隨著中國社會改革開放和現(xiàn)代化建設(shè)的不斷推進(jìn)，民航作為現(xiàn)代化交通運輸行業(yè)的重要抓手和基礎(chǔ)手段之一，也實現(xiàn)了跨越式快速發(fā)展，在航空運輸、通用航空、機(jī)隊規(guī)模、航線布局、法規(guī)建設(shè)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和運行保障等方面均取得了舉世矚目的偉大成就。目前，中國共有定期航班航線3326條，航線里程超過780萬公里，未來航空業(yè)將會在2015年客運量3.9億人次、貨運量500萬噸的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)較快增長。中國已經(jīng)成為名副其實的航空大國，民航業(yè)也已經(jīng)成為推動國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要引擎。

然而，隨著馬航MH370空難等一系列事故的發(fā)生，民航飛機(jī)的安全性問題日益引起廣泛關(guān)注。國際民航組織多次呼吁提升民航飛行安全，國際電信聯(lián)盟在當(dāng)年即通過決議研究全球飛行器導(dǎo)航跟蹤問題。歸根結(jié)底，民航飛行的安全性需要民航無線電通信和導(dǎo)航的保障，因為無線電已經(jīng)無可爭議地成為現(xiàn)代航空飛行的“眼”和“耳”。具體而言，無線電通信在航路和航線導(dǎo)航、地空數(shù)據(jù)鏈通信、緊急遇險通信、空對空通信、機(jī)場管制通信、塔臺管制通信、進(jìn)近管制通信、區(qū)域管制通信、航務(wù)管理通信、航站自動情報服務(wù)以及氣象預(yù)報服務(wù)等方面，均發(fā)揮著不可替代的作用。

近年來，隨著民航業(yè)的快速發(fā)展，各地也不斷報道民航通信受到干擾的事件，這些干擾嚴(yán)重威脅到飛機(jī)的飛行安全。無線電管理和監(jiān)測部門作為無線電頻率的管理和安全保障機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)維護(hù)電波秩序，保障各類電臺安全、可靠運行。針對民航干擾問題，中國各級無線電管理機(jī)構(gòu)加強了對民航無線電安全的保障工作，對干擾進(jìn)行了監(jiān)測、定位及查處，有力地保障了民用航空的無線電安全。

傳統(tǒng)的無線電監(jiān)測及干擾定位方法，一般采用在地面布設(shè)監(jiān)測站，由多個監(jiān)測站對干擾信號進(jìn)行直接測向的方法交叉定位地面干擾源。這要求地面設(shè)置多套監(jiān)測系統(tǒng)并同時進(jìn)行干擾信號測向交匯以確定干擾源位置區(qū)域，然后使用移動監(jiān)測設(shè)備在可疑區(qū)域通過測向逼近干擾源，但這種方法還僅限于無線電監(jiān)測設(shè)置配置較好的大中城市。對于民航飛機(jī)在航線上受干擾的情況，由于民航飛機(jī)在高空飛行時最遠(yuǎn)可以收到上百公里以外的干擾信號，同時中國航線眾多且分布較廣，因而飛機(jī)可能受到的干擾面積非常大，加之電波傳播可能會出現(xiàn)反射、折射、繞射等效應(yīng)，基于目前無線電管理部門的監(jiān)測覆蓋能力和人員裝備，傳統(tǒng)的干擾定位方法將可能無法有效發(fā)揮作用。最直接的解決方式是在飛機(jī)上安裝監(jiān)測、測向設(shè)備以進(jìn)行空中監(jiān)測，但飛機(jī)改造成本非常高，同樣存在投資巨大和維護(hù)成本高的問題；不僅如此，由于干擾的出現(xiàn)是隨機(jī)的，為查找干擾必須多次執(zhí)行飛行任務(wù)，這樣將會影響正常的空中飛行秩序，故這種方法也并非經(jīng)濟(jì)有效的解決之道。

針對上述情況，國家無線電監(jiān)測中心創(chuàng)新性提出了利用飛機(jī)散射多普勒頻移信號定位地面干擾源的方法（干擾定位原理示意如圖1所示）。該方法主要是考慮到民航機(jī)身截面積較大，干擾信號通過機(jī)身的散射后仍有可能返回地面而被接收到，同時，經(jīng)民航飛機(jī)散射的無線電信號也會因飛機(jī)的相對運動而產(chǎn)生多普勒頻移。

通過對飛機(jī)散射的微弱信號進(jìn)行捕獲，獲取其多普勒平移曲線（如圖2所示），并對其信號的時頻特性進(jìn)行分析，結(jié)合民航飛機(jī)實時飛行狀態(tài)，采用多元數(shù)據(jù)融合的方法反向解析，就可以實現(xiàn)對地面干擾源的定位，從而解決現(xiàn)有監(jiān)測、測向方法難以直接接收到地面干擾信號、難以定位干擾源的技術(shù)難題。

