摘要：民航通信導(dǎo)航系統(tǒng)在保障飛行安全和運(yùn)行效率方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。然而多路徑效應(yīng)作為一個(gè)普遍存在的問(wèn)題，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，本文深入分析了多路徑效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)制、影響因素及其對(duì)民航通信導(dǎo)航系統(tǒng)的具體影響，并系統(tǒng)地探討了各種解決方法的原理、優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件。研究表明，結(jié)合天線設(shè)計(jì)優(yōu)化、信號(hào)處理技術(shù)改進(jìn)和環(huán)境因素控制等多種手段，可以有效減輕多路徑效應(yīng)的負(fù)面影響，提高民航通信導(dǎo)航系統(tǒng)的整體性能和可靠性。

關(guān)鍵詞：民航通信導(dǎo)航系統(tǒng)；多路徑效應(yīng)；天線設(shè)計(jì)；信號(hào)處理；環(huán)境因素

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2025.03.019

中圖分類號(hào)：TN 973.3 " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B " " " " " "文章編碼：1672-7274（2025）03-00-03

Multi Path Effect and Solution of Civil Aviation Communication and Navigation System

SHEN Bin

（Shanghai Civil Aviation East China Communication Network Development Co.， Ltd.， Shanghai 200000， China）

Abstract： Civil aviation communication and navigation systems play a crucial role in ensuring flight safety and operational efficiency. However， multipath effect， as a common problem， seriously affects the stability and reliability of the system. This article deeply analyzes the mechanism， influencing factors， and specific impact of multipath effect on civil aviation communication and navigation systems， and systematically explores the principles， advantages， disadvantages， and applicable conditions of various solutions. Research has shown that combining antenna design optimization， signal processing technology improvement， and environmental factor control can effectively reduce the negative impact of multipath effects and improve the overall performance and reliability of civil aviation communication and navigation systems.

Keywords： civil aviation communication and navigation system; multi-path effect; antenna design; signal processing; environmental factor

民航通信導(dǎo)航系統(tǒng)是保障飛行安全和提高運(yùn)行效率的核心技術(shù)支撐。隨著航空業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)通信導(dǎo)航系統(tǒng)的性能和可靠性要求日益提高。多路徑效應(yīng)作為一種普遍存在的物理現(xiàn)象，對(duì)民航通信導(dǎo)航系統(tǒng)的性能造成了顯著影響，可導(dǎo)致信號(hào)失真、延遲擴(kuò)展和相位抖動(dòng)等問(wèn)題，降低系統(tǒng)的精度和可靠性。因此深入研究多路徑效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)制、影響因素及解決方法，對(duì)提升民航通信導(dǎo)航系統(tǒng)的性能具有重要的理論和實(shí)踐意義。

1 " 多路徑效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)制及影響因素

1.1 多路徑效應(yīng)的物理原理

多路徑效應(yīng)是電磁波傳播過(guò)程中的一種常見(jiàn)現(xiàn)象，源于信號(hào)在傳播途中遇到各種障礙物而產(chǎn)生反射、折射和散射。當(dāng)發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)不同路徑到達(dá)接收端時(shí)，由于傳播距離和介質(zhì)特性的差異，各路徑信號(hào)會(huì)產(chǎn)生時(shí)間延遲和幅度衰減，這些經(jīng)過(guò)不同路徑傳播的信號(hào)在接收端疊加，能導(dǎo)致信號(hào)失真、相位偏移和幅度波動(dòng)。在民航通信導(dǎo)航系統(tǒng)中多路徑效應(yīng)尤為顯著，因?yàn)轱w行器周圍復(fù)雜的電磁環(huán)境和地面反射的存在為多路徑傳播提供了條件，多路徑效應(yīng)不僅影響信號(hào)的質(zhì)量還可能導(dǎo)致定位誤差過(guò)大和通信中斷，對(duì)飛行安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

