倪育德, 于穎麗, 劉瑞華,*, 秦 哲, 王 凱

(1. 中國(guó)民航大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院, 天津 300300;2. 中國(guó)民航大學(xué)中歐航空工程師學(xué)院, 天津 300300)

0 引 言

航向信標(biāo)(localizer, LOC)是儀表著陸系統(tǒng)(instrument landing system, ILS)的重要組成部分,為飛機(jī)提供水平制導(dǎo)信息[1-2],其輻射場(chǎng)極易受環(huán)境影響,機(jī)坪上的車輛、等待的飛機(jī)、跑道附近的機(jī)庫(kù)、消防站等都有可能作為障礙物影響LOC輻射場(chǎng)的性能。

為減少障礙物對(duì)LOC輻射場(chǎng)的干擾,國(guó)際民航組織(international civil aviation organization,ICAO)、美國(guó)聯(lián)邦航空局均規(guī)定LOC周圍應(yīng)劃設(shè)臨界區(qū)和敏感區(qū)作為保護(hù)區(qū)[3-4]。在LOC設(shè)備運(yùn)行期間,任何車輛(包括航空器)不得進(jìn)入臨界區(qū),在敏感區(qū)停放或移動(dòng)的車輛(包括航空器)也要受到嚴(yán)格管制,否則會(huì)對(duì)LOC空間信號(hào)造成不可接受的影響,出現(xiàn)安全隱患[5]。

目前我國(guó)民用運(yùn)輸機(jī)場(chǎng)大部分跑道實(shí)施I類(category I, CAT I)運(yùn)行。中國(guó)民航在其“十四五”規(guī)劃[6]中提出要加大新機(jī)場(chǎng)的建設(shè)與舊機(jī)場(chǎng)的擴(kuò)建,并提升重點(diǎn)機(jī)場(chǎng)II類(category II, CAT II)、Ⅲ類(category III, CAT III)ILS運(yùn)行保障能力。越高等級(jí)的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)所要求的LOC保護(hù)區(qū)越大。當(dāng)跑道從CAT I運(yùn)行提升至CAT III運(yùn)行后,因保護(hù)區(qū)擴(kuò)大,建在跑道附近的一些大型建筑物,如機(jī)庫(kù)、消防站等,就面臨是否拆除的問題。而ICAO劃設(shè)的LOC保護(hù)區(qū)并沒有考慮大型建筑物的影響,且對(duì)目前劃設(shè)的LOC保護(hù)區(qū)沒有提供任何理論說明。因此,建立相應(yīng)理論模型,評(píng)估大型建筑物對(duì)LOC輻射場(chǎng)的影響,具有重要且迫切的現(xiàn)實(shí)意義。另一方面,目前有關(guān)ILS性能評(píng)估的專業(yè)軟件幾乎都是國(guó)外的產(chǎn)品,如意大利IDS AirNav公司開發(fā)的EMACS(electromagnetic airport control and survey),法國(guó)民航大學(xué)開發(fā)的ATOLL/LAGON(advanced trainer on localizer/learning about glide for overall needs)。本文的研究可為開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的ILS性能評(píng)估軟件提供相應(yīng)底層支持。

目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)多徑干擾對(duì)LOC影響研究的方法主要包括物理光學(xué)(physical optics,PO)法、射線追蹤法(ray tracing method,RTM)、幾何光學(xué)(geometric optics,GO)法、幾何繞射(geometrical theory of diffraction, GTD)法等。文獻(xiàn)[7]在亥姆霍茲方程的基礎(chǔ)上利用PO法計(jì)算障礙物的反射信號(hào),并使用美國(guó)國(guó)家航空設(shè)施實(shí)驗(yàn)中心的專業(yè)軟件進(jìn)行仿真,從而獲得反射信號(hào)對(duì)LOC的影響[7]。文獻(xiàn)[8]在成比例縮放的模擬環(huán)境中,利用信道探測(cè)結(jié)構(gòu)測(cè)量了大型滑行飛機(jī)產(chǎn)生的多徑傳播信號(hào)[8]。文獻(xiàn)[9-11]利用簡(jiǎn)化的RTM法快速計(jì)算機(jī)場(chǎng)復(fù)雜建筑物產(chǎn)生多徑信號(hào)的電磁場(chǎng),分析其對(duì)LOC的影響[9-11]。也有文獻(xiàn)通過添加天線陣因子、利用GTD等方法分析機(jī)場(chǎng)跑道周圍建筑物對(duì)ILS信號(hào)造成的影響[12-13]。上述文獻(xiàn)都只分析了LOC輻射信號(hào)受到的干擾,研究結(jié)果并沒有與LOC敏感區(qū)相聯(lián)系;且在使用的理論方法中,GO法相比其他方法具有物理概念清晰、信號(hào)傳播軌跡明顯、算法效率高等優(yōu)點(diǎn),而一致性幾何繞射理論(uniform GTD, UTD)是在GO法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,既有GO法的優(yōu)點(diǎn),又引入繞射射線，并解決了GTD信號(hào)在陰影邊界過渡區(qū)失效問題。

