民用航空地空通信頻率復(fù)用分析

關(guān)鍵詞：甚高頻；頻率；復(fù)用；同頻干擾

中圖分類號：Ｕ６７５． ７５ 文獻標志碼：Ａ 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（ＯＳＩＤ）：

文章編號：１００３－３１０６（２０２４）１１－２６０２－０８

０引言

隨著我國民航航班流量的飛速發(fā)展，管制扇區(qū)的數(shù)量不斷增加，與此對應(yīng)的頻率使用需求和地空通信臺站的建設(shè)需求也越來越大。民用航空地空通信頻段現(xiàn)有可使用的頻率數(shù)量有限，并且隨著新設(shè)扇區(qū)大量增加將對有限的頻率資源提出更大的挑戰(zhàn)。目前針對頻率復(fù)用的研究側(cè)重于同頻、互調(diào)、鄰道干擾的分析［１］，以及無線電電波傳播理論［２］與視距傳輸分析［３］，軟件仿真等領(lǐng)域。本文結(jié)合實際運行中機場之間地面頻率［４］、塔臺頻率、進近頻率、區(qū)域頻率的復(fù)用間距進行了分析，結(jié)合現(xiàn)有民航行業(yè)技術(shù)規(guī)范，建立數(shù)學(xué)模型，通過具體量化計算給出了實際運行中地空通信頻率復(fù)用間距的計算與分析方法，解決由于跨區(qū)域異地復(fù)用頻率產(chǎn)生同頻干擾的實際運行問題。本文著眼于空管系統(tǒng)實際發(fā)展需求，秉持科學(xué)化、系統(tǒng)化、精細化的思維方式，研究進一步優(yōu)化現(xiàn)有地空通信系統(tǒng)頻率復(fù)用的模式，挖掘安全、高效的頻率使用方法，以進一步完善和提升地空通信運行保障能力和運行效率，解決國內(nèi)民航地空通信頻率分配緊張的問題，緩解飛行流量增長對空管保障帶來的巨大壓力。

１民用航空地空通信頻率使用現(xiàn)狀

根據(jù)《２０２０ 年民航空域發(fā)展報告》，截至２０２０ 年底，全國共批復(fù)區(qū)域、進近（終端）管制扇區(qū)４２６ 個，其中區(qū)域管制扇區(qū)２６７ 個，進近（終端）管制扇區(qū)１５９ 個，全國共有運輸機場２４１ 個。國際電信聯(lián)盟《無線電規(guī)則》劃分了民用航空移動業(yè)務(wù)甚高頻（Ｖｅｒｙ Ｈｉｇｈ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ＶＨＦ）具體頻段。按照《民用航空空中交通管制服務(wù)地空通信設(shè)備配置第１ 部分：語音通信》（ＭＨ ／ Ｔ ４０２８． １—２０２１）規(guī)范，區(qū)域管制、終端區(qū)（含進近）管制Ａ 級與Ｂ 級每個扇區(qū)應(yīng)設(shè)置１ 個主用管制頻率、１ 個備用管制頻率（可與其他扇區(qū)共用）、國際航空遇險和安全通信頻率，并根據(jù)管制需求設(shè)置軍民航協(xié)調(diào)頻率和其他對空通信頻率。塔臺Ａ 級每個機場管制席應(yīng)設(shè)置１ 個機場管制主用頻率；每個地面管制席應(yīng)設(shè)置１ 個地面主用頻率；根據(jù)需要設(shè)置至少１ 個放行許可頻率；機場管制席、地面管制席、放行許可發(fā)布席可設(shè)置共用備頻；應(yīng)設(shè)置國際航空遇險和安全通信頻率；應(yīng)設(shè)置航站情報通播頻率；根據(jù)管制需求設(shè)置軍民航協(xié)調(diào)頻率和其他對空通信頻率［５］。綜上所述，民用航空用于地空通信頻段約１９ ＭＨｚ，我國使用的是２５ ｋＨｚ的間隔，現(xiàn)有可使用的頻率數(shù)量非常有限。根據(jù)民航現(xiàn)有扇區(qū)數(shù)量的頻率分配方案，每個扇區(qū)需設(shè)置主用頻率、備用頻率和應(yīng)急頻率，現(xiàn)有的頻率資源使用已經(jīng)飽和。如果繼續(xù)按照現(xiàn)有的頻率指配和臺站設(shè)備配置方式，未來將無法滿足大量新設(shè)扇區(qū)的頻率使用需求。同時在ＶＨＦ 臺站的建設(shè)中會受到臺站數(shù)量、臺站布局方面的限制，導(dǎo)致在地空通信頻率的管理和使用上存在瓶頸。因此必須進行頻率的重復(fù)分配使用，但是由此衍生出機場之間地面頻率、塔臺頻率和進近頻率，以及不同管制扇區(qū)的頻率之間由于分配不合理造成的同頻干擾，存在安全隱患。例如２０１８年鄭州高扇與呼和浩特中低空０２號扇區(qū)由于復(fù)用１２５．ｘｘ ＭＨｚ，造成同頻干擾，增大管制工作負荷的同時，對機組接收正確指令造成了安全隱患，最終解決辦法是重新申請分配頻率。大興機場與濟寧機場也出現(xiàn)過同頻干擾的情況。目前類似的由于頻率復(fù)用衍生出的民航內(nèi)部頻率干擾的案例日趨增多。