1.2 影響多路徑效應(yīng)的主要因素

多路徑效應(yīng)的嚴(yán)重程度受多種因素影響，其中最為關(guān)鍵的是環(huán)境因素和系統(tǒng)參數(shù)。環(huán)境因素包括地形地貌、建筑物分布、大氣條件等，這些因素決定了反射面的數(shù)量和特性，直接影響多路徑信號(hào)的強(qiáng)度和傳播路徑。系統(tǒng)參數(shù)則涉及信號(hào)頻率、帶寬、發(fā)射功率、天線特性等，這些參數(shù)影響信號(hào)的傳播特性和抗多路徑能力，例如高頻信號(hào)較易受多路徑效應(yīng)影響，而寬帶信號(hào)則具有較強(qiáng)的抗多路徑能力。飛行器的速度和高度也是重要影響因素，高速運(yùn)動(dòng)可能導(dǎo)致多普勒效應(yīng)，進(jìn)一步加劇多路徑問(wèn)題復(fù)雜性，了解這些影響因素對(duì)于設(shè)計(jì)有效的多路徑抑制策略至關(guān)重要，需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行中綜合考慮[1]。

2 " 多路徑效應(yīng)對(duì)民航通信導(dǎo)航系統(tǒng)的

影響

2.1 對(duì)通信系統(tǒng)性能的影響

多路徑效應(yīng)對(duì)民航通信系統(tǒng)的性能造成了顯著影響，主要表現(xiàn)在信號(hào)質(zhì)量下降、數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤率增加和通信容量減少等方面。當(dāng)多路徑信號(hào)在接收端疊加時(shí)，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)波形畸變和符號(hào)間干擾，增加了信號(hào)解調(diào)的難度，這種干擾在高速數(shù)據(jù)傳輸中表現(xiàn)得更為明顯，可能導(dǎo)致比特錯(cuò)誤率（BER）顯著上升，影響通信的可靠性。多路徑效應(yīng)還會(huì)引起信道的頻率選擇性衰落，造成某些頻帶信號(hào)嚴(yán)重衰減，而其他頻帶信號(hào)則相對(duì)較強(qiáng)，這種不均勻的頻率響應(yīng)特性會(huì)降低系統(tǒng)的頻譜利用效率，減少可用的通信帶寬。在語(yǔ)音通信中多路徑效應(yīng)可能導(dǎo)致聲音失真和回聲，影響通話質(zhì)量，對(duì)于數(shù)據(jù)鏈通信，多路徑效應(yīng)可能造成數(shù)據(jù)包丟失或重傳，增加了通信延遲和系統(tǒng)開(kāi)銷，在極端情況下嚴(yán)重的多路徑干擾甚至可能導(dǎo)致通信中斷，對(duì)飛行安全構(gòu)成威脅。因此在民航通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，必須充分考慮多路徑效應(yīng)的影響，采取有效措施進(jìn)行抑制和補(bǔ)償。

2.2 對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)精度的影響

多路徑效應(yīng)對(duì)民航導(dǎo)航系統(tǒng)的精度影響尤為顯著，直接關(guān)系到飛行安全和效率。在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中多路徑效應(yīng)是影響定位精度的主要誤差源之一，多路徑信號(hào)與直射信號(hào)在接收機(jī)中疊加，導(dǎo)致偽距測(cè)量誤差和載波相位測(cè)量誤差，從而影響定位解算的精度。這種誤差在復(fù)雜環(huán)境下（如機(jī)場(chǎng)周邊）尤為明顯，可能導(dǎo)致數(shù)米甚至數(shù)十米的定位誤差，對(duì)于地基導(dǎo)航系統(tǒng)如儀表著陸系統(tǒng)（ILS）和微波著陸系統(tǒng)（MLS），多路徑效應(yīng)可能引起航向偏差和下滑道偏差，影響著陸精度和安全性。在測(cè)距系統(tǒng)中多路徑效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致距離測(cè)量誤差，影響對(duì)飛行器位置的準(zhǔn)確判斷，多路徑效應(yīng)還可能引起導(dǎo)航信號(hào)的衰落和斷續(xù)，降低系統(tǒng)的可用性和完好性。在某些情況下多路徑信號(hào)甚至可能被誤認(rèn)為是直射信號(hào)，導(dǎo)致嚴(yán)重的定位錯(cuò)誤，對(duì)于依賴高精度導(dǎo)航的現(xiàn)代飛行程序，如性能基礎(chǔ)導(dǎo)航（PBN）和所需導(dǎo)航性能（RNP）程序，多路徑效應(yīng)的影響尤其不容忽視。因此在導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)和使用中，必須采取有效措施來(lái)檢測(cè)、緩解和補(bǔ)償多路徑效應(yīng)，以確保導(dǎo)航精度滿足飛行安全和效率的要求[2]。