本文通過對(duì)跑道附近大型建筑物建模,利用UTD,研究不同材質(zhì)建筑物在不同位置產(chǎn)生的多徑信號(hào)對(duì)LOC輻射場(chǎng)的影響,并分析飛機(jī)接收的引導(dǎo)信號(hào)因多徑效應(yīng)產(chǎn)生的誤差,從而找出在大型障礙物影響下LOC敏感區(qū)劃設(shè)的理論依據(jù),在此基礎(chǔ)上規(guī)劃新的敏感區(qū),并為國(guó)內(nèi)某4F樞紐機(jī)場(chǎng)某條跑道附近的機(jī)庫(kù)是否拆除提出相應(yīng)建議。

1 LOC輻射方向性及DDM

1.1 LOC輻射方向性的形成

LOC輻射由150 Hz和90 Hz調(diào)制的兩個(gè)調(diào)幅信號(hào)通過“和”、“差”運(yùn)算所形成的載波邊帶(carrier and sideband,CSB)信號(hào)和純邊帶(sideband only,SBO)信號(hào),采用水平極化的對(duì)數(shù)周期陣列天線,該陣列天線由若干個(gè)對(duì)數(shù)天線陣元組成,呈一字形排列,且沿跑道中心線左右對(duì)稱分布。

CSB信號(hào)采用等幅同相饋電方式饋電給對(duì)稱的左右天線陣元,而SBO信號(hào)采用等幅反相饋電方式饋電給左右對(duì)稱天線陣元[14-15]。以陣列天線相位中心為參考點(diǎn),左右對(duì)稱的兩副陣元構(gòu)成一對(duì)二元陣列天線,利用天線方向圖乘積定理,求得n對(duì)天線疊加后總的輻射方向性函數(shù)為

(1)

(2)

式中:FCSB(θ)、FSBO(θ)分別為L(zhǎng)OC輻射CSB、SBO的方向性函數(shù);cos(π/2·sinθ)為對(duì)數(shù)陣元水平方向性函數(shù);θ為相對(duì)跑道中心線的方位角;λc為載波波長(zhǎng);第i對(duì)天線相對(duì)陣列天線相位中心距離為di;天線饋電幅度為Ai。

設(shè)定航向信號(hào)和余隙信號(hào)的載波頻率分別為111.10 MHz-5 kHz和111.10 MHz+5 kHz,根據(jù)雙頻20單元LOC陣列天線的饋電,得到水平輻射方向圖，如圖1所示。其中，COU CSB和COU SBO分別表示航向CSB信號(hào)、航向SBO信號(hào),CLR CSB和CLR SBO分別表示余隙CSB信號(hào)、余隙SBO信號(hào)。

多單元陣列天線可以使航向信號(hào)主瓣波束變窄以減弱多徑效應(yīng)的影響,而雙頻輻射的余隙信號(hào)波束較寬,可以增大覆蓋范圍。下面采用雙頻20單元航向天線研究障礙物對(duì)LOC的影響。

1.2 調(diào)制度差

調(diào)制度差(difference in depth of modulation,DDM)是機(jī)載LOC接收機(jī)所接收的150 Hz信號(hào)與90 Hz信號(hào)對(duì)載波的調(diào)制度之差[16-18],即

DDM=M150-M90

(3)

式中:M150和M90分別表示LOC輻射場(chǎng)中150 Hz信號(hào)與90 Hz信號(hào)對(duì)載波的調(diào)制度,可表示為

(4)

式中:m150=m90=0.2;l為SBO信號(hào)與CSB信號(hào)的幅度比。

機(jī)載LOC系統(tǒng)利用DDM引導(dǎo)飛機(jī)飛行:M150=M90且DDM=0時(shí)飛機(jī)位于航向面上;M150>M90且DDM>0時(shí)飛機(jī)位于航向面右邊,指示飛機(jī)左飛;若M150

理想情況下,若飛機(jī)沿航向面進(jìn)近,DDM應(yīng)恒為0,在下滑線上理想DDM曲線為一條DDM恒為0的直線。當(dāng)存在障礙物或地形起伏等非理想情況時(shí),多徑效應(yīng)會(huì)引起DDM抖動(dòng),下滑線上的DDM不再恒為零。為此對(duì)于CAT I/II/III運(yùn)行,ICAO規(guī)定了LOC DDM彎曲幅度范圍[3],如圖2所示。