為了實現(xiàn)這一創(chuàng)新解決方案，國家無線電監(jiān)測中心聯(lián)合北京郵電大學(xué)、大連理工大學(xué)成立了聯(lián)合研究團(tuán)隊，在國家自然科學(xué)基金項目“利用飛機(jī)散射信號定位地面干擾源的方法與裝備研究”的資助下，對飛機(jī)散射模型分布理論、飛機(jī)飛行軌跡動態(tài)獲取、無先驗散射信號特征識別、微弱散射信號捕獲算法、微弱信號多普勒測量及干擾定位理論等多項關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究并取得了重要突破，能夠成功定位飛機(jī)在航線上受到干擾時的地面干擾源位置。這些關(guān)鍵技術(shù)和研究團(tuán)隊取得的重要研究成果包括：

（1）利用高低頻電磁數(shù)值計算綜合實現(xiàn)飛機(jī)頻域、空間域等多域分析方法研究。建立了民航飛機(jī)RCS數(shù)據(jù)庫，并以此為基礎(chǔ)利用優(yōu)化方法建立了民航客機(jī)在地空通信頻段的散射分布模型，計算了散射信號的場強分布。

（2）動態(tài)多普勒頻移的估計理論技術(shù)研究。結(jié)合實際項目需求，提出了基于快速傅里葉變換、分?jǐn)?shù)階傅里葉變換、分?jǐn)?shù)階模糊函數(shù)、分?jǐn)?shù)階功率以及加權(quán)高斯分?jǐn)?shù)階傅里葉變換等理論的動態(tài)多普勒頻移估計方法，實現(xiàn)了微弱多普勒頻移的高精度估計。

（3）非高斯噪聲與同頻帶干擾共存下的微弱信號處理理論研究。提出了基于分?jǐn)?shù)階循環(huán)統(tǒng)計量的參數(shù)估計方法，實現(xiàn)了低信噪比下信號參數(shù)估計。此外，為進(jìn)一步克服分?jǐn)?shù)低階循環(huán)統(tǒng)計量對噪聲先驗知識的依賴，創(chuàng)新性地首次提出循環(huán)相關(guān)熵概念，實現(xiàn)了更好的參數(shù)估計效果，并奠定了以循環(huán)相關(guān)熵、循環(huán)相關(guān)熵譜和循環(huán)相關(guān)熵模糊函數(shù)為基礎(chǔ)的循環(huán)相關(guān)熵基礎(chǔ)理論框架。

（4）系統(tǒng)研究了利用飛機(jī)散射信號實現(xiàn)地面干擾源定位的問題，基于多元數(shù)據(jù)融合的思想，提出了基于相關(guān)熵和粒子濾波等理論的定位算法。此外，針對ADS-B報文時間延遲問題，提出了基于輔助源的時變和非時變的時延估計方法，進(jìn)一步提升了定位的精度。

基于上述理論研究成果研制的國際首套利用飛機(jī)散射信號定位地面干擾源的實驗樣機(jī)已經(jīng)開發(fā)成功。樣機(jī)系統(tǒng)實現(xiàn)了ADS-B飛機(jī)參數(shù)提取、飛機(jī)散射信號接收、多普勒頻移提取及干擾源定位等功能。系統(tǒng)硬件（如圖3所示）由天線、濾波器、低噪放、射頻接收機(jī)、ADS-B接收機(jī)及主控電腦組成；系統(tǒng)軟件模塊如圖4所示，包括飛機(jī)散射信號捕獲、多普勒頻移提取、ADS-B解碼、飛機(jī)實時參數(shù)解析、干擾源定位以及干擾源位置和飛機(jī)實時位置顯示功能六大功能模塊。

研究團(tuán)隊從2013年開始已在北京大興、河北霸州做了多次外場實驗（如圖5所示），對系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了驗證，積累了大量實驗數(shù)據(jù)。

從定位結(jié)果來看，系統(tǒng)可成功實現(xiàn)無直達(dá)波情況下的民航干擾源定位，定位地點誤差小于2千米（如圖6所示）。此項研究成果也表明我國在民用航空無線電干擾定位技術(shù)上已處于國際領(lǐng)先水平。

今后，研究團(tuán)隊還將進(jìn)一步開展研究以降低系統(tǒng)成品體積，提高系統(tǒng)便攜性及易用性，推廣實驗樣機(jī)在民航干擾排查中的應(yīng)用，積累實際干擾定位經(jīng)驗，并對系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行修正，開展多站分布式融合定位研究，提高定位準(zhǔn)確率。同時，有關(guān)循環(huán)相關(guān)熵的方法還可能應(yīng)用于無線被動定位以及其他通信類型中。另外，針對ADS-B報文時間延遲問題，研究團(tuán)隊提出了基于輔助源的時變和非時變的時延估計方法，該方法能有效地估計ADS-B的報文時延，從而提高ADS-B系統(tǒng)監(jiān)控民航飛機(jī)位置信息的精度，同時，該方法也可使用在地面ADS-B監(jiān)控站上，使ADS-B系統(tǒng)更好地服務(wù)于民航飛機(jī)實時監(jiān)控。

作者簡介：

李景春，國家無線電監(jiān)測中心教授級高工，百千萬人才工程國家級人選；

王曉冬，國家無線電監(jiān)測中心高級工程師；楊文翰，國家無線電監(jiān)測中心高級工程師；富堯，國家無線電監(jiān)測中心工程師；鮑堯，國家無線電監(jiān)測中心助理工程師；陳京，國家無線電監(jiān)測中心工程師。