羅翔

【摘要】 甚高頻地空通信作為民航空管地面管制與飛行機(jī)組通信的主要方式，話音清晰是其主要特點(diǎn)，但目前也存在廣播、話音、電流、噪聲等多種形式的干擾影響著地空通信質(zhì)量，造成管制與機(jī)組通信不暢或中斷。本文主要針對甚高頻地空通信遠(yuǎn)距離同頻話音干擾這一特殊現(xiàn)象進(jìn)行分析，特別對特殊氣象條件下導(dǎo)致甚高頻無線電波遠(yuǎn)距離傳播進(jìn)行研究，并對大氣波導(dǎo)和對流層散射影響無線電波的傳播進(jìn)行了詳細(xì)分析，為民航空管通導(dǎo)人員理解甚高頻地空通信遠(yuǎn)距離同頻話音干擾提供了比較全面的理論分析，并提出了個(gè)人的相關(guān)建議。

【關(guān)鍵詞】 甚高頻地空通信 遠(yuǎn)距離 同頻話音干擾 大氣波導(dǎo) 對流層散射

一、引言

隨著民航飛行流量的飛速增長，空管管制扇區(qū)不斷細(xì)分，對應(yīng)管制頻率也隨之增加，由于民航無線電頻譜資源有限，在指配管制扇區(qū)頻率時(shí)難免存在頻率復(fù)用情況，即同一個(gè)管制頻率可分配給多個(gè)相距較遠(yuǎn)的管制扇區(qū)使用。甚高頻地空通信作用距離一般不超過500公里，通常情況下相距上千公里的管制單位使用相同的頻率是不會產(chǎn)生相互干擾，然而2016年5月成都管制區(qū)卻在正常使用甚高頻管制頻率時(shí)多次接收到來自廣州管制區(qū)和上海管制區(qū)的同頻話音，對成都管制區(qū)的甚高頻地空通信造成了干擾。針對此特殊現(xiàn)象，本人查閱了甚高頻無線電波遠(yuǎn)距離傳播的相關(guān)資料，進(jìn)一步分析了甚高頻無線電波傳播特性，發(fā)現(xiàn)特殊氣象條件下會導(dǎo)致甚高頻無線電波實(shí)現(xiàn)地對地的遠(yuǎn)距離傳播，并對可能造成甚高頻遠(yuǎn)距離通信的大氣波導(dǎo)、對流層散射這兩種傳播方式進(jìn)行詳細(xì)分析。

二、甚高頻地空通信遠(yuǎn)距離同頻話音干擾實(shí)例分析

2.1 干擾現(xiàn)象

2016年5月成都管制區(qū)的兩個(gè)甚高頻管制頻率在正常使用時(shí)多次出現(xiàn)來自遠(yuǎn)距離的話音干擾，話音清晰，持續(xù)時(shí)間短，通過內(nèi)容能準(zhǔn)確判斷出該話音為管制單位的指揮指令，并通過話音中涉及的航班號信息查找到話音來源，經(jīng)聯(lián)系相關(guān)單位確認(rèn)接收到的管制話音為廣州管制區(qū)和上海管制區(qū)在同一時(shí)間相同頻率中發(fā)射的。頻率1為成都管制區(qū)08號扇區(qū)主頻，接收到廣州管制區(qū)頻率相同的01號扇區(qū)主頻話音，頻率2為成都管制區(qū)05號扇區(qū)主頻，接收到上海管制區(qū)頻率相同的26號扇區(qū)主頻話音，所使用的甚高頻發(fā)射臺和接收臺相距均在1000公里以上。

