直升机搭载监测设备进行空中干扰排查方案设计

直升机搭载监测设备进行空中干扰排查方案设计

郑敏

民航局空管局技术中心

引言

随着经济高速发展，无线电设备越来越多的应用到生产和生活中，无线电环境愈加纷繁复杂，航空专用频率受干扰次数成逐年上升的趋势，受无线电干扰影响的频率越来越多，已逐渐从地空通信频率延伸至雷达、导航等设备频率，对民航正常运行和飞行安全造成的影响日益凸显。

近两年来，GPS信号受干扰事件呈现井喷式增长态势，全国多个区域发生航空器GPS信号丢失现象，多次触发近地告警造成航空器复飞。无线电干扰问题已经成为长期困扰民航空管安全平稳运行的重要隐患之一。与此同时，随着民航业的快速发展，地空数据链、ADS-B、GBAS等新技术逐渐投入到运行中，无线电干扰问题也将会成为新技术推广应用过程中不容忽视的问题。因此如何快速有效排除无线电干扰影响成为了亟待解决的难题。

据近五年统计数据分析，对民航专用频率造成影响的无线电干扰事件70%左右发生在空中。因空中电磁环境相对干净，电波传输距离较远,同时部分干扰源还存在隐蔽性强、信号弱等特点，因此地面监测设备经常无法监测到干扰信号，给空中干扰的排查工作带来极大难度。

目前最常用的空中干扰排查方式是利用飞行校验中心的固定翼监测飞机进行空中干扰排查。固定翼飞机虽具有飞行速度高，巡航时间长，升空高度高，监测干扰信号能力强等特点，但受限于航路航线的约束，固定翼飞机机动性性能不高，且每次飞行需提前申请，干扰排查实时性不高。为此提出了利用直升机平台搭载无线电监测设备进行空中干扰排查的方案，本文围绕此方案直升机平台和设备选型、加改装方案、飞行方案等方面进行试验研究和设计。

一、直升机平台及监测设备选型及参数要求

（一）直升机平台选择

考虑到空中干扰涉及范围广、传播距离远的特点，直升机干扰排查需要执行长时间大范围的飞行任务，加之设备加改装后对飞机负载平衡的影响以及性价比等多方面因素，建议选用H125和贝尔407两款机型作为飞行平台，最大航程可达约600公里，载重有效载荷可达1000公斤以上，飞机载重平衡更加稳定，对飞行员操作飞机影响较小，保障飞行安全同时确保操作灵活性，可有效提高干扰排查效率。

（二）无线电监测系统选择

1、无线电监测测向设备

根据历年来民航无线电干扰频率、干扰源特点的统计分析，空中无线电监测测向设备工作频段至少应覆盖80MHz至3000MHz范围，满足对民航地空通信、仪表着陆系统、全球卫星导航系统、L/S波段一次监视雷达、气象雷达、二次监视雷达以及自动相关监视等主要设备频率监测需求。

2、监测测向天线

无线电测向就是利用无线电测量设备测定目标无线电信号的来波方位。根据不同的测向方法，测向体制分为幅度比较式测向体制、沃特森-瓦特测向体制、干涉仪测向体制、多普勒测向体制、空间谱估计测向体制等。鉴于干涉仪测向体制中基于复数电压测量的相关干涉仪测向体制具有测向准确度高、测向灵敏度高、测向速度快、抗干扰能力强、稳定性好、设备复杂度较低等优点，成为了无线电监测中主流的测向体制。

相关干涉仪天线利用测量接收天线之间的相位差确定来波方向，测向天线孔径越大，测向精度越高。当孔径长度大于半个波长是，相位测量就具备多值性，就带来了大孔径测向的模糊问题，孔径越大，出现的模糊问题越多，会增加计算量影响系统测向速度。同时考虑直升机平台配重等因素，通过多次飞行试验，确定孔径在大约1米左右的相关干涉仪测向机制天线更适合搭载在直升机平台进行干扰排查。

二、直升机平台加改装方案设计

（一）一体化加改装

在前期确定了直升机平台和无线电监测设备的基础上，充分考虑飞机整体负载平衡、监测测向设备加装和拆卸便利性、避免设备供电影响飞机安全等因素，经过多次试验验证，最终确定了在机腹下加装横杆和横梁，在机头前形成天线装载平台，通过法兰盘将监测测向天线固定在机头下，天线与飞机形成一体化结构方案。

