浅谈航空通信导航的干扰问题

(中国民用航空华北地区空中交通管理局,北京 100621)

0 引言

当今社会,伴随着我国科学技术的不断进步,无线电通信事业也得到了快速的发展,同时地面发射台站的数量逐渐增多,导致航空无线电设备面临着更多的干扰问题。航空无线电设备由导航系统和通信系统两部分组成,通常航空受到干扰主要表现在通信干扰方面,如果不能及时的处理这些问题,就会使飞行员和管制员不能进行正常的交流。如果导航信号受到干扰,会使航空器偏离航道,发生不堪设想的后果。因此,需要重视航空通信导航干扰问题。

1 航空飞机无线电设备的相关概念

飞机所使用的无线电设备具有不同的功能,种类颇多,在飞行过程中广泛的利用无线电频谱资源,为了深入的对其进行研究,可以把飞机无线电设备分为两种,即导航系统和通信系统。图1是飞机无线电设备的工作原理[1]。

图1 飞机无线电设备的工作原理Fig.1 Working principle of aircraft radio equipment

1.1 通信系统

超短波电台与短波单边带调幅电台构成了机载通信系统,超短波电台的主要职责是在终端交通密集的区域对空中、地面的航空器进行指挥,然而远程空中、地面通信主要是使用短波单边带调幅电台。航空电台在进行通信时,还会运用应急救生频率获取应急呼救信号。航行系统经过完善之后,会使用航空移动卫星通信,通过和机载卫星导航接收信号机进行紧密的关联,通过这种方式可以使飞机无论在什么环境下都可以和地面人员进行正常的交流。

1.2 导航系统

飞机机载导航系统包括多个方面,仪表着陆系统(ILS)、全向信标(VOR)、测距仪(DME)和自动定向机(ADF)系统等是最主要的系统。仪表着陆系统由三部分构成,航向接收机对应地面航向信标发射台,是用于接收进近和着陆的飞机对准跑道中心延长线航向道信息。下滑接收机对应下滑信标发射台,是用于接收进近和着陆的飞机与地面成一定角度的下滑道信息。全向信标接收机对应VOR 发射台,是用于接收飞机相对于VOR 台站方位角的信号。测距仪则是给飞机提供至测距仪台或跑道入口的距离。在飞机飞行过程中,仪表着陆系统可以提供精准的着陆定位信息,同时还可以指引飞机的飞行方向。自动定向机可以获取中波导航台传递的信号,利用这种信号系统可以实时的对飞机在飞行期间和中波电台构成的相对位角,使指挥人员能够根据这个角度对飞机的飞行方向进行引导,保证飞机可以正常的飞行。

2 航空通信导航无线电干扰分析

2.1 基本干扰类型

2.1.1 A型干扰

A 型干扰是由来自一个或多个广播发射机的无用辐射串入航空波段而引起的干扰。A 型干扰可分为A1 型、A2型干扰。A1型干扰是单个发射机可以产生杂散发射或几个广播发射机可以互调以产生落在航空频段的成分。A2 型干扰是广播信号可能包含了在航空频段内不可忽略的成分。这种干扰实际上仅在频率接近108MHz的发射机中产生,且仅干扰频率接近108MHz的ILS航向信标/VO R 服务。

2.1.2 B型干扰

B 型干扰是由频率在航空频段之外的广播发射在航空接收机中产生的干扰。B型干扰可分为B1型、B2型干扰。B1型干扰是因为接收机受到航空频段之外广播信号的非线性驱动,而在航空接收机内部产生互调。为了产生这种类型的干扰,至少需要提供两个广播信号并具备一定的频率关系,能在非线性处理过程中产生航空接收机有用RF 通道内的互调产物。其中一个广播信号的幅度必须足以驱动接收机进入非线性区域,这种情况下,尽管其它信号的幅度非常低,也有可能产生干扰。

只考虑三阶的互调产物,频率关系如下式:

fintermod=2f1-f2 两个信号的情况

fintermod=f1+f2-f3 三个信号的情况

式中:

f1、f2、f3:广播频率(MHz)且f1≥f2≥f3

fintermod:互调产物频率(MHz)

B2型干扰是当航空接收机的RF部分因一个或多个广播发射而处于过载时,会降低灵敏度。其它内部接收机机制,例如杂散响应,可能会被错误地识别为B2型干扰。当在未调制的RF 模式上测试时,由于该干扰对频率极其敏感的属性而识别出这些响应。

2.1.3 ILS多路径干扰

ILS天线周围的整体环境和天线特性会引起多路径干扰。任何大的反射物体,包括车辆或者固定物体,例如辐射信号覆盖区内的建筑物,都会对ILS航道和下滑道结构造成多路径干扰。

2.2 在空管运行中,常见的干扰源

2.2.1 无线电设备

在飞机飞行的过程中会受到很多无线电设备的影响,比如有线电视、民航设备等,从而使航空的通信系统和导航设备都受到相应的影响。功率较大的移动电话会通过杂散辐射的方法去分散功率信号,这样就会对航空飞机的导航设备的频率带来不利的影响。