２理論依據(jù)

２．１機載與地面ＶＨＦ 系統(tǒng)收發(fā)電磁場強度與功率的轉(zhuǎn)換

國際民用航空公約附件１０ 中２． ２． １． ２ 規(guī)定，地面系統(tǒng)特性的發(fā)射功率“在大多數(shù)情況下，設(shè)備工作的有效覆蓋范圍內(nèi)的最小無線電信號場強為７５ μＶ／ｍ （－１０９ ｄＢｗ ／ ｍ^２）［６］，基于自由空間傳播”［７］。２． ３． ２． ２ 規(guī)定，機載系統(tǒng)的靈敏度“考慮機載設(shè)備饋線失諧、衰減和天線極化圖的變化后，大多數(shù)場合接收機必須對５０％ 調(diào)幅（Ａ３Ｅ ）、場強為７５ μＶ ／ ｍ（－１０９ ｄＢｗ ／ ｍ^２）的射頻信號，音頻輸出的有用／ 無用信號比不小于１５ ｄＢ”［６］。由此可以理解為空中機載ＶＨＦ 天線接收電磁場強度Ｅ ≥７５ μＶ ／ ｍ。

國際民用航空公約附件１０ 中２． ２． ２． ２規(guī)定地面系統(tǒng)特性的靈敏度“考慮饋線損耗和天線極化圖的變化后，接收系統(tǒng)必須在絕大多數(shù)情況下對５０％調(diào)幅（Ａ３Ｅ）、場強為２０ μＶ ／ ｍ（－１２０ ｄＢｗ ／ ｍ^２）的射頻信號，音頻輸出的有用／ 無用信號比不小于１５ ｄＢ”［６］。２．３． １．２ 規(guī)定機載系統(tǒng)的發(fā)射功率“大多數(shù)情況下，在適合本區(qū)域航空器運行的距離、高度條件下，基于自由空間有效接收的最小場強為２０ μＶ ／ ｍ（－１２０ ｄＢｗ ／ ｍ^２）”［６］。由此可以理解為地面ＶＨＦ 天線接收電磁場強度Ｅ≥２０ μＶ ／ ｍ。

由于場強與功率是２ 個概念，轉(zhuǎn)換時需要考慮天線系數(shù)（天線因子）的因素。本文假設(shè)使用頻率為１２７． ５ ＭＨｚ，建立數(shù)學(xué)模型。

天線系數(shù)（Ａｎｔｅｎｎａ Ｆａｃｔｏｒ，ＡＦ）與天線增益（Ｇ_Ａ ）的關(guān)系如式（１）所示，可以計算出在民航５０ Ω特性阻抗下，ＡＦ 約為１０． １８。

ＡＦ（ｄＢ ／ ｍ） ＝ ２０ｌｇ ｆ（ＭＨｚ）－ Ｇ_Ａ（ｄＢ）－ ２９．７８。 （１）

信號場強Ｅ 與天線負載端電壓Ｕ 的關(guān)系如式（２）所示，可以計算出Ｅ≥２０ μＶ ／ ｍ 時天線負載端電壓Ｕ≥１５．８４ ｄＢμＶ；Ｅ≥７５ μＶ ／ ｍ 時天線負載端電壓Ｕ≥２７． ３２ ｄＢμＶ。