只要DDM的抖動(dòng)或變化在ICAO規(guī)定的限制范圍內(nèi),即可引導(dǎo)飛機(jī)正常進(jìn)近著陸;也可以利用DDM的限制范圍來評(píng)估多徑效應(yīng)對(duì)DDM影響的大小。

2 障礙物引起的LOC多徑信號(hào)

LOC輻射信號(hào)波長(zhǎng)屬于米波,在其輻射區(qū)的障礙物相對(duì)波長(zhǎng)屬于電大尺寸物體,可以采用UTD分析LOC輻射場(chǎng)。

根據(jù)UTD,LOC輻射信號(hào)沿射線傳播。將障礙物分解成幾種簡(jiǎn)單的幾何結(jié)構(gòu),找到對(duì)接收?qǐng)鳇c(diǎn)輻射強(qiáng)度有顯著貢獻(xiàn)的所有射線信號(hào)軌跡,并求出每根射線信號(hào)的貢獻(xiàn),總場(chǎng)就是這些信號(hào)貢獻(xiàn)之和。

由于我國(guó)機(jī)場(chǎng)跑道附近的建筑物幾乎都是長(zhǎng)方體,所以將障礙物設(shè)定為長(zhǎng)方體。除LOC直射信號(hào)外,長(zhǎng)方體障礙物還會(huì)引起反射、繞射等多徑信號(hào),如圖3所示，其中LOC陣列天線相位中心高度為h。要進(jìn)行LOC多徑信號(hào)場(chǎng)的分析,第一步進(jìn)行LOC信號(hào)的射線尋跡,找到LOC直射信號(hào)以及障礙物引起的反射和繞射信號(hào)的射線軌跡,第二步進(jìn)行LOC信號(hào)的場(chǎng)計(jì)算。

圖3 LOC附近障礙物引起的多徑信號(hào)Fig.3 Multipath signals caused by obstacles near LOC

2.1 LOC直射信號(hào)

直射信號(hào)就是連接發(fā)射天線和接收天線之間未受阻擋的射線信號(hào),連接LOC天線和飛機(jī)即可得到直射信號(hào)軌跡。

對(duì)于輻射功率為P的各向同性天線,距離天線r處的能流密度S為

(5)

自由空間磁場(chǎng)強(qiáng)度Ha和電場(chǎng)強(qiáng)度E的關(guān)系為

(6)

(7)

聯(lián)合式(5)和式(7)可得

(8)

再結(jié)合LOC天線的方向性和相位變化,可得機(jī)載LOC接收天線接收的直射信號(hào)場(chǎng)為

(9)

式中:Er(E)為機(jī)載LOC接收天線接收的LOC直射信號(hào)電場(chǎng)強(qiáng)度;r為航向天線與飛機(jī)之間的距離;波數(shù)k=2π/λc;F(θ)為輻射CSB信號(hào)或SBO信號(hào)的方向性函數(shù)角, LOC輻射CSB信號(hào)與SBO信號(hào)的F(θ)分別為

(10)

(11)

2.2 障礙物引起的LOC反射信號(hào)

一次反射信號(hào)軌跡是從LOC天線經(jīng)過障礙物表面上一個(gè)反射點(diǎn)到達(dá)接收端的。以LOC陣列天線相位中心在地面的投影為原點(diǎn),沿天線高度向上為z軸,跑道中心線為x軸建立反射信號(hào)模型,如圖4所示。

圖4 LOC反射信號(hào)Fig.4 Reflection signal of LOC

假設(shè)LOC陣列天線的相位中心為A點(diǎn),障礙物為長(zhǎng)方體,長(zhǎng)寬高分別為L(zhǎng)、W、H,障礙物正面底邊中點(diǎn)坐標(biāo)為B1(xB,yB,0),飛機(jī)坐標(biāo)為Pa(xp,yp,zp),反射點(diǎn)為B(xb,yb,zb),反射點(diǎn)B在障礙物底邊的投影為B2(xb,yb,0)。根據(jù)鏡像原理可得

(12)

因此反射點(diǎn)B的坐標(biāo)為(1/2xp,yB,1/2(zp-h)+h)。比較B點(diǎn)坐標(biāo)和障礙物的位置,若B點(diǎn)在障礙物表面,可以確定A→B→Pa為反射信號(hào)軌跡,再進(jìn)行反射信號(hào)場(chǎng)的求解。