3 " 多路徑效應(yīng)的解決方法

3.1 天線設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)

天線設(shè)計(jì)優(yōu)化是減輕多路徑效應(yīng)影響的關(guān)鍵技術(shù)之一，通過(guò)改進(jìn)天線結(jié)構(gòu)和特性可以有效抑制多路徑信號(hào)的接收。一種常用的方法是采用定向天線，通過(guò)優(yōu)化天線的方向圖增強(qiáng)主瓣方向的信號(hào)接收能力，同時(shí)抑制其他方向的信號(hào)，例如在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，可使用右旋圓極化天線，利用多路徑反射信號(hào)極化特性的變化來(lái)抑制多路徑干擾。另一種有效的技術(shù)是采用自適應(yīng)天線陣列，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整天線單元的相位和幅度形成可控的波束方向圖，實(shí)現(xiàn)對(duì)多路徑信號(hào)的空間濾波，在地面導(dǎo)航系統(tǒng)中如儀表著陸系統(tǒng)（ILS），可使用大尺寸反射面天線來(lái)提高方向性，減少地面反射造成的多路徑干擾。天線罩設(shè)計(jì)也是一個(gè)重要方面，通過(guò)優(yōu)化天線罩的材料和結(jié)構(gòu)可以減少電磁波在天線罩表面的反射和散射，從而降低多路徑效應(yīng)。近年來(lái)超材料天線和智能天線技術(shù)的發(fā)展為多路徑抑制提供了新的可能性，這些技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更精確的波束控制和信號(hào)選擇性接收。在實(shí)際應(yīng)用中天線設(shè)計(jì)需要綜合考慮多路徑抑制、增益、帶寬等多方面因素，以達(dá)到最佳的系統(tǒng)性能。值得注意的是，天線設(shè)計(jì)還需要考慮實(shí)際安裝環(huán)境的限制，如飛機(jī)機(jī)身的空氣動(dòng)力學(xué)要求和空間限制。為此研究人員正在探索小型化、輕量化天線設(shè)計(jì)，如微帶天線和平面陣列天線，這些設(shè)計(jì)不僅能滿足抗多路徑要求還能適應(yīng)嚴(yán)苛的安裝條件。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的智能天線優(yōu)化算法也逐漸應(yīng)用于天線設(shè)計(jì)中，其能夠根據(jù)實(shí)時(shí)環(huán)境自動(dòng)調(diào)整天線參數(shù)，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗多路徑能力和整體性能。

3.2 信號(hào)處理技術(shù)改進(jìn)