Ｅ（ｄＢμＶ／ｍ） ＝ Ｕ（ｄＢμＶ）＋ ＡＦ（ｄＢ／ｍ）。（２）

５０Ω的匹配負載ｄＢｍ 與ｄＢμＶ 的換算關(guān)系如式（３）所示，可以推算出：地面接收場強（機載發(fā)射）Ｅ≥２０ μＶ ／ ｍ 轉(zhuǎn)換為功率Ｐ≥－９１．１６ ｄＢｍ；空中接收場強（地面發(fā)射）Ｅ ≥ ７５ μＶ ／ ｍ 轉(zhuǎn)換為功率Ｐ≥－７９． ６８ ｄＢｍ。全文理論數(shù)據(jù)的對比主要參考這２個參數(shù)。

目前各種管制區(qū)域頻率的服務(wù)范圍［１２］通常如表２所示（區(qū)域管制中心（Ａｒｅａ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｃｅｎｔｅｒ，ＡＣＣ 和進近管制中心（Ａｐｐｒｏａｃｈ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｃｅｎｔｅｒ，ＡＰＰ））。

頻率復(fù)用主要從以下２個方面考慮：

① 若收發(fā)天線之間的距離大于超視距傳輸?shù)睦碚摼嚯x，則頻率可以復(fù)用，且此時無需考慮發(fā)射機功率與接收機的靜噪門限或靈敏度。

② 若收發(fā)天線之間的距離小于超視距傳輸?shù)睦碚摼嚯x，則頻率復(fù)用需要考慮發(fā)射機的功率、接收機的靜噪門限或靈敏度、自由空間傳輸損耗、收發(fā)天線增益以及收發(fā)系統(tǒng)的濾波器、饋線等引起的插入損耗。

３．１地面ＶＨＦ臺站Ａ與Ｂ相互干擾

按照圖１ 的數(shù)學(xué)模型，依據(jù)第２節(jié)的理論依據(jù)可以計算出２個地面ＶＨＦ臺之間在不同天線海拔高度下的超視距傳播距離、損耗及不同發(fā)射功率下對端接收功率數(shù)據(jù)，如表３ 所示。地面ＶＨＦ 臺不同載波功率調(diào)制發(fā)射時的有效輻射功率與自由空間損耗數(shù)據(jù)如表４所示。

在地面ＶＨＦ 臺站Ａ 與Ｂ相互干擾情形中，超視距傳播距離均小于自由空間傳輸損耗Ｐ_地ｍｉｎ ＝－９１．１６ ｄＢｍ 時的距離，即超視距傳播距離臨界點Ｐ_Ｒ均大于Ｐ_地ｍｉｎ＝－９１．１６ ｄＢｍ，此時超視距距離為決定性因素，因此只要Ａ與Ｂ兩個ＶＨＦ 臺滿足復(fù)用距離大于２ 個臺站天線超視距傳播距離臨界點，則地面臺無相互干擾。

３．２飛機ａ與ｂ相互干擾

按照圖１ 的數(shù)學(xué)模型，依據(jù)第２節(jié)的理論依據(jù)可以計算出管制區(qū)域邊界點２ 架飛機之間在不同海拔下的超視距傳播距離、損耗及不同發(fā)射功率下對端接收功率數(shù)據(jù)，如表５ 所示；機載設(shè)備在２5Ｗ 載波功率調(diào)制發(fā)射時的有效輻射功率與自由空間損耗數(shù)據(jù)如表６所示。

① 在飛機ａ 與ｂ 相互干擾情形中，當飛機高度大于１２００ ｍ（進近、區(qū)域管制）與７３０ ｍ（塔臺管制）時，超視距傳播距離均大于自由空間傳輸損耗Ｐ_空ｍｉｎ ＝－７９． ６８ ｄＢｍ 時的距離２２２．２９ ｋｍ，也就是說超視距傳播距離臨界點Ｐ_Ｒ 均小于Ｐ_空ｍｉｎ ＝ －７９． ６８ ｄＢｍ，此時自由空間傳輸損耗為決定性因素，因此只要滿足復(fù)用距離大于自由空間傳輸損耗Ｐ_空ｍｉｎ ＝－７９． ６８ ｄＢｍ 時的臨界點距離２２２． ２９ ｋｍ，飛機之間無相互干擾。

