皮 波,謝英偉,李檸江,劉乃和

(民航重慶空管分局,重慶 401120)

0 引言

天氣雷達(dá)是監(jiān)測(cè)和預(yù)警強(qiáng)對(duì)流天氣、保障民航飛行安全的重要工具[1-2]。其工作原理是雷達(dá)發(fā)射機(jī)向空中發(fā)射電磁波脈沖,雷達(dá)天線收到大氣中的云霧、雨、雪等氣象目標(biāo)物返回微弱后向散射的電磁波信號(hào),經(jīng)接收機(jī)進(jìn)行濾波、混頻、放大、檢波、輸出等信號(hào)處理,可獲知?dú)庀竽繕?biāo)物的空間位置和粒子的密度及直徑大小等特征。在雷達(dá)運(yùn)行中,回波干擾是影響天氣雷達(dá)對(duì)外提供服務(wù)的常見因素。雷達(dá)回波干擾一般分為有源干擾和無(wú)源干擾[3-4],其中對(duì)天氣雷達(dá)的無(wú)源干擾主要包括有地物干擾、海浪干擾等。無(wú)源干擾一般可通過軟件算法和硬件的方法進(jìn)行減弱和消除處理。有源干擾是指在雷達(dá)附近有電子設(shè)備發(fā)射特定的電磁波對(duì)雷達(dá)產(chǎn)生干擾,主要包括為鄰近雷達(dá)的同頻干擾、無(wú)線電設(shè)備的同頻干擾、鄰道干擾、互調(diào)干擾等[5-7]。近年來,多個(gè)站點(diǎn)的天氣雷達(dá)受到不同程度有源的無(wú)線電電磁干擾,影響雷達(dá)探測(cè)質(zhì)量和資料的深入應(yīng)用[8-9]。本次重慶江北機(jī)場(chǎng)天氣雷達(dá)受到無(wú)線電設(shè)備的同頻干擾。本次干擾在一定方位角度范圍內(nèi)表現(xiàn)為放射狀的徑向回波干擾,它和降水回波在很多區(qū)域是重疊的[10-11],給預(yù)報(bào)員在分析使用回波圖、制作航空天氣預(yù)報(bào)帶來較大影響,甚至影響航空管制指揮。

本文針對(duì)重慶江北機(jī)場(chǎng)天氣雷達(dá)受到的干擾情況、排查過程進(jìn)行了介紹和分析。

2 雷達(dá)受干擾情況

2.1 雷達(dá)受干擾的現(xiàn)象

民航重慶空管分局的天氣雷達(dá)由成都錦江電子工程有限公司生產(chǎn),為C 波段雙偏振全相參脈沖多普勒天氣雷達(dá)。中心頻率為5 310 MHz,接收靈敏度為-110 dBm,接收帶寬為30 MHz,海拔高度為455 m。

2020 年9 月初,預(yù)報(bào)、管制用戶和設(shè)備保障人員陸續(xù)發(fā)現(xiàn)重慶江北機(jī)場(chǎng)天氣雷達(dá)回波圖在20°～40°東北方向、200°西南方向出現(xiàn)了放射狀徑向干擾,干擾回波在徑向上呈條輻狀分布,一直延伸到雷達(dá)的最大探測(cè)距離,和降水回波在很多區(qū)域是重疊的。速度場(chǎng)信息也是模糊、不連續(xù)的。雷達(dá)回波的強(qiáng)度與速度信息都受到干擾,干擾時(shí)間為24 h 不間斷。隨著天線仰角的抬升,干擾逐漸減少,當(dāng)仰角大于14°后干擾消失。雷達(dá)受干擾的回波強(qiáng)度如圖1 所示。

圖1 受干擾回波的強(qiáng)度

2.2 雷達(dá)受干擾的分析

雷達(dá)回波受到干擾后,設(shè)備保障人員嘗試多種方案,試圖找出雷達(dá)受干擾的原因,以便消除干擾。干擾可能是由于雷達(dá)自身故障和機(jī)內(nèi)產(chǎn)生,也可能是外部干擾。筆者按以下3 個(gè)步驟進(jìn)行排查,排除雷達(dá)自身故障引起干擾的可能。

第一步,排除發(fā)射機(jī)產(chǎn)生干擾。關(guān)閉雷達(dá)發(fā)射機(jī)高壓電源,PPI 平掃時(shí)顯示地物回波消失,但是徑向干擾回波依然存在,證明干擾信號(hào)不是雷達(dá)發(fā)射機(jī)產(chǎn)生。