由于LOC要求輻射水平極化波,理想情況下在傳播過程中垂直分量為零,所以下面只需研究電場(chǎng)的水平分量。

機(jī)載LOC接收天線處的LOC反射信號(hào)場(chǎng)Er(R)主要與反射點(diǎn)處的入射場(chǎng)Ee(R)、水平反射系數(shù)R‖(α)以及路徑擴(kuò)散因子A(r)有關(guān),可表示為

Er(R)=Ee(R)·R‖(α)·A(r)·e-jkrR2

(13)

式中:rR2為反射點(diǎn)B到飛機(jī)Pa的距離。

Ee(R)為反射點(diǎn)處入射場(chǎng)的水平分量,可表示為

(14)

式中:θR為反射點(diǎn)B相對(duì)于航向天線A的方位角;F(θR)為L(zhǎng)OC輻射CSB信號(hào)或SBO信號(hào)的方向性函數(shù),可由式(10)與式(11)得出;rR1為A和B之間的距離;P為L(zhǎng)OC天線輻射功率。

路徑擴(kuò)散因子為

(15)

水平反射系數(shù)為

(16)

式中:α為入射角;εc為相對(duì)介電常數(shù),與障礙物的材質(zhì)有關(guān)。對(duì)于水泥材質(zhì),εc約為6；對(duì)于鐵質(zhì)材料,εc為14.2。

2.3 障礙物引起的LOC繞射信號(hào)

LOC繞射信號(hào)軌跡即從LOC天線經(jīng)過繞射點(diǎn)到達(dá)機(jī)載接收端。長(zhǎng)方體障礙物引起的繞射分為邊緣繞射和尖頂繞射,且會(huì)產(chǎn)生多條繞射信號(hào)。

2.3.1 LOC邊緣繞射信號(hào)

LOC邊緣繞射信號(hào)遵循Keller錐模型,邊緣繞射信號(hào)與邊緣(或邊緣切線)的夾角等于相應(yīng)的入射信號(hào)與邊緣(或邊緣切線)的夾角[19-21]。

以障礙物的一條邊緣為例求解邊緣繞射場(chǎng),建立模型如圖5所示。

圖5 LOC邊緣繞射信號(hào)Fig.5 Edge diffraction signal of LOC

航向天線、飛機(jī)及障礙物參數(shù)同圖4,所求繞射點(diǎn)坐標(biāo)為D1(xd1,yd1,zd1),繞射點(diǎn)D1在障礙物底邊的投影為D12(xd1,yd1,0),根據(jù)Keller圓錐理論求解繞射點(diǎn)坐標(biāo)可得

(17)

繞射點(diǎn)D1坐標(biāo)為(xB-L/2,yB,zd1),zd1為式(17)的解。

判斷D1坐標(biāo)是否在邊緣上,若不在,則該邊緣繞射信號(hào)軌跡無效,邊緣繞射信號(hào)場(chǎng)為零;若D1在邊緣上,可以確定A→D1→Pa為一條邊緣繞射信號(hào)軌跡,再進(jìn)行邊緣繞射信號(hào)場(chǎng)的求解。

該邊緣在機(jī)載LOC接收天線處的邊緣繞射場(chǎng)Er(D1)與繞射點(diǎn)處的入射場(chǎng)Ee(D1)、繞射系數(shù)D以及擴(kuò)散因子A(r)有關(guān)[22-24],可表示為

(18)

式中:rD12為D1、Pa之間的距離;為并矢運(yùn)算，為并矢繞射系數(shù)。

Ee(D1)為繞射點(diǎn)D1處入射場(chǎng)的水平分量,可表示為

(19)

式中:θD1為繞射點(diǎn)D1相對(duì)于航向天線A的方位角;F(θD1)為L(zhǎng)OC輻射CSB信號(hào)或SBO信號(hào)的方向性函數(shù),具體參考式(10)與式(11);rD11為A、D1之間的距離。

擴(kuò)散因子為

(20)

為求解繞射系數(shù),需以所求繞射邊緣為z′軸,建立右手坐標(biāo)系如圖5所示。

將障礙物和邊緣繞射信號(hào)投影在x′O′y′面上,得到圖6。邊緣劈與z′軸重合,兩個(gè)劈面分別與0和nπ兩個(gè)坐標(biāo)面重合,因此內(nèi)劈角為(2-n)π。A′、P′分別為L(zhǎng)OC陣列天線相位中心A和飛機(jī)Pa的投影,A′O′、O′P′分別為繞射信號(hào)的入射射線和繞射射線的投影,φ′、φ分別為投影的入射角和繞射角。

圖6 LOC邊緣繞射信號(hào)的投影Fig.6 Projection of the edge diffraction signal of LOC

邊緣繞射系數(shù)[25-27]為

(21)

