基于計算機仿真的鐵路、機場電磁兼容評估

周 勇

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043； 2.軌道交通信息化國家重點實驗室，西安 710043)

近年來，隨著國民經濟的高速增長，我國的交通運輸事業呈現出井噴式的發展勢頭。其中，高速鐵路的發展尤為迅速，到2019年年底，中國高鐵營業總里程達3.5萬km，超過世界高鐵總里程的2/3。出于經濟效益以及地形、地理狀況的考慮，越來越多的高鐵線路不可避免地穿行于機場附近地域，鐵路設施的興建勢必改變機場導航臺站周邊電磁環境，若產生干擾甚至可能影響航空飛行安全[1]。因此，在線路勘察設計階段就必須對擬建線路沿線附近機場電磁環境進行嚴謹、細致的評估、分析。

在電氣化鐵路，特別是高速電氣化鐵路建設起步較早的歐洲、日本、美國等國家和地區，對電氣化鐵路電磁兼容的科研開展較早，進行了大量的實際測量和研究，同時制定了大量的設計建設標準[2]。隨著我國高速鐵路建設的加快推進，特別是航空、高鐵綜合交通樞紐概念的興起，高速鐵路與沿線機場導航設施的電磁兼容問題，日益引起國家、行業和業內學者的高度重視[3-5]。

目前，電磁兼容評估工作大多采用現場實測的方法，對鐵路的輻射特征進行評估。這種方法依據原鐵道部、空軍聯合試驗組針對陽安線城固機場所做試驗得到的電磁干擾公式，量化電氣化鐵路的干擾特性。由于該公式基于時速80 km列車得出，遠低于高速鐵路設計時速，又根據日本及我國實測結論，對上述公式進行了修正[5-6]。朱峰等[7-10]以達成(達州至成都)鐵路為對象，重點研究了高鐵弓網電弧輻射特性及對導航設施的影響，為線路勘測評估提供了大量第一手資料。但這種評估模式，無法兼顧鐵路沿線的電波傳播條件，可能造成測試偏差。在工程實踐中，為穩妥起見，往往尋找一處與擬建高鐵線路技術條件類似的已運營的線路進行電磁兼容試驗，收集電磁干擾各項數據，作為新建線路的勘測、設計依據。本質上，這是一種經驗性的測評方法。然而，不同的工程，不可能具備完全一致的周邊地理環境，同時，周邊建筑物分布、形態也是千差萬別，獲得的指標數據仍有可能出現較為顯著的偏差，從而對設計施工造成不利的影響。

目前，電磁場的計算機仿真技術在通信行業已經得到廣泛應用，基于物理原型的電磁場仿真軟件能夠準確地仿真和驗證設計原型，基本上可以做到設計仿真結果與實驗測試結果非常相近，從而大大降低了產品的開發周期和研制費用。

1 干擾產生機理分析

機場無線電導航臺站是利用無線電信號，為航空器提供準確、可靠的方位、距離和位置信息，指引航空器安全著陸的電子設備。根據機場運行標準及飛行程序的要求，一般的導航體系通常配置有儀表著陸系統、微波著陸系統、精密進場雷達以及若干航路導航臺。作為精密的有源電子設備，要盡可能地避免周邊設施引起的有源及無源干擾對導航信息造成有害影響。

高速鐵路作為大型電氣化基礎設施工程，必然要考慮對臨近導航臺站可能造成的電磁干擾。一般可劃分為無源干擾與有源干擾兩個方面。首先，電氣化鐵道的牽引供電系統從三相電力系統接受電能，通過牽引變電所里的牽引變壓器降壓，經過饋電線、接觸網、機車、鋼軌、回流線或地構成回路從而實現向電力機車供電。就牽引供電方式而言，我國高鐵多采用AT大功率牽引供電系統，由于電壓和電流變化率一般較大，將在牽引電流中產生諧波，可能造成電磁輻射污染；另外，接觸網中的長導體也是150 kHz～20 MHz的有效輻射源；最后，當機車駛過鐵路與機場交叉環境時，受電弓與接觸網之間放電產生的電磁干擾，同樣可能影響航空器的安全著陸[11-13]。另一方面，線路、鐵路鋼軌、架空電力貫通線、電氣化鐵路接觸網、支撐塔架，以及列車車體等金屬導體對導航設施發射電磁波將形成二次輻射，從而影響發射天線的方向特性，極易造成航路的抖動或偏移。

2 鐵路、機場電磁兼容的仿真評估策略

實踐中，選用Rainbow EM Studio三維電磁場全波仿真分析軟件作為仿真實驗平臺。這是一款通用的三維電磁場全波仿真分析軟件，具有強大的幾何建模、創新的電磁算法和優化技術以及豐富的圖表顯示，為設計者提供功能全面、易于使用的一體化集成操作環境。它具備從射頻到太赫茲應用領域內、從電小到電大尺寸的復雜模型的仿真分析能力。同時，該軟件已配置于無錫太湖之光超級計算機系統，可提供高性能的并行計算服務[14]。

