高大地物對(duì)于中波導(dǎo)航臺(tái)的無(wú)源干擾特性

王琴劍，李廷軍，張　楊，張海波，林　喻

（海軍航空工程學(xué)院a.研究生管理大隊(duì)；b.電子信息工程系；c.訓(xùn)練部，山東煙臺(tái)264001）

高大地物對(duì)于中波導(dǎo)航臺(tái)的無(wú)源干擾特性

王琴劍a，李廷軍b，張楊c，張海波b，林喻a

（海軍航空工程學(xué)院a.研究生管理大隊(duì)；b.電子信息工程系；c.訓(xùn)練部，山東煙臺(tái)264001）

航空中波無(wú)線電導(dǎo)航臺(tái)站的周邊建筑和電磁環(huán)境均有相關(guān)要求。隨著城市的發(fā)展，中波導(dǎo)航臺(tái)站周邊環(huán)境存在著較大的變化，經(jīng)過(guò)前期的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，高大地物是無(wú)源干擾的重要組成部分。本文通過(guò)對(duì)電磁學(xué)計(jì)算方法的分析，選用矩量法作為研究的數(shù)值方法，建立了地物的仿真模型。通過(guò)FEKO軟件的仿真，分析了地物無(wú)源干擾的重要特性。

高大地物；無(wú)源干擾；矩量法；FEKO仿真

為保證機(jī)場(chǎng)中波導(dǎo)航臺(tái)站的工作有效性，必須確保中波導(dǎo)航臺(tái)站周圍具有良好的電磁環(huán)境［1］。但是隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)的發(fā)展，中波導(dǎo)航臺(tái)站周圍存在的無(wú)源干擾日益復(fù)雜，對(duì)于導(dǎo)航臺(tái)站周圍的電磁環(huán)境的評(píng)估成為了與地方城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)行協(xié)調(diào)的重要因素，而在這些無(wú)源干擾中，中波導(dǎo)航臺(tái)周邊的高大地物（山丘、高大建筑物等）是里面的主要組成部分。

研究分析此無(wú)源干擾就是討論分析在高大物體存在的條件下導(dǎo)航臺(tái)發(fā)射天線方向圖的畸變情況［2］，為分析導(dǎo)航臺(tái)站周邊電磁兼容提供理論依據(jù)，同時(shí)可以將特高壓塔桿建設(shè)地點(diǎn)的選擇進(jìn)行優(yōu)化，既保證空間的充分利用，又能使導(dǎo)航臺(tái)站正常工作，不影響飛機(jī)的飛行。

1　電磁計(jì)算方法

由于中波導(dǎo)航臺(tái)周圍地物面貌經(jīng)常是很復(fù)雜的，因而在分析其對(duì)中波發(fā)射臺(tái)站影響時(shí)，不適合用傳統(tǒng)的理論分析方法來(lái)進(jìn)行研究。在現(xiàn)有條件下采用計(jì)算機(jī)數(shù)值分析來(lái)解決問(wèn)題被認(rèn)為是合適的［3］。現(xiàn)行常用的電磁學(xué)計(jì)算方法主要有矩量法、物理光學(xué)繞射法、幾何光學(xué)繞射法等［4］。針對(duì)本文所提到的問(wèn)題，所用的頻率為1.035 MHz，此頻率屬于低頻范疇，且建立計(jì)算模型時(shí)，并沒(méi)有把電磁波進(jìn)行分類，而是作了統(tǒng)一處理。正因?yàn)榇朔N模型符合矩量計(jì)算法的特性，本文選擇矩量法作為仿真方法。

矩量法實(shí)際就是將積分或者是微分方程簡(jiǎn)化近似為代數(shù)方程組求解的方法，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下。

用矩量法求解算子方程

式（1）中：L為線性算子；g為已知函數(shù)；f為未知函數(shù)。

在L的定義域 f可由一系列線性無(wú)關(guān)的函數(shù)f1，f2，f3…線性相加而成。即

完備的函數(shù)集 fn即稱為基函數(shù)，在理論層面 fn的項(xiàng)數(shù)是無(wú)窮的，但是在實(shí)際運(yùn)用中，無(wú)法做到無(wú)窮項(xiàng)求和的計(jì)算，所以在應(yīng)用時(shí)，選用有限項(xiàng)的基函數(shù)fn對(duì)式（2）進(jìn)行近似運(yùn)算，f的近似解就為