式(21)中的F(x)是用來修正Keller非一致性解的過渡函數(shù),且

(22)

a±(β)則為

(23)

式中:β=φ±φ′;N±是滿足下列方程的最小整數(shù):

(24)

式(24)所得的N+和N-各有兩個(gè)值,分別對(duì)應(yīng)于繞射系數(shù)中的4項(xiàng)。

機(jī)載LOC接收天線處的LOC邊緣繞射信號(hào)場(chǎng)為全部有貢獻(xiàn)的邊緣繞射場(chǎng)疊加之和,即

(25)

式中:Er(D)為機(jī)載LOC天線接收的總邊緣繞射場(chǎng);Er(Di)為第i條邊緣在LOC接收天線處貢獻(xiàn)的邊緣繞射場(chǎng);m為有效邊緣個(gè)數(shù)。

2.3.2 LOC尖頂繞射信號(hào)

尖頂繞射也稱為拐角繞射。由于物體長(zhǎng)度有限,每個(gè)邊緣在拐角處停止,每個(gè)邊緣繞射場(chǎng)將突然停止,并在邊緣繞射陰影邊界處產(chǎn)生不連續(xù)。拐角繞射場(chǎng)消除了這種不連續(xù)性,從而彌補(bǔ)了邊緣繞射場(chǎng)的終止[28-31]。

由于尖頂是唯一確定的點(diǎn),只要沒有遮擋,從LOC天線經(jīng)過頂點(diǎn)到達(dá)飛機(jī)就是唯一確定的尖頂繞射信號(hào)軌跡。

根據(jù)UTD,長(zhǎng)方體障礙物每個(gè)頂點(diǎn)的尖頂繞射場(chǎng)是構(gòu)成頂點(diǎn)的每條邊所產(chǎn)生的尖頂繞射場(chǎng)之和,例如長(zhǎng)方體的每個(gè)頂點(diǎn)都由3條邊緣組成,每個(gè)頂點(diǎn)的尖頂繞射場(chǎng)都是3條邊緣產(chǎn)生的有效尖頂繞射場(chǎng)之和。

以障礙物的一個(gè)頂點(diǎn)及該頂點(diǎn)的一條邊緣為例,建立如圖7所示模型。

圖7 LOC尖頂繞射信號(hào)Fig.7 Tip diffraction signal of LOC

LOC天線、障礙物、飛機(jī)以及坐標(biāo)系參數(shù)同圖5。圖7中βo是邊緣繞射的入射角,βc為尖頂繞射的入射角,βoc為尖頂繞射的繞射角,θC1為尖頂C1相對(duì)于航向天線A的方位角,rD11、rD12、rC11、rC12分別為A與D1、D1與Pa、A與C1、C1與Pa之間的距離。

圖7中尖頂C1的一條邊緣在機(jī)載LOC接收天線處的尖頂繞射場(chǎng)Er(CD1)為

(26)

式中:Ee(C1)為尖頂C1處入射場(chǎng)的水平分量;D為繞射系數(shù);A(r)為擴(kuò)散因子;rC12為C1、Pa之間的距離。

Ee(C1)可表示為

(27)

式中:F(θC1)為L(zhǎng)OC輻射CSB信號(hào)或SBO信號(hào)的方向性函數(shù),具體計(jì)算方法參考式(10)與式(11);rC11為A、C1之間的距離。

擴(kuò)散因子為

(28)

圖8 LOC尖頂繞射信號(hào)的投影Fig.8 Projection of tip diffraction signal of LOC

尖頂繞射系數(shù)為

(29)

其中

(30)

式中：k=2π/λc;L、Lc為距離參數(shù),其表達(dá)式分別為

(31)

同理可得尖頂C1其他邊緣產(chǎn)生的尖頂繞射場(chǎng),疊加可得尖頂C1在機(jī)載LOC接收天線處的尖頂繞射場(chǎng)Er(C1)為

(32)

式中:Er(CDt)為構(gòu)成尖頂C1的第t條邊緣產(chǎn)生的有效尖頂繞射場(chǎng);s為該頂點(diǎn)的有效邊緣個(gè)數(shù)。

搜索障礙物的所有頂點(diǎn),將有貢獻(xiàn)的頂點(diǎn)疊加得最終的尖頂繞射場(chǎng)Er(C),可表示為

(33)

式中:Er(Cj)為第j個(gè)尖頂在機(jī)載LOC接收天線處的尖頂繞射場(chǎng);n為有效頂點(diǎn)個(gè)數(shù)。

2.4 障礙物影響下機(jī)載LOC天線接收?qǐng)龅腄DM

在機(jī)載LOC接收端將接收到的直射信號(hào)、反射信號(hào)、邊緣繞射信號(hào)以及尖頂繞射信號(hào)進(jìn)行疊加,可以得到在障礙物多徑效應(yīng)影響下的接收?qǐng)鲂盘?hào)強(qiáng)度Er,可表示為

