高铁弓网电弧对飞机进近着陆的电磁干扰影响

鲁合德，张强

中国民用航空飞行学院 空中交通管理学院，广汉 618307

为了方便人们对轨道交通与航空换乘的需要，很多城市的高速铁路距离机场很近甚至有些高速铁路横穿机场，实现了轨道交通与航空的零换乘。然而随着列车速度的不断提高，当列车受电弓与高压接触网由于接触不平顺或硬点等因素，二者就会因接触不良造成弓网的分离，产生弓网离线电弧现象[1-5]，这种情况在列车过电分相时尤为突出。当发生弓网离线电弧瞬间，会向周围空间辐射电磁波，对周围的敏感电子设备造成一定的干扰，影响其正常工作。着陆是飞机整个飞行过程中飞行难度最大、操作最复杂，也是飞行事故多发的阶段，根据国际民用航空组织(ICAO)统计，49%的飞行事故都发生在着陆阶段[6]。由于着陆阶段飞机速度很快，任何微小的干扰都会对飞机的着陆造成很大的影响，导致飞机降落偏离正常飞行轨道。当高速铁路列车与机场距离较近或有交叉时，弓网离线电弧产生的电磁干扰可能会对机场的无线电导航设备产生干扰，影响飞机的安全起降[7]。因此研究高速铁路弓网离线电弧对飞机无线电设备的电磁干扰影响规律具有重要的意义。

国内外有很多人对弓网离线电弧的电磁干扰有过很多研究：Midya等系统地研究了弓网离线电弧产生的原因及弓网离线电弧传导干扰和辐射干扰的影响因素[8-12]；国内高宗宝教授等对高速铁路中的弓网电弧现象进行了研究，对电弧产生的危害、电弧研究现状、电弧产生机理及电弧的特性进行了详细的研究[13]；支永健对弓网电弧电磁干扰传播的理论进行了探究，对分层土壤下弓网电弧的传导及辐射进行了仿真研究[14];辽宁工程大学的郭凤仪教授等利用实验对弓网电弧的辐射进行了实验研究[15-18]；对于弓网离线电弧对机场无线电设备的影响，国内朱峰教授团队也进行了大量的理论及试验研究[19-22]。其实弓网离线电弧电磁辐射对无线电设备的影响主要是对机载接收端接收信号的干扰，其本质是接收信号的信干比。之前的研究只是针对单个信标，或某一种情形下的，给出的结论一般是针对某一个信标台某段频率在某一特定情形下的影响结论。本文针对飞机进近阶段仪表着陆系统(Instrument Landing System,ILS)3个信标台(航向信标、下滑信标、指点信标)进行分析，首先计算分析了高铁线路与机场跑道以不同角度交叉对机载信号信干比的影响规律；然后结合实际测试数据分析了弓网离线电弧在最强干扰位置时对ILS各信标台的影响；最后通过综合数据分析给出高铁弓网离线电弧对机场仪表着陆系统3个信标影响的规律。

1 机场无线电设备及防护率要求

ILS是目前国内外在机场终端区引导飞机精密进近着陆的主要着陆引导设备，俗称盲降系统。仪表着陆系统主要分为3个子系统：提供横向引导的航向信标系统、提供垂直引导的下滑信标系统和提供距离引导的指点信标系统组成，其相对位置关系如图1所示，图中h为飞机飞行高度。

图1 仪表着陆系统相对位置关系示意图Fig.1 Schematic diagram of relative position of instrument landing system

航向信标为进近着陆的飞机提供水平引导，其工作频率为108.1～111.95 MHz，地面航向信标辐射分别有150 Hz和90 Hz调制的两个调幅信号组成的和信号(CSB信号)和差信号(SBO信号)，机载接收机通过比较150 Hz和90 Hz这两个信号的大小，指示飞机飞左飞右。下滑信标为进近着陆的飞机提供垂直引导，其工作频率为329.15～335.0 MHz，和航向信标一样，下滑信标同样辐射分别有150 Hz和90 Hz调制的两个调幅信号组成的和信号(CSB信号)和差信号(SBO信号)，机载接收机通过比较150 Hz和90 Hz这两个信号的大小，指示飞机飞上飞下。指点信标的工作频率为75 MHz，指点信标不辐射与导航参数有关的信息，仅向飞行员提供位置信息，指点信标有内指点、中指点和外指点3个信标组成，对于I类仪表着陆系统的机场，只需设置外、中指点信标，中国绝大多数机场均采用这种安装方法[23]。

