弓網(wǎng)電弧對航空器儀表著陸系統(tǒng)的電磁干擾影響研究

茍江川， 朱 峰， 鄒 杰， 葉家全， 李華瓊， 王雨果

(1. 中國民航飛行學(xué)院 空中交通管理學(xué)院， 四川 廣漢 618307；2. 西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 四川 成都 610031； 3. 中國民航局 第二研究所， 四川 成都 610041)

隨著電氣化鐵路與航空事業(yè)的高速發(fā)展，將電氣化鐵路引入機(jī)場區(qū)域成為一種發(fā)展趨勢[1]。然而電氣化鐵路的電磁干擾，尤其是弓網(wǎng)電弧對其周圍的各類電磁敏感設(shè)施的影響十分突出[2]。而儀表著陸系統(tǒng)ILS(Instrument Landing System)電磁環(huán)境是影響飛機(jī)進(jìn)近著陸安全的重要因素之一[3]。因此，探究電氣化鐵路弓網(wǎng)電弧對ILS電磁環(huán)境的影響，對于研究鐵路與民航的電磁兼容性具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者針對弓網(wǎng)電弧的電磁輻射進(jìn)行了大量的研究：馬云雙等[4]分析動(dòng)車組車速與弓網(wǎng)電弧產(chǎn)生的電磁騷擾的關(guān)系，建立動(dòng)車組弓網(wǎng)離線放電電磁騷擾源模型；郭鳳儀等[5]設(shè)計(jì)一套弓網(wǎng)電弧電磁噪聲實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，采取實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的方式研究弓網(wǎng)電弧輻射噪聲特性；周克生等[6]在一定假設(shè)條件下，建立“動(dòng)力集中型”高速列車產(chǎn)生的脈沖噪聲模型，從理論上預(yù)測高速列車產(chǎn)生的無線電噪聲情況；Virginie等[7]通過建立電力機(jī)車仿真模型分析弓網(wǎng)電弧輻射噪聲對鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)的影響。文獻(xiàn)[8]研究電氣化鐵路弓網(wǎng)電弧的電磁干擾，但主要是針對機(jī)車各個(gè)電氣設(shè)備的影響。而針對ILS的電磁干擾，大多是對地形以及周邊的建筑等無源干擾的研究[9-10]，對電氣化鐵路弓網(wǎng)電弧這種有源干擾的研究還比較少。

上述研究是采用理論分析、仿真研究或者實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等方式進(jìn)行的，但這些方法因模型和參數(shù)的不確定性，往往會(huì)導(dǎo)致其結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果之間存在一定的差異。本文根據(jù)ILS的電磁環(huán)境要求及測試規(guī)范，對電氣化鐵路產(chǎn)生弓網(wǎng)電弧的典型位置進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化測試，獲得弓網(wǎng)離線電弧在ILS工作頻段內(nèi)的幅頻特性；理論分析電氣化鐵路線垂直穿越航空器下滑道的電磁兼容問題；以防護(hù)率為評估依據(jù)，結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)，給出電磁兼容預(yù)測；為電氣化鐵路的選線和機(jī)場選址提供建議及數(shù)據(jù)支撐。

1 ILS及其電磁環(huán)境要求

ILS是引導(dǎo)飛機(jī)進(jìn)行精密進(jìn)近和著陸的導(dǎo)航系統(tǒng)。它由三個(gè)分系統(tǒng)組成，包括航向信標(biāo)、下滑信標(biāo)和指點(diǎn)信標(biāo)。每個(gè)分系統(tǒng)又包含地面發(fā)射設(shè)備和機(jī)載接收設(shè)備兩個(gè)部分，本文討論的是對機(jī)載接收設(shè)備的影響。

飛機(jī)在進(jìn)近著陸時(shí)，為了保障ILS的正常運(yùn)行，ILS各信標(biāo)的防護(hù)率R應(yīng)滿足

Es-En≥R

( 1 )

式中:Es為飛機(jī)處ILS地面設(shè)備發(fā)射的導(dǎo)航信號;En為飛機(jī)處同頻騷擾信號(本文指弓網(wǎng)電弧輻射騷擾信號)。式( 1 )也是判斷是否存在干擾的依據(jù)。