圖1 仿真評估流程

計算機仿真評估的關鍵，在于電磁環境模型的構建與主要工作場景的臺站工作性能評估。如圖1所示，電磁兼容仿真評估的實施方法可劃分為以下步驟：首先，對鐵路及周邊地理、地表環境進行3D建模；其次，對上述特定環境下的臺站天線進行建模；再次，將電磁環境模型移植到超算平臺，依托超算強大的并行計算能力，計算機場典型工作場景下導航臺站的工作性能指標，并與國家或行業強制標準對比，從而形成評估結論(結果輸出)。

3 基于實例的仿真建模方法

以西安至延安高速鐵路項目設計中的工程實例，詳細介紹計算機電磁環境建模的實施方法。該項目的具體情況概述如下。

規劃中的西延高鐵將與沿線機場相鄰，線路斜交叉通過機場跑道西南端延長線，從西遠距導航臺與西近距導航臺之間穿越，最近點距跑道端口距離485.5 m。

該機場配備的導航設施可滿足東西兩個方向進近著陸，其中西方向為主著陸方向。由于高鐵線路在西近距導航臺和西遠距導航臺之間橫穿跑道西側中心延長線，因此，當飛機由西頭(主著陸方向)進近時，可能對用于西側引導的儀表著陸系統、西近距中波導航機、西遠距中波導航機，以及精密進場雷達造成干擾；同時，當飛機實施東頭進近著陸時，用于次著陸方向引導的精密進場雷達和微波著陸系統同樣可能受到干擾。由此，可明確測試場景以及各場景下的測試、仿真對象。

3.1 仿真平臺構建

精準的電磁環境建模，是獲取可靠評估數據，做出合理決策的前提條件。本項目的建模問題主要涵蓋地理、地表環境建模與天線傳播特性建模兩個方面。

3.2 地理、地表環境建模

地理、地表環境建模，首先需要搜集機場附近40 km范圍15 m精度數字高程模型(DEM)數據，以及設計方提供的高鐵線路設計、勘察數據。在此基礎上，Rainbow EM Studio即可實現三維地圖模型的導入，并轉化為仿真需要的三維幾何圖形，然后定義各地物、建筑物的物理介電特性。考慮高鐵的最大電磁干擾，將線路整體等效為具有高度和寬度的純金屬體對象。

3.3 天線建模

天線建模主要分為3個步驟。

(1)對天線進行現場全尺寸測量，同時測量天線輻射性能數據，含輻射功率、天線增益等，依據設備技術手冊，在仿真平臺調用Rainbow BEM3D算法引擎對信標天線進行全尺寸建模；對建模所得天線方向圖與手冊提供方向圖對比，驗證方向圖增益，主副瓣電平等指標，評估模型的準確性。該步驟得到的是理想條件下的天線模型，也是仿真平臺輸入的輻射源數據。

(2)現實環境下的天線建模。該步驟主要分析天線在無高鐵環境下的輻射特性，調用Rainbow SBR/PO暗室仿真模塊，在已建立的環境模型下，模擬微波暗室，對各類型無線電進行測試，實現參數測試和目標散射特性測量。該模型是仿真評估的基準。

(3)高鐵環境下的天線建模。該步驟與第二步的實施方法相同，不同之處在于，此時的環境模型為高鐵存在條件下的模型。

4 仿真驗證與評估

仿真評估則主要以GJB4443—2002《航空無線電特種導航臺站飛行校驗規程》以及GB6364—2013《航空無線電導航臺(站)電磁環境要求》為依據，使用前期構建的電磁環境模型，依托超級計算機平臺實施電磁計算，從無源干擾、有源干擾兩方面給出評測結果。

4.1 保護區分析

保護區是國家或軍方對導航設施周邊建設工程的禁止性規范。GB6364—2013《航空無線電導航臺(站)電磁環境要求》對各導航設施的保護區范圍進行了逐一、具體劃分、規定。以中波導航臺為例，以信標天線為中心，半徑100 m的范圍內，地勢應平坦、開闊。信標臺天線中心點與鐵路等地形地物之間所允許的最小間隔也給出了具體規定，例如，鐵路、電氣化鐵路、架空低壓電力線、通信線纜、金屬柵欄為150 m，110 kV以下架空高壓輸電線為150 m，而110 kV以上架空高壓輸電線則為300 m。進入中波導航臺的通信和電源線纜，應從距中波導航臺天線中心點150 m以外埋入地下。上述規定是機場周邊一切建設項目的紅線，不可違反。

西延高速鐵路與西近距中波導航臺的最近距離為300 m，大于國標規定的最小間距150 m，而高速鐵路高壓傳輸線一般為25 kV，因此，高鐵線路在西近距中波導航臺保護區范圍以外，符合機場場地保護要求。

而其余各導航設施的保護區范圍，GB6364—2013《航空無線電導航臺(站)電磁環境要求》也有詳盡的規范性要求，必須逐一對照，這里不再贅述。因此，對導航設施保護區的認定與評估，是電磁環境評估的首要步驟。

