机载天线遮挡角在地空通信中的影响探析

王国民，谷晓鹏，邱 恺

（中国洛阳电子装备试验中心，河南 洛阳 471023）

机载天线遮挡角在地空通信中的影响探析

王国民，谷晓鹏，邱 恺

（中国洛阳电子装备试验中心，河南 洛阳 471023）

为解决某次电子信息装备试验中某型通信设备地空通信联络效果欠佳的问题，在认真分析试验任务中通信联络数据采集表的基础上，得出了机载天线遮挡的原因，建立了某型机载天线遮挡的模型，根据球面三角学求解出天线遮挡角，利用一致性几何绕射理论，深入分析天线遮挡导致的信号损耗，在计算天线遮挡角的基础上，绘制出理想空域、遮挡空域、无效空域，给出了天线遮挡对飞行空域申请与航迹设计的具体影响，可为该型通信设备的战术应用提供参考。

天线遮挡；空域；航迹；球面三角学

0 引 言

某次电子信息装备试验中，发现在没有干扰的情况下，某型设备的通联效果仍然不佳。为寻求解决方案，建立了机载天线遮挡的模型，利用一致性几何绕射理论，深入分析信号损耗的原因，并结合电子信息装备试验任务数据进行了验证。在此基础上，根据球面三角学求解出天线遮挡角，阐述天线遮挡对空域申请的具体影响，可为相关飞行试验提供理论参考借鉴。

1 机载某型天线遮挡的数学模型

1.1 天线遮挡的原因

某型机载设备的天线安装于飞机下方，如图1所示。由于飞机的布局限制，机身下方其他设备的高度和宽度均大于机载天线，导致该天线被部分遮挡，从而引起信号损耗，使得地空通联效果不佳。

图1 天线遮挡示意模型

1.2 天线遮挡角

天线高度差会产生一个天线遮挡角γ，如图2所示。在直角三角形△ABC中，如果能够测量直角边AB、BC的长度，就可以求解出天线遮挡角γ。需要注意的是，γ是一个变量，它由航迹、飞机俯仰角、天线的高度差等多种因素决定。在飞机高速飞行时，精确计算γ值不但困难，而且没有必要。只要估算出γ的最大值在垂直面的分量α，就可用于指导空域申请、航迹设计等重要问题。

图2 天线遮挡角

球面三角学是解决三维问题的有效方法，在处理某些空间关系方面具有很大优势[1-2]。球面三角形是用半径为1的单位球体来定义的。它的边必须是单位球的大圆，它的角是大圆平面相交的夹角。边和角都用弧度来度量。为了便于计算天线遮挡角，选择接收天线的中心作为球心，边的大小等于该边的两个端点在球心处所形成的夹角。

如图3所示，α、β、γ形成一个球面直角三角形，满足奈培规则[3]：cosγ=cosα·cosβ。通过测量机载天线与其他设备的距离s、高度差h，可以得出α的估计值[4-5]：

图3 球面三角形

1.3 信号损耗估算与数据验证

天线遮挡问题，可以理解为近点电波绕射问题。根据一致性几何绕射理论[6-7]，对于源在曲面上的问题，绕射路径如图4所示。

图4 机身天线绕射示意

天线位于曲面上Rs点，接收点R0处于阴影区，则接收点处R0的绕射场为[8-9]：

式中，Te为并矢绕射系数；Rs及Sd2为源点和绕射点；ρc为聚散距离；sd为第2个绕射点Sd2到场点R0的距离；dPe(Rs)为源点处天线等效场。

该型通信设备的天线处于R0位置。通过一致性几何绕射理论计算可知，当处于遮挡空域时，接收信号幅度降低，相应的接收包数较少（见表1）；当处于理想空域时，接收信号幅度稳定，相应的接收包数基本不变（见表2）。

表1 飞机在理想空域的测试数据

表2 飞机在遮挡空域与无效空域的测试数据

2 天线遮挡角应用

2.1 空域划分

根据天线遮挡角的垂直面分量α、飞行高度H、设备最远通联距离D，可以将飞行的空域划分为：理想空域、遮挡空域、无效空域，见图5。

图5 空域划分

理想空域不存在天线遮挡问题，如果设备工作正常，且不存在人为干扰，那么通联效果良好。遮挡空域存在天线遮挡的问题，当飞机抵近地面站飞行时，天线无遮挡，通联效果较好；当飞机远离地面站飞行时，天线有遮挡，通联效果较差。无效空域，由于超过了最远通联距离，信号损耗大，通联效果差。

