重庆江北机场天气雷达干扰排查与实例分析

皮 波,谢英伟,李柠江,刘乃和

(民航重庆空管分局,重庆 401120)

0 引言

天气雷达是监测和预警强对流天气、保障民航飞行安全的重要工具[1-2]。其工作原理是雷达发射机向空中发射电磁波脉冲,雷达天线收到大气中的云雾、雨、雪等气象目标物返回微弱后向散射的电磁波信号,经接收机进行滤波、混频、放大、检波、输出等信号处理,可获知气象目标物的空间位置和粒子的密度及直径大小等特征。在雷达运行中,回波干扰是影响天气雷达对外提供服务的常见因素。雷达回波干扰一般分为有源干扰和无源干扰[3-4],其中对天气雷达的无源干扰主要包括有地物干扰、海浪干扰等。无源干扰一般可通过软件算法和硬件的方法进行减弱和消除处理。有源干扰是指在雷达附近有电子设备发射特定的电磁波对雷达产生干扰,主要包括为邻近雷达的同频干扰、无线电设备的同频干扰、邻道干扰、互调干扰等[5-7]。近年来,多个站点的天气雷达受到不同程度有源的无线电电磁干扰,影响雷达探测质量和资料的深入应用[8-9]。本次重庆江北机场天气雷达受到无线电设备的同频干扰。本次干扰在一定方位角度范围内表现为放射状的径向回波干扰,它和降水回波在很多区域是重叠的[10-11],给预报员在分析使用回波图、制作航空天气预报带来较大影响,甚至影响航空管制指挥。

本文针对重庆江北机场天气雷达受到的干扰情况、排查过程进行了介绍和分析。

2 雷达受干扰情况

2.1 雷达受干扰的现象

民航重庆空管分局的天气雷达由成都锦江电子工程有限公司生产,为C 波段双偏振全相参脉冲多普勒天气雷达。中心频率为5 310 MHz,接收灵敏度为-110 dBm,接收带宽为30 MHz,海拔高度为455 m。

2020 年9 月初,预报、管制用户和设备保障人员陆续发现重庆江北机场天气雷达回波图在20°～40°东北方向、200°西南方向出现了放射状径向干扰,干扰回波在径向上呈条辐状分布,一直延伸到雷达的最大探测距离,和降水回波在很多区域是重叠的。速度场信息也是模糊、不连续的。雷达回波的强度与速度信息都受到干扰,干扰时间为24 h 不间断。随着天线仰角的抬升,干扰逐渐减少,当仰角大于14°后干扰消失。雷达受干扰的回波强度如图1 所示。

图1 受干扰回波的强度

2.2 雷达受干扰的分析

雷达回波受到干扰后,设备保障人员尝试多种方案,试图找出雷达受干扰的原因,以便消除干扰。干扰可能是由于雷达自身故障和机内产生,也可能是外部干扰。笔者按以下3 个步骤进行排查,排除雷达自身故障引起干扰的可能。

第一步,排除发射机产生干扰。关闭雷达发射机高压电源,PPI 平扫时显示地物回波消失,但是径向干扰回波依然存在,证明干扰信号不是雷达发射机产生。

第二步,排除接收机产生干扰。先将雷达工作模式切换至单偏振水平探测模式,同时关闭雷达发射机高压电源,雷达接收机与天馈系统连接的波导断开,PPI 平扫时地物回波消失,径向干扰回波消失。再将频谱仪设备接入天馈系统测试干扰电磁波信号特征,并手动调整天线对准干扰方向,成功捕获到频率范围为5 296 MHz～5 313 MHz 干扰信号,干扰信号如图2 所示,证明干扰信号不是雷达接收机产生。

图2 干扰信号

第三步,排除天馈系统产生干扰。关闭雷达发射机高压电源,用金属器皿遮挡天线的馈源,PPI 平扫时干扰回波消失,移开金属器皿,干扰回波出现。证明干扰信号不是雷达天线、馈线和波导产生。