② 在飛機ａ 與ｂ相互干擾情形中，當飛機高度小于７３０ ｍ（塔臺管制）時超視距傳播距離均小于自由空間傳輸損耗Ｐ_空ｍｉｎ ＝ －７９． ６８ ｄＢｍ 時的距離，也就是說超視距傳播距離臨界點Ｐ_Ｒ 均大于Ｐ_空ｍｉｎ ＝－７９．６８ ｄＢｍ，此時超視距距離為決定性因素，因此只要滿足復(fù)用距離大于飛行高度時超視距距離臨界點，飛機無相互干擾。

３．３臺站Ａ 與飛機ｂ 相互干擾（臺站Ｂ 與飛機ａ相互干擾）

按照圖１ 的數(shù)學(xué)模型，依據(jù)第２ 節(jié)的理論依據(jù)分析，可以計算出地面ＶＨＦ 臺與同頻復(fù)用管制區(qū)邊界的飛機在不同海拔下的超視距傳播距離、損耗及不同發(fā)射功率下對端接收功率數(shù)據(jù)，如表７ 所示；不同載波功率調(diào)制發(fā)射時的有效輻射功率與自由空間損耗數(shù)據(jù)如表８所示。

① 在臺站Ａ 與飛機ｂ 相互干擾情形中，當飛機高度小于１２００ｍ（塔臺管制）時，機載ＶＨＦ 載波功率通常為２５ Ｗ，此時飛機發(fā)射時的超視距傳播距離小于自由空間傳輸損耗Ｐ_地ｍｉｎ ＝－９１．１６ ｄＢｍ 時的距離（８３３．５４ ｋｍ），也就是說超視距傳播距離臨界點ＰＲ 均大于Ｐ_地ｍｉｎ ＝－９１．１６ ｄＢｍ，超視距距離為決定性因素，因此只要滿足復(fù)用距離大于超視距傳播距離臨界點，飛機就不會干擾地面塔臺ＶＨＦ 臺；當飛機高度為１ ２００ ｍ 時，塔臺ＶＨＦ 載波功率通常為５ Ｗ，此時地面塔臺發(fā)射時超視距傳播距離大于自由空間傳輸損耗Ｐ_空ｍｉｎ ＝－７９．６８ ｄＢｍ 時的距離（９９．４１ ｋｍ），也就是說超視距傳播距離臨界點Ｐ_Ｒ 均小于Ｐ_空ｍｉｎ ＝－７９．６８ ｄＢｍ，此時自由空間傳輸損耗為決定性因素，只要滿足復(fù)用距離大于自由空間傳輸損耗Ｐ_空ｍｉｎ ＝－７９．６８ ｄＢｍ 時的臨界點距離（９９．４１ ｋｍ），地面塔臺ＶＨＦ 就不會干擾飛機。

綜合以上２ 點，取較大的復(fù)用距離。因此在塔臺管制時，復(fù)用距離以飛機１２００ ｍ 發(fā)射時的超視距傳播距離為判別依據(jù)，通常選取１９０ ｋｍ，加上塔臺通常的服務(wù)半徑４６． ３ ｋｍ，此時臺站Ａ 與Ｂ 的同頻復(fù)用距離為２３６．３ ｋｍ。但此時空中管制區(qū)Ａ 與Ｂ 邊界的２ 架飛機ａ 與ｂ 相距１４３．７（１９０－４６．３）ｋｍ，小于自由空間傳輸損耗Ｐ空ｍｉｎ ＝－７９．６８ ｄＢｍ 時的臨界點距離（２２２． ２９ ｋｍ），空中飛機會產(chǎn)生同頻干擾，因此塔臺管制時應(yīng)當適度增加復(fù)用距離，通常最終選取大于３１５（２２２．９＋２×４６．３）ｋｍ 的距離。