仪表着陆系统对飞机进近着陆的引导是飞机飞行过程的关键阶段，由于此时飞机的速度非常快，任何对仪表着陆系统信号微小的干扰都会使飞机飞行轨迹产生极大的偏差，造成严重的飞行事故。因此为确保仪表着陆系统信号不受干扰，国家专门给出了相应的防护率要求。GB 6364—2013《航空无线电台(站)电磁环境要求》针对各种有源干扰源给出了仪表着陆系统各信标台相应的防护率要求，如表1所示。由于铁路弓网离线电弧产生的电磁干扰属于有源干扰源，因此采用有源干扰源的防护率要求进行分析。

表1 ILS相关参数Table 1 Parameters of ILS

2 弓网离线电弧测试

2.1 测试地点选取

根据以往的测试研究可知，在铁路产生弓网离线电弧的各典型点中，铁路电分相处产生的弓网离线电弧电磁干扰强度最大，对机场仪表着陆系统产生的影响最大，因此本文主要以电分相处产生的弓网离线电弧研究其电磁干扰对飞机进近着陆的影响。

选取某高速铁路典型位置电分相处进行电磁干扰测试，具体测试布局图如图2所示，其中电分相距离测试点的距离为165 m。

图2 电分相测试现场图Fig.2 Electrical phase separation test spot

2.2 测试参数设置

通常对于弓网离线电弧电磁干扰测试有两种方式：接收机点频测试和频谱仪扫频测试。频谱仪扫频测试，一次可以扫描整个频段内的电场强度，可以从整体上把握整个频段内的干扰强度大小；接收机的点频测试是通过测试单个频点上的场强从而得到不同频点的电磁干扰强度。由于电磁干扰测试接收机比扫描仪具有更高的精度，本文采用点频方式进行测试。

利用ESCI电磁干扰接收机进行频段内特定的频点进行精确测试。测试中分辨率带宽为120 kHz(CISPR16-1中规定)，天线采用水平极化。测试检波方式采用峰值检波(PeaK detector,PK)、准峰值检波(Quasi PeaK detector,QPK)和平均值检波(AVerage detector,AV)。测试仪器及其技术指标如表2所示。利用网络分析仪测得5 m同轴电缆的衰减损耗为0.81 dB，接头损耗忽略不计。

表2 测试仪器型号及其技术指标Table 2 Types and technical specifications of test instruments

2.3 测试数据

对于航向信标和下滑信标的测试，在其工作频段内随机选择3个频点进行测试，指点信标由于是单频点工作，测试其工作频率就可以了。接收机测试得到的数据如表3所示。表3给出了不同频点测试得到的峰值检波、准峰值检波和平均值检波场强值。为了给飞机安全留有足够安全裕度，以峰值数据作为计算参考。

表3 测试结果Table 3 Test results

为了与国标规定的保护率要求进行对比研究，需要将测试得到的数据转换为10 m法数据，其计算公式为[24]

(1)

式中：ED和E10分别表示距离电弧D和10 m法得到的电场强度值，n为转换系数，在30 MHz～110 MHz频段内，n=1.2，在110 MHz～1 GHz频段内，n=1.0。由于同轴电缆存在一定的衰减损耗，实际的10 m法场强应该是转换后得到的计算值加电缆损耗。

3 弓网电弧电磁干扰的影响

由于弓网离线电弧在不同频率范围内的电磁干扰场强不同，因此对不同信标台的影响结果不同。本文主要研究铁路下穿机场跑道的情形。由于铁路以不同角度下穿机场跑道会造成不同的影响，同时飞机在不同位置处收到的干扰也不同，因此本文首先研究了铁路以不同下穿角下穿机场跑道以及飞机在不同高度时弓网电弧对信标台的电磁干扰影响规律；然后以电磁干扰影响最严重的飞机高度位置处，对仪表着陆系统3个信标台分别进行计算分析，评估弓网电弧对仪表着陆系统的影响。

3.1 机载信号信干比的变化规律

3.1.1 铁路下穿角α对信干比的影响

当铁路以不同角下穿机场跑道时，弓网离线电弧对ILS产生的电磁干扰影响不同，因此本节以航向信标为例研究铁路下穿角度的影响规律。

假设铁路以α角度下穿机场跑道，其中飞机下滑角度θ=3°[23]，如图3所示。根据电磁场基本原理可知：电弧与飞机的距离越近则产生的干扰强度越大，因此电弧发生位置在飞机着陆跑道入口处时干扰比跑道远端的干扰更大，因此如果条件允许应该将电分相的位置建在着陆跑道远端。本文考虑干扰比较大的情况，如果电分相不可避免的必须建立在着陆跑道入口一侧时的影响情况。

已知航向信标距离跑道远端的长度为300 m，机场跑道长度为3 600 m。通过图3的几何关系可得飞机在某一位置时距离航向信标台Ds和电弧的距离Dn：

图3 铁路下穿机场跑道示意图Fig.3 Schematic diagram of railway passing airport runway underground

(2)

(3)

