《電子技術(shù)應(yīng)用》
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航向信標(biāo)輻射場中障礙物影響分析與布局優(yōu)化
電子技術(shù)應(yīng)用
李沅鍇1，潘辰洋2，梁飛1，許健1，葉永志1，景小榮2
1.中國民用航空總局第二研究所；2.重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院
摘要： 隨著機場擴建工程的持續(xù)推進，機場周邊障礙物對儀表著陸系統(tǒng)（ILS）電磁環(huán)境的干擾問題日益凸顯。其中，障礙物引起的反射和繞射信號對航向信標(biāo)（LOC）輻射場的干擾尤為顯著，嚴(yán)重影響了航向信標(biāo)系統(tǒng)的導(dǎo)航穩(wěn)定性和精度。針對這一問題，基于射線追蹤算法，系統(tǒng)分析了障礙物引起的反射信號和繞射信號對LOC輻射場的影響機理。通過建立雙頻12單元LOC陣列模型，并結(jié)合機場跑道周邊存在障礙物的典型場景，構(gòu)建了信號傳播模型，重點研究了反射信號與繞射信號對調(diào)制度差（DDM）的干擾特性。研究結(jié)果表明，在特定位置必須建設(shè)專用障礙物的工程場景下，通過優(yōu)化障礙物反射面與跑道之間的空間幾何關(guān)系，可有效抑制對LOC輻射場產(chǎn)生顯著干擾的信號分量。該研究成果為解決實際工程中特定區(qū)域LOC輻射場的多徑干擾問題提供了新的技術(shù)途徑。
中圖分類號：V249.3 文獻標(biāo)志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.256641
中文引用格式： 李沅鍇，潘辰洋，梁飛，等. 航向信標(biāo)輻射場中障礙物影響分析與布局優(yōu)化[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2025，51(11)：126-132.
英文引用格式： Li Yuankai，Pan Chenyang，Liang Fei，et al. Analysis of obstacle influence and layout optimization in the radiation field of a localizer[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(11)：126-132.
Analysis of obstacle influence and layout optimization in the radiation field of a localizer
Li Yuankai1，Pan Chenyang2，Liang Fei1，Xu Jian1，Ye Yongzhi1，Jing Xiaorong2
1.The Second Research Institute of CAAC；2.School of Communication and Information Engineering， Chongqing University of Posts and Telecommunications
Abstract： With the continuous advancement of airport expansion projects, the issue of interference from obstacles around the airport with the electromagnetic environment of the Instrument Landing System (ILS) has become increasingly prominent. Among these, the reflected and diffracted signals caused by obstacles have particularly significant interference with the Localizer (LOC) radiation field, severely affecting the navigation stability and precision of the LOC system. To address this problem, this paper systematically analyzes the impact mechanisms of reflected and diffracted signals from obstacles on the LOC radiation field based on the ray-tracing algorithm. By establishing a dual-frequency 12-element LOC array model and combining it with typical scenarios of obstacles near airport runways, a signal propagation model is constructed, with a focus on studying the interference characteristics of reflected and diffracted signals on the Difference in Depth of Modulation (DDM). The research results indicate that in engineering scenarios where dedicated obstacles must be constructed at specific locations, the signal components causing significant interference to the LOC radiation field can be effectively suppressed by optimizing the spatial geometric relationship between the obstacle's reflective surface and the runway. This research provides a new technical approach to solving the multipath interference problem in the LOC radiation field of specific areas in practical engineering applications.
Key words : localizer；radiation field；obstacle；difference in depth of modulation；layout optimization

引言

鑒于全球衛(wèi)星導(dǎo)航信號固有的脆弱性，作為陸基導(dǎo)航設(shè)備的儀表著陸系統(tǒng)（Instrument Landing System, ILS）仍然是機場核心導(dǎo)航系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分，為飛機的進近和著陸階段提供精密引導(dǎo)。其中，航向信標(biāo)（Localizer, LOC）作為ILS系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，其主要功能是為飛行員提供精確的水平制導(dǎo)信息[1]，確保飛機能夠嚴(yán)格沿跑道中心線進行安全進近。LOC系統(tǒng)通過發(fā)射穩(wěn)定的輻射場型，在飛機LOC接收天線處對信號進行解調(diào)處理，生成信號調(diào)制度差（Difference in Depth of Modulation,DDM），從而實時監(jiān)測并反饋飛機相對于跑道中心線的偏離距離，為飛行員提供精確的航向修正指引，確保飛機始終沿預(yù)定進近路徑飛行[2-3]。