針對弓網(wǎng)電弧這類輻射騷擾，GB/T 6364規(guī)定了ILS各信標(biāo)的防護(hù)率要求[11]，見表1。

2 弓網(wǎng)電弧及其典型位置

文獻(xiàn)[12]對武廣高速鐵路進(jìn)行了弓網(wǎng)電弧的輻射測試，從其測試結(jié)果可以得到弓網(wǎng)電弧頻率主要集中在30～400 MHz，而且幅值普遍在50～70 dBμV之間，最大幅值可達(dá)86 dBμV。雖然ILS只工作在固定頻點(diǎn)上，但是弓網(wǎng)電弧這種隨機(jī)型脈沖騷擾，部分頻率極有可能落在ILS工作頻點(diǎn)上，造成同頻干擾。

弓網(wǎng)電弧的產(chǎn)生與接觸網(wǎng)懸掛方式、外界環(huán)境、供電制式、列車運(yùn)行狀態(tài)以及弓網(wǎng)匹配等因素密切相關(guān)，因此，弓網(wǎng)電弧的產(chǎn)生原因十分復(fù)雜[13]。一般列車在運(yùn)行過程中易產(chǎn)生弓網(wǎng)電弧的位置大致可以分為三類：電分相、錨段關(guān)節(jié)和普通點(diǎn)。電氣化鐵路不同位置處產(chǎn)生的弓網(wǎng)電弧不盡相同，應(yīng)根據(jù)具體情況具體對待。

表1 ILS各信標(biāo)防護(hù)率要求

2.1 電分相

我國電氣化鐵路上運(yùn)行的電力機(jī)車和動(dòng)車組均采用單相供電，為平衡電力系統(tǒng)各相負(fù)荷，牽引供電方式一般實(shí)行相序輪換供電，為此在接觸網(wǎng)不同供電臂的分解處設(shè)置了絕緣結(jié)構(gòu)，即電分相。列車受電弓從有電區(qū)進(jìn)入無電區(qū)，又從無電區(qū)進(jìn)入有電區(qū)，極易產(chǎn)生拉弧現(xiàn)象[14]。

2.2 錨段關(guān)節(jié)

接觸網(wǎng)是由很多在機(jī)械上相互獨(dú)立的錨段組成的，兩個(gè)相鄰錨段相銜接的區(qū)段稱為錨段關(guān)節(jié)。錨段關(guān)節(jié)能使受電弓沿一個(gè)錨段的接觸網(wǎng)平穩(wěn)滑行到相連錨段的接觸網(wǎng)上。在過渡區(qū)內(nèi)，兩側(cè)錨段分別由工作支變?yōu)榉枪ぷ髦Щ蛴煞枪ぷ髦ё優(yōu)楣ぷ髦В词茈姽c接觸網(wǎng)從良好接觸到脫離接觸或從未接觸到良好接觸。若供給受電弓與接觸線間隙的電壓與電流超過生弧電壓與生弧電流，電弧的產(chǎn)生將不可避免[15]。

2.3 普通點(diǎn)

普通點(diǎn)指的是接觸網(wǎng)的連續(xù)段，即沒有機(jī)械或者電氣隔離的部分。在弓網(wǎng)滑動(dòng)接觸過程中，因表面不平順、有硬點(diǎn)或冰雪等異物以及弓網(wǎng)接觸壓力較小等情況，受電弓與接觸網(wǎng)無法良好接觸，從而產(chǎn)生電火花或者燃弧現(xiàn)象[16]。這類電弧的產(chǎn)生是一種隨機(jī)現(xiàn)象。

3 現(xiàn)場測試方案

本文按照GB/T 6364的測試要求進(jìn)行弓網(wǎng)電弧現(xiàn)場實(shí)測[11]。在電氣化鐵路沿線選取典型測試點(diǎn)，利用接收機(jī)和天線，在儀表著陸系統(tǒng)的三個(gè)頻段內(nèi)進(jìn)行頻譜測試。

3.1 測試位置

由上述討論可知，產(chǎn)生弓網(wǎng)電弧的因素很多，本文要探究電氣化鐵路不同位置處的輻射情況，并找到輻射最強(qiáng)點(diǎn)，故測試點(diǎn)選取在同一條鐵路沿線，針對同一種列車，沿同一運(yùn)行方向、相同運(yùn)行速度的幾個(gè)典型測試點(diǎn)上進(jìn)行。本次測試點(diǎn)選擇的是達(dá)成鐵路復(fù)線上的3種典型測試點(diǎn)：電分相、錨段關(guān)節(jié)和普通點(diǎn)，其中電分相選了2處。測試對象選擇的是運(yùn)行速度為200 km/h的16編組動(dòng)車組，運(yùn)行方向均選擇成都到達(dá)州的方向，見圖1。