第二步,排除接收機(jī)產(chǎn)生干擾。先將雷達(dá)工作模式切換至單偏振水平探測(cè)模式,同時(shí)關(guān)閉雷達(dá)發(fā)射機(jī)高壓電源,雷達(dá)接收機(jī)與天饋系統(tǒng)連接的波導(dǎo)斷開,PPI 平掃時(shí)地物回波消失,徑向干擾回波消失。再將頻譜儀設(shè)備接入天饋系統(tǒng)測(cè)試干擾電磁波信號(hào)特征,并手動(dòng)調(diào)整天線對(duì)準(zhǔn)干擾方向,成功捕獲到頻率范圍為5 296 MHz～5 313 MHz 干擾信號(hào),干擾信號(hào)如圖2 所示,證明干擾信號(hào)不是雷達(dá)接收機(jī)產(chǎn)生。

圖2 干擾信號(hào)

第三步,排除天饋系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。關(guān)閉雷達(dá)發(fā)射機(jī)高壓電源,用金屬器皿遮擋天線的饋源,PPI 平掃時(shí)干擾回波消失,移開金屬器皿,干擾回波出現(xiàn)。證明干擾信號(hào)不是雷達(dá)天線、饋線和波導(dǎo)產(chǎn)生。

通過以上3 步,可以判定天氣雷達(dá)干擾為外部干擾,由外界發(fā)射從雷達(dá)的天饋系統(tǒng)進(jìn)入接收機(jī)。

3 雷達(dá)干擾排查過程及處理

確定為外部干擾后,設(shè)備保障部門按程序向地方無(wú)線電管理機(jī)構(gòu)進(jìn)行干擾申報(bào),市無(wú)線電監(jiān)測(cè)站人員對(duì)干擾情況進(jìn)行全面了解后,與設(shè)備保障人員共同開展排查。

3.1 前期排查

第一階段,對(duì)雷達(dá)站附近通信運(yùn)營(yíng)商基站的排查。監(jiān)測(cè)站人員使用手持天線和頻譜儀組成檢測(cè)工具,在雷達(dá)天線罩外的平臺(tái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在20°～40°東北方向監(jiān)測(cè)到微弱的干擾信號(hào),強(qiáng)度約為-70 dBm,隨后沿著20°～40°東北方向?qū)ふ腋蓴_源。監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)移動(dòng)、聯(lián)通、電信三大運(yùn)營(yíng)商的通信基站存在諧波干擾信號(hào),懷疑干擾信號(hào)來自基站。立即聯(lián)系移動(dòng)、聯(lián)通、電信三家運(yùn)營(yíng)商來關(guān)停相關(guān)基站設(shè)備,進(jìn)行干擾源排除測(cè)試。幾天時(shí)間內(nèi)先后對(duì)距離雷達(dá)站1 000 m 范圍內(nèi)的7 處基站進(jìn)行了關(guān)停試驗(yàn),雷達(dá)回波圖上的干擾依然存在。證明干擾信號(hào)不是運(yùn)營(yíng)商基站產(chǎn)生。

第二階段,繼續(xù)沿20°～40°東北方向由近到遠(yuǎn)的干擾信號(hào)排查。監(jiān)測(cè)站人員和設(shè)備保障人員按照由近及遠(yuǎn)的原則,先后到雷達(dá)東北方向的川航賓館、沙坪信標(biāo)臺(tái)、觀月小區(qū)、中國(guó)摩工地、蘇寧智慧園工地等追蹤疑似干擾源信號(hào)。在雷達(dá)東北方向、距離約8 km的某智慧園、某醫(yī)藥流通基地、某產(chǎn)業(yè)綜合基地3 處工地發(fā)現(xiàn)疑似干擾信號(hào),經(jīng)進(jìn)一步監(jiān)測(cè),疑似干擾信號(hào)為3 處工地所使用的無(wú)線網(wǎng)橋設(shè)備產(chǎn)生。經(jīng)協(xié)調(diào),3 處工地管理單位聯(lián)系設(shè)備安裝廠家將無(wú)線網(wǎng)橋工作頻率調(diào)整至5 800 MHz 附近,但雷達(dá)回波圖干擾依然存在?；靖蓴_源如圖3 所示。

