《電子技術(shù)應(yīng)用》
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航向信标辐射场中障碍物影响分析与布局优化
电子技术应用
李沅锴1，潘辰洋2，梁飞1，许健1，叶永志1，景小荣2
1.中国民用航空总局第二研究所；2.重庆邮电大学 通信与信息工程学院
摘要： 随着机场扩建工程的持续推进，机场周边障碍物对仪表着陆系统（ILS）电磁环境的干扰问题日益凸显。其中，障碍物引起的反射和绕射信号对航向信标（LOC）辐射场的干扰尤为显著，严重影响了航向信标系统的导航稳定性和精度。针对这一问题，基于射线追踪算法，系统分析了障碍物引起的反射信号和绕射信号对LOC辐射场的影响机理。通过建立双频12单元LOC阵列模型，并结合机场跑道周边存在障碍物的典型场景，构建了信号传播模型，重点研究了反射信号与绕射信号对调制度差（DDM）的干扰特性。研究结果表明，在特定位置必须建设专用障碍物的工程场景下，通过优化障碍物反射面与跑道之间的空间几何关系，可有效抑制对LOC辐射场产生显著干扰的信号分量。该研究成果为解决实际工程中特定区域LOC辐射场的多径干扰问题提供了新的技术途径。
中圖分類號：V249.3 文獻(xiàn)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(jī)場核心導(dǎo)航系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分，為飛機(jī)的進(jìn)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(jī)能夠嚴(yán)格沿跑道中心線進(jìn)行安全進(jìn)近。LOC系統(tǒng)通過發(fā)射穩(wěn)定的輻射場型，在飛機(jī)LOC接收天線處對信號進(jìn)行解調(diào)處理，生成信號調(diào)制度差（Difference in Depth of Modulation,DDM），從而實(shí)時監(jiān)測并反饋飛機(jī)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(jī)始終沿預(yù)定進(jìn)近路徑飛行[2-3]。

隨著我國航空運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，機(jī)場建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，周邊商業(yè)設(shè)施日益密集，這一發(fā)展趨勢導(dǎo)致機(jī)場周邊障礙物（特別是高層建筑、塔臺、機(jī)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(jìn)而對飛行安全構(gòu)成潛在威脅?；诖?，深入探究機(jī)場周邊障礙物對LOC輻射場型的影響機(jī)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(shí)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(xiàn)[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(jī)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(jìn)近著陸系統(tǒng)中多徑干擾抑制的需求，文獻(xiàn)[6]基于物理光學(xué)法（Physical Optics, PO）研究了機(jī)場停機(jī)等待的飛機(jī)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(jì)算的精度。文獻(xiàn)[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(jī)）的多徑效應(yīng)仿真體系。文獻(xiàn)[8]基于PO理論對障礙物引起的多徑效應(yīng)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了PO法在機(jī)場環(huán)境下實(shí)現(xiàn)電磁計(jì)算的可行性。相比PO，射線追蹤法計(jì)算量較小，特別適合模擬實(shí)時或大規(guī)模場景，近年來廣受關(guān)注。文獻(xiàn)[9]采用簡化的射線追蹤方法，基于三維飛機(jī)模型進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了飛機(jī)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(shí)際應(yīng)用中雙頻LOC更為廣泛。文獻(xiàn)[10]重點(diǎn)分析了機(jī)場建筑物引起的多徑干擾對LOC輻射場的影響。進(jìn)一步地，文獻(xiàn)[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(xiàn)[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(jī)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(xiàn)[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(diǎn)設(shè)置的可行性；文獻(xiàn)[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(qiáng)度；文獻(xiàn)[15]采用飛機(jī)運(yùn)行路徑優(yōu)化策略，顯著減少了飛機(jī)引起的多徑干擾對LOC輻射場的影響；文獻(xiàn)[16]則通過LOC陣列優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)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(shí)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(shí)際場景下各類障礙物對DDM的影響，為機(jī)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(xiàn)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(shí)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(jī)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(shí)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(jī)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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http://m.ihrv.cn/resource/share/2000006851


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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