地下電磁信號對民航機場導航臺站的干擾機理分析與仿真計算

楊起濤，雷文太

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地下電磁信號對民航機場導航臺站的干擾機理分析與仿真計算

楊起濤1，雷文太2

（1.南部戰(zhàn)區(qū)空軍勘察設計院，廣州 510052；2.中南大學，長沙 410083）

目的研究地下電磁信號對機場導航臺站的干擾機理，并進行仿真計算。方法建立導航臺天線的電流分布模型，研究外部電磁干擾對導航臺天線上電流分布形式的影響。基于導航臺的工作原理，研究外部電磁干擾對導航臺輻射方向圖的影響，并進行仿真計算。計算航線下滑線空間點上的場強值受外部電磁信號干擾的影響。結果地下電磁信號傳播至導航臺天線所在區(qū)域，造成T型天線的左右頂負載的電流不再滿足鏡像反對稱的狀態(tài)，導致T型天線覆蓋區(qū)域中的場強值變化，水平面的無方向性方向圖產生波瓣分裂，進而導致航線下滑線上空間點接收到的場強值幅度產生波動，仿真結果顯示波動值高達32.7%。結論地下電磁信號對無方向性信標臺造成干擾，導致原來的無方向性方向圖產生波瓣分裂，航線下滑線上的場強值產生波動，影響了飛行安全，需要加以抑制屏蔽。

電磁干擾；導航臺；干擾機理

近年來，隨著城市建設的發(fā)展，越來越多的軌道交通和市政道路向城外延拓。這些軌道交通和市政道路在施工和運營過程中會產生電磁輻射，對周邊的敏感電子設備存在潛在影響[1—3]，尤其是當延拓至機場附近時，這種潛在的影響更為嚴重。

機場為保障正常的飛行訓練和飛行任務，通常配備有遠/近距導航臺、指點信標、航管雷達、氣象雷達等電子設備[4—5]。導航臺向外輻射定頻電磁信號，與飛機上的電子羅盤配合，指引飛行員沿著預設的下滑線實施降落。指點信標對空輻射固定格式的電磁信號，當上空有飛機經過時，飛機接收該信號，起到提示和定位的目的[6—8]。航管雷達和氣象雷達通過對指定空域的探測，獲得該空域的飛行器參數信號和氣象信息。隨著城市建設的加快，原來位于開闊和偏遠地帶的機場逐漸被軌道交通和市政道路所圍繞，機場的敏感電子設備也被大量的電磁輻射源所圍繞。這些輻射源所輻射的信號以波動和擴散的形式向外傳播，部分能量傳遞至機場電子設備，對機場電子設備存在潛在的影響。機場電子設備受擾后，將會造成導航偏差、雷達探測誤差增大等問題，嚴重時甚至會造成飛機無法返航[9—13]。

文中研究地下電磁信號對機場導航臺站的干擾機理，以地鐵施工和運營時向外輻射的電磁信號對機場無方向信標臺的干擾問題為研究對象，分析無方向信標臺的工作原理，建立地下電磁信號傳播至信標臺天線的信號模型。仿真計算了地下電磁信號對無方向信標臺輻射方向圖的影響，給出了干擾前后輻射方向圖的變化情況。仿真計算了下滑線上某點的信號強度受地下電磁信號影響的變化程度，為后續(xù)的干擾抑制方案提供了定量參考。

1 無方向信標臺的輻射特性分析

NDB(No Directional Beacon)即無方向信標機，是為飛機提供測向信號的地面導航設備，其發(fā)射的是垂直極化的無方向性導航信號[7—8]。其工作頻率范圍為150~700 kHz，采用寬“T”型天線，寬“T”部分由多根銅線組成，天線結構如圖1所示。

為提高天線效率，減小接地電阻，在地下鋪設地網。地網采用多根銅線組成，以垂直于天線的投影點為中心向四周輻射埋設。地網中心埋一塊銅板作為匯集板，匯集銅板與地網的連接采用銅焊條焊接[7—9]，地網形式如圖2所示。

圖1 導航臺站的天線結構

NDB向外輻射無方向性的垂直極化波，其主要輻射單元為直立振子，即圖1中的段。該導航臺工作在中波波段，主要靠地波傳播。為使地表面波達到最大輻射強度，一般采用半波天線，即高度為1/4波長的天線。由于NDB采用中波波段，波長為375~2000 m，即便是1/4波長也有93.75~500 m，如此高的直立天線是難以實現的。為了保證天線的有效輻射，通常采用的方法是在振子頂端加載“頂負載”，提高天線的有效高度[14]。加“頂負載”前后的天線電流分布如圖3所示。

