民航甚高频地空通信远距离同频话音干扰分析

罗翔

【摘要】 甚高频地空通信作为民航空管地面管制与飞行机组通信的主要方式，话音清晰是其主要特点，但目前也存在广播、话音、电流、噪声等多种形式的干扰影响着地空通信质量，造成管制与机组通信不畅或中断。本文主要针对甚高频地空通信远距离同频话音干扰这一特殊现象进行分析，特别对特殊气象条件下导致甚高频无线电波远距离传播进行研究，并对大气波导和对流层散射影响无线电波的传播进行了详细分析，为民航空管通导人员理解甚高频地空通信远距离同频话音干扰提供了比较全面的理论分析，并提出了个人的相关建议。

【关键词】 甚高频地空通信 远距离 同频话音干扰 大气波导 对流层散射

一、引言

随着民航飞行流量的飞速增长，空管管制扇区不断细分，对应管制频率也随之增加，由于民航无线电频谱资源有限，在指配管制扇区频率时难免存在频率复用情况，即同一个管制频率可分配给多个相距较远的管制扇区使用。甚高频地空通信作用距离一般不超过500公里，通常情况下相距上千公里的管制单位使用相同的频率是不会产生相互干扰，然而2016年5月成都管制区却在正常使用甚高频管制频率时多次接收到来自广州管制区和上海管制区的同频话音，对成都管制区的甚高频地空通信造成了干扰。针对此特殊现象，本人查阅了甚高频无线电波远距离传播的相关资料，进一步分析了甚高频无线电波传播特性，发现特殊气象条件下会导致甚高频无线电波实现地对地的远距离传播，并对可能造成甚高频远距离通信的大气波导、对流层散射这两种传播方式进行详细分析。

二、甚高频地空通信远距离同频话音干扰实例分析

2.1 干扰现象

2016年5月成都管制区的两个甚高频管制频率在正常使用时多次出现来自远距离的话音干扰，话音清晰，持续时间短，通过内容能准确判断出该话音为管制单位的指挥指令，并通过话音中涉及的航班号信息查找到话音来源，经联系相关单位确认接收到的管制话音为广州管制区和上海管制区在同一时间相同频率中发射的。频率1为成都管制区08号扇区主频，接收到广州管制区频率相同的01号扇区主频话音，频率2为成都管制区05号扇区主频，接收到上海管制区频率相同的26号扇区主频话音，所使用的甚高频发射台和接收台相距均在1000公里以上。

2.3干扰情况分析

通过干扰现象来看，此次干扰应归类为不同管制区相同管制频率间的远距离话音干扰。管制话音的发射和接收设备均为地面甚高频系统，故此类干扰实际是实现了甚高频频段地对地通信的远距离传输造成的，由于甚高频收发信机工作在甚高频频段，其空间传播方式为视距传播，正常情况下难以实现上千公里的通信。那么有什么情况可以促成甚高频无线电波实现超视距传播，达到上千公里的通信距离，就是管制甚高频地空通信远距离同频话音干扰的具体原因。

三、甚高频无线电波远距离传播分析

3.1 无线电波传播特性

无线电波传播是指发射天线辐射的无线电波通过自然条件下的媒质到达接收天线的过程。在传播过程中，无线电波可能受到反射、折射、绕射、散射和吸收，并可能引起无线电信号的畸变。传输无线电波的媒质主要有地表、对流层、电离层等，这些媒质对不同频段的无线电波的传播有着不同的影响，根据媒质及不同媒质分界面对电波传播产生的主要影响，电波传播主要分为地面波传播、天波传播、视距传播、散射传播等，由于媒质的时空性、随机性、不均匀性、各向异性和有耗性等将使信号衰减、极化方式发生改变，或使电波传播方向和传播速度改变。

3.2 甚高频无线电波远距离传播的可能性

甚高频及以上频率的无线电波既无法以地波的形式沿着圆形地球表面传播，也无法以天波传播的方式经电离层折射返回地面，其传播方式为视距传播，不可能传播到上千公里之外的地方。但无线电波在大气环境中传播，不仅会受大气环境中气体分子和气溶胶粒子的吸收、散射所造成的衰减影响，还受大气折射影响，负折射、临界折射和陷获折射等异常折射会引起无线电波出现异常传播现象，有可能将甚高频无线电波通过某种特定的方式传播到千里以外或者更远。如图1所示，无线电波在对流层中会产生多种方式的传播。

3.3 大气波导传播

3.3.1 大气波导

对流层中传播的无线电波主要受大气吸收、折射、反射和散射的影响，在所有这些因素中折射的影响在各个频段上都是显著地，而且折射效应的显著程度主要依赖于传播路径上的折射指数变化梯度和电波射线初始仰角。在一定的气象条件下，近地层中传播的电磁波受大气折射影响其传播轨迹弯向地面，当曲率超过地球表面曲率时电磁波会部分地被陷获在一定厚度的大气层内，经该大气层上下边界来回反射向前传播，就像电波在金属波导管中传播一样，这种传播现象称为大气波导传播，如图2所示，陷获折射即为波导传播，形成波导传播的大气层称为大气波导。

3.3.2大气波导分类

不同的气象条件会形成不同类型的波导，通常大气波导分为：表面波导、蒸发波导、抬升波导。表面波导又分为两种，一种是陷获层接地的表面波导，另一种是基于表面的波导。如图2所示，图中阴影区为波导厚度。

3.3.3大气波导传播条件

边界层大气中的电磁波若要形成波导传播必须满足以下4个基本条件：（1）近地层某一高度处必须存在大气波导；（2）电磁波的频率必须高于最低陷获频率；（3）电磁波发射源必须位于大气波导层内，对于抬升波导，有时电磁波发射源位于波导底下方时，也可形成波导传播，但此时发射源必须距波导底不远，并且波导强度必须很强；（4）电磁波的发射仰角必须小于临界仰角。