信號(hào)處理技術(shù)在多路徑效應(yīng)抑制中發(fā)揮著核心作用，通過(guò)先進(jìn)的算法和處理方法可以在接收端有效分離和抑制多路徑信號(hào)。一種廣泛應(yīng)用的技術(shù)是多路徑估計(jì)和消除算法，如延遲鎖定環(huán)（DLL）和多相關(guān)器技術(shù)，這些方法通過(guò)估計(jì)多路徑信號(hào)的延遲和幅度，從接收信號(hào)中分離出直射信號(hào)。在衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)中，常用的多路徑抑制技術(shù)包括窄相關(guān)器技術(shù)、雙三角相關(guān)器技術(shù)和多路徑估計(jì)延遲鎖定環(huán)（MEDLL）等，這些技術(shù)通過(guò)改進(jìn)相關(guān)器的設(shè)計(jì)，提高了對(duì)多路徑信號(hào)的分辨能力。另一類重要的技術(shù)基于陣列信號(hào)處理的方法，如空時(shí)自適應(yīng)處理（STAP）和波束形成技術(shù)，這些方法利用多天線接收的空間信息來(lái)抑制多路徑干擾。在通信系統(tǒng)中均衡技術(shù)也是抑制多路徑效應(yīng)的有效手段，如決策反饋均衡器（DFE）和自適應(yīng)均衡器，可以動(dòng)態(tài)補(bǔ)償信道的頻率選擇性衰落。對(duì)于寬帶系統(tǒng)，正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)通過(guò)將寬帶信號(hào)分解為多個(gè)窄帶信號(hào)傳輸，有效減少了多路徑干擾。基于機(jī)器學(xué)習(xí)的多路徑抑制方法近年來(lái)也得到了廣泛關(guān)注，如使用深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)來(lái)識(shí)別和抑制多路徑信號(hào)，在實(shí)際應(yīng)用中常常需要結(jié)合多種信號(hào)處理技術(shù)，并根據(jù)具體的系統(tǒng)特性和環(huán)境條件進(jìn)行優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)最佳的多路徑抑制效果。值得注意的是，信號(hào)處理技術(shù)的實(shí)現(xiàn)通常具有較高的計(jì)算復(fù)雜度，因此在設(shè)計(jì)中需要平衡性能提升和系統(tǒng)資源消耗之間的關(guān)系[3]。

4 " 多路徑效應(yīng)解決方法的綜合應(yīng)用

4.1 多種技術(shù)的協(xié)同使用策略

多路徑效應(yīng)的復(fù)雜性決定了單一技術(shù)難以全面解決問(wèn)題，因此在實(shí)際應(yīng)用中，采用多種技術(shù)的協(xié)同使用策略成為必然選擇，這種策略通過(guò)結(jié)合天線設(shè)計(jì)、信號(hào)處理和系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化，形成一個(gè)多層次、多角度的解決方案。在接收端可以首先通過(guò)優(yōu)化天線設(shè)計(jì)來(lái)減少多路徑信號(hào)的接收，如使用自適應(yīng)天線陣列技術(shù)；緊接著，利用高級(jí)信號(hào)處理算法如多相關(guān)器技術(shù)或空時(shí)自適應(yīng)處理技術(shù)，進(jìn)一步分離和抑制殘余的多路徑信號(hào)。在系統(tǒng)層面可以采用多源融合技術(shù)，綜合利用不同頻段、不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，如GPS、Galileo和地基增強(qiáng)系統(tǒng)的協(xié)同使用，通過(guò)數(shù)據(jù)互補(bǔ)和交叉驗(yàn)證來(lái)提高抗多路徑能力；對(duì)于通信系統(tǒng)，可以結(jié)合自適應(yīng)均衡、OFDM調(diào)制和前向糾錯(cuò)編碼等技術(shù)，形成一個(gè)多重保護(hù)機(jī)制；在導(dǎo)航系統(tǒng)中可以集成慣性測(cè)量單元（IMU）數(shù)據(jù)，利用卡爾曼濾波等算法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，提高系統(tǒng)對(duì)短時(shí)多路徑干擾的抵抗能力。軟件定義無(wú)線電（SDR）技術(shù)的應(yīng)用為多種技術(shù)的靈活集成提供了平臺(tái)，使得系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)時(shí)環(huán)境動(dòng)態(tài)調(diào)整處理策略，在實(shí)施過(guò)程中需要考慮不同技術(shù)之間的兼容性和資源分配，通過(guò)優(yōu)化算法設(shè)計(jì)和硬件實(shí)現(xiàn)平衡系統(tǒng)性能和復(fù)雜度，這種協(xié)同策略不僅能夠顯著提高系統(tǒng)的抗多路徑能力，還能增強(qiáng)系統(tǒng)的整體魯棒性和適應(yīng)性[4]。