② 在臺站Ａ 與飛機ｂ 相互干擾情形中，當飛機高度大于１ ２００ ｍ 小于７ ６００ ｍ 時（進近ＡＰＰ-Ｉ、ＡＰＰ-Ｌ、區(qū)域ＡＣＣ-Ｌ 管制）時，機載ＶＨＦ 載波功率通常為２５ Ｗ，此時飛機發(fā)射信號的超視距傳播距離小于自由空間傳輸損耗Ｐ_地ｍｉｎ＝－９１．１６ ｄＢｍ 時的距離（８３３．５４ｋｍ），也就是說超視距傳播距離臨界點Ｐ_Ｒ均大于Ｐ_地ｍｉｎ ＝ －９１．１６ ｄＢｍ，超視距距離為決定性因素，因此只要復(fù)用距離大于超視距傳播距離臨界點，飛機就不會干擾地面ＶＨＦ 臺；當飛機高度等于７ ６００ ｍ 時，進近地面ＶＨＦ 載波功率通常為２５ Ｗ，此時地面ＶＨＦ 發(fā)射時超視距傳播距離大于自由空間傳輸損耗Ｐ_空ｍｉｎ ＝ －７９．６８ ｄＢｍ 時的距離（２２２．２９ ｋｍ），也就是說超視距傳播距離臨界點Ｐ_Ｒ 均小于Ｐ_空ｍｉｎ ＝－７９． ６８ ｄＢｍ，此時自由空間傳輸損耗為決定性因素，因此只要復(fù)用距離大于自由空間傳輸損耗Ｐ_空ｍｉｎ ＝－７９．６８ ｄＢｍ 時的臨界點距離（２２２．２９ｋｍ），地面ＶＨＦ就不會干擾飛機。

綜合以上２點，取較大的復(fù)用距離。因此在進近ＡＰＰ-Ｉ、ＡＰＰ-Ｌ、區(qū)域ＡＣＣＬ 管制時，復(fù)用距離以飛機７ ６００ ｍ 發(fā)射信號的超視距傳播距離為判別依據(jù)，通常選取４１０ ｋｍ，加上進近ＡＰＰ-Ｉ 的服務(wù)半徑１３８．９ ｋｍ，此時臺站Ａ與Ｂ 的同頻復(fù)用距離為５４８． ９ ｋｍ。但此時空中管制區(qū)Ａ 與Ｂ 邊界的２ 架飛機ａ 與ｂ 相距２７１．１ ｋｍ，大于自由空間傳輸損耗Ｐ_空ｍｉｎ＝ －７９． ６８ ｄＢｍ 時的臨界點距離（２２２． ２９ ｋｍ），空中飛機不會產(chǎn)生同頻干擾。

③ 在臺站Ａ 與飛機ｂ 相互干擾情形中，當飛機高度大于７ ６００ ｍ 小于１３７００ ｍ（區(qū)域ＡＣＣ-Ｕ、進近ＡＰＰ-Ｕ 管制）時，機載ＶＨＦ 載波功率通常為２５ Ｗ，此時飛機發(fā)射信號的超視距傳播距離小于自由空間傳輸損耗Ｐ_地ｍｉｎ ＝－９１． １６ ｄＢｍ 時的距離（８３３．５４ ｋｍ），也就是說超視距傳播距離臨界點ＰＲ 均大于Ｐ_地ｍｉｎ ＝ －９１．１６ ｄＢｍ，超視距距離為決定性因素，因此只要復(fù)用距離大于超視距傳播距離臨界點，飛機就不會干擾地面ＶＨＦ 臺；當飛機高度等于１３ ７００ ｍ（區(qū)域管制）時，地面ＶＨＦ 載波功率通常為５０ Ｗ，此時地面ＶＨＦ 發(fā)射時超視距傳播距離大于自由空間傳輸損耗Ｐ_空ｍｉｎ ＝ －７９． ６８ ｄＢｍ 時的距離（３１４． ３７ ｋｍ），也就是說超視距傳播距離臨界點ＰＲ 均小于Ｐ_空ｍｉｎ ＝－７９．６８ ｄＢｍ，此時自由空間傳輸損耗為決定性因素，因此只要復(fù)用距離大于自由空間傳輸損耗Ｐ_空ｍｉｎ ＝ －７９．６８ｄＢｍ 時的臨界點距離（３１４．３７ｋｍ），地面ＶＨＦ就不會干擾飛機。

