地下电磁信号对民航机场导航台站的干扰机理分析与仿真计算

杨起涛，雷文太



地下电磁信号对民航机场导航台站的干扰机理分析与仿真计算

杨起涛1，雷文太2

（1.南部战区空军勘察设计院，广州 510052；2.中南大学，长沙 410083）

目的研究地下电磁信号对机场导航台站的干扰机理，并进行仿真计算。方法建立导航台天线的电流分布模型，研究外部电磁干扰对导航台天线上电流分布形式的影响。基于导航台的工作原理，研究外部电磁干扰对导航台辐射方向图的影响，并进行仿真计算。计算航线下滑线空间点上的场强值受外部电磁信号干扰的影响。结果地下电磁信号传播至导航台天线所在区域，造成T型天线的左右顶负载的电流不再满足镜像反对称的状态，导致T型天线覆盖区域中的场强值变化，水平面的无方向性方向图产生波瓣分裂，进而导致航线下滑线上空间点接收到的场强值幅度产生波动，仿真结果显示波动值高达32.7%。结论地下电磁信号对无方向性信标台造成干扰，导致原来的无方向性方向图产生波瓣分裂，航线下滑线上的场强值产生波动，影响了飞行安全，需要加以抑制屏蔽。

电磁干扰；导航台；干扰机理

近年来，随着城市建设的发展，越来越多的轨道交通和市政道路向城外延拓。这些轨道交通和市政道路在施工和运营过程中会产生电磁辐射，对周边的敏感电子设备存在潜在影响[1—3]，尤其是当延拓至机场附近时，这种潜在的影响更为严重。

机场为保障正常的飞行训练和飞行任务，通常配备有远/近距导航台、指点信标、航管雷达、气象雷达等电子设备[4—5]。导航台向外辐射定频电磁信号，与飞机上的电子罗盘配合，指引飞行员沿着预设的下滑线实施降落。指点信标对空辐射固定格式的电磁信号，当上空有飞机经过时，飞机接收该信号，起到提示和定位的目的[6—8]。航管雷达和气象雷达通过对指定空域的探测，获得该空域的飞行器参数信号和气象信息。随着城市建设的加快，原来位于开阔和偏远地带的机场逐渐被轨道交通和市政道路所围绕，机场的敏感电子设备也被大量的电磁辐射源所围绕。这些辐射源所辐射的信号以波动和扩散的形式向外传播，部分能量传递至机场电子设备，对机场电子设备存在潜在的影响。机场电子设备受扰后，将会造成导航偏差、雷达探测误差增大等问题，严重时甚至会造成飞机无法返航[9—13]。

文中研究地下电磁信号对机场导航台站的干扰机理，以地铁施工和运营时向外辐射的电磁信号对机场无方向信标台的干扰问题为研究对象，分析无方向信标台的工作原理，建立地下电磁信号传播至信标台天线的信号模型。仿真计算了地下电磁信号对无方向信标台辐射方向图的影响，给出了干扰前后辐射方向图的变化情况。仿真计算了下滑线上某点的信号强度受地下电磁信号影响的变化程度，为后续的干扰抑制方案提供了定量参考。

1 无方向信标台的辐射特性分析

NDB(No Directional Beacon)即无方向信标机，是为飞机提供测向信号的地面导航设备，其发射的是垂直极化的无方向性导航信号[7—8]。其工作频率范围为150~700 kHz，采用宽“T”型天线，宽“T”部分由多根铜线组成，天线结构如图1所示。

为提高天线效率，减小接地电阻，在地下铺设地网。地网采用多根铜线组成，以垂直于天线的投影点为中心向四周辐射埋设。地网中心埋一块铜板作为汇集板，汇集铜板与地网的连接采用铜焊条焊接[7—9]，地网形式如图2所示。