設直立天線上的電流分布為：

式中：0表示天線輸入端電流；表示直立天線高度。根據有效高度的定義，得：

(2)

與分析自由空間對稱振子的方法相同，可得直立天線在上半空間的輻射場強值為：

式中：表示在垂直平面內坐標原點（直立天線和地面接觸的端點）到空間某點的矢量與直立天線間的夾角；m表示直立天線上的電流峰值；表示空間某點矢量的長度；表示波數，=/；表示自由空間的光速。

在垂直于地表的平面內，直立天線的輻射特性與角有關；在平行于地表的平面內，直立天線的輻射特性與角無關。即在水平方向上呈現出全向輻射特性，其沿水平方向和豎直方向的H面方向圖和E面方向圖分別如圖4所示。

圖4 直立振子的H面和E面方向圖

為減少地面損耗，需要改善地面的電特性，通常采用埋設地網的方式。直立天線上的電流經直立天線末端（饋源端）沿線向上傳播，到達頂端后沿頂加載繼續(xù)向外傳播，經過天線頂部的對地分布電容傳向大地，構成電流回路，如圖5所示。

圖5 直立天線的電流回路

當直立天線所在空間存在輻射場或地表表面波時，將對原直立天線（含頂負載）上的電流分布產生干擾，在直立天線兩端以及頂負載兩端和地網區(qū)域中產生次生電動勢，進而影響到直立天線輻射特性，造成直立天線輻射特性的變化。

2 外部干擾源的影響分析

建立如圖6所示的物理模型，直立天線及對稱頂負載位于地表。地下輻射源向外輻射信號，透射波場傳播至直立天線所在空域。

圖6 空間輻射場對直立天線影響的物理建模

受擾前，左右頂負載上的電流成負鏡像形式，即段的電流和段的電流大小相等，方向相反，頂負載上電流最大值位于點。受擾時，由于外部干擾源在段和段產生不對等的電動勢，造成了頂負載上電流最大值的偏移和左右頂負載的不對稱。采用電流元疊加的方法，將左右頂負載沿方向分割為電流元的形式，如圖7所示。

在頂負載上距中心點=0處取電流元段d，它對遠區(qū)場的貢獻為[15]：

圖7 導航臺天線受擾后的輻射特性分析

式中：()表示頂負載在處電流元的電流值，與電流元所處的橫向位置有關；表示電流元與遠場某點之間的傳播矢量；′表示矢量與水平方向（+方向矢量）的夾角。

由于

(6)

將式（4）沿整個頂負載全長做線積分，有如下形式：

(8)

該積分表達式中有()這一項，即左右頂負載上的電流值。總的天線輻射方向圖可由上述計算得到的頂負載輻射方向圖與直立天線輻射方向圖相加得到。當左右頂負載成鏡像反對稱時，左右頂負載的輻射在水平方向上相互抵消，僅保留直立天線的輻射特性，此時整個導航臺天線的輻射特性在水平面上是圓形。當頂負載上電流分布不滿足鏡像反對稱時，左右頂負載的輻射場在水平方向上不能抵消。此時整個導航臺天線的輻射特性在水平面上不再是圓形，所計算得到的輻射場和方位角有關。按照式（8）進行一維積分運算，可以獲得不同電流分布情況下的空間輻射方向圖和E/H面方向圖。此處給出了其水平平面的方向圖，如圖8所示。

圖8 與圖4對應的水平方向圖

從圖8中可見，頂負載上的電流受擾后，造成了水平平面方向圖的形變，理想的無干擾的水平平面方向圖為如圖3a所示的形式。這就造成了這樣一種現象：地下電磁信號的部分能量傳播至地表，造成導航臺天線上電流的受擾，導致導航臺天線輻射特性的變化，引起空間場強的受擾變化。根據式（8），可對空域任一點的場強值進行計算。下面分別對機場跑道中心延長線上某點及延長線左右一定角度處的點的場強值進行仿真計算，如圖9所示。

圖9 導航臺天線覆蓋區(qū)域某點的場強分析

近距導航臺距機場跑道一端的距離為1050 m，分別計算，，三點處的場強值。，，三點都位于航線上，距地表一定的高度。點的方位向在機場跑道的延長線上，點和點的方位向分別是向左右偏移15°，三點距機場跑道的水平距離都為3 km。在該次仿真中，進行了長時段的觀測，在整個觀測時段，前面一段時間和后面一段時間內都沒有外部電磁干擾信號，此時導航臺站天線未受干擾，空間某點的接收場強值保持不變。在觀測時段的中間某個時間段，有外部電磁干擾信號存在。外部電磁輻射信號穿透地表透射入空中，在空中架設的導航臺站T型天線的左右頂負載上產生感應電動勢，破壞了原有的鏡像反對稱關系，造成空間場強值的變化。，，三點的場強值在整個觀測時段的變化情況如圖10所示。