设航向信标台的发射功率为P，天线增益为G，则根据电磁波传播原理，在距离航向信标Ds(飞机处)位置处的功率流密度为

(4)

(5)

式中：Es为飞机接收到的航向信标信号强度；η为空气的本征阻抗。

假设弓网离线电弧某频点的辐射功率为

Pn,电弧均匀向空间辐射，则在距离Dn(飞机处)位置处的功率流密度为

(6)

(7)

式中：En为飞机接收到的弓网离线电弧信号强度。

R=Es-En

(8)

只要机载信号的信干比大于GB 6364—2013《航空无线电台(站)电磁环境要求》的防护率就能够保证飞机接收到的信号不受电磁干扰影响。

航向信标发射功率为15 W，增益为9.5 dB，假设弓网电弧电磁发射功率不变，当飞机的飞行高度为100 m时，通过计算得到机载信号信干比与铁路下穿机场角的关系如图4所示。

图4 机载接收信号信干比与铁路下穿角的关系Fig.4 Relationship between signal-to-interference ratio of airborne received signals and railway under-passing angle

通过图4可以看出下穿角越小机载信号的信干比越小，越容易受到电磁干扰影响。因此如果电分相在跑道着陆入口一端时，增大下穿角有利于减小干扰影响。

3.1.2 电分相位置x对信干比的影响

以铁路45°角下穿机场跑道情形，对于飞机在某一固定位置时，研究电分相在沿跑道方向的不同位置对飞机电磁干扰的影响规律。如图5所示，以跑道着陆入口处为原点，铁路电分相(弓网离线电弧发生点)距离跑道着陆入口处的平行距离为x，飞机距离跑道着陆入口的水平距离为：hcotθ。

图5 铁路以45°下穿跑道示意图Fig.5 Schematic diagram of railway passing under runway at 45°

还是假设飞机的飞行高度为100 m，研究机载信号信干比随铁路电分相位置x的变化规律。此时电弧距离飞机的距离变为

不同地应力条件下，高压水渗透进入煤体中对裂隙扩张效果有所差别，并且地应力又对起裂压力、起裂位置产生影响[20-21]。因此，当孔隙水压和水平应力比组合影响时，定向压裂效果有待研究。延用图6的模型，控制水压设定为8 MPa。试验中，通过改变模型边界荷载形成不同水平应力比，具体参数见表3。以此，研究非对称孔隙压力场与不同地应力比共同影响下裂隙的起裂、扩展规律。

(9)

图6给出了飞机接收到的航向信标信号的信干比随铁路电分相位置的变化规律，从图6可以看出，随着x的增大信干比逐渐增大，因此当x=0 m，即位于跑道入口位置处弓网离线电弧产生的影响最大。

图6 机载接收信号信干比随x的变化曲线Fig.6 Curve of signal-to-interference ratio of airborne received signals along with x

3.1.3 飞机着陆高度h对信干比的影响

同样地，以铁路45°角下穿机场跑道的情形，电分相位置在机场跑道入口处(x=0 m)，当飞机进近着陆时随高度的变化，机载信号信干比随着陆高度h的变化规律如图7所示。

图7 机载接收信号信干比随飞机着陆高度的变化曲线Fig.7 Curve of signal-to-interference ratio of airborne received signals along with aircraft landing height

通过图7可以看出，随着飞机着陆高度的增大，机载信号信干比先减小后增大，当飞机着陆高度为43 m时，信干比最小，受到弓网电弧的电磁干扰最大。

3.2 弓网离线电弧对ILS各信标台信号的影响

以铁路45°角下穿机场跑道情形为例结合实际测试弓网电弧干扰场强大小求解高速铁路电分相到机场跑道的最小保护距离。对于航向信号和下滑信号，当飞机高度为43 m时干扰最大，为了保证飞机飞行安全，如果此位置处飞机没有受到干扰则飞机在整个进近着陆过程就不会受到影响。

对于下滑信标和航向信标一样，干扰最大的位置在飞机高度为43 m处，由于指点信标发射信号是垂直向上的，只有当飞机飞越其上空时才会收到指点信标信号，因此受干扰的位置在飞机飞越指点信标上空。

3.2.1 弓网离线电弧对航向信标的影响

根据GB 6364—2013《航空无线电台(站)电磁环境要求》规定，航向信标的最远覆盖范围为146.3 km，在航向信标信号覆盖区内，最低信号场强为Emin=40 μV/m。利用电磁波传播原理可以得到飞机在进近着陆高度为43 m处的航向信标信号强度为

(10)

