基于计算机仿真的铁路、机场电磁兼容评估

周 勇

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043； 2.轨道交通信息化国家重点实验室，西安 710043)

近年来，随着国民经济的高速增长，我国的交通运输事业呈现出井喷式的发展势头。其中，高速铁路的发展尤为迅速，到2019年年底，中国高铁营业总里程达3.5万km，超过世界高铁总里程的2/3。出于经济效益以及地形、地理状况的考虑，越来越多的高铁线路不可避免地穿行于机场附近地域，铁路设施的兴建势必改变机场导航台站周边电磁环境，若产生干扰甚至可能影响航空飞行安全[1]。因此，在线路勘察设计阶段就必须对拟建线路沿线附近机场电磁环境进行严谨、细致的评估、分析。

在电气化铁路，特别是高速电气化铁路建设起步较早的欧洲、日本、美国等国家和地区，对电气化铁路电磁兼容的科研开展较早，进行了大量的实际测量和研究，同时制定了大量的设计建设标准[2]。随着我国高速铁路建设的加快推进，特别是航空、高铁综合交通枢纽概念的兴起，高速铁路与沿线机场导航设施的电磁兼容问题，日益引起国家、行业和业内学者的高度重视[3-5]。

目前，电磁兼容评估工作大多采用现场实测的方法，对铁路的辐射特征进行评估。这种方法依据原铁道部、空军联合试验组针对阳安线城固机场所做试验得到的电磁干扰公式，量化电气化铁路的干扰特性。由于该公式基于时速80 km列车得出，远低于高速铁路设计时速，又根据日本及我国实测结论，对上述公式进行了修正[5-6]。朱峰等[7-10]以达成(达州至成都)铁路为对象，重点研究了高铁弓网电弧辐射特性及对导航设施的影响，为线路勘测评估提供了大量第一手资料。但这种评估模式，无法兼顾铁路沿线的电波传播条件，可能造成测试偏差。在工程实践中，为稳妥起见，往往寻找一处与拟建高铁线路技术条件类似的已运营的线路进行电磁兼容试验，收集电磁干扰各项数据，作为新建线路的勘测、设计依据。本质上，这是一种经验性的测评方法。然而，不同的工程，不可能具备完全一致的周边地理环境，同时，周边建筑物分布、形态也是千差万别，获得的指标数据仍有可能出现较为显著的偏差，从而对设计施工造成不利的影响。

目前，电磁场的计算机仿真技术在通信行业已经得到广泛应用，基于物理原型的电磁场仿真软件能够准确地仿真和验证设计原型，基本上可以做到设计仿真结果与实验测试结果非常相近，从而大大降低了产品的开发周期和研制费用。

1 干扰产生机理分析

机场无线电导航台站是利用无线电信号，为航空器提供准确、可靠的方位、距离和位置信息，指引航空器安全着陆的电子设备。根据机场运行标准及飞行程序的要求，一般的导航体系通常配置有仪表着陆系统、微波着陆系统、精密进场雷达以及若干航路导航台。作为精密的有源电子设备，要尽可能地避免周边设施引起的有源及无源干扰对导航信息造成有害影响。

高速铁路作为大型电气化基础设施工程，必然要考虑对临近导航台站可能造成的电磁干扰。一般可划分为无源干扰与有源干扰两个方面。首先，电气化铁道的牵引供电系统从三相电力系统接受电能，通过牵引变电所里的牵引变压器降压，经过馈电线、接触网、机车、钢轨、回流线或地构成回路从而实现向电力机车供电。就牵引供电方式而言，我国高铁多采用AT大功率牵引供电系统，由于电压和电流变化率一般较大，将在牵引电流中产生谐波，可能造成电磁辐射污染；另外，接触网中的长导体也是150 kHz～20 MHz的有效辐射源；最后，当机车驶过铁路与机场交叉环境时，受电弓与接触网之间放电产生的电磁干扰，同样可能影响航空器的安全着陆[11-13]。另一方面，线路、铁路钢轨、架空电力贯通线、电气化铁路接触网、支撑塔架，以及列车车体等金属导体对导航设施发射电磁波将形成二次辐射，从而影响发射天线的方向特性，极易造成航路的抖动或偏移。

2 铁路、机场电磁兼容的仿真评估策略

实践中，选用Rainbow EM Studio三维电磁场全波仿真分析软件作为仿真实验平台。这是一款通用的三维电磁场全波仿真分析软件，具有强大的几何建模、创新的电磁算法和优化技术以及丰富的图表显示，为设计者提供功能全面、易于使用的一体化集成操作环境。它具备从射频到太赫兹应用领域内、从电小到电大尺寸的复杂模型的仿真分析能力。同时，该软件已配置于无锡太湖之光超级计算机系统，可提供高性能的并行计算服务[14]。