通过以上3 步,可以判定天气雷达干扰为外部干扰,由外界发射从雷达的天馈系统进入接收机。

3 雷达干扰排查过程及处理

确定为外部干扰后,设备保障部门按程序向地方无线电管理机构进行干扰申报,市无线电监测站人员对干扰情况进行全面了解后,与设备保障人员共同开展排查。

3.1 前期排查

第一阶段,对雷达站附近通信运营商基站的排查。监测站人员使用手持天线和频谱仪组成检测工具,在雷达天线罩外的平台进行监测。在20°～40°东北方向监测到微弱的干扰信号,强度约为-70 dBm,随后沿着20°～40°东北方向寻找干扰源。监测发现移动、联通、电信三大运营商的通信基站存在谐波干扰信号,怀疑干扰信号来自基站。立即联系移动、联通、电信三家运营商来关停相关基站设备,进行干扰源排除测试。几天时间内先后对距离雷达站1 000 m 范围内的7 处基站进行了关停试验,雷达回波图上的干扰依然存在。证明干扰信号不是运营商基站产生。

第二阶段,继续沿20°～40°东北方向由近到远的干扰信号排查。监测站人员和设备保障人员按照由近及远的原则,先后到雷达东北方向的川航宾馆、沙坪信标台、观月小区、中国摩工地、苏宁智慧园工地等追踪疑似干扰源信号。在雷达东北方向、距离约8 km的某智慧园、某医药流通基地、某产业综合基地3 处工地发现疑似干扰信号,经进一步监测,疑似干扰信号为3 处工地所使用的无线网桥设备产生。经协调,3 处工地管理单位联系设备安装厂家将无线网桥工作频率调整至5 800 MHz 附近,但雷达回波图干扰依然存在。基站干扰源如图3 所示。

图3 基站干扰源示意

3.2 200°西南方向的干扰源

由于20°～40°东北方向的干扰排查一直未取得突破,监测站人员和设备保障人员决定转变思路,着手排查200°西南方向干扰。很快在雷达站200°西南方向、距离约5 km 的某项目工地测到干扰信号,并查明干扰信号来自工地用于传输视频监控信号的5 套无线网桥设备。协调该工地管理单位对无线网桥设备调整工作频率后,雷达回波图200°西南方向的干扰随即消失。200°西南方向干扰源如图4 所示。

图4 200°西南方向干扰源示意

3.3 20°～40°东北方向的干扰源

200°西南方向干扰成功排除后,监测站人员和设备保障人员再次展开对20°～40°东北方向干扰的排查。

设备保障人员对前期3 个多月的干扰排查记录进行了认真回顾和经验总结,重新确定排查思路。设备保障人员先在雷达机房内波导处将频谱仪接入天馈线系统,再进行干扰信号的定位,成功锁定雷达天线方位28.8°、仰角-0.5°位置接收的干扰信号最强。由于重庆地貌类型复杂多样,以山地为主,根据三角函数推算出气象雷达与干扰源之间距离对应的海拔高度,干扰源模型如图5所示。

图5 干扰源模型

H1为雷达天线海拔高度455 m,H2为干扰源A 所在海拔高度,θ 为雷达天线的仰角0.5°,S1为气象雷达与干扰源之间的直线距离(见图7),计算干扰源A 海拔高度的表达式为:

根据测算海拔高度结果与电子地图上各点位模拟的干扰源实际海拔高度数据,得出结论为干扰源距离雷达10 km 以内。因为在雷达站28.8°方向,从10 km 处向更远方向,地表海拔高度快速升高,远高于测算出的干扰源高度。

根据以上推断,设备保障人员重新确定多处重点排查目标并开展新一轮排查。终于,在某工地附近成功捕捉到微弱的干扰信号。经反复对比,该信号频段、波形均与雷达接收到的干扰信号一致。监测站人员和设备保障人员沿信号指向向东继续排查,在距离雷达站9.2 km 的某物流园内成功锁定干扰源。