(34)

式中:FCSB/SBO(θ)為L(zhǎng)OC天線輻射CSB信號(hào)或SBO信號(hào)的方向性函數(shù)。

機(jī)載天線接收信號(hào)的DDM值與LOC天線輻射的CSB信號(hào)和SBO信號(hào)有關(guān),可表示為

(35)

利用式(35)計(jì)算障礙物影響下的機(jī)載LOC天線接收信號(hào)的DDM值,與理想DDM相對(duì)比就可以獲得障礙物對(duì)LOC天線輻射信號(hào)的影響程度。

3 仿真實(shí)驗(yàn)及分析

3.1 仿真條件

仿真環(huán)境設(shè)在具有典型意義的國(guó)內(nèi)某4F樞紐機(jī)場(chǎng),某條跑道實(shí)施CAT III運(yùn)行,跑道長(zhǎng)3 800 m,寬50 m。LOC位于跑道中線延長(zhǎng)線上,距末端300 m,采用雙頻20單元對(duì)數(shù)周期陣列天線,LOC饋電功率為20 W。長(zhǎng)方體障礙物設(shè)置為該機(jī)場(chǎng)跑道邊某一機(jī)庫(kù),長(zhǎng)200 m、寬60 m、高40 m?？紤]到跑道附近障礙物大多為鐵質(zhì)或水泥材質(zhì),故將障礙物材質(zhì)分別設(shè)為鐵質(zhì)和水泥材質(zhì)進(jìn)行仿真。

以LOC陣列天線相位中心在地面的投影為原點(diǎn),跑道中心線為x軸,垂直于跑道中心線為y軸建立坐標(biāo)系,如圖9所示。

圖9 障礙物相對(duì)于LOC天線的位置Fig.9 Position of the obstacle relative to the LOC antenna

其中,陰影部分為在20單元LOC天線輻射時(shí),ICAO針對(duì)特大型飛機(jī)如A380推薦的CAT III運(yùn)行的保護(hù)區(qū)。設(shè)置采樣點(diǎn)的原則為:以上述保護(hù)區(qū)范圍為基礎(chǔ),遠(yuǎn)離保護(hù)區(qū)邊界時(shí)選取采樣點(diǎn)位置較稀疏,即設(shè)置較低分辨率;靠近保護(hù)區(qū)邊界附近則選取采樣點(diǎn)位置較密集,即設(shè)置較高分辨率。為此,從原點(diǎn)沿x軸正方向每500 m選取一個(gè)障礙物位置,跑道入口處也作為一個(gè)采樣點(diǎn);沿y軸正方向每50 m選取一個(gè)位置,臨近邊界處改為每10 m選取一個(gè)位置。通過逐點(diǎn)試驗(yàn)來確定在大型建筑物影響下的LOC敏感區(qū)。由于篇幅所限,只給出代表性障礙物位置如表1所示,障礙物相對(duì)LOC天線的位置如圖9所示。

表1 障礙物位置

假設(shè)飛機(jī)沿標(biāo)稱3°下滑線下滑,至跑道后再滑行至跑道端口,每隔10 m計(jì)算一個(gè)DDM值,利用Matlab對(duì)不同位置障礙物影響下的DDM進(jìn)行計(jì)算仿真。仿真流程如圖10所示。

仿真整體流程分為兩步。第一步根據(jù)飛機(jī)接收的信號(hào)求解信號(hào)場(chǎng),主要分為4部分。

(1) 假設(shè)飛機(jī)接收1條直射信號(hào),根據(jù)飛機(jī)位置計(jì)算直射場(chǎng)。

圖10 基于UTD理論計(jì)算多徑DDM的仿真流程圖Fig.10 Simulation flow diagram of multipath DDM based on UTD theory

(2) 假設(shè)飛機(jī)接收1條反射信號(hào),根據(jù)鏡像原理求解反射點(diǎn)坐標(biāo),將反射點(diǎn)坐標(biāo)與障礙物位置相比,判斷反射點(diǎn)是否位于障礙物表面。若否,則該路徑不成立,反射信號(hào)路徑數(shù)量為0條;反之則路徑成立,反射信號(hào)路徑數(shù)量為1條,求解反射場(chǎng)。

