檢驗(yàn)和測試，確認(rèn)設(shè)備的發(fā)射頻率和功率處于許可范圍內(nèi)，避免非法設(shè)備侵占航空頻段[5]。第三，提高監(jiān)測和預(yù)警的能力同樣是應(yīng)對頻率干擾不可或缺的一環(huán)。建設(shè)航空通信導(dǎo)航頻率干擾監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對頻譜環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)識別并解決干擾問題。該監(jiān)測系統(tǒng)可運(yùn)用多種傳感器和技術(shù)，如頻譜分析儀和方向定位器等，對頻譜進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測與分析，若檢測到干擾信號，即刻啟動應(yīng)急響應(yīng)程序，迅速確定干擾源并采取行動消除干擾。

（三）法規(guī)制定

制定和優(yōu)化相關(guān)法律法規(guī)是解決航空通信導(dǎo)航頻率干擾問題的基本保障。確立無線電頻率使用的法律規(guī)范，為處理頻率干擾提供堅(jiān)實(shí)的法律基礎(chǔ)。第一，應(yīng)當(dāng)制定相應(yīng)的法律和規(guī)章制度，詳細(xì)規(guī)定無線電頻率的使用準(zhǔn)則和管理標(biāo)準(zhǔn)，確保所有用戶依照法律規(guī)定使用頻率資源。例如，可通過制定無線電頻率分配與使用管理?xiàng)l例，明確各類設(shè)備的頻率使用區(qū)間和最大發(fā)射功率，避免非法占用和干擾行為的發(fā)生。第二，加強(qiáng)國際間的合作是解決跨國頻率干擾問題的有效方式。

六、結(jié)語

綜上所述，解決航空通信導(dǎo)航頻率干擾問題的主要措施包含技術(shù)、管理和法規(guī)三方面。通過對新技術(shù)的創(chuàng)新、嚴(yán)格化的數(shù)據(jù)管理和完善的法規(guī)，可最大限度減少頻率干擾，保障航空通信導(dǎo)航系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，從而提高飛行安全水平。

參考文獻(xiàn)

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作者單位：中國飛行試驗(yàn)研究院

■ 責(zé)任編輯：王穎振 楊惠娟