仪表着陆系统干扰现状分析与多径干扰仿真＊

吴岳洲，傅 强，郭 康

(中国民用航空飞行学院计算机学院，四川 德阳 618307)

0 引言

随着我国民航航班数量和机场数量越来越多，各类通信、导航、电力等电磁辐射源设备的使用，导致机场电磁频谱环境愈发复杂[1-2]，对保障民航飞行安全、专用航空台站设备无线电频率有序使用提出挑战。其中，仪表着陆系统是引导航空器非目视精密进近和着陆的重要国际标准导航系统，通过地面的航向信标、下滑信标和指点信标为航空器提供距离、水平和垂直引导，保障飞机沿跑道中心线的垂直面和和下滑角进行着陆。文献[3]通过研究高铁的弓网离线电弧现象，分析其电磁辐射对仪表着陆系统的影响。文献[4]根据不同仪表着陆系统的电磁特性参数和干扰防护指标，分析了无线电干扰程度及干扰防护率。文献[5]研究机场空域和周边建筑对仪表着陆系统信号干扰现象，提出一种基于修正快速傅里叶变换频谱校正的仪表着陆系统信号鉴频分离技术。文献[6]提出了针对机场仪表着陆系统与电气铁路间的电磁兼容预测分析方法。本文将进一步梳理仪表着陆系统的干扰源和干扰类别，并针对常见的多径干扰现象进行仿真分析。

1 仪表着陆系统干扰现状分析

无线电干扰导致有用信号质量下降、丢失或阻断。在无线电通信业务中，干扰分为三个级别：允许干扰、可接受干扰和有害干扰[7]。机场及其周边的地形地貌、建筑物、电磁辐射等环境越来越复杂，使得仪表着陆系统经常受到不同程度、不同类型的干扰。根据仪表着陆系统接收到的电磁干扰来源，干扰主要分为无源干扰和有源干扰（见表1）。

表1 仪表着陆系统常见干扰源

比较常见的无源干扰包括金属围栏、建筑物、树木等。无源干扰主要因为无线电波传播时受障碍物影响，使得仪表着陆系统的无线电波传播路径发生了变化，进而造成无线电波的减弱或遮蔽。一旦不同无源干扰产生多径叠加，就会加剧无线电传播受影响的程度，因此分析无源干扰对仪表着陆系统的干扰影响非常重要[8]。

比较常规的有源干扰包括民用无线电广播、非航空类电子设备、各类高压电线等。有源干扰主要因为无线电波在空间传播时，受到来自非仪表着陆系统的电磁设备发射信号影响，使得无线电波在频率、波道、频段等方面出现变化，进而使得信号传播路径发生改变，影响导航的精准性。这些常规的有源干扰物体会发射带有脉冲性能的电流或者带有随机脉冲干扰性能的弓网离线电弧，在不同程度上对仪表着陆系统的导航性能造成影响[9-10]。

2 航向信标多径干扰

仪表着陆系统指点信标台在机场终端，受干扰程度较小。当前对仪表着陆系统天线阵的干扰研究大多集中于航向信标台天线阵，航向信标台天线主要采用对数周期偶极子天线（Log Periodic Dipole Antenna，LPDA）。本文重点研究仪表着陆系统航向信标天线电磁辐射场，并进行多径干扰现象的仿真分析。

2.1 航向信标辐射场分析

航向信标为飞机航向道提供横向指引信号，其准确性主要依赖于天线辐射信号场型。航向信标台的对数周期偶极子天线由多幅相互对称的长振子和短振子构成，在短振子一侧采用集合线进行交叉馈电，并向长振子一侧传递馈电，这种馈电和排列方式，使振子间相互激励，在空间中产生有效信号辐射场，其空间辐射方向指向短振子一侧[11-12]。

航向信标发射两类引导信号，即载波加边带信号（carrier plus sidebands，CSB）和纯边带信号（sidebands only，SBO），调制频率分别为150Hz和90Hz，采用比幅制，通过比较两种信号强度，可分析飞机航向的变化情况。CSB 信号产生沿跑道中心线的单瓣方向图，以及SBO 信号产生指向跑道中心线的双叶方向图，如图1所示。

图1 航向信标信号辐射示意图

如图2所示，通过对航向信标天线仿真分析，得到其E 面、H 面和三维方向图。分析表明，天线整体辐射朝向一个方向，辐射定向性强，在H面上信号辐射满足左右35°范围内有较强增益，在E 面上满足7°范围内信号有效覆盖。

图2 航向信标天线方向图

对于等幅同相二元天线阵，间距为d，电流幅度比为1:I，I表示天线阵列单元数，当坐标原点为相位中心时，阵因子为[13-14]：

其中，θ为天线相对跑道中心线的方位角。

航向信标天线阵列第i对天线馈电幅度为Ai，馈电相位为φi，左右天线距离为di，则第i对天线阵CSB 或SBO信号阵因子方向性函数为：

对数周期天线水平方向性函数为：

其中，θ在-50o～50o范围变化。由方向图乘积定理知，第i对二元天线阵的CSB 信号和SBO 信号的方向性函数分别为：

2.2 航向信标多径干扰仿真

飞机进近着陆阶段受复杂地理和电磁环境影响，不同障碍物对仪表着陆系统信号的多径反射会影响天线辐射场，导致机载设备可能同时接收到航向天线阵的直达信号和障碍物反射的多径信号，影响仪表着陆系统的引导准确性。为分析航向天线受多径干扰时的电磁辐射场型变化，基于机场周边环境，利用二元阵理论，将多径干扰反射信号等效为镜像天线的直达信号，如图3所示。

图3 多径效应示意图

在多径干扰情况下，辐射场型在原有基础上增加的阵因子为：

最终，CSB信号和SBO信号的方向性函数为：

选择机场典型的20 单元和12 单元航向信标台天线阵作为研究对象，通信频率为111.1MHz，通信波长为2.7m。具体的航向信标台天线阵馈电情况如表2和表3所示。

表2 航向信标台20单元天线阵馈电表

表3 航向信标台12单元天线阵馈电表

针对航向信标台的CSB 和SBO 信号，分别进行理想情况下和多径干扰情况下的方向图归一化仿真分析。镜像天线与航向信标台天线距离设为800m，仿真分析结果如图4 和图5 所示。结果表明，理想情况下，CSB 和SBO 信号幅值变化曲线光滑且方向性良好；多径干扰情况下，信号幅值变化曲线则出现了较大幅度抖动和尖峰，产生信号偏差，影响导航的精准性和可靠性。

图4 CSB信号理想情况与多径干扰下幅值对比

图5 SBO信号理想情况与多径干扰下幅值对比

3 结束语

通过研究机场仪表着陆系统的工作原理和受干扰类型，利用天线二元阵理论和天线镜像原理，分析多径干扰对机场仪表着陆系统的影响，并对不同类型航向信标台天线阵的CSB 和SBO 信号进行仿真与对比分析。本文研究对航空器进近飞行安全具有重要意义，后期将综合考虑干扰类型、射频防护比和保护间距等因素，开展干扰信号检测与干扰效能评估。