重慶江北機場天氣雷達干擾排查與實例分析

皮 波,謝英偉,李檸江,劉乃和

(民航重慶空管分局,重慶 401120)

0 引言

天氣雷達是監測和預警強對流天氣、保障民航飛行安全的重要工具[1-2]。其工作原理是雷達發射機向空中發射電磁波脈沖,雷達天線收到大氣中的云霧、雨、雪等氣象目標物返回微弱后向散射的電磁波信號,經接收機進行濾波、混頻、放大、檢波、輸出等信號處理,可獲知氣象目標物的空間位置和粒子的密度及直徑大小等特征。在雷達運行中,回波干擾是影響天氣雷達對外提供服務的常見因素。雷達回波干擾一般分為有源干擾和無源干擾[3-4],其中對天氣雷達的無源干擾主要包括有地物干擾、海浪干擾等。無源干擾一般可通過軟件算法和硬件的方法進行減弱和消除處理。有源干擾是指在雷達附近有電子設備發射特定的電磁波對雷達產生干擾,主要包括為鄰近雷達的同頻干擾、無線電設備的同頻干擾、鄰道干擾、互調干擾等[5-7]。近年來,多個站點的天氣雷達受到不同程度有源的無線電電磁干擾,影響雷達探測質量和資料的深入應用[8-9]。本次重慶江北機場天氣雷達受到無線電設備的同頻干擾。本次干擾在一定方位角度范圍內表現為放射狀的徑向回波干擾,它和降水回波在很多區域是重疊的[10-11],給預報員在分析使用回波圖、制作航空天氣預報帶來較大影響,甚至影響航空管制指揮。

本文針對重慶江北機場天氣雷達受到的干擾情況、排查過程進行了介紹和分析。

2 雷達受干擾情況

2.1 雷達受干擾的現象

民航重慶空管分局的天氣雷達由成都錦江電子工程有限公司生產,為C 波段雙偏振全相參脈沖多普勒天氣雷達。中心頻率為5 310 MHz,接收靈敏度為-110 dBm,接收帶寬為30 MHz,海拔高度為455 m。

2020 年9 月初,預報、管制用戶和設備保障人員陸續發現重慶江北機場天氣雷達回波圖在20°～40°東北方向、200°西南方向出現了放射狀徑向干擾,干擾回波在徑向上呈條輻狀分布,一直延伸到雷達的最大探測距離,和降水回波在很多區域是重疊的。速度場信息也是模糊、不連續的。雷達回波的強度與速度信息都受到干擾,干擾時間為24 h 不間斷。隨著天線仰角的抬升,干擾逐漸減少,當仰角大于14°后干擾消失。雷達受干擾的回波強度如圖1 所示。

圖1 受干擾回波的強度

2.2 雷達受干擾的分析

雷達回波受到干擾后,設備保障人員嘗試多種方案,試圖找出雷達受干擾的原因,以便消除干擾。干擾可能是由于雷達自身故障和機內產生,也可能是外部干擾。筆者按以下3 個步驟進行排查,排除雷達自身故障引起干擾的可能。

第一步,排除發射機產生干擾。關閉雷達發射機高壓電源,PPI 平掃時顯示地物回波消失,但是徑向干擾回波依然存在,證明干擾信號不是雷達發射機產生。

第二步,排除接收機產生干擾。先將雷達工作模式切換至單偏振水平探測模式,同時關閉雷達發射機高壓電源,雷達接收機與天饋系統連接的波導斷開,PPI 平掃時地物回波消失,徑向干擾回波消失。再將頻譜儀設備接入天饋系統測試干擾電磁波信號特征,并手動調整天線對準干擾方向,成功捕獲到頻率范圍為5 296 MHz～5 313 MHz 干擾信號,干擾信號如圖2 所示,證明干擾信號不是雷達接收機產生。

圖2 干擾信號

第三步,排除天饋系統產生干擾。關閉雷達發射機高壓電源,用金屬器皿遮擋天線的饋源,PPI 平掃時干擾回波消失,移開金屬器皿,干擾回波出現。證明干擾信號不是雷達天線、饋線和波導產生。