3.3.4大气波导对甚高频通信的影响

大气波导的存在与否对甚高频通信的有一定的影响，当甚高频无线电波在边界层大气中形成波导传播时，大气波导对其产生的影响主要表现在两个方面：一是增加无线电波传播的距离，二是增加电场强度。通常甚高频无线电波波导传播距离可数倍于其正常的传播距离。

3.4 对流层散射传播

3.4.1 对流层散射

地球大气层一般分为电离层、平流层和对流层。对流层作为地球大气层最低层的一个区域，其最高位置离地面上空十多公里，中纬度地区平均高度为10～12km，对流层是不稳定、多变的，几乎所有的天气现象都发生在对流层，它是无线电波的一种不均匀介质，其中分布着大量的不均匀体，或称散射体，表现为大大小小、形状各异并且或快或慢地运动变化的空气漩涡、云团边际和某种渐变层结等。它们在温度、湿度和压强上与周围空气不同，从而在折射指数上与周围空气也有差异，因而，当无线电波通过这种不均匀介质时，电波沿途遭受折射外，还被不均匀体再次辐射，这种对流层不均匀体对无线电波的再辐射，即形成对流层散射。

3.4.2 对流层散射传播分类

对流层散射现象的发现源于20世纪30年代，在实践中观察到了超短波、微波信号的传播距离达到800-1000km，远远超出正常的视距传播距离。由于频率太高，射向地面的超短波、微波频段的电波几乎无法在地表激起表面电流，这时地表对于这个频段的电磁波而言相当于良导电体，电磁波在地表几乎全部反射而没有入射。通过构造各种理论模型来解释这种传播，使理论模型得出的数据尽可能地与实测数据相符。到目前为止，已经提出的机理主要有湍流非相干散射（散射理论）、不规则层非相干反射（多模理论）和稳定层相干反射（反射理论）三种。

（1）湍流非相干散射

大气湍流运动产生大气涡旋，每一个涡旋都是一个介电常数不均匀体，在电波的照射下，它变成一个偶极子，将入射电磁能量向四面八方进行二次辐射。由于湍流运动的特点，散射体是随机变化的，每个受激励的偶极子辐射的信号在强度、相位上应是相互独立、互不相干且随机变化的，因而对任一固定的接收点而言，其接收信号就是这些不相干多径信号的矢量和。

（2）不规则层非相干反射

这种理论认为在对流层中经常存在温度、湿度和压力都极为不同的云层和冷暖空气团，当它们在某处交汇时，由于各项参数的急剧变化导致折射指数的剧烈变化，从而形成一种锐变层。这类锐变层强度不等、形状不一，位置、取向极不规则，不断变化，并随气流不断移动。此种理论认为，这类不规则层对电波的非相干性部分反射，就是电波超视距对流层传播的起因。

（3）稳定层相干反射

这种理论认为，电波超视距对流层传播起因于介电常数随高度变化而较稳定的非线性分布。大气中的介质可按高度连续分成一系列薄层：一层相对一层的介电常数都有所变化；每层都能对电波进行部分反射；各反射分量间有确定的相位关系，它们在接收点的相干叠加即为接收场。

三种理论模型都缘于对流层中不同的大气分布，且各种理论还有许多细分。相对而言，湍流非相干散射理论发展得比较完备，它有比较严格的湍流理论作基础，并且可与较多的实验数据相吻合；不规则层非相干反射理论在介质结构上缺乏严格的理论基础，但仍能与许多实验结果相吻合；稳定层相干反射理论在与实验数据的吻合度上较差一些，但在一些特定的环境下仍有与之比较符合的实验数据。从频率上看，在0.5GHz以下，对流层超视距远距离传播主要是靠稳定层相干反射和不规则层非相干反射，而且随着频率的降低，前者显得更为主要；在0.5—1.5GHz之间，湍流非相干散射和不规则层非相干反射两者兼有；1.5GHz以上主要是靠湍流非相干散射。因此，工作在甚高频频段的通信台站在信号发射时可能通过对流层散射传播实现远距离通信。

四、结论和建议

综上所述，对流层大气波导传播和对流层散射传播在满足一定条件时都可以实现甚高频无线电波的远距离传播。对流层散射传播形成的信道较稳定且传输衰耗较大，与成都管制区接收话音时有时无、质量清晰的特点不同，所以由对流层散射传播造成的可能性很小。而大气波导传播的前提是需特殊天气形成大气波导，并且发射的无线电波须满足上文所述基本条件才能对无线电波进行波导传播，因此当千里之外的管制单位发射甚高频信号时需存在大气波导，并当发射的信号满足传播条件时才能实现远距离传播，发生的概率相当小，这与成都管制区发生的远距离同频话音干扰现象比较类似，故可暂时解释成都管制区接收到的上千公里的甚高频同频话音是由于特殊天气条件下通过大气波导传播的偶然现象。以上判断皆为根据无线电波传播理论分析的结果，为进一步证实此类干扰的原因，建议对受干扰台站和频率进行实时监测和记录，捕获相同干扰再次出现时的信号特征，进行信号强度、频谱等参数的分析，希望能得到更多的数据支持，研究得出最终的结论。

参 考 文 献

[1]王元坤. 电波传播概论.国防工业出版社. 1983年.

[2]姚展予等. 大气波导特征分析及其对电磁波传播的影响. 气象学报 2000年10月.

[3]张明高. 对流层散射传播. 电子工业出版社. 2004年.