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作者：杨晓嘉  民航局第二研究所

0 引言

高质量发展是“十四五”乃至更长时期我国经济社会发展的主题，立足新发展阶段、贯彻新发展理念、构建新发展格局，推动高质量发展是贯穿“十四五”规划纲要的逻辑主线。《国家创新驱动发展战略纲要》指出，“要把数字化、智能化作为提升产业竞争力的技术基点” 。《新时代民航强国建设行动纲要》提出，“要形成安全、高效、智慧、协同的现代化空中交通管理体系” 。民航“十四五”规划更是以“安全为底线、智慧民航建设为主线”，将“智慧民航建设有新突破”纳入总体工作思路，作为开拓四个新局面的其中之一。数字化和智慧化的创新方式，是建设 “四强空管”和“四型机场”，实现民航高质量发展的基本要求和关键技术。

民用客机起飞和降落的幕后至少有30多个环节协同保障，其中的一环就是保证空管安全运行的基础设施：空管通信导航监视气象台站，其安全运行和性能精度直接影响飞行安全。但信号极易受周边环境，尤其是大型建筑物与山体的遮蔽与多径干扰，导致设备信号降级与限用。近年来，中国民航出现多起导航台受建筑物遮蔽或多径干扰无法正常运行的事件，北京大兴机场35L跑道因跑道侧方机库导致仪表着陆系统Ⅲb类无法投产运行，上海虹桥机场18L跑道因跑道侧方公务机楼导致信号限用，重庆机场因大型航站楼03L跑道航向信标Ⅲ类设计方案调整为Ⅰ类，多个全向信标/测距仪台因电磁环境保护问题导致限用甚至被迫搬迁，多部一二次监视雷达因周边障碍物导致假目标增多。同时随着民航新基建的推进、世界级机场群、以枢纽机场为核心的临空经济区的发展，空管通信导航监视台站周边建设激增势必会造成电磁环境更加复杂。如图 1所示。

图1  通信导航监视台站遮蔽与多径干扰案例示意图

1 电磁环境保护现状

国家在民航领域相继出台了一系列政策对导航台电磁环境进行保护，2016年国务院发布的672号令明确规定“机场的周边区域，不得新建阻断无线电信号传输的高大建筑”，2019年民航局发布《民用航空导航台（站）设置场地规范（试行）》，明确指出针对新增机库、航站楼等大型障碍物，应通过计算机仿真确认其对导航设备的影响，2021年发布的《运输机场净空区域内建设项目净空审核管理办法》更是规定，在审核机场净空区域内的建设项目时，对电磁环境和无线电台（站）信号可能存在影响的建设项目，需提供电磁环境影响评估报告。

但当前电磁环境保护面临以下难题：

1）发现难度大，电磁环境保护常年处于被动。

当前障碍物的发现，或通过台站电磁环境巡视人员肉眼发现再经仪器测量，或飞行校验发现台站飞行校验数据变差排查，或地方规划报给民航主管部门，总之没有主动手段发现周边障碍物，更无标准手段分析障碍物是否满足行业标准，或导致台站信号恶化。如果地方规划不征求民航的意见，通过飞行校验或设备运行过程中信号出现限用时发现问题，由于缺乏周边障碍物数据，排查时间成本会很大，退而言之花费巨大精力找到干扰信号的障碍物，由于其已经存在，拆除或整改的协调难度大，成本高，处于被动地位。

2）安全隐患大，设备常年处于限用状态运行。

台站因电磁环境问题出现限用或者飞行校验不通过，势必通过调试设备满足运行需求，严重的设备调试也无济于事，因此设备常年在限用状态下使用，安全长期存在隐患。

3）判断标准繁多，缺乏标准的判断工具。

空管通信导航监视气象设备数量众多，不仅位于飞行区内，部分设备还位于飞行区外，电磁环境保护标准繁多计算复杂，仅航向信标、下滑信标、全向信标、地基增强系统等导航台站的电磁环境保护要求就各不相同，更不用说再加上监视、通信与气象台站，即使民航专业人员都很少能完全掌握所有通信导航监视气象台站的电磁环境保护要求。图 2是航向信标的两个保护标准。

 图2  航向信标标准电磁环境保护区示意图

因此，电磁环境保护目前没有统一、直观的标准分析工具，由于空管通导监气象设备，不同台站控制标准不同，标准规定内的，还可以通过人工判断，但如果某个障碍物位于多个台站的电磁环境保护区，则需要逐个核对和计算，工作量大且易出错。如果在标准规定之外，更是缺乏判断工具。

综上所述，为解决经济发展与民航空管持续安全运行的矛盾，更好地保护空管台站电磁环境，更好地支撑“四强空管”和“四型机场”建设，实现电磁环境数字化保护与智慧监管，自主研发民航电磁环境数字化保护与智能监测系统（以下简称“系统”）。系统通过建立多源异构民航典型障碍物要素模型，实现通导监气象设备电磁环境数字化转型，通过智慧化手段，实现设备电磁环境的持续监测和保护，从而创新监管方式，从“传统监管”到“精准监管”，从“人工决策”到“数据决策”，解决当前通导监气象设备从“被动应对型”向“主动保障型”发展的关键难题。