2.3干擾情況分析

通過干擾現(xiàn)象來看，此次干擾應(yīng)歸類為不同管制區(qū)相同管制頻率間的遠(yuǎn)距離話音干擾。管制話音的發(fā)射和接收設(shè)備均為地面甚高頻系統(tǒng)，故此類干擾實(shí)際是實(shí)現(xiàn)了甚高頻頻段地對地通信的遠(yuǎn)距離傳輸造成的，由于甚高頻收發(fā)信機(jī)工作在甚高頻頻段，其空間傳播方式為視距傳播，正常情況下難以實(shí)現(xiàn)上千公里的通信。那么有什么情況可以促成甚高頻無線電波實(shí)現(xiàn)超視距傳播，達(dá)到上千公里的通信距離，就是管制甚高頻地空通信遠(yuǎn)距離同頻話音干擾的具體原因。

三、甚高頻無線電波遠(yuǎn)距離傳播分析

3.1 無線電波傳播特性

無線電波傳播是指發(fā)射天線輻射的無線電波通過自然條件下的媒質(zhì)到達(dá)接收天線的過程。在傳播過程中，無線電波可能受到反射、折射、繞射、散射和吸收，并可能引起無線電信號的畸變。傳輸無線電波的媒質(zhì)主要有地表、對流層、電離層等，這些媒質(zhì)對不同頻段的無線電波的傳播有著不同的影響，根據(jù)媒質(zhì)及不同媒質(zhì)分界面對電波傳播產(chǎn)生的主要影響，電波傳播主要分為地面波傳播、天波傳播、視距傳播、散射傳播等，由于媒質(zhì)的時(shí)空性、隨機(jī)性、不均勻性、各向異性和有耗性等將使信號衰減、極化方式發(fā)生改變，或使電波傳播方向和傳播速度改變。

3.2 甚高頻無線電波遠(yuǎn)距離傳播的可能性

甚高頻及以上頻率的無線電波既無法以地波的形式沿著圓形地球表面?zhèn)鞑?，也無法以天波傳播的方式經(jīng)電離層折射返回地面，其傳播方式為視距傳播，不可能傳播到上千公里之外的地方。但無線電波在大氣環(huán)境中傳播，不僅會受大氣環(huán)境中氣體分子和氣溶膠粒子的吸收、散射所造成的衰減影響，還受大氣折射影響，負(fù)折射、臨界折射和陷獲折射等異常折射會引起無線電波出現(xiàn)異常傳播現(xiàn)象，有可能將甚高頻無線電波通過某種特定的方式傳播到千里以外或者更遠(yuǎn)。如圖1所示，無線電波在對流層中會產(chǎn)生多種方式的傳播。

3.3 大氣波導(dǎo)傳播

3.3.1 大氣波導(dǎo)

對流層中傳播的無線電波主要受大氣吸收、折射、反射和散射的影響，在所有這些因素中折射的影響在各個(gè)頻段上都是顯著地，而且折射效應(yīng)的顯著程度主要依賴于傳播路徑上的折射指數(shù)變化梯度和電波射線初始仰角。在一定的氣象條件下，近地層中傳播的電磁波受大氣折射影響其傳播軌跡彎向地面，當(dāng)曲率超過地球表面曲率時(shí)電磁波會部分地被陷獲在一定厚度的大氣層內(nèi)，經(jīng)該大氣層上下邊界來回反射向前傳播，就像電波在金屬波導(dǎo)管中傳播一樣，這種傳播現(xiàn)象稱為大氣波導(dǎo)傳播，如圖2所示，陷獲折射即為波導(dǎo)傳播，形成波導(dǎo)傳播的大氣層稱為大氣波導(dǎo)。

3.3.2大氣波導(dǎo)分類

不同的氣象條件會形成不同類型的波導(dǎo)，通常大氣波導(dǎo)分為：表面波導(dǎo)、蒸發(fā)波導(dǎo)、抬升波導(dǎo)。表面波導(dǎo)又分為兩種，一種是陷獲層接地的表面波導(dǎo)，另一種是基于表面的波導(dǎo)。如圖2所示，圖中陰影區(qū)為波導(dǎo)厚度。