干扰源为该物流园用于水电表数据传输的无线网桥设备,干扰源实物如图6 所示。其中,1 号、2 号发射天线安装在6 号仓库东西两侧,3 号发射天线安装在7 号仓库西侧,1 个接收天线安装在物流园入口监控室的屋顶,3 个发射天线均指向天气雷达站方向。

图6 20°～40°东北方向的干扰源

协调物流园工作人员关闭该无线网桥设备后,现场检测干扰信号消失,天气雷达20°～40°东北方向的干扰也随之消失。该物流园工作人员迅速协调安装厂家进行了频率整改,整改后通过连续多日跟踪观测,20°～40°东北方向干扰没有再出现,最终确认此次干扰消除。

4 雷达排查过程分析

(1)随着科技进步和发展,大量民用企业生产5 150 MHz～5 350 MHz 频段的无线设备,且被非法用于室外(注:根据国家工业和信息化部2012 年12 月31日发布的《工业和信息化部关于发布5 150 MHz～5 350 MHz 频段无线接入系统频率使用相关事宜的通知》(工信部无函〔2012〕620 号),规划5 150 MHz～5 350 MHz频段用于无线接入系统,同时通知中明确“上述频段的无线接入系统仅限室内使用”)。比如,工地、仓库等场所的视频和数据的无线监控设备、无线传输设备(如网桥设备)。这些设备有5.1 G 和5.8 G 两个工作频段,设置为5.1 G 频段时,实际工作频率为5 180 MHz～5 320 MHz,刚好覆盖天气雷达中心频率5 310 MHz。其有效工作距离一般在300 m～3 km,有些甚至达到5 km。但对其他无线电设备的影响或干扰距离(有干扰信号)成倍于其工作距离(传输信号不发生畸变)。天气雷达接收机灵敏度高、天线增益大,微弱的信号就可能对天气雷达产生很强的回波干扰。因此在干扰排查过程中,不能因其位置在有效工作距离之外而排除对其进行排查。

(2)本次排查过程中,大量室内网络路由器设备也给本次干扰排查增加了很多困难,这些无线设备是符合工信部无函〔2012〕620 号文件要求的,为合法设备,作用距离短,不会对雷达造成干扰。但近距离在检测设备上会形成较强回波。在排查过程中,常常将排查人员引入某些建筑物内,浪费很多时间。

(3)天气雷达1 km 范围内有多个移动、联通和电信基站,大量2G,3G,4G,5G 的发射天线安装在同一个楼顶或同一个电杆上。这些单个基站的发射频率不超过4.9 GHz。但大量基站共同作用的结果使近距离的无线电监测设备在雷达工作频率5 310 MHz 附近产生很强的干扰,甚至饱和。实际上,通过测试这些基站不会对雷达造成干扰。在前期的排查过程中,这些误导使无线电排查人员走了很多弯路。

5 结语

本次天气雷达干扰排查工作共耗时4 个月时间,设备保障人员通过在排查过程中不断学习和积累,能够进行干扰信号定位和信号特征分析,同时利用三角函数推算出干扰源的海拔高度等重要信息,与监测站人员一起成功排除了无线网桥设备干扰。

当前,无线电干扰新型化、多样化,无线网桥等低功率设备在日常生产生活中得到广泛应用,因此产生的干扰也日益增多。鉴于无线传输的方便快捷,无线网络成为大多数企业的首选装备。随着智慧工地的兴起,致使可改频、无型号核准的“黑网桥”时有出现。在排查过程中不断有新的干扰源出现,对用户提供雷达数据服务造成不好影响。因此,对于雷达站附近的建设项目,需要相关部门从安装和使用无线传输设备的环节严加监管,这有利于减少干扰隐患,改善雷达站的电磁环境。