通過以上3 步,可以判定天氣雷達干擾為外部干擾,由外界發射從雷達的天饋系統進入接收機。

3 雷達干擾排查過程及處理

確定為外部干擾后,設備保障部門按程序向地方無線電管理機構進行干擾申報,市無線電監測站人員對干擾情況進行全面了解后,與設備保障人員共同開展排查。

3.1 前期排查

第一階段,對雷達站附近通信運營商基站的排查。監測站人員使用手持天線和頻譜儀組成檢測工具,在雷達天線罩外的平臺進行監測。在20°～40°東北方向監測到微弱的干擾信號,強度約為-70 dBm,隨后沿著20°～40°東北方向尋找干擾源。監測發現移動、聯通、電信三大運營商的通信基站存在諧波干擾信號,懷疑干擾信號來自基站。立即聯系移動、聯通、電信三家運營商來關停相關基站設備,進行干擾源排除測試。幾天時間內先后對距離雷達站1 000 m 范圍內的7 處基站進行了關停試驗,雷達回波圖上的干擾依然存在。證明干擾信號不是運營商基站產生。

第二階段,繼續沿20°～40°東北方向由近到遠的干擾信號排查。監測站人員和設備保障人員按照由近及遠的原則,先后到雷達東北方向的川航賓館、沙坪信標臺、觀月小區、中國摩工地、蘇寧智慧園工地等追蹤疑似干擾源信號。在雷達東北方向、距離約8 km的某智慧園、某醫藥流通基地、某產業綜合基地3 處工地發現疑似干擾信號,經進一步監測,疑似干擾信號為3 處工地所使用的無線網橋設備產生。經協調,3 處工地管理單位聯系設備安裝廠家將無線網橋工作頻率調整至5 800 MHz 附近,但雷達回波圖干擾依然存在。基站干擾源如圖3 所示。

圖3 基站干擾源示意

3.2 200°西南方向的干擾源

由于20°～40°東北方向的干擾排查一直未取得突破,監測站人員和設備保障人員決定轉變思路,著手排查200°西南方向干擾。很快在雷達站200°西南方向、距離約5 km 的某項目工地測到干擾信號,并查明干擾信號來自工地用于傳輸視頻監控信號的5 套無線網橋設備。協調該工地管理單位對無線網橋設備調整工作頻率后,雷達回波圖200°西南方向的干擾隨即消失。200°西南方向干擾源如圖4 所示。

圖4 200°西南方向干擾源示意

3.3 20°～40°東北方向的干擾源

200°西南方向干擾成功排除后,監測站人員和設備保障人員再次展開對20°～40°東北方向干擾的排查。

設備保障人員對前期3 個多月的干擾排查記錄進行了認真回顧和經驗總結,重新確定排查思路。設備保障人員先在雷達機房內波導處將頻譜儀接入天饋線系統,再進行干擾信號的定位,成功鎖定雷達天線方位28.8°、仰角-0.5°位置接收的干擾信號最強。由于重慶地貌類型復雜多樣,以山地為主,根據三角函數推算出氣象雷達與干擾源之間距離對應的海拔高度,干擾源模型如圖5所示。

圖5 干擾源模型

H1為雷達天線海拔高度455 m,H2為干擾源A 所在海拔高度,θ 為雷達天線的仰角0.5°,S1為氣象雷達與干擾源之間的直線距離(見圖7),計算干擾源A 海拔高度的表達式為:

根據測算海拔高度結果與電子地圖上各點位模擬的干擾源實際海拔高度數據,得出結論為干擾源距離雷達10 km 以內。因為在雷達站28.8°方向,從10 km 處向更遠方向,地表海拔高度快速升高,遠高于測算出的干擾源高度。

根據以上推斷,設備保障人員重新確定多處重點排查目標并開展新一輪排查。終于,在某工地附近成功捕捉到微弱的干擾信號。經反復對比,該信號頻段、波形均與雷達接收到的干擾信號一致。監測站人員和設備保障人員沿信號指向向東繼續排查,在距離雷達站9.2 km 的某物流園內成功鎖定干擾源。