這樣求解 f的問(wèn)題就轉(zhuǎn)化為求解an的問(wèn)題。下面將近似解式（3）代入式（1），可以得到

選定適當(dāng)?shù)膬?nèi)積運(yùn)算＜＞，然后在L的值域內(nèi)選擇一組權(quán)函數(shù)wm，對(duì)式（4）兩邊同時(shí)對(duì)于權(quán)函數(shù)取內(nèi)積，得到

此方程可以被認(rèn)作未知數(shù)為an的線性方程組，將線性方程組解出來(lái)，把結(jié)果代入式（3），就得到 f的近似解。

老年人自我照顧能力較弱、對(duì)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別能力差、反應(yīng)相對(duì)遲鈍,容易發(fā)生摔傷等意外傷害。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示跌到致死超過(guò)所有老年人意外傷害死亡總?cè)藬?shù)60%,對(duì)老年人的健康安全狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)管的必要性不言而喻。為了適應(yīng)當(dāng)前中國(guó)老齡化的趨勢(shì),實(shí)現(xiàn)對(duì)于老人的安全管理,研究設(shè)計(jì)了多功能北斗智能手杖系統(tǒng)對(duì)老人進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

在矩量法中，不僅僅函數(shù)可以選用不同的基函數(shù)展開(kāi)，相應(yīng)的權(quán)函數(shù)也有不同的選擇。他們之間不同的組合對(duì)于待求的場(chǎng)問(wèn)題的解答有著相當(dāng)大的影響。在所需解答的電磁兼容問(wèn)題中，所分析的電場(chǎng)都是靜電場(chǎng)。解決此類問(wèn)題所達(dá)成的共識(shí)是，采用脈沖函數(shù)作為基函數(shù)，采用最簡(jiǎn)捷的點(diǎn)匹配法作為權(quán)函數(shù)選取標(biāo)準(zhǔn)。這種方法在靜電場(chǎng)中得到了充分應(yīng)用［4］。

在使用矩量法的仿真軟件中，F(xiàn)EKO與EMC STUDIO是最常用的2種軟件，它們共同的優(yōu)點(diǎn)就是所需的計(jì)算機(jī)內(nèi)存小且計(jì)算速度快、軟件界面友好，操作易上手。但是FEKO軟件可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的CAD建模，對(duì)于模型可以進(jìn)行翻轉(zhuǎn)、平移等簡(jiǎn)單操作，而且可以和Matlab進(jìn)行交互計(jì)算，使得其計(jì)算能力大大加強(qiáng)，正因?yàn)榇耍x擇FEKO軟件作為仿真軟件。

2　高大建筑物的模型建立

地物對(duì)于中波導(dǎo)航天線的無(wú)源干擾主要是對(duì)于中波天線發(fā)射的電磁波反射后對(duì)于中波天線的干擾，與中波天線原先的方向圖進(jìn)行疊加，原先的中波天線方向圖會(huì)發(fā)生畸變，從而影響中波天線的性能。

對(duì)于中波天線的周圍方向圖而言，在沒(méi)有干擾的理想情況下，中波天線所發(fā)射的沒(méi)有方向性的垂直極化波，平面內(nèi)各個(gè)點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)和能量都是一致的。但是如果加入到了干擾因素后，比如高大建筑物，由于高大建筑物對(duì)于電磁波有反射作用，而且實(shí)際生活中所遇到的高大地物的反射形式以散射為主，高大地物上每一處點(diǎn)向空間反射的電磁波的特性并不可控。另外，本文主要目的是幫助中波導(dǎo)航臺(tái)的選址問(wèn)題，最大關(guān)注點(diǎn)是在此種情況下中波導(dǎo)航天線可不可用，以及在空域各個(gè)角度的增益大小以便判斷從何處來(lái)的飛機(jī)，導(dǎo)航臺(tái)向其發(fā)射的信號(hào)受到干擾最大。其重點(diǎn)并不是空域中各個(gè)點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)和增益的具體大小用來(lái)支撐理論。

