机载通信导航设备对机载北斗接收机干扰评估

2022-04-14天津七一二通信广播股份有限公司吕琳吕自鹏张建军韩明

数字技术与应用 2022年3期

天津七一二通信广播股份有限公司吕琳吕自鹏张建军韩明

北斗卫星导航接收机作为机载导航设备，可能受到其他机载电子设备信号的干扰，本文分析了若干机载通信导航设备及相应地面端对机载北斗接收机可能造成的干扰情况，并提出相应防护建议。结果表明，所分析的机载电子设备存在干扰机载北斗接收机的可能性，但影响程度较小。

随着卫星导航技术的发展，空中交通管理系统逐渐从现有陆基导航转向星基导航，中国民航未来的主用导航系统将逐步过渡到以北斗系统为基础，兼容多导航星座的卫星导航系统[1]。在飞机飞行过程中，尤其是近着陆阶段，干扰会对卫星导航的精度、完好性、连续性和可用性构成威胁，是影响飞机安全的重要因素。北斗卫星导航接收机作为未来的机载导航设备，可能受到其他机载电子设备信号的干扰，对此，本文理论分析了若干机载通信导航设备及相应地面端对机载北斗接收机造成的干扰情况，并给出了一些干扰防护建议。

1 甚高频通信设备对机载北斗接收机的影响

甚高频（Very High Frequency，VHF）航空移动服务波段（118.0MHz到136.975MHz）分为760个频道，每个频道间隔25kHz。VHF通信是民航飞机与飞机之间，飞机与地面之间的主要通信方式。对于大多数地面端和所有的机载发射器来说，国际民航组织（International Civil Aviation Organization，ICAO）规定最大有效全向辐射功率（Equivalent Isotropically Radiated Power， EIRP）为13dBW（20W）[2]。

VHF机载空地无线收发机的高次谐波可能会进入到北斗导航频段，对北斗机载接收机的正常运行造成干扰威胁，其干扰途径可分为以下两种：

1.1 天线到天线的耦合

VHF收发机基本输出频率为118MHz～136.975MHz，其中的第12或第13次谐波可能会对北斗B1I信号造成干扰。对于大部分飞机，通过在收发机天线使用低通滤波器便可有效控制这种干扰。

1.2 天线电缆到天线电缆的耦合

从VHF收发机天线电缆到北斗接收机天线电缆的耦合作用会产生干扰。对于这种干扰，可通过适当的隔离，天线接地以及电缆屏蔽即可有效消除。在电缆隔离距离受限的小型飞机上，还需要在VHF收发机加装滤波器，以便更好的消除干扰影响。

相比于机载VHF设备，地面VHF无线电很难干扰到机载北斗接收机，主要是因为相对于机载VHF设备，地面VHF发射器天线距离机载北斗接收机天线更远。如果发生了这种干扰，则可能是由于地面VHF设备的谐波辐射造成的，解决方法仍然是对VHF发射器的输出进行滤波。

2 测距仪对机载北斗接收机的影响

测距仪（Distance Measure Equipment， DME）是一种测距系统，由机载询问器和地面应答器组成，二者配合工作，可连续向飞行员提供飞机到地面测距台的实时距离信息[3]。

DME的机上询问器的工作频率为1025MHz～1150MHz，地面应答器的工作频率为962MHz～1213MHz。DME工作频率与共用中心频率为1176.45MHz的GPS L5信号、北斗B2a信号和伽利略E5a信号的工作频带发生部分重叠，可能会对这些信号形成干扰从而导致使用这些信号的导航接收机无法正常工作。然而，对于中心频率为1561.098MHz的北斗B1I信号，DME信号与其有很大的频率间隔。

DME地面端和机载端发射近似于钟型包络的射频脉冲，半振幅点宽度为3.5μs，这样的波形设计是为了压缩DME的频谱宽度，减小对相邻信号的干扰，其基带和调制后的波形如图1和图2所示。