表2 天線與軌道的相對位置m

因測試現(xiàn)場地理?xiàng)l件的限制，每個(gè)位置的測試點(diǎn)的天線到軌中心的距離D與到軌平面的高度H根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境而定，其具體參數(shù)見表2。表2中負(fù)數(shù)表示測試天線位置在軌平面以下。測試結(jié)果可以根據(jù)GB/T 24338.2中的規(guī)定轉(zhuǎn)換為10 m法標(biāo)準(zhǔn)值[17]。

3.2 測試儀器

本次測試頻段為儀表著陸系統(tǒng)的三個(gè)信標(biāo)：指點(diǎn)信標(biāo)(75 MHz)、航向信標(biāo)(108～112 MHz)、下滑信標(biāo)(328.6～335.4 MHz)。故測試儀器采用R&S公司的接收機(jī)ESCI，其測試頻率范圍為9 kHz～3 GHz。測試天線選用R&S公司的雙錐天線HK116(測試頻率范圍30～300 MHz)及對數(shù)周期天線HL223(測試頻率范圍300 MHz～1.3 GHz)。根據(jù)測試頻段信號的極化方式，測試天線采用水平極化方式，架設(shè)高度為1.5 m。

3.3 測試參數(shù)

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研，在測試位置電分相處，列車經(jīng)過必拉弧，拉弧持續(xù)時(shí)間約400 ms。所以接收機(jī)掃描時(shí)間不宜過長，應(yīng)低于拉弧持續(xù)時(shí)間，以免影響測試的準(zhǔn)確性，故采用點(diǎn)頻讀取模式。

不同敏感設(shè)備對測試采用的檢波方式要求不同，為了使結(jié)果更具普遍性，本次測試直接采用三種檢波方式。接收機(jī)參數(shù)設(shè)置見表3。

表3 測試儀器參數(shù)設(shè)置

按表3設(shè)置，在4個(gè)測試地點(diǎn)、針對3個(gè)測試頻率點(diǎn)，在16編組動(dòng)車組經(jīng)過時(shí)，進(jìn)行點(diǎn)頻讀取。為了考慮環(huán)境因素，在列車到來之前，進(jìn)行一次背景掃描，便于對比。

4 測試結(jié)果與分析

4.1 換算

(1) 接收機(jī)測得的數(shù)據(jù)是接收端口的電壓或功率，轉(zhuǎn)換為電場強(qiáng)度需要再加天線系數(shù)AF。考慮放大器和衰減器增益G和線纜損耗L，換算公式為

E=U-G+AF+L

( 2 )

式中：E為轉(zhuǎn)換后的電場強(qiáng)度;U為接收端口的電壓。

( 3 )

換算后的天線與導(dǎo)軌相對位置見表4。

表4 換算后的天線與軌道相對位置 m

(3) 將各點(diǎn)測試獲得的測試數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為10 m處的測試結(jié)果，即

( 4 )

4.2 測試結(jié)果

根據(jù)上述換算，得到距離弓網(wǎng)電弧10 m處輻射測試值見表5。

從表5中數(shù)據(jù)可以看出：

(1) 測試點(diǎn)不同，電弧產(chǎn)生的電磁騷擾程度不同，電分相處明顯高于錨段關(guān)節(jié)和普通點(diǎn)。故分析電弧對其他設(shè)備的影響，應(yīng)考慮到鐵路不同位置的影響，尤其是電分相處。

(2) 檢波方式不同，測試數(shù)值不同，其中峰值檢波數(shù)值最大。故根據(jù)不同敏感設(shè)備的電磁兼容要求，在分析時(shí)應(yīng)采用對應(yīng)的檢波方式測得的數(shù)據(jù)。考慮最嚴(yán)苛的情況，本文采用峰值檢波數(shù)據(jù)來分析。

表5 10 m處輻射測試值 dBμV/m

4.3 電磁兼容預(yù)測

如圖2所示，以一起典型的鐵路線垂直穿越飛機(jī)下滑道為例，其相關(guān)參數(shù)見表6。以表中峰值檢波數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，討論電氣化鐵路弓網(wǎng)電弧對ILS的影響。

