民航甚高頻地空通信遠距離同頻話音干擾分析

羅翔

【摘要】 甚高頻地空通信作為民航空管地面管制與飛行機組通信的主要方式，話音清晰是其主要特點，但目前也存在廣播、話音、電流、噪聲等多種形式的干擾影響著地空通信質量，造成管制與機組通信不暢或中斷。本文主要針對甚高頻地空通信遠距離同頻話音干擾這一特殊現象進行分析，特別對特殊氣象條件下導致甚高頻無線電波遠距離傳播進行研究，并對大氣波導和對流層散射影響無線電波的傳播進行了詳細分析，為民航空管通導人員理解甚高頻地空通信遠距離同頻話音干擾提供了比較全面的理論分析，并提出了個人的相關建議。

【關鍵詞】 甚高頻地空通信 遠距離 同頻話音干擾 大氣波導 對流層散射

一、引言

隨著民航飛行流量的飛速增長，空管管制扇區不斷細分，對應管制頻率也隨之增加，由于民航無線電頻譜資源有限，在指配管制扇區頻率時難免存在頻率復用情況，即同一個管制頻率可分配給多個相距較遠的管制扇區使用。甚高頻地空通信作用距離一般不超過500公里，通常情況下相距上千公里的管制單位使用相同的頻率是不會產生相互干擾，然而2016年5月成都管制區卻在正常使用甚高頻管制頻率時多次接收到來自廣州管制區和上海管制區的同頻話音，對成都管制區的甚高頻地空通信造成了干擾。針對此特殊現象，本人查閱了甚高頻無線電波遠距離傳播的相關資料，進一步分析了甚高頻無線電波傳播特性，發現特殊氣象條件下會導致甚高頻無線電波實現地對地的遠距離傳播，并對可能造成甚高頻遠距離通信的大氣波導、對流層散射這兩種傳播方式進行詳細分析。

二、甚高頻地空通信遠距離同頻話音干擾實例分析

2.1 干擾現象

2016年5月成都管制區的兩個甚高頻管制頻率在正常使用時多次出現來自遠距離的話音干擾，話音清晰，持續時間短，通過內容能準確判斷出該話音為管制單位的指揮指令，并通過話音中涉及的航班號信息查找到話音來源，經聯系相關單位確認接收到的管制話音為廣州管制區和上海管制區在同一時間相同頻率中發射的。頻率1為成都管制區08號扇區主頻，接收到廣州管制區頻率相同的01號扇區主頻話音，頻率2為成都管制區05號扇區主頻，接收到上海管制區頻率相同的26號扇區主頻話音，所使用的甚高頻發射臺和接收臺相距均在1000公里以上。

2.3干擾情況分析

通過干擾現象來看，此次干擾應歸類為不同管制區相同管制頻率間的遠距離話音干擾。管制話音的發射和接收設備均為地面甚高頻系統，故此類干擾實際是實現了甚高頻頻段地對地通信的遠距離傳輸造成的，由于甚高頻收發信機工作在甚高頻頻段，其空間傳播方式為視距傳播，正常情況下難以實現上千公里的通信。那么有什么情況可以促成甚高頻無線電波實現超視距傳播，達到上千公里的通信距離，就是管制甚高頻地空通信遠距離同頻話音干擾的具體原因。

三、甚高頻無線電波遠距離傳播分析

3.1 無線電波傳播特性

無線電波傳播是指發射天線輻射的無線電波通過自然條件下的媒質到達接收天線的過程。在傳播過程中，無線電波可能受到反射、折射、繞射、散射和吸收，并可能引起無線電信號的畸變。傳輸無線電波的媒質主要有地表、對流層、電離層等，這些媒質對不同頻段的無線電波的傳播有著不同的影響，根據媒質及不同媒質分界面對電波傳播產生的主要影響，電波傳播主要分為地面波傳播、天波傳播、視距傳播、散射傳播等，由于媒質的時空性、隨機性、不均勻性、各向異性和有耗性等將使信號衰減、極化方式發生改變，或使電波傳播方向和傳播速度改變。