干擾源為該物流園用于水電表數據傳輸的無線網橋設備,干擾源實物如圖6 所示。其中,1 號、2 號發射天線安裝在6 號倉庫東西兩側,3 號發射天線安裝在7 號倉庫西側,1 個接收天線安裝在物流園入口監控室的屋頂,3 個發射天線均指向天氣雷達站方向。

圖6 20°～40°東北方向的干擾源

協調物流園工作人員關閉該無線網橋設備后,現場檢測干擾信號消失,天氣雷達20°～40°東北方向的干擾也隨之消失。該物流園工作人員迅速協調安裝廠家進行了頻率整改,整改后通過連續多日跟蹤觀測,20°～40°東北方向干擾沒有再出現,最終確認此次干擾消除。

4 雷達排查過程分析

(1)隨著科技進步和發展,大量民用企業生產5 150 MHz～5 350 MHz 頻段的無線設備,且被非法用于室外(注:根據國家工業和信息化部2012 年12 月31日發布的《工業和信息化部關于發布5 150 MHz～5 350 MHz 頻段無線接入系統頻率使用相關事宜的通知》(工信部無函〔2012〕620 號),規劃5 150 MHz～5 350 MHz頻段用于無線接入系統,同時通知中明確“上述頻段的無線接入系統僅限室內使用”)。比如,工地、倉庫等場所的視頻和數據的無線監控設備、無線傳輸設備(如網橋設備)。這些設備有5.1 G 和5.8 G 兩個工作頻段,設置為5.1 G 頻段時,實際工作頻率為5 180 MHz～5 320 MHz,剛好覆蓋天氣雷達中心頻率5 310 MHz。其有效工作距離一般在300 m～3 km,有些甚至達到5 km。但對其他無線電設備的影響或干擾距離(有干擾信號)成倍于其工作距離(傳輸信號不發生畸變)。天氣雷達接收機靈敏度高、天線增益大,微弱的信號就可能對天氣雷達產生很強的回波干擾。因此在干擾排查過程中,不能因其位置在有效工作距離之外而排除對其進行排查。

(2)本次排查過程中,大量室內網絡路由器設備也給本次干擾排查增加了很多困難,這些無線設備是符合工信部無函〔2012〕620 號文件要求的,為合法設備,作用距離短,不會對雷達造成干擾。但近距離在檢測設備上會形成較強回波。在排查過程中,常常將排查人員引入某些建筑物內,浪費很多時間。

(3)天氣雷達1 km 范圍內有多個移動、聯通和電信基站,大量2G,3G,4G,5G 的發射天線安裝在同一個樓頂或同一個電桿上。這些單個基站的發射頻率不超過4.9 GHz。但大量基站共同作用的結果使近距離的無線電監測設備在雷達工作頻率5 310 MHz 附近產生很強的干擾,甚至飽和。實際上,通過測試這些基站不會對雷達造成干擾。在前期的排查過程中,這些誤導使無線電排查人員走了很多彎路。

5 結語

本次天氣雷達干擾排查工作共耗時4 個月時間,設備保障人員通過在排查過程中不斷學習和積累,能夠進行干擾信號定位和信號特征分析,同時利用三角函數推算出干擾源的海拔高度等重要信息,與監測站人員一起成功排除了無線網橋設備干擾。

當前,無線電干擾新型化、多樣化,無線網橋等低功率設備在日常生產生活中得到廣泛應用,因此產生的干擾也日益增多。鑒于無線傳輸的方便快捷,無線網絡成為大多數企業的首選裝備。隨著智慧工地的興起,致使可改頻、無型號核準的“黑網橋”時有出現。在排查過程中不斷有新的干擾源出現,對用戶提供雷達數據服務造成不好影響。因此,對于雷達站附近的建設項目,需要相關部門從安裝和使用無線傳輸設備的環節嚴加監管,這有利于減少干擾隱患,改善雷達站的電磁環境。