然而调频广播与有线电视类似于移动电话,如果调频广播和有线电视使用的不合理就会对航空通信系统的信号产生干扰,这样就会对航空导航设备产生直接的影响,这种情况非常不利于飞机飞行的安全。

至于非无线设备,从理论方面来讲不会产生干扰飞机的信号,假如在导航台站附近有非无线设备,很可能会对航空的通信频率产生一定的影响。

2.2.2 ILS天线周围环境

对于航向信标,任何处于天线主要辐射方向的大型目标,包括在跑道上和在滑行道上的航空器,都视作可能产生严重信号干扰的干扰源。对于下滑信标,任何位于下滑信号反射面以上或在信号覆盖范围内的物体,都视作信号的干扰源。天线水平面之上的这个面的角度与所用下滑信标天线阵种类有关。当大型航空器在下滑信标天线和进近航道之间,距下滑标天线几千英尺范围内停留或滑行,通常会对下滑信号造成严重干扰。

经验表明,影响ILS信号反射和衍射而产生多路径干扰的主要因素是航空器和车辆垂直面的高度和朝向。必须结合最坏情况下的朝向来确定可能会遇到的垂直面最大高度。这是因为,相比平行或垂直的朝向,某一特定朝向更容易引起航道或下滑道的偏差,从而超出门限。

3 航空通信导航频率干扰解决措施

3.1 加强对干扰源的排查及检测

民用航空公司需要根据航空飞行的环境要不断的增强对无线电干扰源的检测,这样可以有效保证航空通信导航系统的安全。相关研究表明,对无线电干扰检验过程中,在排除地面无线电的同时,还需要对空中的无线电波进行排除,通过专门检测的机器对空中无线电干扰的现象进行扫描。空中干扰检测具有很多的优势,比如:精准度高、检测的范围广泛、速度快,与地面干扰检测技术相比较,可以对任何环境中的无线电干扰进行检测[2]。所以,在航空忙碌的航段或者是客流量多的机场中,合理的运用空中干扰检查系统可以精准的发现干扰源,同时对干扰源进行有效的处理,在一定程度上保证航空通信导航系统的正常运行,进而可以有效的提高飞机飞行的安全性。

3.2 保证ILS航向信标接收系统抗干扰性能

考虑到广播信号干扰对设备运行的影响,若能提高航向信标接收系统的抗干扰性能,也可以为飞机飞行提供有力保障。ILS航向信标接收系统必须提供对下列电平的甚高频调频(FM)广播信号引起的两个信号的三阶互调产物的干扰有足够的抗干扰度[3]。

2N1+N2+72≤0

对应于107.7-108.0MHz内的VHF调频声音广播信号:

2N1+N2+3(24-20logΔf/0.4)≤0

对应于低于107.7MHz的VHF调频声音广播信号:

在接收机内,两个VHF 调频广播信号频率会产生一个由两个信号形成的三阶互调产物落在ILS航向信标所用的频率上。

N1和 N2是两个VHF调频声音广播信号在ILS航向信标接收机输入端的电平(dBm)。两个电平中任何一个电平均不应超过表1中给出的降低灵敏度的标准。

表1 降低灵敏度的标准Tab.1 Standards for reducing sensitivity

Δf=108.1-f1,f1为N1的频率,VHF调频声音广播信号靠近108.1MHz。

3.3 与INS结合

可将全球导航卫星系统(GNSS)接收机和惯性导航系统(INS)的配对使用,即可以互相补充又可以保护免受干扰的影响。INS对于外界干扰是有免疫能力的,它提供出色的稳定的短时位置信息,但是随着最近一次位置更新的时间的推移,定位误差会累积增加。另一方面GNSS具有优秀稳定的长期定位,但是可能会由瞬态干扰引起的短时信号中断。两者相结合,被认为是对不可预见的干扰事件额外的保护。

3.4 保护临界区、敏感区

为降低障碍物在临界区、敏感区产生的信号干扰,在ILS设备运行期间,必须禁止任何车辆进入该区域,禁止任何航空器在该区域内滑行或停留。每个航向设备和下滑设备的临界区应当明确指定。在穿越临界区的滑行道和车道上,应当设置适当的信号装置,用以管束车辆和航空器进入。对于敏感区,按照干扰的潜在可能以及类别运行的不同禁止部分或所有移动交通工具进入。建议将所有敏感区设置在机场边界以内,这样便能对所有移动交通工具进行控制,防止对ILS信号造成严重干扰。

4 结论

通过本文以上所叙述,航空通信导航系统具有独特的性能,会受到外界各种干扰源的影响,如果处理不及时就会发生不堪设想的后果。长期以来,航空通信导航系统的干扰问题受到了社会各界人士的高度关注,有关技术工作人员需要选择专业的技术手段对航空区域的无线电干扰进行检测,同时对干扰源进行排除,最大限度的解决这个问题。也要保证地面导航系统发射信号的抗干扰性能,这样才能使飞机上的机载设备接收到稳定、准确的信号。并且还要大力的宣传关于飞机飞行的安全知识,进而有效的提升飞行的质量,保障飞行的安全,在一定程度上有效的保证航空人员和乘客的人身安全。