图1 导航台站的天线结构

NDB向外辐射无方向性的垂直极化波，其主要辐射单元为直立振子，即图1中的段。该导航台工作在中波波段，主要靠地波传播。为使地表面波达到最大辐射强度，一般采用半波天线，即高度为1/4波长的天线。由于NDB采用中波波段，波长为375~2000 m，即便是1/4波长也有93.75~500 m，如此高的直立天线是难以实现的。为了保证天线的有效辐射，通常采用的方法是在振子顶端加载“顶负载”，提高天线的有效高度[14]。加“顶负载”前后的天线电流分布如图3所示。

设直立天线上的电流分布为：

式中：0表示天线输入端电流；表示直立天线高度。根据有效高度的定义，得：

(2)

与分析自由空间对称振子的方法相同，可得直立天线在上半空间的辐射场强值为：

式中：表示在垂直平面内坐标原点（直立天线和地面接触的端点）到空间某点的矢量与直立天线间的夹角；m表示直立天线上的电流峰值；表示空间某点矢量的长度；表示波数，=/；表示自由空间的光速。

在垂直于地表的平面内，直立天线的辐射特性与角有关；在平行于地表的平面内，直立天线的辐射特性与角无关。即在水平方向上呈现出全向辐射特性，其沿水平方向和竖直方向的H面方向图和E面方向图分别如图4所示。

图4 直立振子的H面和E面方向图

为减少地面损耗，需要改善地面的电特性，通常采用埋设地网的方式。直立天线上的电流经直立天线末端（馈源端）沿线向上传播，到达顶端后沿顶加载继续向外传播，经过天线顶部的对地分布电容传向大地，构成电流回路，如图5所示。

图5 直立天线的电流回路

当直立天线所在空间存在辐射场或地表表面波时，将对原直立天线（含顶负载）上的电流分布产生干扰，在直立天线两端以及顶负载两端和地网区域中产生次生电动势，进而影响到直立天线辐射特性，造成直立天线辐射特性的变化。

2 外部干扰源的影响分析

建立如图6所示的物理模型，直立天线及对称顶负载位于地表。地下辐射源向外辐射信号，透射波场传播至直立天线所在空域。

图6 空间辐射场对直立天线影响的物理建模

受扰前，左右顶负载上的电流成负镜像形式，即段的电流和段的电流大小相等，方向相反，顶负载上电流最大值位于点。受扰时，由于外部干扰源在段和段产生不对等的电动势，造成了顶负载上电流最大值的偏移和左右顶负载的不对称。采用电流元叠加的方法，将左右顶负载沿方向分割为电流元的形式，如图7所示。

在顶负载上距中心点=0处取电流元段d，它对远区场的贡献为[15]：

图7 导航台天线受扰后的辐射特性分析

式中：()表示顶负载在处电流元的电流值，与电流元所处的横向位置有关；表示电流元与远场某点之间的传播矢量；′表示矢量与水平方向（+方向矢量）的夹角。

由于

(6)

将式（4）沿整个顶负载全长做线积分，有如下形式：

(8)

该积分表达式中有()这一项，即左右顶负载上的电流值。总的天线辐射方向图可由上述计算得到的顶负载辐射方向图与直立天线辐射方向图相加得到。当左右顶负载成镜像反对称时，左右顶负载的辐射在水平方向上相互抵消，仅保留直立天线的辐射特性，此时整个导航台天线的辐射特性在水平面上是圆形。当顶负载上电流分布不满足镜像反对称时，左右顶负载的辐射场在水平方向上不能抵消。此时整个导航台天线的辐射特性在水平面上不再是圆形，所计算得到的辐射场和方位角有关。按照式（8）进行一维积分运算，可以获得不同电流分布情况下的空间辐射方向图和E/H面方向图。此处给出了其水平平面的方向图，如图8所示。

图8 与图4对应的水平方向图

从图8中可见，顶负载上的电流受扰后，造成了水平平面方向图的形变，理想的无干扰的水平平面方向图为如图3a所示的形式。这就造成了这样一种现象：地下电磁信号的部分能量传播至地表，造成导航台天线上电流的受扰，导致导航台天线辐射特性的变化，引起空间场强的受扰变化。根据式（8），可对空域任一点的场强值进行计算。下面分别对机场跑道中心延长线上某点及延长线左右一定角度处的点的场强值进行仿真计算，如图9所示。