3.3.3大氣波導(dǎo)傳播條件

邊界層大氣中的電磁波若要形成波導(dǎo)傳播必須滿足以下4個(gè)基本條件：（1）近地層某一高度處必須存在大氣波導(dǎo)；（2）電磁波的頻率必須高于最低陷獲頻率；（3）電磁波發(fā)射源必須位于大氣波導(dǎo)層內(nèi)，對于抬升波導(dǎo)，有時(shí)電磁波發(fā)射源位于波導(dǎo)底下方時(shí)，也可形成波導(dǎo)傳播，但此時(shí)發(fā)射源必須距波導(dǎo)底不遠(yuǎn)，并且波導(dǎo)強(qiáng)度必須很強(qiáng)；（4）電磁波的發(fā)射仰角必須小于臨界仰角。

3.3.4大氣波導(dǎo)對甚高頻通信的影響

大氣波導(dǎo)的存在與否對甚高頻通信的有一定的影響，當(dāng)甚高頻無線電波在邊界層大氣中形成波導(dǎo)傳播時(shí)，大氣波導(dǎo)對其產(chǎn)生的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是增加無線電波傳播的距離，二是增加電場強(qiáng)度。通常甚高頻無線電波波導(dǎo)傳播距離可數(shù)倍于其正常的傳播距離。

3.4 對流層散射傳播

3.4.1 對流層散射

地球大氣層一般分為電離層、平流層和對流層。對流層作為地球大氣層最低層的一個(gè)區(qū)域，其最高位置離地面上空十多公里，中緯度地區(qū)平均高度為10～12km，對流層是不穩(wěn)定、多變的，幾乎所有的天氣現(xiàn)象都發(fā)生在對流層，它是無線電波的一種不均勻介質(zhì)，其中分布著大量的不均勻體，或稱散射體，表現(xiàn)為大大小小、形狀各異并且或快或慢地運(yùn)動變化的空氣漩渦、云團(tuán)邊際和某種漸變層結(jié)等。它們在溫度、濕度和壓強(qiáng)上與周圍空氣不同，從而在折射指數(shù)上與周圍空氣也有差異，因而，當(dāng)無線電波通過這種不均勻介質(zhì)時(shí)，電波沿途遭受折射外，還被不均勻體再次輻射，這種對流層不均勻體對無線電波的再輻射，即形成對流層散射。

3.4.2 對流層散射傳播分類

對流層散射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)源于20世紀(jì)30年代，在實(shí)踐中觀察到了超短波、微波信號的傳播距離達(dá)到800-1000km，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出正常的視距傳播距離。由于頻率太高，射向地面的超短波、微波頻段的電波幾乎無法在地表激起表面電流，這時(shí)地表對于這個(gè)頻段的電磁波而言相當(dāng)于良導(dǎo)電體，電磁波在地表幾乎全部反射而沒有入射。通過構(gòu)造各種理論模型來解釋這種傳播，使理論模型得出的數(shù)據(jù)盡可能地與實(shí)測數(shù)據(jù)相符。到目前為止，已經(jīng)提出的機(jī)理主要有湍流非相干散射（散射理論）、不規(guī)則層非相干反射（多模理論）和穩(wěn)定層相干反射（反射理論）三種。

（1）湍流非相干散射

大氣湍流運(yùn)動產(chǎn)生大氣渦旋，每一個(gè)渦旋都是一個(gè)介電常數(shù)不均勻體，在電波的照射下，它變成一個(gè)偶極子，將入射電磁能量向四面八方進(jìn)行二次輻射。由于湍流運(yùn)動的特點(diǎn)，散射體是隨機(jī)變化的，每個(gè)受激勵(lì)的偶極子輻射的信號在強(qiáng)度、相位上應(yīng)是相互獨(dú)立、互不相干且隨機(jī)變化的，因而對任一固定的接收點(diǎn)而言，其接收信號就是這些不相干多徑信號的矢量和。

