應(yīng)用菲涅爾原理分析航向信標(biāo)保護(hù)區(qū)范圍

劉亮

摘 要：儀表著陸系統(tǒng)航向信標(biāo)是通過空間調(diào)制產(chǎn)生引導(dǎo)飛機(jī)著陸的信號，航道寬度區(qū)域里的障礙物直接決定了信號的質(zhì)量，文章通過菲涅爾區(qū)計算，對航向保護(hù)區(qū)進(jìn)行了分析，以期為電磁環(huán)境保護(hù)提供參考。

關(guān)鍵詞：菲涅爾；儀表著陸系統(tǒng)；航向保護(hù)區(qū)

1 ILS系統(tǒng)原理及航向信標(biāo)保護(hù)區(qū)要求

1.1 儀表著陸系統(tǒng)原理

在飛機(jī)降落過程中，通過無線電波，為飛機(jī)提供一條固定角度的航道，引導(dǎo)飛機(jī)安全平穩(wěn)落地。在榆林機(jī)場的導(dǎo)航設(shè)備中，盲降（Instrument Landing System，ILS）由航向信標(biāo)和下滑信標(biāo)和測距儀組成。其中，航向信標(biāo)通過測量比較90 Hz和150 Hz調(diào)制信號調(diào)制度差（Difference in Depth Modulation，DDM），為飛機(jī)提供水平引導(dǎo)信號，下滑信標(biāo)同樣通過比較90 Hz和150 Hz調(diào)制音頻DDM，為飛機(jī)提供垂直引導(dǎo)信號。兩個信號結(jié)合起來形成了飛機(jī)下滑道，如圖1所示。

航向信號包括航道SBO邊帶信號、航道CSB信號和余隙信號。

1.2 航向信標(biāo)的場地保護(hù)區(qū)及要求

航向信標(biāo)臺的場地保護(hù)區(qū)是由圓和長方形構(gòu)成的區(qū)域，圓的中心是航向天線陣的天線中心，半徑為75 m，長方形的長度是從航向天線陣沿跑道中心線到跑道末端或300 m的距離（以大者為準(zhǔn)），寬度為120 m。在航向天線陣場地臨界區(qū)域內(nèi)，不應(yīng)有障礙物的存在，進(jìn)入臺站的電力纜和通信纜應(yīng)從臨界區(qū)外埋入地下。臨界區(qū)內(nèi)不應(yīng)停放車輛和航空器，不應(yīng)有任何的地面交通活動。臨界區(qū)內(nèi)地表應(yīng)平坦，雜草高度不應(yīng)超過0.5 m，臨界區(qū)邊界應(yīng)采用木質(zhì)或輕質(zhì)非金屬輕質(zhì)材料進(jìn)行隔離，并做醒目標(biāo)識。

敏感區(qū)的范圍與航向信標(biāo)天線孔徑、天線類型、余隙形式、工作類別、跑道長度、飛機(jī)類型和地面固定彎曲有關(guān)[1]。典型的航向信標(biāo)場地保護(hù)區(qū)如圖2所示。

圖2中：（1）A區(qū)和B區(qū)應(yīng)清除掉所有的干擾源（樹木、建筑物、道路、金屬柵欄等）。（2）A區(qū)和B區(qū)的范圍適用于定向天線除外的所有航向信標(biāo)天線陣；當(dāng)使用定向天線時，可刪除C區(qū)。（3）D的尺寸取決于地形和場地條件，若天線高度不能滿足凈空要求時，天線應(yīng)架設(shè)在跑道終端300 m（1000英尺）以外。（4）機(jī)房離跑道中心延長線的最小距離為75 m（250英尺），并處于天線縱軸的±30°范圍內(nèi)。

實施Ⅱ/Ⅲ運行時，未經(jīng)許可的航空器和車輛不應(yīng)進(jìn)入敏感區(qū)。敏感區(qū)應(yīng)當(dāng)設(shè)置標(biāo)志標(biāo)識或燈光。實施Ⅱ/Ⅲ運行的跑道等待位置應(yīng)位于敏感區(qū)外。

2 菲涅爾惠更斯原理及應(yīng)用菲涅爾惠更斯原理計算航向信標(biāo)保護(hù)區(qū)

菲涅爾惠更斯原理：波在傳播過程中，任意時刻，其中每一點都能作為一個獨立波源，所有獨立波源進(jìn)行疊加，下一個時刻，形成一個完整的波形。兩個波形圖之間的間隔，就是波速與傳播時間之積。菲涅爾區(qū)：菲涅爾區(qū)是一個在發(fā)射天線與接收天線中間，由無線電波的直視路徑與折射路徑的位移差為n倍半波長的反射和折射點合成的、以接收和發(fā)射天線的位置為焦點，以直接路徑作軸的橢球面。其中n=1的球面區(qū)域是對信號有主要影響的區(qū)域，被稱為第一菲涅爾區(qū)，也稱為有效區(qū)[2]。

如圖3所示，在第一菲涅爾區(qū)內(nèi)，當(dāng)d1>F1，d2>F2，d1+d2=d時，同時d1>F1，d1<

對于第N菲涅爾區(qū)，當(dāng)d1>Fn，d2>Fn時，

當(dāng)d1>Fn，d1<

當(dāng)時，F(xiàn)1和Fn有極大值，即

根據(jù)菲涅爾原理，代入上述公式，得出簡易公式：

考慮到航向信號頻率為VHF頻段，即，得出結(jié)論，當(dāng)接收發(fā)射天線距離固定時，菲涅爾半徑長短根據(jù)頻率的增大而減小，當(dāng)電波頻率是固定的時候，菲涅爾半徑長短根據(jù)距離增大而增大，當(dāng)接收發(fā)射距離足夠大的時候，在低頻率段對信號有影響的障礙物在高頻率段時，對信號可能不再有影響。突進(jìn)到菲涅爾區(qū)里的障礙物長度不能超過菲涅爾第一半徑的20%，否則會出現(xiàn)電磁波多路徑干擾，對信號產(chǎn)生不良影響，會造成信號精度誤差變大。

同時，根據(jù)陸基飛行校驗規(guī)范關(guān)于航向信標(biāo)覆蓋范圍為25 nm約45 km的規(guī)定，代入公式得出，F(xiàn)1≈175 m，當(dāng)距離為17 nm約19 km時，及飛機(jī)建立盲降時，F(xiàn)1≈115 m，符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]中國民用航空局空管行業(yè)管理辦公室.Ⅱ/Ⅲ儀表著陸系統(tǒng)場地設(shè)置與保護(hù)指導(dǎo)材料IB-TM-2013-0003[EB/OL].（2013-03-13）[2018-12-24].https：//wenku.baidu.com/view/42b2492efab069dc512201b5.html.

[2]張忠興，李曉明，張景偉，等.無線電導(dǎo)航理論與系統(tǒng)[M].西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1998.