机载无线电甚高频导航系统信号传输覆盖率分析

机载无线电甚高频导航系统信号传输覆盖率分析

陈泽 王鹏 刘佳鑫

上海飞机设计研究院  上海市浦东新区 201315

0引言：

甚高频导航广泛应用于民航飞机，采用视距内传播的传输方式，是民机传统导航的重要手段。随着我国民用飞机制造业的日益发展，基于PBN的导航技术的运用，在民用航空运行发展中，对甚高频导航系统信号传输衰减及覆盖率研究在民用飞机设计制造中具有重要意义。

影响甚高频导航系统信号传输的因素很多，如地面台的发射功率、频率、飞机高度、距离、导航台周围的地形、机载接收机灵敏度。甚高频信号在空间传播的过程中会遇到各种形状大小障碍物，其传播方向会因为障碍物作用后发生改变，传播能量逐渐被损耗，其场强也不断衰弱。电磁波在空间中传播过程中主要形式有直射形式的传播、反射形式的传播、绕射形式的传播和散射形式的传播。在传统的航路导航台覆盖分析中，仅考虑地面台传输衰减，未结合民机实际运行过程中机载天线端场强功率的指标要求，仿真分析不够全面，与实际结果存在差异。

在甚高频导航信号传播模型中，利用国际标准通用大气，通过计算甚高频导航信号传输距离与强度关系，结合《国际民用航空公约附件十》【1】对功率密度的要求，仿真计算甚高频导航系统有效信号覆盖率。

1信号覆盖模型

甚高频系统传输距离由发射机功率、发射机天线增益、发射机馈线损耗、信号传输损耗及接收机天线处灵敏度共同决定，当到达接收机的功率大于接收机系统灵敏度时，即可完成对信号的正常接收：

式中，Pd为天线处信号功率（dbm），PTd为发射机输出功率（dbm），Fd为发射机馈线损耗（dbm），GD为发射机天线增益（dbm），Ld为信号传输损耗（dbm）。【2】

2甚高频传输模型视距分析

在工程应用中，无线电甚高频传播主要考虑直射波和主反射波的影响。在标准大气的折射率随高度的变化导致无线电波向地球轻微弯曲。其效果是无线电波可以传播到物理视界之外，称为无线电视距的距离。沿着这条路径，除了发射器和接收器之间的自由空间传播损失外，其余损失可以忽略。在无线电传播中，通过使用4/3地球半径计算无线电视界的距离，可以纠正折射的弯曲效应。4/3地球半径近似值是基于海平面的标准大气推导出来，可提供良好无线电传播效果。

假设该传输模型为无限信道模型在无干扰前提下的几何无线信道模型【3】。假设地面为平滑的球面，且仅有一个反射点，考虑地球曲率的影响，在飞机与基站的通信过程中，收发两点在视距传播范围内，飞机的接收信号是：一条直射波和反射波，如图1所示。

图 1 天线传播示意图

图中地面站天线高度设为hTX，飞机高度设为hRX，该模型的适用范围十传播距离在无线电最大视距范围内，结合地球曲率，最大视距dRH为：

式中，hTX为地面站天线等效地面高度，hRX为接收机天线等效地面高度。

3空间衰减分析

当无线电在视距范围内传播，发射功率Ｐt随距离增加，将分布在半径不同的球形表面，球的半径即为传输距离【4】。

球面功率与距离关系如下：

根据天线增益公式：

　当接收天线增益为０ｄＢ时，天线有效面积：

接收功率为：

电磁波传播波长与光速关系：

可得：

信号传输衰减为：

Lbf为信号衰减（dBm），f为频率（MHz），r为距离（km）。

4机载天线处等效功率分析

根据《国际民用航空公约附件十》对甚高频系统最大服务半径上系统正常工作的最低理想电平要求，在机载系统天线处空间场强或功率密度应达到90µV/m或-107dBW/m2，在此基础上，等效功率计算公式如下：

式中，Pd为机载系统天线处功率密度（dBW/m2），Pa为机载系统天线处功率（dBW）。

可计算出在甚高频系统典型不同频率下，机载系统天线处等效功率如下：

根据上表可知，随着频率的增加，机载系统天线端功率有所降低，但为了保证所有频率均能正常工作，需满足最大功率要求。

4应用实例分析

理论上VOR台的最大无线电作用范围为200NM，飞机必须处于该VOR台的最大作用范围之内，才能使用该VOR台得到飞机距台的方位信号。

假设VOR地面台航路最大工作功率200W，天线安装高度在海拔0m，工作频率在108.00MHz至117.95MHz范围内，仿真功率覆盖与飞机最大高度距离关系如下：

4总结

本文应用航空导航业务传播预测模型，通过计算基本传输损耗曲线，得到任意导航台- 飞机高度与距离条件下导航台的仿真覆盖距离和损耗，通过与民航公约中对机载系统天线处功率强度进行对比，计算结果验证了在视距范围内民用航空导航台满足最低功率的要求。

【1】国际民用航空公约附件10第一卷

【2】ICAO Handbook on Radio Frequency Spectrun Requirements for Civil Aviation Volume II，Doc9718

【2】曹博，基于 GIS 的 ADS-B 地面站信号 覆盖分析及布站选址研究，2016.4.26

【4】牛世伟，无线电空间衰减分析，2019，35（4）