高頻通信在民航地空通信服務中的應用

劉海旺

摘要：在民用航空領域，在偏遠地區(qū)或者洋區(qū)上空，部分區(qū)域甚高頻不能實現(xiàn)完全覆蓋，高頻通信作為民航地空通信服務的補充手段，能有效解決偏遠地區(qū)通信及甚高頻通信覆蓋盲區(qū)問題，對飛行安全起著非常重要的保障作用。文章主要論述了高頻通信的特點、民航高頻通信系統(tǒng)收發(fā)信機的選擇、高頻通信系統(tǒng)的基本組成、天線場地的選擇及天線的選型。

關鍵詞：高頻通信；盲區(qū)；高頻收發(fā)信機；高頻天線

1 高頻通信系統(tǒng)發(fā)展概況

高頻通信系統(tǒng)具有設備簡單、使用方便、機動靈活、成本低廉、抗毀性強等優(yōu)點，在軍事或民事應用中具有不可替代的作用。在早期航空無線電通信系統(tǒng)中，主要通過高頻來實現(xiàn)地空及空空話音通信，但隨著通信技術的不斷發(fā)展，甚高頻通信憑借其良好的抗干擾性能、傳輸性能和優(yōu)質(zhì)的話音質(zhì)量，逐漸替代高頻通信成為民航主要的地空通信手段?，F(xiàn)有民航高頻通信主要為偏遠地區(qū)、跨洋、近海作業(yè)和通用機場飛機提供應急、補盲地空通信服務。

2 高頻通信的特點

高頻通信是指利用波長為100?10 m（頻率為3?30 MHz）的電磁波進行的無線電通信。高頻通信時，傳播方式分為天波和地波。地波的傳播距離與發(fā)信機的發(fā)射功率、發(fā)射頻率及地表特性相關，功率越大，發(fā)射頻率越低、地表越濕潤，傳播距離越遠，地波的典型傳播距離一般為20?30 km。如圖1所示，通過天波傳輸時，電磁波經(jīng)電離層反射再折回地面，傳輸距離和發(fā)信機頻率的高低、功率的大小、電離層的活躍程度、天線的極化方式及天線的仰角相關，可以覆蓋幾百至幾千米的范圍。高頻信號經(jīng)天波傳輸時，反射波經(jīng)電離層第一次反射落地的最短距離（跳距）大概為100 km，地波傳輸極限距離與天波跳距之間（20?100 km）的這個區(qū)域內(nèi)，地波達不到、天波又超過了，通常把這一區(qū)域成為盲區(qū)（見圖1）。在實際應用中，可以通過提高天線發(fā)射仰角的方

法來解決高頻通信的盲區(qū)問題。

因為高頻信號主要依靠電離層反射傳播，所以高頻信號的傳輸特性也決定了高頻通信容易受晝夜變化、太陽黑子活動、太陽耀斑爆發(fā)及通信距離等諸多因素的影響，造成高頻話音通信存在背景噪聲大、可通性差等缺點[1]。

3 民航高頻通信系統(tǒng)收發(fā)信機選擇

我國民航高頻通信主要是為各區(qū)域空中交通管制中心、通航機場、近海作業(yè)飛機或航空公司提供空中交通管制、航務管理及對空廣播話音業(yè)務。一般區(qū)域管制高頻信號覆蓋以高空為主，覆蓋范圍在1 000 km以上。通航機場、近海作業(yè)管制高頻信號覆蓋以中、低空為主，覆蓋范圍在500 km以內(nèi)。

3.1 高頻發(fā)信機的選擇

按民航高頻通信地面系統(tǒng)通用規(guī)范要求，現(xiàn)階段民航較普遍使用的高頻發(fā)信機發(fā)射功率主要有125 W，400 W和1 000 W這3個等級，少數(shù)高原或跨越覆蓋的臺點選用5 000 W等級的發(fā)信機。根據(jù)高頻通信特點，增加高頻通信距離和可靠性的一個有效方法就是增加發(fā)信機的發(fā)射功率，發(fā)信機發(fā)射功率的增加不但可以使高頻地波通信距離得到增加，縮短近盲區(qū)范圍，同時可以提升天波到達收信機的信號強度。因此區(qū)域管制等大覆蓋范圍臺點一般要求選用發(fā)射全功率大于400 W的發(fā)信機。通航機場等低覆蓋范圍要求臺點，本著建設成本及系統(tǒng)簡單化原則，一般建議選用發(fā)射功率小于400 W的發(fā)信機。

3.2 高頻收信機的選擇

因飛機尺寸及布局限值，機載高頻天線一般采用尺寸較小的線極化天線。線極化天線輻射效率低，加上機載電臺功率較低，導致在某些極限條件時地面高頻臺站的接收信號質(zhì)量較差，為了能夠可靠接收飛機的微弱信號，要求高頻收信機具有一定的弱信號解調(diào)能力和降噪能力，靈敏度指標要求不小于-107 dBm[2]。

4 民航高頻通信系統(tǒng)的基本組成

如圖2—3所示，民航高頻通信系統(tǒng)主要由高頻收、發(fā)信機、傳輸設備、內(nèi)話系統(tǒng)、用戶終端、監(jiān)控終端等分系統(tǒng)組成。