圖10 長時段觀測導航臺天線受擾時的空域場強值變化情況

從圖10可以看出，未受干擾時，空域某點的場強值保持恒定值不變。有外部電磁干擾信號時，造成了導航臺天線頂負載上電流的變化，進而改變了原來的空間輻射特性。在導航臺天線覆蓋區(qū)域的同一空間位置，就導致了場強值的抖動。當飛機經過近距導航臺覆蓋區(qū)域時，將會造成機載無線電羅盤接收到的信號忽大忽小，引起無線電羅盤的指針抖動。

3 結論

通過上述理論分析和仿真計算，得到如下結論。

1）地下電磁信號傳播至NDB的天線，會對天線上原有的電流分布產生影響，造成NDB輻射方向圖的變化。

2）NDB輻射方向圖受外部電磁干擾的影響，偏離了原來的無方向性輻射特性，進而造成在航線下滑線上電場強度的波動。

3）NDB輻射電場強度的波動，將會導致機載羅盤的抖動，對飛行安全造成潛在威脅。

4）為保障飛行安全，有必要采取屏蔽措施，抑制外部電磁信號對機場導航臺的干擾影響。

[1] 劉興發(fā), 張小武, 張廣洲, 等. UHV輸電線路對中波導航臺無線電信號的干擾[J]. 電網技術, 2010, 34(6): 27—30.

[2] ZHANG Xiao-wu, LIU Xing-fa, WU Xiong-wan, et al. Calculation of Radio Interference from HV AC Transmission Line to Aeronautical Radionavigation Stations[J]. High Voltage Engineering, 2009, 35(8): 1830—1835.

[3] HONDA J, OTSUYAMA T. Rapid Computation Algorithm for Radio Wave Propagation Characteristics on Airport Surface[C]// Proceedings of 2014 International Conference on Complex. Intelligent and Software Intensive Systems (CISIS), 2014: 302—306.

[4] 李程, 王琴劍, 劉又銘. 高壓輸電線路對中波導航臺無源干擾的研究[J]. 現代電子技術, 2016, 39(7): 79—82.

[5] 孫先鋒. 航空無線電導航臺站電磁干擾的特點及測量方法[J]. 空中交通管理, 2001(2): 39—40.

[6] 楊露, 吳楷. 高壓交流架空輸電線路對航空無線電中波導航臺站有源干擾的評估[J]. 中國無線電, 2011(7): 42—44.

[7] 李娜. 機場電磁環(huán)境保護區(qū)的劃定[D]. 天津: 天津大學, 2013.

[8] 趙國群. 基于電氣化鐵路干擾下機場ILS導航臺電磁環(huán)境的分析與研究[D]. 成都: 西南交通大學, 2009.

[9] 劉興發(fā), 干喆淵, 張小武, 等. 交流特高壓輸電線路對航空無線電導航臺站的有源干擾計算[J]. 電網技術, 2008, 32(2): 6—8.

[10] 李紫丹. 基于回波模型多徑效應對航向信標系統(tǒng)的影響研究[D]. 長春: 吉林大學, 2014.

[11] 熊萬洲, 黃欲成, 李健, 等. 飛機著陸下滑道與輸電線路垂直防護間距分析[J]. 電力建設, 2013, 34(12): 32—36.

[12] 熊萬洲, 徐大成, 張小武, 等. 向—上±800 kV輸電工程與舟白機場及信標臺間距分析[J]. 電網與清潔能源, 2010, 26(3): 9—11.

[13] JOFFE E B, GAVAN J. RFI Effects Analysis of an Airport-installed HF Transmitter on Aircraft COMM/NAV Receivers[C]// Proceedings of IEEE 1991 International Symposium on Electromagnetic Compatibility. EMC Society. Radiating Compatibility from New Jersey, 1991: 212—213.

[14] SHA Fei, JIANG Zhong-yong, JIANG Shou-ning. Case Study: Prediction of RFI Effects of Electrified Railways on Aeronautical Radio Navigation Stations[C]// Proceedings of International Symposium on Electromagnetic Compatibility Proceedings, 1997: 167—170.

[15] JOHN D K, RONALD J M. Antennas: For All Applications[M]. Third Edition. Newyork: McGraw-Hill Companies Inc, 2011.

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

楊起濤（1979—），男，河南人，碩士，工程師，主要從事機場設計方面的研究。

雷文太（1979—），男，博士，副教授，主要從事電磁信號傳播和電磁兼容方面的研究。