綜合以上２ 點，取較大的復(fù)用距離。因此在區(qū)域管制時，復(fù)用距離以飛機１３７００ｍ 發(fā)射信號的超視距傳播距離為判別依據(jù)，通常選取５３０ｋｍ，加上區(qū)域管制服務(wù)半徑即為此時臺站Ａ 與Ｂ 的同頻復(fù)用距離。但此時空中管制區(qū)Ａ 與Ｂ 邊界處２架飛機ａ與ｂ的距離為５３０ｋｍ 減去相應(yīng)管制區(qū)域半徑。當管制區(qū)域半徑大于３０８ｋｍ 時，飛機ａ與ｂ間距小于自由空間傳輸損耗Ｐ_空ｍｉｎ＝－７９．６８ ｄＢｍ 時的臨界點距離（２２２．２９ｋｍ），空中飛機會產(chǎn)生同頻干擾；當管制區(qū)域半徑小于３０８ ｋｍ 時，飛機ａ 與ｂ 間距大于自由空間傳輸損耗Ｐ_空ｍｉｎ ＝－７９．６８ ｄＢｍ 時的臨界點距離（２２２．２９ｋｍ），空中飛機不會產(chǎn)生同頻干擾。

④ 綜合３． １、３． ２、３． ３ 節(jié)三種情景的分析，結(jié)合常規(guī)空域服務(wù)范圍及發(fā)射機常用載波功率可以給出實際運行中頻率復(fù)用間距的建議，如表９ 所示。由于各管制區(qū)域的差異、飛行程序的差異以及具體管制區(qū)域內(nèi)ＶＨＦ 臺的分布與地形等因素，利用以上理論分析可以因地制宜地仿真計算出實際場景下的復(fù)用距離，以進一步提升頻率利用率，減少因頻率復(fù)用產(chǎn)生同頻干擾的風險。

４結(jié)束語

隨著空域扇區(qū)數(shù)與機場數(shù)量的不斷增加，以及通用航空的急速發(fā)展，在有限的頻帶資源內(nèi)頻率復(fù)用是必然的［１３］。因此在申請與分配頻率時提前科學(xué)合理計算分析，盡量滿足復(fù)用間距的要求，可以從根本上解決頻率復(fù)用產(chǎn)生同頻干擾［１４］的隱患。然而，由于各空域及地域等因素的限制，實際工作中經(jīng)常出現(xiàn)無法滿足復(fù)用距離的情況，經(jīng)過本文的分析，可以通過以下幾種方案解決此類風險：

① 隨著空域扇區(qū)的增加，單個扇區(qū)空域范圍在不斷減小，設(shè)備維護人員要打破盲目追求ＶＨＦ 信號超距離覆蓋的理念。根據(jù)管制扇區(qū)空域的實際大小，利用文中理論與分析方法，科學(xué)合理地計算并設(shè)置地面發(fā)射機的功率與接收機的靜噪門限，通過降低發(fā)射功率與提高接收門限，利用電磁波在空間的損耗，可有效地降低頻率復(fù)用產(chǎn)生的同頻干擾［１５］。

② 利用ＶＨＦ 天線架設(shè)高度對視距傳輸距離的影響因素，也可以縮短頻率復(fù)用的距離。因此在ＶＨＦ 臺站規(guī)劃建設(shè)時，根據(jù)計算空域覆蓋情況，科學(xué)合理地選址及設(shè)計天線高度［１６］，在滿足覆蓋范圍的情況下，ＶＨＦ 天線高度盡量低。

③ 根據(jù)具體航路及扇區(qū)的覆蓋特點，引入定向天線覆蓋，利用天線空間定向隔離［１７］，可以減小同頻干擾，提高頻率復(fù)用率。

作者簡介

潘云飛 男，（１９８０—），碩士，正高級工程師。主要研究方向：民航地空通信、無線電監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析處理。

（*通信作者）孟水仙 女，（１９８４—），碩士，高級工程師。主要研究方向：無線電監(jiān)測、電磁兼容。

方旭 男，（１９８４—），碩士，工程師。主要研究方向：民航地空通信、無線電監(jiān)測。

徐如蘭 女，（１９８４—），碩士，工程師。主要研究方向：甚高頻地空通信、無線電監(jiān)測。