5 天線場地的選擇

天線場地的選擇是影響高頻通信效果的一個關鍵因素。高頻天線一般占地面積都比較大，高頻天線場地選擇應遵循如下原則。

（1）天線發(fā)射方向的前方有障礙物時，從天線在地面上的投影中心到障礙物上界的仰角，應不大于該天線在其全部工作波段中任何波長上的垂直面方向圖主瓣輻射仰角的1/4。

（2）在高頻發(fā)信臺場地及其外圍50 m范圍內(nèi)，地形應平坦，總坡度宜不超過5%。對中、遠地區(qū)廣播的高頻發(fā)信臺，天線發(fā)射前方1 km以內(nèi)，總坡度一般不超過3%。在地形復雜的地區(qū)建臺，應論證地形對電波發(fā)射的影響，在山區(qū)架設天波天線是，天線輻射方向前后延伸50?100 m范圍內(nèi)的地面應平坦。

（3）為了防止收發(fā)干擾，收信臺應遠離發(fā)信臺，保護間距建議大于4 km。

（4）收信臺天線場地應選擇電磁環(huán)境良好的地區(qū)，盡量遠離繁忙公路、鐵路及工業(yè)中心，與公路鐵路的保護間距大于 1 km。

6 天線的選擇

選擇合適的天線對于高頻通信來說是至關重要的。對于接收來說，高增益全向天線是理想的選擇，對于發(fā)射來說，為了克服通信盲區(qū)，增加通信距離，使用髙仰角、高輻射效率天線是一種可行的手段[3]。目前民航高頻通信臺站根據(jù)不同的使用需求，常用的天線有三線天線、籠形天線、扇錐天線、多模多饋天線、對數(shù)周期天線等。本文主要介紹的是民航高頻通信臺站使用較多的三線天線和多模多饋天線。

6.1 三線天線

三線寬帶天線是民航高頻臺站最常用的天線之一，它的功率容量一般為1 kW，最大值可達2 kW。三線寬帶天線可以水平架設，稱為三線水平寬帶天線，也可以傾斜成倒V型架設，稱為三線倒V寬帶天線（見圖4）。

三線寬帶天線具有以下特點。（1）天線袈設結(jié)構(gòu)合理，抗風能力強，能減小隨風擺動對通信的影響。（2）無需配備天線調(diào)諧器，架設和饋電方便，頻帶范圍寬，全頻段的駐波比不大于2：1。（3）輻射效率高，工作頻段內(nèi)性能均勻穩(wěn)定。（4）倒V架設時，天線中部懸掛在15米架桿頂端，天線與地面的夾角為55°，水平距離為16 m，可滿足于0?500 km的無盲區(qū)通信。（5）平拉架設時，天線的高度一般為12 m，水平距離為32 m，主要用于遠距離通信，其通信距離可達1 500 km以上，其最佳的通信方向與天線架設方向垂直。

結(jié)合三線天線倒V型架設特點，其特別適用于民航高頻通信覆蓋范圍需求500 km以內(nèi)通航機場等中小機場的無盲區(qū)通信，可為這些臺站作為收發(fā)共用天線使用。

6.2 多模多饋天線

如圖5所示，多模多饋天線是典型的寬帶天線，在高頻對空通信、岸船通信等領域應用廣泛[4]。多模多饋天線具有以下特點：（1）具有多饋功能，天線有3個輸入端口，各端口相互隔離。（2）天線在自由空間可同時輻射3種模式的仰角波束，其中2個高仰角波束，1個低仰角波束，3種工作模式獨立存在并且互補。使用高仰角波束時適用于中近距離通信，使用低仰角波束時適用于中遠距離通信。（3）多模多饋天線工作頻段寬，可基本實現(xiàn)全頻段的短波通信。（4）多模多饋天線在水平面內(nèi)無方向性，可以實現(xiàn)全方位覆蓋通信。（5）天線采用以水平分量為主的橢圓極化方式，具有較強的抗極化衰落能力。（6）體積小，占地面積少。

多模多饋天線適用于民航作為收發(fā)分開的高頻通信系統(tǒng)的發(fā)射天線使用，可以同時接3部發(fā)信機進行近、中、遠距離通信。

7 結(jié)語

高頻通信作為一種簡單高效的通信手段，將繼續(xù)為民航地空通信服務提供穩(wěn)定可靠的通信保障。本文主要論述了高頻通信的特點，并結(jié)合我國民航高頻通信應用的需求和特點，探討了民航高頻通信系統(tǒng)收發(fā)信機、天線的選型及其適用性，對民航高頻臺站的規(guī)劃和建設具有一定的指導作用。

[參考文獻]

[1]劉海濤.航空移動通信系統(tǒng)[M].北京：清華大學出版社，2015.

[2]胡中豫.現(xiàn)代短波通信[M].北京：國防工業(yè)出版社，2003.

[3]MH/T4002.1—2015短波語音通信地面系統(tǒng)通用規(guī)范[S/OL].中華人民共和國民用航空行業(yè)標準第1部分：技術要求（2015-05-18）[2018-05-25].https：//max.bookll8.com/html/2018/0125/150518509.shtm.

[4]斯泰西.航空無線電通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡[M].吳仁彪，劉海濤，馬愈昭，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2011.