经典无线电导航系统(1-3)第3章.ppt

n3.1 无线电罗盘无线电罗盘(ADF)n3.2 甚高频全向信标系统（甚高频全向信标系统（VOR））n3.3 无线电高度表 n3.4 测距器测距器(DME)n3.5 塔康系统（塔康系统（TACAN）） n3.6 多普勒导航系统多普勒导航系统(Doppler)n3.7 罗兰-C系统 第三章 经典无线电导航系统13.1 无线电罗盘(ADF)n概述n组成及功能n基本工作原理n系统误差分析及改进措施23.1.1 概述n无线电罗盘（radio compass）是一种最小值测量来波向的振幅式测角无线电导航设备，又称无线电自动侧向仪（automatic direction finding），配套地面设备是无方向信标（Non-direction beacon）n系统的工作频率在100khz～1800khz范围内，属中、长波波段，因此主要依靠地波或直达波传播n地波的传播距离可以达到几百公里，但受到天波的污染，特别在夜间，只有当飞机离地面导航台站较近时，方位读数才比较可靠，系统精度为2度左右3n无线电信标台一般安装在机场附近，使飞机能够沿精确的航线向信标台飞行，然后执行向跑道的非精密进场n在第一次世界大战期间，开始使用该系统引导船只的出航与归航，后来很快发展到航空导航。

n无线电罗盘有半自动和全自动之分，采用前者测向时，必须人工旋转环状天线或搜索线圈，采用后者时，无论是测向还是归航，都完全由罗盘本身自动完成4n （1）20世纪四五十年代采用电子管电路，对地面无线电台频率采用机械软轴进行调谐，定向天线为单个的旋转式环形天线，其典型设备为R5/ARN7； n （2）20世纪六七十年代采用晶体管电路，频率选择采用粗、细同步器调谐，定向天线采用两个正交的旋转式或固定式环形天线，如APK—11，WL—7—6A型定向机等n （3）20世纪80年代左右，采用集成电路，数字选频，采用旋转测角器来代替环形天线的旋转发展阶段5n无线电罗盘指示的角度是以载体纵轴为基准顺时针转向飞机到导航台连线的夹角n若要得到飞机相对于导航台的方位，必须知道飞机的航向，所以需要与磁罗盘或其他航向测量设备相结合n飞机上通常把磁罗盘和自动测向仪的指示部分结合在一起，构成无线电磁指示器（RMI, Radio Magnetic Indicator）63.1.2系统功能及组成n无线电罗盘属于M型最小值法测向系统n无线电罗盘主要有六种功能n规定航线：使飞机沿给定的航线飞行；n定位：测出两个以上地面导航台的航向角，可以实现对飞机的定位；n压点飞行控制：判断飞越导航台的时间7n着陆引导：配合仪表着陆系统引导着陆。

n识别通信和监听：接收导航台站发出的音频识别信号及其它信息n遇险救助：可接收民用广播电台的信号，并可用于定向；还可收听500千赫的遇险信号，并确定遇险方位8n整个系统包括地面设备（无方向信标）和机载设备（无线电罗盘）n机载设备通常由以下几部分组成： n天线：包括垂直天线、环状天线及测角器n接收机：一般多为超外差式n控制台n指示器系统组成9基本技术指标n有效作用距离 250～350km n工作频率范围 100～1799.3kHz，共分四个波段 nΙ 100—199.5 kHz nⅡ 200～399.5 kHz nⅢ 400—899.5 kHz nⅣ 900～1799.5 kHz 103.1.3 基本工作原理111、方向性图的转动n无线电罗盘在测向过程中，需要随时转动环状天线的8字形方向性图，使其最小值(零值点)对准被测的地面导航台n为使方向性图能够旋转，一种方法是用电机直接拖动环状天线转动，另一种方法是天线固定不动，通过测角器实现方向性图转动12n将两个环状天线垂直安放，并固定不动，两个天线的线圈分别接到测角器的两个固定线圈(称为场线圈)上，如图所示13n测角器中形成一个合成磁场,测角器的活动线圈(亦称搜索线圈)，在合成磁场作用下所产生的感应电势为：n搜索线圈通过同步发送器与指示器相连，转动搜索线圈使其平面与合成磁场平行，感应电势消失，相当于8字形方向性图的零值点对准了地面导航台，此时指示器指针所示的角度即搜索线圈转过的角度就是所测之导航台航向。