理想空域的临界圆锥角θ1与天线遮挡角的垂直面分量α满足：

遮挡空域的临界圆锥角θ2取决于飞行高度H和最远通联距离D，即：

当圆锥角θ满足0≤θ＜θ1时，飞行的空域为理想空域，临界圆锥的底面半径为r1=H·tan(θ1/2)；

当圆锥角θ满足θ1≤θ＜θ2时，飞行的空域为遮挡空域，临界圆锥的底面半径为r2=H·tan(θ2/2)；

当圆锥角θ满足θ2≤θ＜π时，飞行的空域为无效空域，飞机超过设备的最远通联距离。

2.2 遮挡空域应用

某型设备曾经承担多项任务，所申请的空域基本上都处于理想空域，不存在天线遮挡的问题。如果所申请的空域在遮挡空域，甚至是无效空域，则见图6。此时，天线遮挡问题就必须认真考虑。在遮挡空域，设计该设备的通联方案时，应尽量选择在飞机抵近地面站时工作，此时天线无遮挡。如果飞机远离地面站，天线遮挡导致信号损耗，会影响通联效果。

图6 空域划分图在水平面的投影

3 结 语

本文结合某次试验任务的信息采集表，建立天线遮挡的数学模型，求解天线遮挡角，采用一致性几何绕射理论，深入分析天线遮挡导致的信号损耗。在此基础上，结合飞行高度、某型设备的最远通联距离，将飞机的空域划分为理想空域、遮挡空域、无效空域，以对该设备的战术使用提供理论参考。不过，仅结合一致性几何绕射理论对天线遮挡产生的电波绕射问题、信号损耗进行了说明，更为精确的损耗模型尚有待进一步深入研究。

[1] David Adamy.电子战建模与仿真导论[M].北京:电子工业出版社,2004:94-100. David Adamy.Introduction to Modeling and Sim-ulation of Electronic Warfare[M].Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2004:94-100.

[2] David M Pozar.微波工程[M].北京:电子工业出版社,2009:544-545. David M Pozar.Microwave Engineering[M].Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2009:544-545.

[3] 李宏伟,陈克安.基于一致性几何理论的曲面表面绕射声场解[J].声学技术,2007,26(04):620-622. LI Hong-wei,CHEN Ke-an.Solution to Diffracted Sound Field on a Convex Surface Using Uniform Geometrical Theory of Diffraction[J].Technical Acoustics,2007,26(04):620-622.

[4] 熊皓.无线电波传播[M].北京:电子工业出版社, 2000:20-31. XIONG Hao.Radio Propagation[M].Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2000:20-31.

[5] 胡绘斌.预测复杂环境下电波传播特性的算法研究[D].长沙:国防科技大学,2006:85-87. HU Hui-bin.Study on the Algorithms of Predicting the Radio Propagation Characteristics in Complex Environments[D].Changsha:National University of Defense Technology,2006:85-87.

[6] Hyunchul Ku,Stev enson Kenney J.Behavioral Modeling of RF Power Amplifiers Considering IMD and Spectral Regrowth Asymmetries[J].Microwave Symposium Digest,2003(02):799-802.

[7] 杨俊安,钟子发,张旻等.互调干 扰的特性及判证方法[J].无线电工程,2000,30(02):16-18. YANG Jun-an,ZHONG Zi-fa,ZHANG Min,et al.The Method of Judging on Characteristics of Intermodulation Interference[J].Radio Engineering of China,2000,30(02): 16-18.

[8] 冉滴.浅析外界电磁场对通信设备的干扰[J].科协论坛,2011(08):104-105. RAN Di.A Brief Analysis on the External Electromagnetic Fields Interference to the Communication Equipment[J].Science &Technology Association Forum,2011(08):104-105.

[9] 赵永宽,蔡晓霞,陈红.一种改进的梳状拦阻式干扰[J].电子对抗,2011(02):26-29. ZHAO Yong-kuan,CAI Xiao-xia,CHEN Hong.An Improved Pectinate Obstructive Jamming Method[J]. Electronic Warfare,2011(02):26-29.

王国民（1977—），男，硕士，工程师，主要研究方向为通信技术；

谷晓鹏（1980—），男，学士，工程师，主要研究方向为通信技术；

邱 恺（1983—），男，学士，助理工程师，主要研究方向为通信技术。

Effects of Airborne-Antena Blocking Angle on Air-Ground Communication

WANG Guo-min, GU Xiao-peng, QIU Kai
(Luoyang Electric Equipment Test Center, Luoyang Henan 471023, China)

In order to solve the poor communication between ground and air of certain-type communication equipments in an experiment, the occlusion cause of airborne antenna is acguired on the basis of careful analysis of the communication contact data acquisition table in the experiment task. Based on spherical trigonometry and uniform geometrical theory of diffraction (UTD), certain type of airborne antenna sheltering is modeled and analyzed. The attenuation caused by shelter is calculated. Based on the calculation of the antenna occlusion angle, the ideal airspace, occluded airspace and void space are plotted. The specific effects of antenna occlusion on flight airspace and task design are given, and these could serve as a reference for airspace application and flight path design.

antenna block; airspace; flight path; spherics

TN92

A

1002-0802(2016)-12-1724-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.12.028

2016-08-14

2016-11-19 Received date:2016-08-14;Revised date:2016-11-19