浅析移动5G网络对飞机RA系统干扰的风险评估

来源:用户上传      作者:王荆穗 叶文涛

　　摘要：无线电高度表（RA）是飞机上唯一能够直接测量地形上方净空高度的“传感器”，在飞行关键阶段，尤其在进近和着陆阶段为飞行员情景感知及飞机导航、指示、飞行指引和控制系统提供关键的高度数据。本文从理论和实践角度，解析飞机无线电高度表受5G无线网络频率干扰的原因，阐明RA系统受5G干扰风险评估的现状和面临的困难，为航空公司的运行提供风险认知的参考，为民航和无线电工业企业在此项目后续的协同工作上提供建议基础。
　　关键词：无线电高度表；5G网络；干扰；风险评估
　　Keywords：radio altimeter；5G network；interference；risk assessment
　　0 引言
　　2021年12月9日，FAA发布AD 2021-23-12，声明安装RA系统的所有机型如果受到美国5G C波段3.7～3.98GHz频率的干扰，将导致飞机无法依靠RA系统实现预期的功能。对此，FAA要求在2022年1月4日（含）前修订飞行手册，对于安装了RA系统的所有机型在美国空域已发布5G信号干扰航行通告（NOTAM）的区域和机场执行运行限制。限制项目包含：仪表进近程序SA CAT I，SA CAT II，CAT II，CAT III；需要授权的RNP AR IAP；自动着陆；人工飞控指引系统着陆/HUD着陆等。
　　此AD的运行限制，引起了国内外各航司热议，为什么5G网络会对飞机 RA系统产生干扰？飞机的RA系统在全球范围到底面临怎样的干扰风险？
　　1 5G网络
　　民航飞机RA系统的工作频率范围为4.2～4.4GHz，使用非{制脉冲雷达或调频连续波（FMCW）雷达技术，通过计算发射和接收RF信号的双向传输时间来测量飞机的离地高度。系统接收机接收到的RF反射波功率很低，通常在1瓦特量级，因而RA的接收机具有灵敏度高、易受干扰的特性。RA系统的工作频率，属于航空无线电导航服务（ARNS）频谱中的一段，受国际电信联盟（ITU）认可和保护。
　　现在全球普遍使用的4G LTE移动通信网络的频率范围定义在3000MHz以下。而移动5G通信网络3GPP（3rd Generation Partner Project）R15定义中，将5G NR（New Radio）分为两大频谱范围FR1：450～6000MHz（通常称为Sub-6 GHz）和FR2：24250～ 52600MHz。上述FAA AD中提到的5G C波段属于FR1，指在C波段（根据IEEE 501-2002标准，指频率在4～8GHz的无线电波段，通常上行频率范围为5.925～6.425GHz，下行频率范围为3.7～4.2GHz）部署的新一代无线宽带5G网络。
　　由图1可见，全球部分地区的5G频率范围已非常接近RA的工作频率范围。在高速发展的网络应用环境下，尽管RA的工作频段受到保护，但其性能是否还能满足航空安全的要求，则要看RA的最低运行性能标准（MOPS）。RA系统的MOPS于1980年完成最近一次修订（EUROCAE ED-30），其内容与RTCA DO-155（1974年）所列内容基本等同。
　　从MOPS修订时间来看，1980s年代使用的民用无线网络的频率范围还远未能接近RA的工作频率。因此，对于当前5G频率非常接近RA频率的网络应用环境，此版MOPS已无法适用。
　　2 RA受5G网络干扰的理论来源
　　当前国内各航司仅收到FAA的AD，对RA受5G干扰提出了确定的评估结论和强制运行要求，该要求仅针对美国境内有航行通告（NOTAM）列出的部分机场和区域。为了确保飞机运行的安全，电信行业也做出了努力，于2022年1月同意，在6个月内对计划全面开放的3.7～3.98GHz 无线网络，在美国部分机场跑道附近区域设置缓冲区，实施发射功率限制，概况如图2所示。目前来看，如果严格执行FAA AD要求，航司各机队在美国5G相关区域的运行风险是可控的。
　　为明确机队在其他有5G网络地区的运行风险，各航司已向所属局方和飞机制造商提出咨询，除了有民航飞机RA系统受到军方4.2～4.4GHz频段活动干扰的记录外，官方均确认无RA系统受5G网络干扰的事件报告，暂时也没有受干扰风险的其他官方信息。
　　FAA AD的发布，源于一份RTCA报告Paper No.274-20/PMC-2073，世界各地局方和制造厂家对飞机RA受5G网络干扰的评估和运行要求都是基于此报告的分析和结论。因此，航司机队的运行在各地是否有受到5G干扰的风险评估，可通过解读这份RTCA报告寻求可利用的理论依据。
　　2.1 干扰分析模型和干扰门限值
　　RTCA报告是针对美国3.7～ 3.98GHz频段的5G网络采用经验值确定的方法进行的评估。分析中首先建立一个干扰分析模型：
　　PRX=Psource+Gsource―Lprop+GRA―LRX（1）
　　其中，PRX代表RA接收机在受到干扰时的接收功率；Psource代表干扰源的输出功率，Gsource代表干扰源的发射增益，Lprop代表传输损耗，GRA代表RA接收天线的增益，LRX代表接收路径电缆损耗。
　　为判断RA是否受到有害干扰，定义了一个标准值，称为RA的干扰门限值。在干扰分析模型中，当RA接收功率PRX超过这个干扰门限值时，RA的输出超出其系统设计要求，即RA输出的高度发生数据错误、延时或者丢失，该情况被认为是不可接受的，即造成了有害干扰。将需要评估的5G网络相关参数式（1），把计算结果PRX与定义的RA干扰门限值进行比较，就可以分析出该网络是否会对RA造成干扰。
　　2.2 分析对象和分类

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