(3) 假設(shè)飛機(jī)接收5條邊緣繞射信號(hào),根據(jù)Keller圓錐理論分別求解繞射點(diǎn)坐標(biāo),將繞射點(diǎn)坐標(biāo)與障礙物邊緣位置相比,判斷繞射點(diǎn)是否位于障礙物邊緣。若否,則該路徑不成立,邊緣繞射路徑減少1條;反之則路徑成立,求解邊緣繞射場(chǎng)。有效邊緣繞射路徑最多為3條,最少為1條。

(4) 假設(shè)飛機(jī)接收3條尖頂繞射信號(hào),依次連接LOC、障礙物頂點(diǎn)與飛機(jī),判斷該路徑是否被遮擋。若被遮擋,則該尖頂繞射路徑不成立,尖頂繞射路徑減少1條;在不被遮擋的基礎(chǔ)上,該尖頂繞射路徑才是有效的,進(jìn)而可以求解尖頂繞射場(chǎng)。有效尖頂繞射路徑最多2條,最少1條。

第二步在機(jī)載LOC接收端將接收的直射信號(hào)、反射信號(hào)、邊緣繞射信號(hào)以及尖頂繞射信號(hào)進(jìn)行疊加,求解DDM。

3.2 仿真結(jié)果及分析

障礙物位于x=1 000 m處的4個(gè)位置(y=50 m處，y=100 m處，y=160 m處，y=230 m處)時(shí),對(duì)應(yīng)的DDM隨飛機(jī)離LOC距離的變化情況如圖11所示。

圖11 x=1 000 m處各點(diǎn)的DDM曲線Fig.11 DDM curve of each position at x=1 000 m

從圖11可以看出,DDM曲線基本是從障礙物所在位置,即1 000 m左右開始劇烈抖動(dòng)的,這是因?yàn)?當(dāng)飛機(jī)越過障礙物后,障礙物產(chǎn)生的某些多徑信號(hào)不再被飛機(jī)接收,DDM抖動(dòng)減弱。從跑道中心線向外,隨著y增大,DDM曲線抖動(dòng)先劇烈后趨于平緩,最終符合DDM限制。由于鐵質(zhì)障礙物反射更強(qiáng),所以相比水泥障礙物,在同一位置,鐵質(zhì)障礙物對(duì)DDM的影響更劇烈。當(dāng)障礙物靠近跑道時(shí),DDM值超限,不滿足ICAO規(guī)定,水泥障礙物在y=160 m處滿足ICAO規(guī)定,而鐵質(zhì)障礙物需要在y=230 m處才符合規(guī)定。(1 000,160) m、(1 000,230) m分別是在水泥障礙物和鐵質(zhì)障礙物影響下LOC敏感區(qū)的邊界點(diǎn)。障礙物只能建在邊界點(diǎn)之外,若距離更近則DDM不滿足ICAO要求,對(duì)飛機(jī)著陸造成安全隱患。

障礙物位于x=2 500 m處的4個(gè)位置(y=50 m處，y=150 m處，y=220 m處，y=310 m處)時(shí),對(duì)應(yīng)的DDM隨飛機(jī)離LOC距離的變化情況如圖12所示。

圖12 x=2 500 m處各點(diǎn)的DDM曲線Fig.12 DDM curve of each position at x=2 500 m

與圖11類似,圖12中DDM曲線也是從障礙物所在位置,即2 500 m左右開始劇烈抖動(dòng)的,從跑道中心線向外,隨著y增大,DDM曲線抖動(dòng)先變劇烈再趨于平緩,最終符合DDM限制。在同一位置,鐵質(zhì)障礙物比水泥障礙物對(duì)DDM曲線的影響更劇烈。水泥障礙物在y=220 m處滿足ICAO規(guī)定,而鐵質(zhì)障礙物需要在y=310 m處才符合要求。(2 500,220)m、(2 500,310)m分別是水泥障礙物和鐵質(zhì)障礙物影響下LOC敏感區(qū)的邊界點(diǎn)。

圖13展示了障礙物位于x=3 500 m處的4個(gè)位置(y=50 m處，y=200 m處，y=270 m處，y=380 m處)時(shí),對(duì)應(yīng)的DDM變化情況。

圖13 x=3 500 m處各點(diǎn)的DDM曲線Fig.13 DDM curve of each position at x=3 500 m

從圖13可以看出,在x=3 500 m處,在水泥障礙物和鐵質(zhì)障礙物影響下,LOC敏感區(qū)的邊界點(diǎn)分別為(3 500,270) m、(3 500,380) m。

圖14展示了障礙物位于x=4 100 m處的4個(gè)位置(y=50 m處，y=150 m處，y=210 m處，y=270 m處)時(shí),對(duì)應(yīng)的DDM變化情況。