本文主要研究的是頻率為1.035 MHz的中波發(fā)射天線，當(dāng)然由于實(shí)際環(huán)境比較復(fù)雜，需要對(duì)地物的模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。

絕緣材料對(duì)于電磁波傳播主要是起阻擋反射作用，所研究的高大地物主要包括建筑物和山丘。對(duì)于陡峭的山丘和高大建筑物，可以運(yùn)用CADFEKO將其簡(jiǎn)化為理想絕緣體制作的立方體，而一般的可以運(yùn)用圓錐體進(jìn)行簡(jiǎn)化大地采用理想的導(dǎo)電平面，在仿真的網(wǎng)格劃分中，將高大地物與大地連接處的網(wǎng)格劃分要密一些。

3　高大地物無(wú)源干擾分析

地物對(duì)于中波天線的干擾來(lái)自于中波天線發(fā)出電磁波經(jīng)過(guò)地物發(fā)射后重新到達(dá)中波天線的電磁波。地物側(cè)面將中波天線發(fā)送的電磁波反射到地面，地面再次反射電磁波到達(dá)天線，2次反射后電磁波的衰減對(duì)于中波天線的影響幾乎可以忽略不計(jì)。

地物頂部將中波天線所發(fā)射的電磁波反射到空中，與中波天線自身所發(fā)射的電磁波所混合，影響飛機(jī)所接收到的導(dǎo)航天線信號(hào)，從而影響導(dǎo)航性能。任何大線的有效作用距離都是有限的，根據(jù)天線的有效作用距離，可以通過(guò)適當(dāng)調(diào)整干擾建筑物的高度和其距天線的距離，達(dá)到減小干擾的目的。

4　仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)論分析

理想狀態(tài)下，中波導(dǎo)航天線是全空域增益相同的天線，天線高度為168m，其頻率為1.035 MHz，則其理想狀態(tài)下方向圖如圖1所示。

圖1　理想狀態(tài)下中波導(dǎo)航天線方向圖Fig.1 Direction chart of wave navigation antenna under ideal state

4.1不同形狀地物模型對(duì)于無(wú)源干擾的區(qū)別

本文第2節(jié)所建立的模型，對(duì)于高大地物建模分為2種形式：立方體與圓錐體。本節(jié)分析這2種模型對(duì)于中波導(dǎo)航天線無(wú)源干擾影響的不同。

將材料定義為不導(dǎo)電的介質(zhì)，立方體的長(zhǎng)寬高分別為100m、20m、100m，與天線水平距離為50m，大地為理想狀態(tài)下的地面，則方向圖如圖2所示。同理，圓錐體材料為不導(dǎo)電的介質(zhì)，高度為100m，圓錐半徑50m，距離天線的水平距離同樣為50m，大地為理想狀態(tài)下的地面，則方向圖如圖3所示。對(duì)比兩者的方向圖，可以看出立方體的干擾明顯要比圓錐體要強(qiáng)，所以在選址時(shí)，要盡量避開(kāi)某些高大的立體建筑物和懸崖等地物。另外，立方體在（120°，300°）2個(gè)方向上增益減小，圓錐體在（90°，270°）2個(gè)方向上增益減小。因此，在使用存在地物干擾時(shí)，要在干擾強(qiáng)的方向上避免使用導(dǎo)航臺(tái)以避免飛行員判斷錯(cuò)誤。