3.2 甚高頻無線電波遠距離傳播的可能性

甚高頻及以上頻率的無線電波既無法以地波的形式沿著圓形地球表面傳播，也無法以天波傳播的方式經電離層折射返回地面，其傳播方式為視距傳播，不可能傳播到上千公里之外的地方。但無線電波在大氣環境中傳播，不僅會受大氣環境中氣體分子和氣溶膠粒子的吸收、散射所造成的衰減影響，還受大氣折射影響，負折射、臨界折射和陷獲折射等異常折射會引起無線電波出現異常傳播現象，有可能將甚高頻無線電波通過某種特定的方式傳播到千里以外或者更遠。如圖1所示，無線電波在對流層中會產生多種方式的傳播。

3.3 大氣波導傳播

3.3.1 大氣波導

對流層中傳播的無線電波主要受大氣吸收、折射、反射和散射的影響，在所有這些因素中折射的影響在各個頻段上都是顯著地，而且折射效應的顯著程度主要依賴于傳播路徑上的折射指數變化梯度和電波射線初始仰角。在一定的氣象條件下，近地層中傳播的電磁波受大氣折射影響其傳播軌跡彎向地面，當曲率超過地球表面曲率時電磁波會部分地被陷獲在一定厚度的大氣層內，經該大氣層上下邊界來回反射向前傳播，就像電波在金屬波導管中傳播一樣，這種傳播現象稱為大氣波導傳播，如圖2所示，陷獲折射即為波導傳播，形成波導傳播的大氣層稱為大氣波導。

3.3.2大氣波導分類

不同的氣象條件會形成不同類型的波導，通常大氣波導分為：表面波導、蒸發波導、抬升波導。表面波導又分為兩種，一種是陷獲層接地的表面波導，另一種是基于表面的波導。如圖2所示，圖中陰影區為波導厚度。

3.3.3大氣波導傳播條件

邊界層大氣中的電磁波若要形成波導傳播必須滿足以下4個基本條件：（1）近地層某一高度處必須存在大氣波導；（2）電磁波的頻率必須高于最低陷獲頻率；（3）電磁波發射源必須位于大氣波導層內，對于抬升波導，有時電磁波發射源位于波導底下方時，也可形成波導傳播，但此時發射源必須距波導底不遠，并且波導強度必須很強；（4）電磁波的發射仰角必須小于臨界仰角。

3.3.4大氣波導對甚高頻通信的影響

大氣波導的存在與否對甚高頻通信的有一定的影響，當甚高頻無線電波在邊界層大氣中形成波導傳播時，大氣波導對其產生的影響主要表現在兩個方面：一是增加無線電波傳播的距離，二是增加電場強度。通常甚高頻無線電波波導傳播距離可數倍于其正常的傳播距離。

3.4 對流層散射傳播

3.4.1 對流層散射

地球大氣層一般分為電離層、平流層和對流層。對流層作為地球大氣層最低層的一個區域，其最高位置離地面上空十多公里，中緯度地區平均高度為10～12km，對流層是不穩定、多變的，幾乎所有的天氣現象都發生在對流層，它是無線電波的一種不均勻介質，其中分布著大量的不均勻體，或稱散射體，表現為大大小小、形狀各異并且或快或慢地運動變化的空氣漩渦、云團邊際和某種漸變層結等。它們在溫度、濕度和壓強上與周圍空氣不同，從而在折射指數上與周圍空氣也有差異，因而，當無線電波通過這種不均勻介質時，電波沿途遭受折射外，還被不均勻體再次輻射，這種對流層不均勻體對無線電波的再輻射，即形成對流層散射。

3.4.2 對流層散射傳播分類

對流層散射現象的發現源于20世紀30年代，在實踐中觀察到了超短波、微波信號的傳播距離達到800-1000km，遠遠超出正常的視距傳播距離。由于頻率太高，射向地面的超短波、微波頻段的電波幾乎無法在地表激起表面電流，這時地表對于這個頻段的電磁波而言相當于良導電體，電磁波在地表幾乎全部反射而沒有入射。通過構造各種理論模型來解釋這種傳播，使理論模型得出的數據盡可能地與實測數據相符。到目前為止，已經提出的機理主要有湍流非相干散射（散射理論）、不規則層非相干反射（多模理論）和穩定層相干反射（反射理論）三種。