图1 仿真评估流程

计算机仿真评估的关键，在于电磁环境模型的构建与主要工作场景的台站工作性能评估。如图1所示，电磁兼容仿真评估的实施方法可划分为以下步骤：首先，对铁路及周边地理、地表环境进行3D建模；其次，对上述特定环境下的台站天线进行建模；再次，将电磁环境模型移植到超算平台，依托超算强大的并行计算能力，计算机场典型工作场景下导航台站的工作性能指标，并与国家或行业强制标准对比，从而形成评估结论(结果输出)。

3 基于实例的仿真建模方法

以西安至延安高速铁路项目设计中的工程实例，详细介绍计算机电磁环境建模的实施方法。该项目的具体情况概述如下。

规划中的西延高铁将与沿线机场相邻，线路斜交叉通过机场跑道西南端延长线，从西远距导航台与西近距导航台之间穿越，最近点距跑道端口距离485.5 m。

该机场配备的导航设施可满足东西两个方向进近着陆，其中西方向为主着陆方向。由于高铁线路在西近距导航台和西远距导航台之间横穿跑道西侧中心延长线，因此，当飞机由西头(主着陆方向)进近时，可能对用于西侧引导的仪表着陆系统、西近距中波导航机、西远距中波导航机，以及精密进场雷达造成干扰；同时，当飞机实施东头进近着陆时，用于次着陆方向引导的精密进场雷达和微波着陆系统同样可能受到干扰。由此，可明确测试场景以及各场景下的测试、仿真对象。

3.1 仿真平台构建

精准的电磁环境建模，是获取可靠评估数据，做出合理决策的前提条件。本项目的建模问题主要涵盖地理、地表环境建模与天线传播特性建模两个方面。

3.2 地理、地表环境建模

地理、地表环境建模，首先需要搜集机场附近40 km范围15 m精度数字高程模型(DEM)数据，以及设计方提供的高铁线路设计、勘察数据。在此基础上，Rainbow EM Studio即可实现三维地图模型的导入，并转化为仿真需要的三维几何图形，然后定义各地物、建筑物的物理介电特性。考虑高铁的最大电磁干扰，将线路整体等效为具有高度和宽度的纯金属体对象。

3.3 天线建模

天线建模主要分为3个步骤。

(1)对天线进行现场全尺寸测量，同时测量天线辐射性能数据，含辐射功率、天线增益等，依据设备技术手册，在仿真平台调用Rainbow BEM3D算法引擎对信标天线进行全尺寸建模；对建模所得天线方向图与手册提供方向图对比，验证方向图增益，主副瓣电平等指标，评估模型的准确性。该步骤得到的是理想条件下的天线模型，也是仿真平台输入的辐射源数据。

(2)现实环境下的天线建模。该步骤主要分析天线在无高铁环境下的辐射特性，调用Rainbow SBR/PO暗室仿真模块，在已建立的环境模型下，模拟微波暗室，对各类型无线电进行测试，实现参数测试和目标散射特性测量。该模型是仿真评估的基准。

(3)高铁环境下的天线建模。该步骤与第二步的实施方法相同，不同之处在于，此时的环境模型为高铁存在条件下的模型。

4 仿真验证与评估

仿真评估则主要以GJB4443—2002《航空无线电特种导航台站飞行校验规程》以及GB6364—2013《航空无线电导航台(站)电磁环境要求》为依据，使用前期构建的电磁环境模型，依托超级计算机平台实施电磁计算，从无源干扰、有源干扰两方面给出评测结果。

4.1 保护区分析

保护区是国家或军方对导航设施周边建设工程的禁止性规范。GB6364—2013《航空无线电导航台(站)电磁环境要求》对各导航设施的保护区范围进行了逐一、具体划分、规定。以中波导航台为例，以信标天线为中心，半径100 m的范围内，地势应平坦、开阔。信标台天线中心点与铁路等地形地物之间所允许的最小间隔也给出了具体规定，例如，铁路、电气化铁路、架空低压电力线、通信线缆、金属栅栏为150 m，110 kV以下架空高压输电线为150 m，而110 kV以上架空高压输电线则为300 m。进入中波导航台的通信和电源线缆，应从距中波导航台天线中心点150 m以外埋入地下。上述规定是机场周边一切建设项目的红线，不可违反。

西延高速铁路与西近距中波导航台的最近距离为300 m，大于国标规定的最小间距150 m，而高速铁路高压传输线一般为25 kV，因此，高铁线路在西近距中波导航台保护区范围以外，符合机场场地保护要求。

而其余各导航设施的保护区范围，GB6364—2013《航空无线电导航台(站)电磁环境要求》也有详尽的规范性要求，必须逐一对照，这里不再赘述。因此，对导航设施保护区的认定与评估，是电磁环境评估的首要步骤。