隨著我國航空運輸業(yè)的快速發(fā)展，機場建設(shè)規(guī)模不斷擴大，周邊商業(yè)設(shè)施日益密集，這一發(fā)展趨勢導(dǎo)致機場周邊障礙物（特別是高層建筑、塔臺、機庫等）的空間密度顯著提升。這種環(huán)境變化可能引發(fā)顯著的多徑效應(yīng)，導(dǎo)致LOC輻射場型發(fā)生畸變[4]。LOC輻射場的畸變會嚴(yán)重影響水平導(dǎo)航信息的測量精度和系統(tǒng)可靠性，進而對飛行安全構(gòu)成潛在威脅。基于此，深入探究機場周邊障礙物對LOC輻射場型的影響機理，系統(tǒng)分析多徑效應(yīng)對LOC接收天線處信號調(diào)制度差（DDM）曲線的干擾特征，并據(jù)此優(yōu)化信號傳播路徑，對于提升航向信標(biāo)的導(dǎo)航性能、保障飛行安全具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義。

對于多徑效應(yīng)對航向信標(biāo)輻射場的影響研究領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者已開展了大量的相關(guān)研究。文獻[5]創(chuàng)新性地整合地理信息系統(tǒng)和電波傳播理論，建立了機場復(fù)雜地形多徑信號對ILS的覆蓋場的理論分析模型；針對進近著陸系統(tǒng)中多徑干擾抑制的需求，文獻[6]基于物理光學(xué)法（Physical Optics, PO）研究了機場停機等待的飛機對LOC電磁輻射場的影響。該研究推導(dǎo)了輻射遠(yuǎn)場與近場的劃分條件，并通過求解LOC近場方向圖，提升了近場電磁散射計算的精度。文獻[7]通過構(gòu)建參數(shù)化散射體模型庫，采用增量物理光學(xué)（Incremental Physical Optics, IPO）算法，建立包含開闊環(huán)境與典型障礙物（含?？匡w機）的多徑效應(yīng)仿真體系。文獻[8]基于PO理論對障礙物引起的多徑效應(yīng)進行仿真，驗證了PO法在機場環(huán)境下實現(xiàn)電磁計算的可行性。相比PO，射線追蹤法計算量較小，特別適合模擬實時或大規(guī)模場景，近年來廣受關(guān)注。文獻[9]采用簡化的射線追蹤方法，基于三維飛機模型進行了數(shù)值模擬，研究了飛機散射波對航向信標(biāo)（LOC）技術(shù)指標(biāo)的影響，但該研究僅針對單頻LOC展開，而實際應(yīng)用中雙頻LOC更為廣泛。文獻[10]重點分析了機場建筑物引起的多徑干擾對LOC輻射場的影響。進一步地，文獻[11]探討了散射階數(shù)對基于射線追蹤法的LOC輻射場的影響規(guī)律。文獻[12]則系統(tǒng)性地研究了障礙物散射場對調(diào)制深度差（DDM）的影響機理。在多徑干擾抑制方面，現(xiàn)有研究提出了多種解決方案：文獻[13]通過分析LOC陣列輻射方向圖與障礙物位置的關(guān)系，論證了障礙物定點設(shè)置的可行性；文獻[14]提出在建筑物表面涂覆特殊電磁波吸收材料的方法，有效降低了干擾信號的散射強度；文獻[15]采用飛機運行路徑優(yōu)化策略，顯著減少了飛機引起的多徑干擾對LOC輻射場的影響；文獻[16]則通過LOC陣列優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了輻射場型重構(gòu)，從而有效抑制了障礙物產(chǎn)生的多徑效應(yīng)。在實際工程應(yīng)用領(lǐng)域，研究人員使用ATOLL、ELISE等商業(yè)軟件仿真分析分析了實際場景下各類障礙物對DDM的影響，為機場周圍建筑物的選址提供了參考[17-19]，但這些商業(yè)軟件的核心技術(shù)受制于國外知識產(chǎn)權(quán)體系，需要向國外公司購買和授權(quán)。

通過文獻分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有研究主要關(guān)注障礙物在特定位置的合理性評估，以判斷其對LOC輻射場的影響程度。傳統(tǒng)處理方法通常建議避免在不合理位置設(shè)置障礙物。然而，實際工程需求中往往需要在特定位置建設(shè)具有特定功能的建筑物。針對這一問題，本研究基于射線追蹤法，系統(tǒng)分析了障礙物引起的反射信號分量和繞射信號分量對LOC輻射場的影響機制。在此基礎(chǔ)上，提出了一種創(chuàng)新解決方案：在特定位置必須建設(shè)專用建筑物的工程場景中，通過優(yōu)化建筑物反射面與跑道之間的空間幾何關(guān)系（特別是夾角參數(shù)），可有效抑制對LOC輻射場產(chǎn)生顯著干擾的信號分量。這一方案為解決實際工程中特定區(qū)域LOC輻射場的多徑干擾問題提供了新的技術(shù)途徑，對保障機場導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性和安全性具有重要意義。


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作者信息：

李沅鍇1，潘辰洋2，梁飛1，許健1，葉永志1，景小榮2

（1.中國民用航空總局第二研究所，四川 成都610041；

2.重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶 400069）


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