圖3 基站干擾源示意

3.2 200°西南方向的干擾源

由于20°～40°東北方向的干擾排查一直未取得突破,監(jiān)測(cè)站人員和設(shè)備保障人員決定轉(zhuǎn)變思路,著手排查200°西南方向干擾。很快在雷達(dá)站200°西南方向、距離約5 km 的某項(xiàng)目工地測(cè)到干擾信號(hào),并查明干擾信號(hào)來自工地用于傳輸視頻監(jiān)控信號(hào)的5 套無(wú)線網(wǎng)橋設(shè)備。協(xié)調(diào)該工地管理單位對(duì)無(wú)線網(wǎng)橋設(shè)備調(diào)整工作頻率后,雷達(dá)回波圖200°西南方向的干擾隨即消失。200°西南方向干擾源如圖4 所示。

圖4 200°西南方向干擾源示意

3.3 20°～40°東北方向的干擾源

200°西南方向干擾成功排除后,監(jiān)測(cè)站人員和設(shè)備保障人員再次展開對(duì)20°～40°東北方向干擾的排查。

設(shè)備保障人員對(duì)前期3 個(gè)多月的干擾排查記錄進(jìn)行了認(rèn)真回顧和經(jīng)驗(yàn)總結(jié),重新確定排查思路。設(shè)備保障人員先在雷達(dá)機(jī)房?jī)?nèi)波導(dǎo)處將頻譜儀接入天饋線系統(tǒng),再進(jìn)行干擾信號(hào)的定位,成功鎖定雷達(dá)天線方位28.8°、仰角-0.5°位置接收的干擾信號(hào)最強(qiáng)。由于重慶地貌類型復(fù)雜多樣,以山地為主,根據(jù)三角函數(shù)推算出氣象雷達(dá)與干擾源之間距離對(duì)應(yīng)的海拔高度,干擾源模型如圖5所示。

圖5 干擾源模型

H1為雷達(dá)天線海拔高度455 m,H2為干擾源A 所在海拔高度,θ 為雷達(dá)天線的仰角0.5°,S1為氣象雷達(dá)與干擾源之間的直線距離(見圖7),計(jì)算干擾源A 海拔高度的表達(dá)式為:

根據(jù)測(cè)算海拔高度結(jié)果與電子地圖上各點(diǎn)位模擬的干擾源實(shí)際海拔高度數(shù)據(jù),得出結(jié)論為干擾源距離雷達(dá)10 km 以內(nèi)。因?yàn)樵诶走_(dá)站28.8°方向,從10 km 處向更遠(yuǎn)方向,地表海拔高度快速升高,遠(yuǎn)高于測(cè)算出的干擾源高度。

根據(jù)以上推斷,設(shè)備保障人員重新確定多處重點(diǎn)排查目標(biāo)并開展新一輪排查。終于,在某工地附近成功捕捉到微弱的干擾信號(hào)。經(jīng)反復(fù)對(duì)比,該信號(hào)頻段、波形均與雷達(dá)接收到的干擾信號(hào)一致。監(jiān)測(cè)站人員和設(shè)備保障人員沿信號(hào)指向向東繼續(xù)排查,在距離雷達(dá)站9.2 km 的某物流園內(nèi)成功鎖定干擾源。

干擾源為該物流園用于水電表數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o(wú)線網(wǎng)橋設(shè)備,干擾源實(shí)物如圖6 所示。其中,1 號(hào)、2 號(hào)發(fā)射天線安裝在6 號(hào)倉(cāng)庫(kù)東西兩側(cè),3 號(hào)發(fā)射天線安裝在7 號(hào)倉(cāng)庫(kù)西側(cè),1 個(gè)接收天線安裝在物流園入口監(jiān)控室的屋頂,3 個(gè)發(fā)射天線均指向天氣雷達(dá)站方向。

圖6 20°～40°東北方向的干擾源

協(xié)調(diào)物流園工作人員關(guān)閉該無(wú)線網(wǎng)橋設(shè)備后,現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)干擾信號(hào)消失,天氣雷達(dá)20°～40°東北方向的干擾也隨之消失。該物流園工作人員迅速協(xié)調(diào)安裝廠家進(jìn)行了頻率整改,整改后通過連續(xù)多日跟蹤觀測(cè),20°～40°東北方向干擾沒有再出現(xiàn),最終確認(rèn)此次干擾消除。

