应用菲涅尔原理分析航向信标保护区范围

刘亮

摘 要：仪表着陆系统航向信标是通过空间调制产生引导飞机着陆的信号，航道宽度区域里的障碍物直接决定了信号的质量，文章通过菲涅尔区计算，对航向保护区进行了分析，以期为电磁环境保护提供参考。

关键词：菲涅尔；仪表着陆系统；航向保护区

1 ILS系统原理及航向信标保护区要求

1.1 仪表着陆系统原理

在飞机降落过程中，通过无线电波，为飞机提供一条固定角度的航道，引导飞机安全平稳落地。在榆林机场的导航设备中，盲降（Instrument Landing System，ILS）由航向信标和下滑信标和测距仪组成。其中，航向信标通过测量比较90 Hz和150 Hz调制信号调制度差（Difference in Depth Modulation，DDM），为飞机提供水平引导信号，下滑信标同样通过比较90 Hz和150 Hz调制音频DDM，为飞机提供垂直引导信号。两个信号结合起来形成了飞机下滑道，如图1所示。

航向信号包括航道SBO边带信号、航道CSB信号和余隙信号。

1.2 航向信标的场地保护区及要求

航向信标台的场地保护区是由圆和长方形构成的区域，圆的中心是航向天线阵的天线中心，半径为75 m，长方形的长度是从航向天线阵沿跑道中心线到跑道末端或300 m的距离（以大者为准），宽度为120 m。在航向天线阵场地临界区域内，不应有障碍物的存在，进入台站的电力缆和通信缆应从临界区外埋入地下。临界区内不应停放车辆和航空器，不应有任何的地面交通活动。临界区内地表应平坦，杂草高度不应超过0.5 m，临界区边界应采用木质或轻质非金属轻质材料进行隔离，并做醒目标识。

敏感区的范围与航向信标天线孔径、天线类型、余隙形式、工作类别、跑道长度、飞机类型和地面固定弯曲有关[1]。典型的航向信标场地保护区如图2所示。

图2中：（1）A区和B区应清除掉所有的干扰源（树木、建筑物、道路、金属栅栏等）。（2）A区和B区的范围适用于定向天线除外的所有航向信标天线阵；当使用定向天线时，可删除C区。（3）D的尺寸取决于地形和场地条件，若天线高度不能满足净空要求时，天线应架设在跑道终端300 m（1000英尺）以外。（4）机房离跑道中心延长线的最小距离为75 m（250英尺），并处于天线纵轴的±30°范围内。

实施Ⅱ/Ⅲ运行时，未经许可的航空器和车辆不应进入敏感区。敏感区应当设置标志标识或灯光。实施Ⅱ/Ⅲ运行的跑道等待位置应位于敏感区外。

2 菲涅尔惠更斯原理及应用菲涅尔惠更斯原理计算航向信标保护区

菲涅尔惠更斯原理：波在传播过程中，任意时刻，其中每一点都能作为一个独立波源，所有独立波源进行叠加，下一个时刻，形成一个完整的波形。两个波形图之间的间隔，就是波速与传播时间之积。菲涅尔区：菲涅尔区是一个在发射天线与接收天线中间，由无线电波的直视路径与折射路径的位移差为n倍半波长的反射和折射点合成的、以接收和发射天线的位置为焦点，以直接路径作轴的椭球面。其中n=1的球面区域是对信号有主要影响的区域，被称为第一菲涅尔区，也称为有效区[2]。

如图3所示，在第一菲涅尔区内，当d1>F1，d2>F2，d1+d2=d时，同时d1>F1，d1<

对于第N菲涅尔区，当d1>Fn，d2>Fn时，

当d1>Fn，d1<

当时，F1和Fn有极大值，即

根据菲涅尔原理，代入上述公式，得出简易公式：

考虑到航向信号频率为VHF频段，即，得出结论，当接收发射天线距离固定时，菲涅尔半径长短根据频率的增大而减小，当电波频率是固定的时候，菲涅尔半径长短根据距离增大而增大，当接收发射距离足够大的时候，在低频率段对信号有影响的障碍物在高频率段时，对信号可能不再有影响。突进到菲涅尔区里的障碍物长度不能超过菲涅尔第一半径的20%，否则会出现电磁波多路径干扰，对信号产生不良影响，会造成信号精度误差变大。

同时，根据陆基飞行校验规范关于航向信标覆盖范围为25 nm约45 km的规定，代入公式得出，F1≈175 m，当距离为17 nm约19 km时，及飞机建立盲降时，F1≈115 m，符合规范标准。

[参考文献]

[1]中国民用航空局空管行业管理办公室.Ⅱ/Ⅲ仪表着陆系统场地设置与保护指导材料IB-TM-2013-0003[EB/OL].（2013-03-13）[2018-12-24].https：//wenku.baidu.com/view/42b2492efab069dc512201b5.html.

[2]張忠兴，李晓明，张景伟，等.无线电导航理论与系统[M].西安：陕西科学技术出版社，1998.