（2）不規(guī)則層非相干反射

這種理論認(rèn)為在對流層中經(jīng)常存在溫度、濕度和壓力都極為不同的云層和冷暖空氣團(tuán)，當(dāng)它們在某處交匯時(shí)，由于各項(xiàng)參數(shù)的急劇變化導(dǎo)致折射指數(shù)的劇烈變化，從而形成一種銳變層。這類銳變層強(qiáng)度不等、形狀不一，位置、取向極不規(guī)則，不斷變化，并隨氣流不斷移動。此種理論認(rèn)為，這類不規(guī)則層對電波的非相干性部分反射，就是電波超視距對流層傳播的起因。

（3）穩(wěn)定層相干反射

這種理論認(rèn)為，電波超視距對流層傳播起因于介電常數(shù)隨高度變化而較穩(wěn)定的非線性分布。大氣中的介質(zhì)可按高度連續(xù)分成一系列薄層：一層相對一層的介電常數(shù)都有所變化；每層都能對電波進(jìn)行部分反射；各反射分量間有確定的相位關(guān)系，它們在接收點(diǎn)的相干疊加即為接收場。

三種理論模型都緣于對流層中不同的大氣分布，且各種理論還有許多細(xì)分。相對而言，湍流非相干散射理論發(fā)展得比較完備，它有比較嚴(yán)格的湍流理論作基礎(chǔ)，并且可與較多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合；不規(guī)則層非相干反射理論在介質(zhì)結(jié)構(gòu)上缺乏嚴(yán)格的理論基礎(chǔ)，但仍能與許多實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合；穩(wěn)定層相干反射理論在與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的吻合度上較差一些，但在一些特定的環(huán)境下仍有與之比較符合的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。從頻率上看，在0.5GHz以下，對流層超視距遠(yuǎn)距離傳播主要是靠穩(wěn)定層相干反射和不規(guī)則層非相干反射，而且隨著頻率的降低，前者顯得更為主要；在0.5—1.5GHz之間，湍流非相干散射和不規(guī)則層非相干反射兩者兼有；1.5GHz以上主要是靠湍流非相干散射。因此，工作在甚高頻頻段的通信臺站在信號發(fā)射時(shí)可能通過對流層散射傳播實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。

四、結(jié)論和建議

綜上所述，對流層大氣波導(dǎo)傳播和對流層散射傳播在滿足一定條件時(shí)都可以實(shí)現(xiàn)甚高頻無線電波的遠(yuǎn)距離傳播。對流層散射傳播形成的信道較穩(wěn)定且傳輸衰耗較大，與成都管制區(qū)接收話音時(shí)有時(shí)無、質(zhì)量清晰的特點(diǎn)不同，所以由對流層散射傳播造成的可能性很小。而大氣波導(dǎo)傳播的前提是需特殊天氣形成大氣波導(dǎo)，并且發(fā)射的無線電波須滿足上文所述基本條件才能對無線電波進(jìn)行波導(dǎo)傳播，因此當(dāng)千里之外的管制單位發(fā)射甚高頻信號時(shí)需存在大氣波導(dǎo)，并當(dāng)發(fā)射的信號滿足傳播條件時(shí)才能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳播，發(fā)生的概率相當(dāng)小，這與成都管制區(qū)發(fā)生的遠(yuǎn)距離同頻話音干擾現(xiàn)象比較類似，故可暫時(shí)解釋成都管制區(qū)接收到的上千公里的甚高頻同頻話音是由于特殊天氣條件下通過大氣波導(dǎo)傳播的偶然現(xiàn)象。以上判斷皆為根據(jù)無線電波傳播理論分析的結(jié)果，為進(jìn)一步證實(shí)此類干擾的原因，建議對受干擾臺站和頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和記錄，捕獲相同干擾再次出現(xiàn)時(shí)的信號特征，進(jìn)行信號強(qiáng)度、頻譜等參數(shù)的分析，希望能得到更多的數(shù)據(jù)支持，研究得出最終的結(jié)論。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]王元坤. 電波傳播概論.國防工業(yè)出版社. 1983年.

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[3]張明高. 對流層散射傳播. 電子工業(yè)出版社. 2004年.