4.2 環(huán)境因素控制與系統(tǒng)優(yōu)化

環(huán)境因素控制和系統(tǒng)優(yōu)化是解決多路徑效應(yīng)的重要補(bǔ)充手段，通過(guò)對(duì)外部環(huán)境的改造和系統(tǒng)運(yùn)行策略的調(diào)整可以從源頭上減少多路徑干擾。在機(jī)場(chǎng)環(huán)境中，可以通過(guò)合理規(guī)劃建筑物布局、控制反射面材料和幾何形狀來(lái)減少多路徑信號(hào)的產(chǎn)生，例如在跑道周圍使用電磁吸波材料，或者設(shè)計(jì)特殊的地面結(jié)構(gòu)來(lái)散射入射信號(hào)，可以有效降低地面反射造成的多路徑干擾。對(duì)于固定的地面導(dǎo)航設(shè)備如VOR和ILS，可以通過(guò)精心選擇安裝位置和優(yōu)化天線高度來(lái)最小化多路徑效應(yīng)。在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中可以利用多路徑環(huán)境建模技術(shù)，結(jié)合地理信息系統(tǒng)（GIS）數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)特定區(qū)域的多路徑特性并據(jù)此優(yōu)化接收機(jī)的處理算法或調(diào)整衛(wèi)星選擇策略，通過(guò)建立多路徑效應(yīng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)收集和分析多路徑數(shù)據(jù)，可以為系統(tǒng)優(yōu)化提供依據(jù)，如動(dòng)態(tài)調(diào)整導(dǎo)航信號(hào)的功率分配或改變通信系統(tǒng)的頻率使用計(jì)劃，在飛行操作層面可以根據(jù)多路徑環(huán)境特性制定優(yōu)化的飛行路徑和程序，避開(kāi)嚴(yán)重的多路徑區(qū)域。對(duì)于新型的空中交通管理系統(tǒng)如基于軌跡的運(yùn)行（TBO）系統(tǒng)，可以將多路徑效應(yīng)作為一個(gè)重要參數(shù)納入路徑規(guī)劃和容量管理算法中，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段通過(guò)全面的仿真和實(shí)地測(cè)試可以識(shí)別出多路徑效應(yīng)的薄弱環(huán)節(jié)，從而有針對(duì)性地進(jìn)行優(yōu)化，這種環(huán)境因素控制和系統(tǒng)優(yōu)化的方法雖然在實(shí)施上可能面臨技術(shù)和成本的挑戰(zhàn)，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，能夠?yàn)槊窈酵ㄐ艑?dǎo)航系統(tǒng)提供一個(gè)更加穩(wěn)定和可靠的運(yùn)行環(huán)境，是解決多路徑效應(yīng)問(wèn)題的重要戰(zhàn)略選擇[5]。

5 " 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)深入研究民航通信導(dǎo)航系統(tǒng)中的多路徑效應(yīng)問(wèn)題，可以得出以下結(jié)論：多路徑效應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的物理現(xiàn)象，其產(chǎn)生和影響受多種因素的綜合作用。針對(duì)多路徑效應(yīng)，可以采用天線設(shè)計(jì)優(yōu)化、信號(hào)處理技術(shù)改進(jìn)等多種方法進(jìn)行緩解。在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)具體情況選擇合適的解決方案并綜合考慮環(huán)境因素的影響，以實(shí)現(xiàn)民航通信導(dǎo)航系統(tǒng)性能的全面提升。未來(lái)研究應(yīng)進(jìn)一步探索新型材料和先進(jìn)算法在多路徑效應(yīng)抑制中的應(yīng)用，為民航通信導(dǎo)航系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)

[1] 李明.民航通信導(dǎo)航監(jiān)視運(yùn)行支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].電子技術(shù)與軟件工程，2022（9）：25-28.

[2] 盧耀新.提升民航通信導(dǎo)航監(jiān)視系統(tǒng)的可靠性路徑[J].中國(guó)航務(wù)周刊，2022（4）：62-63.

[3] 饒紅偉.淺談民航通信導(dǎo)航系統(tǒng)中的工藝防雷接地系統(tǒng)[J].數(shù)字通信世界，2021（9）：121-122.

[4] 李明.如何提高民航通信導(dǎo)航監(jiān)視系統(tǒng)的可靠性[J].中國(guó)航務(wù)周刊，2021（27）：46-47.

[5] 孫毅馳.淺析中國(guó)民用航空通信、導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀[J].中國(guó)新通信，2020，22（13）：19-20.