4.2 電磁散射特性計算與仿真

完成電磁環境建模后，將該模型發送至無錫超算中心，利用部署在超算上的配套仿真平臺軟件進行超大規模電磁散射計算，獲得相應電磁環境影響下的各導航設備遠場信號矢量場數據，包括信號極化方式、電場幅度、相位等數據。以上述參數為基礎，模擬飛行器進近程序和復飛程序，并進行性能評估。

4.2.1 無源干擾計算

對于無源干擾，主要評估高鐵線路、設施對電磁波的散射、反射等特性，對導航臺站信號覆蓋情況的影響。

以西近距中波導航臺為例。根據中波導航臺飛行檢驗規范，近距中波導航臺覆蓋允許公差為： 全頻段覆蓋距離不小于70 km，進近航線上，無線電羅盤指針擺動不超過±3°，功率變化等價于±3 dB。根據GB6364—2013《航空無線電導航臺(站)電磁環境要求》的要求，中波導航臺信號覆蓋區在北緯30°以北的最低信號場強為70 μV/m。

根據機場設備性能指標，工作場景設置為：導航臺各向同性有效輻射功率100 W；考慮40 km范圍內環境影響。計算目標為：評估高速鐵路對西近距中波導航臺70 km遠場區內信號功率覆蓋的影響。

根據極化方式的不同，分別給出水平方向與垂直方向圖的信號功率覆蓋情況變化。

圖2表示隨觀察方位角度變化，信號功率覆蓋情況的相應改變。圖中，0°～180°為西近距導航臺面向跑道一側，90°為跑道中心延長線，因此，主要考慮180°～360°范圍的場強變化。容易看出，對于水平方向而言，理想傳播條件下，西近中波導航臺信號強度是一條直線，也就是說，在70 km范圍內，信號水平覆蓋為一正圓形區域。考慮附近場地環境影響后，沒有高速鐵路情況下，在180°～360°范圍內，280°附近西近中波導航臺輻射信號場強衰減最大，為0.5 dB，會造成一定程度的指針抖動。綜合考慮環境和高速鐵路因素，在180°～360°范圍內，260°附近西近距中波導航臺輻射信號場強變化最大，增加了0.7 dB，會對西近距中波導航信號覆蓋造成一定程度的影響，引起一定程度的指針抖動，但滿足航線內左右3°覆蓋區內信號強度變化的飛行檢驗規范要求。

圖2 西近中波導航臺水平面信號功率覆蓋評估

至于垂直方向，如圖3所示，有、無高鐵時左右扇區內影響均小于0.3 dB，滿足中波導航臺飛行檢驗規范要求。

4.2.2 有源干擾計算

高速鐵路的有源干擾主要由高壓輸電線路引起。高壓輸電線路的干擾主要集中在較低頻段[15-19]，因此，對于工作頻段較高的導航設施，例如工作于C波段(5 000～5 250 MHz)的測角系統(方位臺、仰角臺)可不考慮有源干擾的影響。而對于中波導航臺而言，則容易受到電弧的干擾[11]。

根據GB6364—2013《航空無線電導航臺(站)電磁環境要求》的要求，中波導航臺信號覆蓋區在北緯30°以北的最低信號場強為70 μV/m，中波導航臺信號覆蓋區內，對工業、科學、醫療設備干擾的防護率為9 dB，對其他各種有源干擾的防護率為15 dB。

圖3 西近中波導航臺垂直面信號功率覆蓋評估

根據線路與導航設施的相對位置分析可知，飛機飛越西近距中波導航臺時，恰有高速列車通過時，可能造成的影響最大。因此，工作場景可設置為非精密進近過程，此時，飛機下滑角約為3°，此時，飛機相對西近距中波導航臺天線的高度約為56 m，飛機距離高速列車約691 m。

所謂干擾防護率，就是有用信號場強與干擾場強之差[20]。首先計算進近航道方向上西近距中波導航臺正上方，下滑道寬度2.65°～3.35°范圍內11個計算點處信號場強Es(μV/m)。由于高速鐵路高壓傳輸線和通信基站的輻射信號干擾是無方向性有源干擾，因此，可以將高鐵信號的有源干擾看作是一個全向天線輻射源。同樣，計算11個指定點處的干擾場強，從而可以得到信號干擾防護率，如表1所示。可見，西近中波導航臺正上方測試點處對西延高速鐵路有源干擾防護滿足GB6364防護率大于15 dB的標準要求。

表1 計算點處西近中波導航臺信號防護率

5 結論

將電磁分析仿真平臺引入高速鐵路的設計、勘察，是一種高精度、低成本的電磁兼容評價手段，它實現了多場景、多角度模擬仿真，計算功能強大，輸出結果直觀。這一評估模式在西延高鐵的勘察建設中進行了有益的嘗試，在設計方案滿足國家強制性技術規范的前提下，利用計算機仿真技術對機場、鐵道鄰近區域電磁環境進行建模，對未來高鐵實際運營環境下，機場導航設備的工作場景進行了高精度仿真與性能評估。結果表明，現有設計方案不會對鄰近機場形成有害電磁干擾。