（1）湍流非相干散射

大氣湍流運動產生大氣渦旋，每一個渦旋都是一個介電常數不均勻體，在電波的照射下，它變成一個偶極子，將入射電磁能量向四面八方進行二次輻射。由于湍流運動的特點，散射體是隨機變化的，每個受激勵的偶極子輻射的信號在強度、相位上應是相互獨立、互不相干且隨機變化的，因而對任一固定的接收點而言，其接收信號就是這些不相干多徑信號的矢量和。

（2）不規則層非相干反射

這種理論認為在對流層中經常存在溫度、濕度和壓力都極為不同的云層和冷暖空氣團，當它們在某處交匯時，由于各項參數的急劇變化導致折射指數的劇烈變化，從而形成一種銳變層。這類銳變層強度不等、形狀不一，位置、取向極不規則，不斷變化，并隨氣流不斷移動。此種理論認為，這類不規則層對電波的非相干性部分反射，就是電波超視距對流層傳播的起因。

（3）穩定層相干反射

這種理論認為，電波超視距對流層傳播起因于介電常數隨高度變化而較穩定的非線性分布。大氣中的介質可按高度連續分成一系列薄層：一層相對一層的介電常數都有所變化；每層都能對電波進行部分反射；各反射分量間有確定的相位關系，它們在接收點的相干疊加即為接收場。

三種理論模型都緣于對流層中不同的大氣分布，且各種理論還有許多細分。相對而言，湍流非相干散射理論發展得比較完備，它有比較嚴格的湍流理論作基礎，并且可與較多的實驗數據相吻合；不規則層非相干反射理論在介質結構上缺乏嚴格的理論基礎，但仍能與許多實驗結果相吻合；穩定層相干反射理論在與實驗數據的吻合度上較差一些，但在一些特定的環境下仍有與之比較符合的實驗數據。從頻率上看，在0.5GHz以下，對流層超視距遠距離傳播主要是靠穩定層相干反射和不規則層非相干反射，而且隨著頻率的降低，前者顯得更為主要；在0.5—1.5GHz之間，湍流非相干散射和不規則層非相干反射兩者兼有；1.5GHz以上主要是靠湍流非相干散射。因此，工作在甚高頻頻段的通信臺站在信號發射時可能通過對流層散射傳播實現遠距離通信。

四、結論和建議

綜上所述，對流層大氣波導傳播和對流層散射傳播在滿足一定條件時都可以實現甚高頻無線電波的遠距離傳播。對流層散射傳播形成的信道較穩定且傳輸衰耗較大，與成都管制區接收話音時有時無、質量清晰的特點不同，所以由對流層散射傳播造成的可能性很小。而大氣波導傳播的前提是需特殊天氣形成大氣波導，并且發射的無線電波須滿足上文所述基本條件才能對無線電波進行波導傳播，因此當千里之外的管制單位發射甚高頻信號時需存在大氣波導，并當發射的信號滿足傳播條件時才能實現遠距離傳播，發生的概率相當小，這與成都管制區發生的遠距離同頻話音干擾現象比較類似，故可暫時解釋成都管制區接收到的上千公里的甚高頻同頻話音是由于特殊天氣條件下通過大氣波導傳播的偶然現象。以上判斷皆為根據無線電波傳播理論分析的結果，為進一步證實此類干擾的原因，建議對受干擾臺站和頻率進行實時監測和記錄，捕獲相同干擾再次出現時的信號特征，進行信號強度、頻譜等參數的分析，希望能得到更多的數據支持，研究得出最終的結論。

參 考 文 獻

[1]王元坤. 電波傳播概論.國防工業出版社. 1983年.

[2]姚展予等. 大氣波導特征分析及其對電磁波傳播的影響. 氣象學報 2000年10月.

[3]張明高. 對流層散射傳播. 電子工業出版社. 2004年.