机载蜂窝通信与导航系统兼容性分析＊

周　峰　中国信息通信研究院泰尔实验室高级工程师

刘　珊　中国信息研究院数据研究中心工程师

梁一山　北京邮电大学电子工程学院硕士研究生

吴　翔　中国信息通信研究院泰尔实验室高级工程师

张向阳　中国信息通信研究院泰尔实验室工程师

苑　斌　中国信息通信研究院泰尔实验室工程师

1　引言

2018年年初，国内大部分航空公司开通机上Wi-Fi，但机舱内仍不能提供蜂窝移动通信服务，机舱“通信孤岛”的局面没有根本改观。为突破机舱内开展民用公众通信这个最后的“通信孤岛”，面临的最大技术问题就是评估移动通信终端对飞行途中机载电子设备的影响，分析可能存在的安全隐患，并制定相应设备技术要求、规范使用方法，从而为政策突破提供技术依据。

本文基于典型飞机模型，进行理论分析与仿真。本文通过研究机上移动通信终端杂散辐射引入的飞机导航系统信干比曲线，分析其安全性。

2　仿真建模

基本研究思路是：通过采用射线追踪法的电磁仿真软件Wireless InSite求解杂散辐射源在机舱内引入的场强分布，进而求解泄漏到机舱外部的电磁波，最终求得耦合到受扰天线的接收功率。通过受扰端信号干扰比值的求解、分析来判断机舱内辐射源对飞行安全的影响。

根据机载天线的位置，本文主要研究机舱内移动终端杂散信号对机身顶部导航天线的影响。

根据机载天线的特性选取工作于GNSSL5/E5频段（1164～1215MHz）的导航天线作为受扰方。由于频率较高，飞机机舱的电尺寸过大，为保证电磁仿真的可行性，采用基于射线追踪法的计算软件进行仿真。

选取比较典型的波音737-800模型见图1、2。为了方便建模在仿真软件中建立一个30m×3.6m×2.2m的长方体空腔来模拟飞机机舱内部情况，空腔内壁设为理想金属材料（见图3）。并在距离地面1.3m处等间距开60个尺寸为0.2m×0.3m、厚度0.03m、相对介电常数2.4的玻璃窗。

图2　波音737-800飞机截面尺寸

图3　机舱模型仿真建模（单位：m）

如图4所示，为机舱内通信设备仿真模型，在距离底面1.5m处设置间距为1m的58个发射天线Tx用于模拟移动设备杂散辐射源，该天线类型设为全向辐射点源，中心工作频率为GNSS L5/E5的1190MHz。

Rx1为机舱中部处接收机的位置，Rx2为机舱前部处接收机的位置，在仿真中Rx1、Rx2用于计算该点处的坡印廷矢量数值。为了方便后期的归一化计算，将发射天线功率设为1W。

为了模拟人体以及机内障碍物（如航空座椅）的影响，设置两个高为1.2m的长方体，其电导率0.5，相对介电常数20，为人体电导率及相对介电常数的一半，其他设置不变（见图5）。

归纳相关标准中不同制式移动终端的杂散限值参数，可知大于1GHz时最大杂散辐射限值为-30dBm/1MHz。

为计算窗户口处耦合到机载顶部导航天线的电磁波，可依据机载天线互扰理论：

其中，Gt为发射天线的增益、Gr为接收天线的增益、λ为电磁波波长、D为两天线间爬行波传播的短程线，此处根据几何绕射理论得D=5.96m。

将0.3m×0.2m的窗户等效为二次辐射源，假设表面电流分布满足正弦分布，可求出等效二次源的辐射方向图为：

其中，D1=0.3m，二次源垂直机舱向外辐射，即计算θ=90°时的辐射，f（90°）=0.0887。

根据公式（3）求出等效二次元天线增益9.83dB。

取Gr=0dB，普通钢化玻璃的损耗取3dB，最终计算结果IPL=63.7dB。

图4　无障碍物时仿真模型

图5　有障碍物时仿真模型

根据实测测试结果，电磁波通过窗户被耦合到顶部导航天线的数值为IPL=71dB。

IPL实测结果低于理论计算IPL，其中一部分原因是理论计算与真实玻璃的损耗有差距，此外二次源的增益估值可能也偏高。

若施扰方的杂散信号落在受扰扰系统接收频段内，则对接收机造成干扰。根据上述参数的选取，在仿真软件中建立有障碍物跟无障碍物的两个模型，这里假设受扰天线位于机舱外中部的上方，选取距离受扰天线最近一扇窗户处，仿真计算该窗口处的坡印廷矢量模值。从机舱内发射出的杂散信号，到达顶部导航天线的强度可由以下公式求得：

其中，I[dBm]为干扰源发射出杂散信号到达被干扰源时的功率强度；E[dBm]为干扰系统发射机在被干扰系统频段内的杂散指标（此处E=-30dBm）；BWTx[MHz]为施扰系统带宽（此处BWTx=1MHz）；BWRx[MHz]为受扰系统带宽（此处BWRx=2.046MHz）；N为干扰源数量（此处认为机舱内通信设备数量足够多，且无稳定的相位关联，发射出的杂散信号不相关）；Ltotal[dB]为干扰信号到达被受扰方的路径损耗。

Lloss[dB]为机舱内干扰信号到达机舱窗户处的路径损耗。

Poynting[W/m2]为总干扰源在飞机窗户处所产生的坡印廷矢量的模值。根据射线追踪法仿真得到：无障碍物时Poynting1=1.19 W/m2；有障碍物时Poynting2=1.01W/m2；Swindow[m2]为模型中窗户的面积，此处Swindow=0.06m2；M为仿真时干扰源的数量，此处M=58；求得干扰信号强度，然后根据机载导航接收机性能求得信干比：

SIR[dB]为受扰接收机处的信干比；Preceiver[dBm]为导航解调接收后的最小接收功率。

PMOPS[dBm]为射频接收灵敏度，此处PMOPS=-130dBm；Gainss[dB]为卫星导航信号系统的扩频增益，此处取43dB。

3　结果分析

图6给出了信干比SIR随杂散源数量N的变化曲线，为了有所对照，分别给出了IPL=71dB（即测量值）和IPL=63.7dB（仿真值）的计算结果。显然机舱内有障碍物时信干比比无障碍物时要大；这是障碍物对杂散电磁波的吸收效应导致的。随着杂散源的增多，信干比降低。

考虑到普通中型干线客机的客座数在200以下，则以并发杂散源数量N=100为例，其对应信干比在10dB以上，考虑到卫星导航系统采用低阶数字调制，则这个风险是基本可控的。

图6　导航接收机信干比随并发发射终端数量N的变化曲线

4　结束语

本文仿真的前提是移动终端的杂散发射满足我国国家和行业标准，这就要确保上飞机的终端都经过了我国法律法规要求的检测认证，杂散指标合规，这是安全性的必要条件。此外，改善的技术建议有：

（1）将飞机座椅等的部分海绵材料换成吸波海绵材料，降低金属机舱电波多次反射叠加效应，理论上能降低舱内电场强度，则可改善电磁兼容特性。这个观点在基于混响室的试验中得到了验证。

（2）飞机窗户换成金属镀膜玻璃，可增加从机舱窗户到机舱外部卫星导航接收天线的传输损耗，从而有效改善电磁兼容特性。

此外，目前各大航空公司应该尽快组织有公信力的第三方实验室开展T-PED（带有发射功能的便携式电子设备）评估测试，获取真实民用航空环境下的测量值。