表6 機(jī)場ILS及敏感點(diǎn)相關(guān)參數(shù)

設(shè)ILS信標(biāo)臺發(fā)射功率為P，天線增益為G，則觀測點(diǎn)(飛機(jī)處)的功率譜面密度為

( 5 )

式中:ds為觀測點(diǎn)到ILS信標(biāo)臺的距離。

Es=134.77+10 lgP+G+20 lgds

( 6 )

式中:Es為觀測點(diǎn)處ILS信標(biāo)的電場強(qiáng)度。

電氣化鐵路電弧距離飛機(jī)dn處騷擾場強(qiáng)為

( 7 )

式中:En為觀測點(diǎn)處電弧的騷擾場強(qiáng);E10為距離電弧10 m處的電場強(qiáng)度;dn為電弧到觀測點(diǎn)處的距離。根據(jù)式( 6 )和式( 7 )得

Es-En=

( 8 )

設(shè)θ1為下滑道與電弧點(diǎn)到信標(biāo)臺連線的夾角，θ2為下滑道與電弧點(diǎn)到飛機(jī)連線的夾角，根據(jù)幾何關(guān)系有

( 9 )

代入式( 8 )得

Es-En=114.77+10 lgP+G-

(10)

按照表5、表6中的參數(shù)，利用式( 8 )可以得到電氣化鐵路不同位置電弧電磁輻射(峰值)與ILS信號的相對值(Es-En)，見表7。

從表7中的數(shù)據(jù)可以看到：

(1) 電分相處相較錨段關(guān)節(jié)和普通點(diǎn)(Es-En)明顯更小，說明電分相處弓網(wǎng)電弧輻射騷擾最大。

(2) 電分相1和電分相2處對ILS航向信標(biāo)的(Es-En)均已低于防護(hù)率要求4.8 dB和5.8 dB，而其他均未超標(biāo)，即此時(shí)交匯點(diǎn)處的電氣化鐵路結(jié)構(gòu)剛好是電分相時(shí)，其弓網(wǎng)電弧產(chǎn)生的電磁輻射就極有可能會(huì)對ILS的航向信標(biāo)構(gòu)成同頻干擾。

表7 各測試點(diǎn)(Es-En)大小及防護(hù)率

所以弓網(wǎng)電弧是否會(huì)對ILS造成干擾，主要是考察(Es-En)是否超出ILS防護(hù)率R的要求，而電分相處的弓網(wǎng)電弧是考慮的重點(diǎn)。弓網(wǎng)電弧輻射具有隨機(jī)性，數(shù)值可能會(huì)更大，故考慮10 dB富裕度，建議電分相應(yīng)選址在距離交叉點(diǎn)250 m以外。

5 結(jié)論

(1) 以達(dá)成鐵路復(fù)線的現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，電氣化鐵路電分相處產(chǎn)生的弓網(wǎng)電弧輻射值最大。距離接觸網(wǎng)10 m處，弓網(wǎng)電弧在ILS的指點(diǎn)信標(biāo)、航向信標(biāo)和下滑信標(biāo)的工作頻段內(nèi)的輻射峰值數(shù)據(jù)分別可達(dá)87.6 dBμV/m(75 MHz)、89.3 dBμV/m(110 MHz)和82.2 dBμV/m(332 MHz)。

(2) 電氣化鐵路垂直穿越飛機(jī)下滑道時(shí)，弓網(wǎng)電弧對航向信標(biāo)和下滑信標(biāo)的最強(qiáng)騷擾點(diǎn)在鐵路線與下滑面交叉點(diǎn)的正上方；對指點(diǎn)信標(biāo)的最強(qiáng)騷擾點(diǎn)為指點(diǎn)信標(biāo)臺站正上方。

(3) 以ILS的防護(hù)率為評估依據(jù)，本例中電分相處弓網(wǎng)電弧對ILS航向信標(biāo)的(Es-En)低于了防護(hù)率要求，故電氣化鐵路電分相處弓網(wǎng)電弧對ILS航向信標(biāo)的電磁兼容性是考慮的重點(diǎn)，電分相選址應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離飛機(jī)下滑道。

現(xiàn)場測試結(jié)果與電磁兼容預(yù)測方法，可為電氣化鐵路與民航的電磁兼容性研究提供數(shù)據(jù)支持和理論依據(jù)，并為電氣化鐵路的選線以及機(jī)場選址的合理化與可行性提供技術(shù)支持。