4 雷達(dá)排查過程分析

(1)隨著科技進(jìn)步和發(fā)展,大量民用企業(yè)生產(chǎn)5 150 MHz～5 350 MHz 頻段的無(wú)線設(shè)備,且被非法用于室外(注:根據(jù)國(guó)家工業(yè)和信息化部2012 年12 月31日發(fā)布的《工業(yè)和信息化部關(guān)于發(fā)布5 150 MHz～5 350 MHz 頻段無(wú)線接入系統(tǒng)頻率使用相關(guān)事宜的通知》(工信部無(wú)函〔2012〕620 號(hào)),規(guī)劃5 150 MHz～5 350 MHz頻段用于無(wú)線接入系統(tǒng),同時(shí)通知中明確“上述頻段的無(wú)線接入系統(tǒng)僅限室內(nèi)使用”)。比如,工地、倉(cāng)庫(kù)等場(chǎng)所的視頻和數(shù)據(jù)的無(wú)線監(jiān)控設(shè)備、無(wú)線傳輸設(shè)備(如網(wǎng)橋設(shè)備)。這些設(shè)備有5.1 G 和5.8 G 兩個(gè)工作頻段,設(shè)置為5.1 G 頻段時(shí),實(shí)際工作頻率為5 180 MHz～5 320 MHz,剛好覆蓋天氣雷達(dá)中心頻率5 310 MHz。其有效工作距離一般在300 m～3 km,有些甚至達(dá)到5 km。但對(duì)其他無(wú)線電設(shè)備的影響或干擾距離(有干擾信號(hào))成倍于其工作距離(傳輸信號(hào)不發(fā)生畸變)。天氣雷達(dá)接收機(jī)靈敏度高、天線增益大,微弱的信號(hào)就可能對(duì)天氣雷達(dá)產(chǎn)生很強(qiáng)的回波干擾。因此在干擾排查過程中,不能因其位置在有效工作距離之外而排除對(duì)其進(jìn)行排查。

(2)本次排查過程中,大量室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)路由器設(shè)備也給本次干擾排查增加了很多困難,這些無(wú)線設(shè)備是符合工信部無(wú)函〔2012〕620 號(hào)文件要求的,為合法設(shè)備,作用距離短,不會(huì)對(duì)雷達(dá)造成干擾。但近距離在檢測(cè)設(shè)備上會(huì)形成較強(qiáng)回波。在排查過程中,常常將排查人員引入某些建筑物內(nèi),浪費(fèi)很多時(shí)間。

(3)天氣雷達(dá)1 km 范圍內(nèi)有多個(gè)移動(dòng)、聯(lián)通和電信基站,大量2G,3G,4G,5G 的發(fā)射天線安裝在同一個(gè)樓頂或同一個(gè)電桿上。這些單個(gè)基站的發(fā)射頻率不超過4.9 GHz。但大量基站共同作用的結(jié)果使近距離的無(wú)線電監(jiān)測(cè)設(shè)備在雷達(dá)工作頻率5 310 MHz 附近產(chǎn)生很強(qiáng)的干擾,甚至飽和。實(shí)際上,通過測(cè)試這些基站不會(huì)對(duì)雷達(dá)造成干擾。在前期的排查過程中,這些誤導(dǎo)使無(wú)線電排查人員走了很多彎路。

5 結(jié)語(yǔ)

本次天氣雷達(dá)干擾排查工作共耗時(shí)4 個(gè)月時(shí)間,設(shè)備保障人員通過在排查過程中不斷學(xué)習(xí)和積累,能夠進(jìn)行干擾信號(hào)定位和信號(hào)特征分析,同時(shí)利用三角函數(shù)推算出干擾源的海拔高度等重要信息,與監(jiān)測(cè)站人員一起成功排除了無(wú)線網(wǎng)橋設(shè)備干擾。

當(dāng)前,無(wú)線電干擾新型化、多樣化,無(wú)線網(wǎng)橋等低功率設(shè)備在日常生產(chǎn)生活中得到廣泛應(yīng)用,因此產(chǎn)生的干擾也日益增多。鑒于無(wú)線傳輸?shù)姆奖憧旖?無(wú)線網(wǎng)絡(luò)成為大多數(shù)企業(yè)的首選裝備。隨著智慧工地的興起,致使可改頻、無(wú)型號(hào)核準(zhǔn)的“黑網(wǎng)橋”時(shí)有出現(xiàn)。在排查過程中不斷有新的干擾源出現(xiàn),對(duì)用戶提供雷達(dá)數(shù)據(jù)服務(wù)造成不好影響。因此,對(duì)于雷達(dá)站附近的建設(shè)項(xiàng)目,需要相關(guān)部門從安裝和使用無(wú)線傳輸設(shè)備的環(huán)節(jié)嚴(yán)加監(jiān)管,這有利于減少干擾隱患,改善雷達(dá)站的電磁環(huán)境。