2 构建障碍物全要素模型，实现电磁环境保护数字化

系统通过建立多源异构民航典型障碍物要素模型，实现台站、障碍物和电磁环境保护区域的全三维显示，且可以通过属性信息，包括台站位置、障碍物高度、电磁环境保护区范围等，对其进行编辑和管理。如图 3所示。

图3  数字化模型显示示意图

为实现智能非现场监管，系统配置障碍物全景图像，身在办公室就能监测障碍物现场情况，如图 4所示。

图4  障碍物全景示意图

3 创新提出基于航空无线电传播原理的电磁环境控高算法，确保台站信号不恶化

根据不同的机场参数，包括天线阵型号与高度、跑道长度等，实时生成天线阵垂直与水平方向图，DVOR反射网高5 m与10 m，天线高1.2 m垂直方向图如图 5所示。

图5   DVOR反射网高5 m与10 m，天线高1.2 m垂直方向示意图

跑道长3 000 m，航向信标距离跑道末端300 m，Normac 12单元天线阵，天线高度3 m的水平与垂直方向图如图 6所示。

 

图6  LOC距离跑道末端300 m，跑道长3 000 m，天线高3 m水平和垂直方向示意图

结合天线阵方向图与航空无线电信号传播算法分析障碍物控高，确保障碍物不会导致通信导航监视台站设备信号降级。

除此之外，系统还能开展通信导航监视气象台进行电磁环境标准分析、视距分析与净空分析，确保障碍物满足各种标准要求。

图7  四大分析展示示意图

4 智能监测电磁环境变化，障碍物监管变被动为主动

通过周期性障碍物的数据更新，刷新设备电磁环境保护情况，实现电磁环境稳定性的持续监测。民航新基建的不断推进，临空经济区的不断发展，政府城市新区的不断规划，使通导监气象设备的电磁环境持续变化，愈发复杂。为避免建设完成后才发现对设备造成影响，系统可以周期性扫描周边障碍物的变化情况，对有变化的障碍物进行着重分析，结合多期数据，评估其影响（是否从无到有，从低到高，从无影响到有影响），预测其趋势，从而提前发现问题，以便民航把握主动权，采取措施，将安全隐患提前解除，实现安全关口前移。如图 8所示。

图8  智能监测功能展示示意图

5 规划分析功能为拟建项目提供建设支持

当前机场或通信导航监视气象台站选址时，不掌握周边障碍物数据，无法评估周边障碍物是否满足标准。另一方面，机场或通信导航监视气象台站周边拟规划建筑，要对所有通信导航监视气象台站进行综合分析，需要各个专业出具意见。

立足规划分析功能的需求，系统开发了规划机场、规划台站和规划障碍物限高三大分析功能，为新机场建设，现有机场新建障碍物，新建台站选址提供一体化解决方案。

1）优化流程和算法，实现机场地形一键导入。

系统在提取机场地势设计图CAD数据特征和飞行区典型地物基础上，通过简单参数输入，即可完成数据配准和高斯投影变换，实现机场设计地势的一键导入，以便进行后续分析，如图 9所示。

图9  设计地势图一键导入示意图

2）规划障碍物限高，建设前控制，有效避免建成后整改。

系统可通过两种方式添加规划障碍物：导入和在线绘制。且自带建筑物、风车、航空器、高压塔架、高压线等三维模型，添加规划障碍物后，计算与规划障碍物有关的电磁环境保护区，得到其限高数据。

图10  规划障碍物示意图

图11  规划障碍物限高结论示意图

3）规划台站分析，为台站选址提供参考。

系统根据不同台站类型，定制不同输入参数。新建台站可进行标准分析、视距分析和电磁环境分析，在台站电磁环境保护区内存在有影响的障碍物，可在规划阶段对台址或者障碍物进行位置调整或方案优化，从而将影响降到最低。

6 结束语

通信导航监视气象设备电磁环境标准不同，且运行方式存在差异，所以将复杂电磁环境保护数字化、可视化、数据化，可以为设备维护方、机场运行方、管理审批方和地方规划提供直观的视觉参考和分析数据，从而在建设前进行规划分析、建设中进行智能监测、建设后进行稳定性评估，提供闭环的一体化解决方案，将空管通导监气象设备电磁环境保护从“被动应对型”转向“主动保障型”，从“传统监管”转向“精准监管”，从“人工决策”转向“数据决策”，是电磁环境数字化转型和智慧化运行的创新性尝试，有利地支持了“四强空管”和“四型机场”建设，对于确保航空安全，支持民航强国战略，有力推进国民经济发展，促进民航与地方经济协调发展具有十分重要研究意义。

来源：文图：《民航科技》