根据表3的实际测试结果，实际测试得到的距离电弧位置165 m处的弓网离线电弧的电磁干扰最大场强为68 dB·μV/m，加上同轴电缆的衰减损耗，可以得到弓网离线电弧在165 m处实际的电磁干扰最大场强为68.81 dB·μV/m。通过电磁波传播基本原理可以得到当铁路以45°角下穿机场跑道，电分相位于与机场跑道入口平行的位置时，飞机在进近着陆高度为43 m处接收到的电磁干扰场强大小为

(11)

然后利用信干比式(8)可以得到当铁路经过电分相发生弓网离线电弧时，机载接收航向信标的信干比为12.92 dB，小于GB 6364—2013《航空无线电台(站)电磁环境要求》规定的20 dB最小防护率。因此如果铁路以45°角下穿机场跑道，电分相位于与机场跑道入口平行位置处，同时飞机下落高度为43 m时，飞机接收到的航向信标信干比为12.92 dB，低于国标规的7.08 dB，会对航向信标产生干扰。

3.2.2 弓网离线电弧对下滑信标的影响

根据GB 6364—2013《航空无线电台(站)电磁环境要求》规定，下滑信标的最远覆盖范围为18.5 km，在下滑信标信号覆盖区内，最低信号场强为Emin=400 μV/m。根据图1可以计算得到下滑信标台距离飞机的距离为

(12)

利用电磁波传播原理可以得到飞机在进近着陆高度为43 m处的下滑信标信号强度为

(13)

将式(13)减去式(11)可以得到当铁路经过电分相发生弓网离线电弧时，机载接收下滑信标的信干比为29.08 dB，大于GB 6364—2013《航空无线电台(站)电磁环境要求》规定的20 dB最小防护率。因此如果铁路以45°角下穿机场跑道，电分相位于与机场跑道入口平行位置处，同时飞机下落高度为43 m时，飞机接收到的下滑信标信干比为29.08 dB，大于国标规定的最小防护率要求，不会干扰下滑信标。

3.2.3 弓网离线电弧对指点信标的影响

中国民航大多数机场均采用只设置外指点和内指点信标的形式，因此以距离跑道入口较近的中指点信标为例计算弓网离线电弧对指点信标的影响。根据GB 6364—2013《航空无线电台(站)电磁环境要求》规定指点信标台向空中垂直发射锥型场，其中中指点信标信号覆盖范围：高度为60～80 m，纵向宽度为200～400 m，如图8所示。信号覆盖区内最低信号场强为Emin=1.5 mV/m=1 500 μV/m。

图8 中指点信标台信号覆盖区域Fig.8 Signal coverage area of middle marker beacon

中指点信标台距离跑道入口的距离取1 200 m，以中指点信标所能覆盖的最大范围计算，即高度取80 m，纵向宽度取400 m，此时电分相距离飞机的距离及此时飞机接收到的弓网离线电弧信号强度为

(14)

(15)

机载信号接收指点信标的信干比为

R1=20lgEmin-En1

(16)

根据式(14)～式(16)可以求得机载信号接收到的指点信标信号的信干比为16.64 dB，小于GB 6364—2013《航空无线电台(站)电磁环境要求》规定的23 dB最小防护率。因此如果铁路以45°角下穿机场跑道，电分相位于与机场跑道入口平行位置处，飞机经过中指点信标时接收到的指点信标信干比为16.64 dB，低于国标规定3.36 dB。

4 结 论

1) 当铁路以不同角度下穿机场跑道中心时，横穿角度越小机载信号的信干比越小，越容易受到电磁干扰影响。因此增大下穿角度有利于减小干扰影响。

2) 当铁路以某一固定角度下穿机场时，随着电分相到跑道距离增加干扰逐渐减小。

3) 当铁路以45°角下穿机场跑道中心，电分相位置与跑道入口平行时，随着飞机着陆高度不断降低，机载接收信号信干比先减小后增大，当飞机高度为43 m时，信干比最小，受到弓网电弧的电磁干扰最大。

4) 通过实测数据分析了弓网离线电弧电磁辐射对机场ILS信标台的电磁干扰影响：当铁路以45°角下穿机场跑道，铁路电分相位置与跑道入口平行时，飞机接收到的航向信标信号的信干比为12.92 dB，低于国标规定的最小防护率要求；飞机接收到的下滑信标信号信干比为29.08 dB，大于国标规定的最小防护率，不会对下滑信标产生干扰；飞机接收到的指点信标信号信干比为16.64 dB，低于国标规定的最小23 dB的防护率要求。

5) 在机场及铁路规划设计中应着重考虑铁路电分相弓网离线电弧对机场ILS的电磁干扰，应给出足够的余量，以保证弓网离线电弧产生的电磁辐射不会对机载信号产生影响，从而影响飞机的进近着陆安全。

本文可为高速铁路与民航的电磁兼容性研究提供理论依据和技术方法，同时可为机场选址和铁路选线提供技术支持。