图1 基带DME波形Fig.1 Baseband DME waveform

图2 调制DME时域波形Fig.2 Modulated DME time domain waveform

为了进一步减小干扰，DME询问器和应答器都采用脉冲对编码发射，同时也只接收编码时间间隔符合要求的信号。DME功率谱密度如图3所示，可见其脉冲对能量的99%都集中在了0.8MHz的带宽内，且邻波道频率中心间隔1MHz，通过这样的设计，可以避免DME其他波道信号的干扰。在发射功率方面，ICAO规定地面DME应答脉冲的最大应答率为2700对/秒，终端信标应答脉冲的最大输出功率大于100W，而航路信标则要大于1kW。

图3 DME基带信号功率谱Fig.3 DME baseband signal power spectrum

典型机载DME天线和北斗天线位置如图4所示，机载DME天线位于机身前部的下方，而机载北斗天线位于机身前部上方。在飞机位于机场附近时，DME地面端应答信号在传输到北斗天线过程中，绝大部分会被机身屏蔽掉[4]。需要注意的是，如今很多飞机大量采用了复合材料，例如波音787，其机身大量采用碳纤维复合材料，纤维增强复合材料占了整个机体重量的50%，国产大飞机C919也达到了约30%，复合材料机身对DME信号的屏蔽作用会减小。

图4 DME和北斗天线安装位置Fig.4 DME and BDS antenna installation location

鉴于以下四方面因素，分析认为DME地面站对机载北斗接收机的干扰可能性很小：(1)卫星导航接收机对于脉冲干扰信号有其固有的不敏感性，而且DME脉冲信号的占空比较低。(2)DME地面应答器所发射的射频脉冲信号的包络形状为高斯型，因此其信号频谱宽度较窄，减少了对邻道的干扰。(3)DME信号与北斗B1I信号之间较大的频率间隔。(4)DME地面站与飞机之间的距离较远。

对于机载DME询问机发射的脉冲信号来说，与DME地面端类似，其脉冲为占空比较低的高斯型包络，使得其频率旁瓣最小化从而避免了对相邻信号的干扰。同样，导航接收机对此种脉冲干扰并不敏感，干扰可能性低。

3 甚高频全向信标对机载北斗接收机的影响

甚高频全向信标系统（VHF Omni-Directional Range，VOR）属于近程测角导航系统。其机载接收机通过接收地面VOR导航台发射的电波，可以直接确定以导航台所在位置的北向为基准的飞机方位[5]。

VOR机载接收机不刻意发射信号，但其本地振荡器可能会产生谐波辐射，因此仍需考虑它对北斗接收机的干扰。对于机载北斗接收机来说，如果与机载VOR接收机之间出现干扰问题，可以使用适用于VHF通信收发机的干扰减轻技术，例如使用滤波器、加装外壳、保持安全距离等。

对于VOR地面台发射机来说，其频率在108.0MHz～117.950MHz的航空无线电导航业务（Aeronautical Radio Navigation Service， ARNS）频带内，通常航路VOR地面台辐射功率为200W，而终端VOR地面台辐射功率大约为50W。由于在北斗B1I频带和VOR频带之间有较大的频率间隔，因此，如果对北斗B1I信号造成干扰，可能是由于VOR地面台的谐波辐射造成的，VOR的第N次谐波落入了B1I频带内，理论上可能导致对北斗B1I接收机的干扰。

4 高频通信设备对机载北斗接收机的影响

高频通信方式利用了地球表面和电离层的反射，信号传播距离很远，可在数千公里距离上为飞机与飞机之间或地面站与飞机之间提供通信，通信频率在2.850 MHz～23.350MHz之间的各个频率上，大多数需要越洋的民用飞机都装配了高频通信系统。

标准规定机载高频通信发射机的最大发射能量是26 dBW，带外杂散辐射须低于-43dBW[6]，因此，虽然机载高频通信发射机可能产生高阶谐波进入北斗B1I频带内，但其功率将非常低。另一方面，高频通信使用次数并不多，在甚高频通信覆盖不到的区域，例如越洋飞行阶段会使用高频通信，最多一小时使用几分钟。综合以上两点，分析认为高频通信对机载北斗B1I接收机的干扰威胁很小。