甚高频地空通信信号覆盖问题研究

前言：地空通信是现代航空运输管理系统的核心组成部分，对确保飞机安全运行，提高空域管理效率，应对复杂天气环境的挑战具有重要意义。甚高频（VHF）通信因其频段选择灵活、设备系统成熟、性能稳定、费用可控制等优点，已在民航和无人机等领域得到了广泛的应用。然而由于 VHF 信道自身的视线传播特征，其在实际应用过程中容易受到地形起伏、建筑物遮挡和大气干扰等因素的干扰，容易造成通信覆盖盲区，严重影响信号传输质量。

1. 甚高频地空通信信号覆盖中存在的问题

VHF（ 30-300MHz ）地面－空间通信系统是现代空管系统的核心，其覆盖效果受到多种因素的综合约束，直接关系到通信的可靠性和连续性。首先，信号传输本身的内在特征是影响覆盖范围的根本因素。VHF 通信以视距传输为主，其传输路径容易受到复杂地形的影响。在山区、峡谷和建筑群密集的复杂地形中，地表和建筑之间的相互遮挡会产生“通信盲区”，从而引起空－地间信息不连续的问题。另外，由于地面曲率的存在，使得 VHF 信号的长距离传输受到了自然限制，尤其是飞机在低空飞行时，由于飞行高度和地表起伏等因素的影响，往往需要设置高架天线或者中继转发设备来弥补这一不足[1]。

2. 甚高频地空通信信号覆盖问题解决策略

2.1 合理布置基站

对地面基站进行科学规划，是最大限度发挥 VHF 地空通信覆盖能力的关键。本项目拟从地形地貌特征、空中交通航路拓扑、空域飞行器密集度等多维度参量耦合分析入手，构建无缝、高可靠的通信覆盖场景。在峡谷、盆地低洼、城区高楼密集等复杂地貌环境下，极容易产生电磁波的影子衰落区，如果没有对其进行系统的布局优化，将会造成飞机航迹径向上的通信链路不连续中断。采用高塔架设和塔体支承的天线布局方式，可以提高基站的辐射中心高度，扩大其覆盖范围，并能有效减弱因地形起伏引起的信号遮挡损失。根据 VHF 波段电磁波传播衰减模型、地形遮挡系数和航迹流密度等因素，确定基站间隔，以保证邻近覆盖区内形成合理的电场重叠区域，减小通信盲区。在低空空域覆盖单元中，需要考虑复杂地形和建筑物对目标的遮挡损失和城市建筑群的绕射波衰减，并通过增加空中基站或者在地面上布设中继节点来进行信号衰减补偿。中高航线覆盖规划需要构建覆盖面积和基站建造费用的动态均衡机制，以解决因过度冗余配置而导致的频谱资源利用效率低的问题。在城市复杂电磁环境中，基站布设需要考虑建筑表面对电磁波的多路径反射和散射作用，通过精细调节天线倾斜角度和水平角，使其在平面和竖直方向上均布电场强度，从而保证通信链路的长期稳定和可靠[2]。

2.2 数字信号处理技术运用

基于数字信号处理（DSP）的 VHF 地面－空中通信系统具有不可替代的重要作用，其核心目标是提高通信链路的可靠性和鲁棒性。多途干扰是造成 VHF 波段信号品质下降的重要原因，是指在经过地面、建筑和海面等障碍物后，由多个不同路径同时获得，从而产生相位重叠和振幅衰减的现象。自适应滤波通过实时监控和分析接收到的信号的频谱特性和幅值变化，动态地调节滤波权重，可以有效地抑制多途干扰对通信系统的不利影响，减少系统的误比特率，提高接收信号的信噪比。在复杂的高层建筑和滨海地区，采用自适应滤波器可以有效提高语音信号清晰度和数据传输可靠性。信道编码是另外一个重要的研究方向，它在发送端引入冗余检验信息，并在接收方进行系统的差错检测和纠错，可以在信号发生深度衰减或者受到强烈干扰时，精确地还原出原始信息。基于卷积编码、里德 - 所罗门码和 LDPC 码，可以根据不同信道环境对误码率的需求，自适应地选取和配置超宽带无线通信系统。特别是在空域密集、飞行器高速运动等情况下，信道特征具有时变性，信道编码可在保证话音通信连续性和精确性的前提下，有效减少话音通信中的干扰。

2.3 动态功率与频率管理

在甚高频地空通信系统中，动态功率与频率管理是应对复杂空域环境、提升资源利用效率的关键手段。传统固定功率发射模式存在明显弊端，当飞行器处于基站覆盖边缘时，固定低功率易导致信号弱、通信中断；而固定高功率在飞行器近距离通信时，不仅造成能源浪费，还会加剧同频段信号干扰，影响其他空域通信质量。

动态功率管理通过实时采集多维度数据实现智能调控。一方面，依托基站与飞行器间的实时信号交互，获取飞行器的飞行高度、速度、位置以及当前通信链路的信噪比、误码率等参数；另一方面，结合空域内飞行器的密集程度、地形遮挡情况等信息，构建动态功率调整模型。当飞行器靠近基站且通信链路质量良好时，自动降低基站发射功率，减少能源消耗和对周边信号的干扰；当飞行器处于覆盖边缘、遭遇地形遮挡或通信链路质量下降时，迅速提升发射功率，弥补信号衰减，保障通信连续性。例如，在山区低空飞行场景中，当无人机进入山谷遮挡区域，系统检测到信噪比降至阈值以下，可在 0.5 秒内将基站发射功率从 10W 提升至 25W，确保数据传输不中断。

频率管理则聚焦于解决频谱资源紧张与干扰问题。采用动态频率分配技术，基于空域划分与实时频谱监测，为不同区域、不同类型的飞行器分配最优通信频率。通过建立频谱数据库，记录各频率的使用情况、干扰强度等信息，当某一频率出现干扰超标时，系统自动切换至备用频率，并将干扰频率信息反馈至管控中心，避免干扰扩散。同时，针对民航客机与无人机的通信需求差异，划分专用频率频段，民航客机使用稳定性更高的固定频率，无人机则采用动态可调频率，既保障民航通信安全，又提高无人机空域的频谱利用率。在机场周边空域，通过动态频率管理，可使频谱资源利用率提升 30% 以上，有效减少频率冲突导致的通信中断事件。

结语：综上所述，随着航空智能化和无人机集群作业的发展，VHF 地空通信迫切需要将新的信号处理技术、卫星通信技术和空天地一体化技术相结合，实现高密集空域条件下的大范围覆盖、低传输延迟和高可靠传输，为建设智慧空域管理体制和提高航空安全保障水平提供技术支持。

参考文献：

[1] 段长夏 . 民航甚高频地空通信电台的防干扰措施研究 [J]. 通讯世界 ,2024,31(05):61-63.

[2] 徐亚军 , 吴红洪 , 曾葆鸿 . 基于数字高程模型的民航甚高频地空通信信号覆盖仿真 [J]. 科学技术与工程 ,2024,24(01):95-103.