圖3　地物模型為圓錐體時(shí)的方向圖Fig.3 Direction chart of object under for cone

4.2地物距天線的距離對(duì)于干擾的影響

為了使得干擾隨著距離的變化而變化的情況觀察起來(lái)比較明顯，選擇干擾比較明顯的模型，所以選用立方體作為干擾模型。將材料定義為不導(dǎo)電的介質(zhì)，立方體的長(zhǎng)寬高分別為100m、20m、100m，與天線的水平距離分別為50m、100m、150m，大地為理想狀態(tài)下的地面，3種情況的方向圖如圖4～6所示。可以發(fā)現(xiàn)，距離天線越近的物體對(duì)于方向圖的衰減越大，但是方向圖的整體畸變較輕，這是因?yàn)榫嚯x越遠(yuǎn)，對(duì)于電磁波的反射愈發(fā)發(fā)散，導(dǎo)致空域范圍內(nèi)的電磁環(huán)境變化越大。但是距離越遠(yuǎn)，反射后的電磁波能量越小，對(duì)于天線發(fā)射的能量影響越小。兩者權(quán)衡之下，認(rèn)為仍然應(yīng)該采取將建筑物遠(yuǎn)離中波導(dǎo)航臺(tái)。雖然方向圖畸變嚴(yán)重，但是由于衰減較小，在畸變方向上對(duì)于導(dǎo)航精度影響不大，并不能導(dǎo)致在一個(gè)方向上不能使用的情況。

圖4　間距為50m時(shí)的天線方向圖Fig.4 Direction chart of spacing50m

圖5　間距為100m時(shí)的天線方向圖Fig.5 Direction chart of spacing100m

圖6　間距為150m時(shí)的天線方向圖Fig.6 Direction chart of spacing150m

4.3地物高度對(duì)于干擾的影響

同樣，采用立方體作為地物模型，將材料定義為不導(dǎo)電的介質(zhì)，立方體的長(zhǎng)寬分別為100m、20m，地物高度分別為100m、150m、200m、，與天線的水平距離為50m，大地為理想狀態(tài)下的地面，3種情況的方向圖如圖7～9所示。

圖7　高度為100m時(shí)的天線方向圖Fig.7 Direction chart of height100m

圖8　高度為150m時(shí)的天線方向圖Fig.8 Direction chart of height150m

圖9　高度為200m時(shí)的天線方向圖Fig.9 Direction chart of height200m

分2種情況來(lái)分析：當(dāng)?shù)匚锔叨刃∮谔炀€高度時(shí)，發(fā)現(xiàn)高度越高，方向圖與干擾強(qiáng)度的變化不是非常明顯，說(shuō)明地物高度在小于天線高度時(shí)，高度并不是影響干擾的決定因素；但是，當(dāng)?shù)匚锔叨却笥谔炀€高度時(shí)，發(fā)現(xiàn)方向圖有了明顯的畸變，而且增益明顯變小，在一定方向上天線無(wú)法工作。這要求導(dǎo)航臺(tái)周邊不得出現(xiàn)高于天線高度的建筑物，因而做環(huán)境因素評(píng)估時(shí)，必須把此因素考慮進(jìn)去。

5　小結(jié)

本文首先介紹了本文所采用的仿真軟件FEKO的電磁計(jì)算的理論基礎(chǔ)——矩量法；然后，運(yùn)用CADFEKO的方法，將本文所研究的地物建立了2種不同類型的模型；最后，通過(guò)FEKO軟件的仿真，比較了不同情況下地物對(duì)于中波導(dǎo)航臺(tái)的干擾強(qiáng)度，得到了防護(hù)方法。

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Passive Interference Characteristics of High and Large Ground Abjects with Medium Wave Beacon

WANG Qinjiana，LI Tingjunb，ZHANG Yangc，ZHANG Haibob，LIN Yua
（Naval Aeronautical and Astronautical University a.Graduate Students’Brigade；b.Department of Electronic and Information Engineering；c.Department of Training，Yantai Shandong 264001，China）

Navigation aviation medium wave radio station electromagnetic environment of the surrounding buildings and all have related requirements，along with the development of the city，medium-wave navigation station there are big changes in the surrounding environment.After a preliminary investigation it was found that high and large ground abjects is an im?portant part of the passive jamming.In this paper，through the study of the calculation method of electromagnetism，the mo?ment method was chosen as the study of the numerical method，the feature of the simulation model was established，and through simulation software FEKO，analyzes the features of passive jamming important features were analyzed.

high and large ground abjects；passive interference；moments method；FEKO simulation

TN972+.4

A

1673-1522（2015）06-0526-05DOI：10.7682/j.issn.1673-1522.2015.06.006

2015-07-22；

2015-09-21

王琴劍（1991-），男，碩士生。