图9 导航台天线覆盖区域某点的场强分析

近距导航台距机场跑道一端的距离为1050 m，分别计算，，三点处的场强值。，，三点都位于航线上，距地表一定的高度。点的方位向在机场跑道的延长线上，点和点的方位向分别是向左右偏移15°，三点距机场跑道的水平距离都为3 km。在该次仿真中，进行了长时段的观测，在整个观测时段，前面一段时间和后面一段时间内都没有外部电磁干扰信号，此时导航台站天线未受干扰，空间某点的接收场强值保持不变。在观测时段的中间某个时间段，有外部电磁干扰信号存在。外部电磁辐射信号穿透地表透射入空中，在空中架设的导航台站T型天线的左右顶负载上产生感应电动势，破坏了原有的镜像反对称关系，造成空间场强值的变化。，，三点的场强值在整个观测时段的变化情况如图10所示。

图10 长时段观测导航台天线受扰时的空域场强值变化情况

从图10可以看出，未受干扰时，空域某点的场强值保持恒定值不变。有外部电磁干扰信号时，造成了导航台天线顶负载上电流的变化，进而改变了原来的空间辐射特性。在导航台天线覆盖区域的同一空间位置，就导致了场强值的抖动。当飞机经过近距导航台覆盖区域时，将会造成机载无线电罗盘接收到的信号忽大忽小，引起无线电罗盘的指针抖动。

3 结论

通过上述理论分析和仿真计算，得到如下结论。

1）地下电磁信号传播至NDB的天线，会对天线上原有的电流分布产生影响，造成NDB辐射方向图的变化。

2）NDB辐射方向图受外部电磁干扰的影响，偏离了原来的无方向性辐射特性，进而造成在航线下滑线上电场强度的波动。

3）NDB辐射电场强度的波动，将会导致机载罗盘的抖动，对飞行安全造成潜在威胁。

4）为保障飞行安全，有必要采取屏蔽措施，抑制外部电磁信号对机场导航台的干扰影响。

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Interference Mechanism Analysis and Simulation Calculation of Underground Electromagnetic Signal to Civil Airport Navigation Station

YANG Qi-tao1, LEI Wen-tai2

(1.Southern War-Zone Air Force Survey and Design Institute, Guangzhou 510052, China;2.Central South University, Changsha 410083, China)

Objective To study interference mechanism of underground electromagnetic signal to airport navigation station and carry out simulation calculation. Methods Distributed current model on antenna of navigation station was established. Influences of external electromagnetic interference on distributed current form were analyzed. Based on radiation principle of airport navigation station, influences of external electromagnetic interference on navigation station radiation pattern were studied and simulated, and influence of external electromagnetic interference on E-filed amplitude at route glide line were calculated. Results Underground electromagnetic signal propagated to the area of the airport navigation station antenna and caused that top load currents on both sides of the T-type antenna no longer satisfy the mirror-antisymmetric state. Field intensity in the field covered by T-antenna also changed. Radiation lobe splitting appeared in the non-directional diagram at horizontal plane and field intensity range received at the spatial point of air line glide also fluctuated. The fluctuating value shown in the simulation result reached up to 32.7%. Conclusion Underground electromagnetic signals cause interferences to non-directional beacon, resulting in radiation lobe splitting at horizontal plane and E-filed fluctuations on route glide line. Underground electromagnetic interference affects flight safety and needs to be suppressed by shielding.

electromagnetic interference; navigation station; interference mechanism

10.7643/ issn.1672-9242.2017.04.011

TJ01；TN965

A

1672-9242(2017)04-0051-05

2016-11-14；

2016-12-14

杨起涛（1979—），男，河南人，硕士，工程师，主要从事机场设计方面的研究。

雷文太（1979—），男，博士，副教授，主要从事电磁信号传播和电磁兼容方面的研究。