在x=4 100 m處,在水泥障礙物和鐵質(zhì)障礙物影響下,LOC敏感區(qū)的邊界點(diǎn)分別為(4 100,210) m、(4 100,270) m。

障礙物位于x=4 500 m處的2個(gè)位置(y=30 m處，y=50 m處)時(shí),對(duì)應(yīng)的DDM隨飛機(jī)離LOC距離的變化情況如圖15所示。

圖14 x=4 100 m處各點(diǎn)的DDM曲線Fig.14 DDM curve of each position at x=4 100 m

圖15 x=4 500 m各點(diǎn)的DDM曲線Fig.15 DDM curve of each position at x=4 500 m

在x=4 500 m處,水泥障礙物在y=30 m處DDM就已符合ICAO規(guī)定,但同一位置,鐵質(zhì)障礙物引起的DDM抖動(dòng)起伏更劇烈,需要移至y=50 m處DDM才符合ICAO規(guī)定。

上述仿真障礙物只設(shè)置在跑道一側(cè),障礙物位于跑道另一側(cè)對(duì)稱位置時(shí)得到的結(jié)果相同。

綜合上述仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果,圖16給出了在大型障礙物影響下LOC的敏感區(qū)規(guī)劃。圖中紅色豎條紋區(qū)域和綠色格紋區(qū)域分別為在水泥材質(zhì)和鋼質(zhì)大型障礙物影響下,對(duì)ICAO III類運(yùn)行LOC敏感區(qū)的擴(kuò)展部分。

圖16 仿真規(guī)劃的敏感區(qū)Fig.16 Sensitive area of simulation setting

可以看出,相比飛機(jī),大型障礙物體積更大、高度更高,造成的多徑干擾也會(huì)更大,所以需要的敏感區(qū)也更大。由于鐵質(zhì)障礙物相比水泥障礙物反射更強(qiáng),引起的多徑信號(hào)也更強(qiáng),所以鐵質(zhì)障礙物影響下需要的敏感區(qū)要大于水泥障礙物影響下的敏感區(qū)。大型建筑物只能建在圖16所示敏感區(qū)范圍之外,否則會(huì)影響飛機(jī)正常進(jìn)近著陸,造成安全隱患。

對(duì)于國(guó)內(nèi)某4F級(jí)樞紐機(jī)場(chǎng)實(shí)施CAT III運(yùn)行的某條跑道,圖16中黑色圓點(diǎn)表示該機(jī)庫(kù)的實(shí)際位置。該機(jī)庫(kù)相對(duì)于LOC橫向距離為830 m,距離跑道中心線560 m,正對(duì)跑道一側(cè)為鐵門。從本文仿真結(jié)果可以看出,該機(jī)庫(kù)在敏感區(qū)范圍之外,不需要拆除,但為保險(xiǎn)起見,建議將鐵門換成反射強(qiáng)度更低的材質(zhì)?；疑推岬姆瓷湎禂?shù)與水泥的反射系數(shù)相近,都小于鐵質(zhì)材料的反射強(qiáng)度,可以在鐵門上刷一層灰色的油漆以降低反射強(qiáng)度,減少多徑干擾。

4 結(jié) 論

本文在研究雙頻LOC輻射場(chǎng)的基礎(chǔ)上,建立大型建筑物的多徑信號(hào)模型,利用UTD分析障礙物多徑效應(yīng)對(duì)LOC輻射信號(hào)的影響,并針對(duì)某4F樞紐機(jī)場(chǎng)跑道附近大型機(jī)庫(kù)對(duì)LOC DDM的影響進(jìn)行仿真,規(guī)劃該機(jī)庫(kù)影響下的LOC敏感區(qū)。仿真結(jié)果表明,大型障礙物產(chǎn)生的多徑信號(hào)會(huì)引起機(jī)載LOC天線接收信號(hào)的DDM抖動(dòng),從而影響飛機(jī)正常進(jìn)近著陸。當(dāng)障礙物建在LOC敏感區(qū)內(nèi),會(huì)導(dǎo)致DDM抖動(dòng)超過ICAO規(guī)定范圍;在敏感區(qū)外,干擾會(huì)減小,DDM滿足ICAO規(guī)定。對(duì)于不同材質(zhì)的障礙物,反射能力強(qiáng)的材質(zhì)需要更大的敏感區(qū)。從仿真結(jié)果來看,該樞紐機(jī)場(chǎng)機(jī)庫(kù)位于仿真的敏感區(qū)之外,不需要拆除,為保險(xiǎn)起見,建議將機(jī)庫(kù)鐵門刷一層反射強(qiáng)度更低的灰色油漆,以降低該機(jī)庫(kù)的多徑信號(hào)對(duì)LOC DDM的影響。