图1 一体化加改装

（二）独立组合导航系统

根据一体化加改装方案完成直升机平台改造后，实施了第一次试验飞行。在地面设置信号发射源，直升机停滞在地面时，监测测向快速给出了信号源位置。但直升机升空飞行后，测向指针呈现无秩序乱摆的状态，无法完成空中移动测向和定位。经分析判断此现象由两方面问题引起：一是监测天线采用的倒装方式，飞行过程中机体对天线的遮挡造成接收到的GPS信号较差；二是飞机在飞行运行过程中无法计算自己的位置，相当于在测向中缺少稳定参照方向，无法对信号源位置进行准确测向。

针对上述问题，选择加装了独立的卫星-惯导（GPS/INS）组合导航系统和差分GPS。差分GPS天线安装在机头横梁上，天线朝上，提高接收GPS信号的可靠性，还大幅度提升了GPS的定位精度，通过馈线连接至位于机舱内部的惯导设备，利用组合导航多传感器融合及导航解算算法实现对飞机的定位，并将信息通过串口提供给移动定位软件，为整套系统提供位置信息的支撑。

图2 独立组合导航连接方式

图3 差分GPS安装图

三、飞行方案设计

（一）地面校准

在完成组合导航系统和差分GPS加装后，开始了第二次试验飞行。试验飞行结果不甚理想，干扰源定位误差在20多公里左右，经过多次技术探讨和分析发现直升机航电系统启动会对测向精度有一些影响，因此在执行任务之前需对系统进行系统校准测量。首先，在地面选取多个方位设置无线电发射信号源对安装在直升机上的测向天线、监测设备、惯导以及监测测向软件进行校准测量；然后，开启直升机航电系统后，检测直升机机体及发动机运转对监测测向天线的影响；最后，直升机升空后绕飞对系统进行最后误差校准。

（二）移动定位软件设置

鉴于直升机空中干扰排查与地面移动监测车的工作场景的不同，要根据空中监测的特点对软件参数进行特定的设置。例如直升机在高空距离目标距离遥远，在软件对信号源进行定位点概率计算的区域范围和交汇定位中容限度参数要适当的进行调整。在飞机升空时，因不确定干扰源距离，可适当增加区域范围和容限度参数，随着对干扰源的不断逼近飞行逐渐缩小。

（三）干扰排查飞行方案设计

在干扰排查之前，首先应详细收集并分析干扰发生时间、区域、受干扰频率等信息，结合地理位置信息，规划飞行空域及飞行线路，提前申请空域。

实施干扰排查时,应在受干扰集中区域或疑似干扰源区域升空进行大范围搜索监测，发现信号后根据信号强度变化向干扰信号逼近飞行，初步定位目标位置后进行绕飞精准确认。若疑似干扰信号在受限飞行空域，则可选择远距离大切角测向进行交汇定位，配合地面移动监测设备进行空地联合排查定位干扰信号位置。

四、直升机搭载监测设备空中干扰排查方案应用

2019年6月至12月，北京区域管制中心郑州高扇频率持续受到广播和噪音干扰，河南区域多条航路也不间断的发生民航地空通信频率受干扰事件，干扰发生地点涉及河南济源、洛阳、郑州、焦作等地。为有效解决地空频率长期受干扰情况，启动了直升机空中干扰排查。技术人员通过对近半年的干扰情况的分析研判确定了飞行监测排查方案和飞行路线。

飞机升空后飞向申请的空域，通过监测设备锁定干扰信号，对信号进行切角测向交汇定位，确定干扰信号大概区域后，根据场强逼近信号飞行定位干扰源，配合地面干扰排查设备最后定位干扰源为某小区楼顶架设的售药黑广播设备，干扰源实际位置与直升机空中定位仅仅相差800米左右。

2021年6月23日，为确保成都天府国际机场安全顺利投运，西南空管局联合省经济和信息化厅无线电管理机构空地联动的航空无线电安全保障专项活动。此次行动利用直升机平台配合10余台地面监测车辆进行联动，对天府机场及终端区空域开展了电磁环境监测和干扰排查工作。一旦空中监测到可疑信号，地面监测车辆立即抵近查证并消除干扰源。此次行动有效保障了天府机场及终端区空域内电磁环境干净、有序，为天府机场平稳、安全投入打下了坚实的基础。

通过多次使用直升机进行空中无线电干扰实际排查充分验证了利用直升机进行无线电空中干扰排查是行之有效的。

五、结论

此直升机平台搭载无线电监测设备进行空中干扰排查设计方案搭载大孔径相关干涉仪监测测向天线，采用一体化加改装设备，辅助联合导航系统，配备专业移动定位软件，充分发挥直升机平台滞空时间较长、机动性好、可悬停、空间载重较大等多方面优势，提高了空中干扰排查的效率和准确性，丰富了空中监测手段，有效解决困扰空中干扰排查难的问题。