4.2 电磁散射特性计算与仿真

完成电磁环境建模后，将该模型发送至无锡超算中心，利用部署在超算上的配套仿真平台软件进行超大规模电磁散射计算，获得相应电磁环境影响下的各导航设备远场信号矢量场数据，包括信号极化方式、电场幅度、相位等数据。以上述参数为基础，模拟飞行器进近程序和复飞程序，并进行性能评估。

4.2.1 无源干扰计算

对于无源干扰，主要评估高铁线路、设施对电磁波的散射、反射等特性，对导航台站信号覆盖情况的影响。

以西近距中波导航台为例。根据中波导航台飞行检验规范，近距中波导航台覆盖允许公差为： 全频段覆盖距离不小于70 km，进近航线上，无线电罗盘指针摆动不超过±3°，功率变化等价于±3 dB。根据GB6364—2013《航空无线电导航台(站)电磁环境要求》的要求，中波导航台信号覆盖区在北纬30°以北的最低信号场强为70 μV/m。

根据机场设备性能指标，工作场景设置为：导航台各向同性有效辐射功率100 W；考虑40 km范围内环境影响。计算目标为：评估高速铁路对西近距中波导航台70 km远场区内信号功率覆盖的影响。

根据极化方式的不同，分别给出水平方向与垂直方向图的信号功率覆盖情况变化。

图2表示随观察方位角度变化，信号功率覆盖情况的相应改变。图中，0°～180°为西近距导航台面向跑道一侧，90°为跑道中心延长线，因此，主要考虑180°～360°范围的场强变化。容易看出，对于水平方向而言，理想传播条件下，西近中波导航台信号强度是一条直线，也就是说，在70 km范围内，信号水平覆盖为一正圆形区域。考虑附近场地环境影响后，没有高速铁路情况下，在180°～360°范围内，280°附近西近中波导航台辐射信号场强衰减最大，为0.5 dB，会造成一定程度的指针抖动。综合考虑环境和高速铁路因素，在180°～360°范围内，260°附近西近距中波导航台辐射信号场强变化最大，增加了0.7 dB，会对西近距中波导航信号覆盖造成一定程度的影响，引起一定程度的指针抖动，但满足航线内左右3°覆盖区内信号强度变化的飞行检验规范要求。

图2 西近中波导航台水平面信号功率覆盖评估

至于垂直方向，如图3所示，有、无高铁时左右扇区内影响均小于0.3 dB，满足中波导航台飞行检验规范要求。

4.2.2 有源干扰计算

高速铁路的有源干扰主要由高压输电线路引起。高压输电线路的干扰主要集中在较低频段[15-19]，因此，对于工作频段较高的导航设施，例如工作于C波段(5 000～5 250 MHz)的测角系统(方位台、仰角台)可不考虑有源干扰的影响。而对于中波导航台而言，则容易受到电弧的干扰[11]。

根据GB6364—2013《航空无线电导航台(站)电磁环境要求》的要求，中波导航台信号覆盖区在北纬30°以北的最低信号场强为70 μV/m，中波导航台信号覆盖区内，对工业、科学、医疗设备干扰的防护率为9 dB，对其他各种有源干扰的防护率为15 dB。

图3 西近中波导航台垂直面信号功率覆盖评估

根据线路与导航设施的相对位置分析可知，飞机飞越西近距中波导航台时，恰有高速列车通过时，可能造成的影响最大。因此，工作场景可设置为非精密进近过程，此时，飞机下滑角约为3°，此时，飞机相对西近距中波导航台天线的高度约为56 m，飞机距离高速列车约691 m。

所谓干扰防护率，就是有用信号场强与干扰场强之差[20]。首先计算进近航道方向上西近距中波导航台正上方，下滑道宽度2.65°～3.35°范围内11个计算点处信号场强Es(μV/m)。由于高速铁路高压传输线和通信基站的辐射信号干扰是无方向性有源干扰，因此，可以将高铁信号的有源干扰看作是一个全向天线辐射源。同样，计算11个指定点处的干扰场强，从而可以得到信号干扰防护率，如表1所示。可见，西近中波导航台正上方测试点处对西延高速铁路有源干扰防护满足GB6364防护率大于15 dB的标准要求。

表1 计算点处西近中波导航台信号防护率

5 结论

将电磁分析仿真平台引入高速铁路的设计、勘察，是一种高精度、低成本的电磁兼容评价手段，它实现了多场景、多角度模拟仿真，计算功能强大，输出结果直观。这一评估模式在西延高铁的勘察建设中进行了有益的尝试，在设计方案满足国家强制性技术规范的前提下，利用计算机仿真技术对机场、铁道邻近区域电磁环境进行建模，对未来高铁实际运营环境下，机场导航设备的工作场景进行了高精度仿真与性能评估。结果表明，现有设计方案不会对邻近机场形成有害电磁干扰。