n搜索线圈的转动代替了环状天线的转动，达到了方向性图旋转的目的142、90度移相153、平衡调制与迭加n环状天线信号移相90°后，经放大与倒相加给平衡调制器两个幅度相等而相位相反的信号n平衡调制器，在135HZ低频信号控制下工作，得到两个旁频（边频）信号，在迭加电路中与垂直天线接收来的载频信号进行迭加 16n接收机将此调幅信号经混频，中放和检波处理成低频信号，一路送至耳机进行人工定向；n另一路经135Hz选频电路将135Hz信号从检波后的低频信号中分离出来，作为误差信号加到伺服电机的控制线圈中去174、伺服电机的转动n加到伺服电机控制线圈中的135Hz信号，是一个可变相位信号它的起始相位决定于地面导航台处在8字形方向性图最小值的哪一边(左边还是右边)n加到伺服电机激磁线圈中的135Hz信号，却是一个相位固定的基准信号n当导航台在飞机右侧时，可变相位信号的起始相位为正，超前于固定相位信号90°，使伺服电机带动测角器搜索线圈向右(顺时针)转动；n当导航台在飞机左侧时，可变相位信号之起始相位为负，滞后于固定相位信号90°，使伺服电机向左(逆时针)转动1819四、系统误差分析及改进n无线电罗盘是依赖于地面导航台发射的无线电波进行定向。

n误差大致可以分为n环形天线附近金属导体的干扰误差、n电波传播误差n设备误差 20（（1 1）象限误差）象限误差n也叫罗差，主要是环形天线附近金属导体的干扰误差n当地面电台辐射的无线电波到达飞机机身等金属物体上时，将在金属物体上产生交变的感应电流，该电流又在机身等金属物体周围产生辐射电波，这种现象称为两次辐射n两次辐射电波与原电波叠加后，合成电波作用到环形天线的方向与原电波传播方向相差一个角度，从而改变了定向方向，造成了定向误差，该角度称为象限误差或罗差21基本措施n采用象限误差修正器来修正象限误差，现代飞机通常使用的是电感式罗差补偿器n电感式罗差补偿器是一个平衡电感衰减器，它用于正交固定环形天线式自动定向机，接在环形天线与接收机之间，将正交固定式环形天线的横向线圈或纵向线圈的信号按修正度数要求给以相应的衰减，从而得到适当的罗差补偿n目前新式的无线电罗盘ADF—700中，并不用专门的象限误差修正器，而是在接收机尾部中间插头上的5个插钉由跨接线按不同的连接组合来修正象限误差22极化误差极化误差n无线电罗盘工作在中波波段，电离层对电波的吸收白天比夜间强，因此白天接收机只能收到地波信号。

n而在夜晚，电波受电离层的损耗比白天小，由电离层反射的天波分量加强，所以无线电罗盘可能同时接收到地波与天波信号，这会形成电波衰落n另一方面，由于反射的天波将使垂直极化波变为椭圆极化波，在环形天线的水平部分产生感应电势，不仅会使接收信号减弱，同时使环形天线的最小接收方向模糊不清，而造成定向误差，即极化误差n减小极化误差的根本措施根本措施就是避免接收天波信号，并在测定方位时注意读取方位角的平均值233.2 甚高频全向信标系统甚高频全向信标系统VORn概述概述n功能及组成功能及组成n工作原理工作原理243.2.1 概述概述n甚甚高高频频全全向向信信标标系系统统VORVOR（（VHF VHF Omni Omni directional directional RangeRange））是是一一种种相相位位式式近近程测角程测角导航系统导航系统n可可以以确确定定以以导导航航台台所所在在位位置置北北向向为为基基准准( (也可以航道方向）的也可以航道方向）的飞机方位飞机方位n通通常常与与测测距距器器配配合合使使用用，，不不仅仅用用于于航航路路导航导航，而且可用于，而且可用于飞机进场飞机进场引导25发展历程Ø1936年由德国SEL公司研制成功；Ø1947年国际民航组织将其定为标准近程导航设备；Ø1952年英国马尼克公司开始生产；Ø1958年美国开始使用；Ø1965年DVOR出现，得到迅速发展；26我国VOR发展n民航1964年首次由法国THOMSON公司引进4套l615/2型电子管式的甚高频全向信标，分别安装在大王庄、无锡、昆明和英德等地（现已淘汰）；n1973年从法国THOMON公司引进10套TAH510型全晶体管化CVOR；n1987年引进13套英国RACAL公司的MK—I型全固态DVOR；n1988年从法国THOMSON公司引进12套512D型全固态DVOR；n1993年至今又引进了澳大利亚AWA公司的VRB—5lD型DVOR一百多套27n1、ADF采用地面无方向性天线发射，机上方向性天线接收；VOR地面导航台站用方向性天线发射，机上采用无方向性天线接收。

n2、VOR可以直接提供飞机的方位角（相对于地面导航台站）而无需航向标准，精度高于ADF与ADF相比，具有如下特点：28n3、工作频率高（108~118M)，受静电干扰小，指示较稳定但作用距离受视线距离的影响，与飞行高度有关n4、地面导航台站的场地要求较高，如果地形起伏较大或有大型建筑物位于附近，则由于反射波的干涉，将引起较大的方位误差29VOR相关角度nVOR方位角（电台磁方位）n以飞机为基准来观察VOR台在地理上的方位n飞机磁方位 n以VOR台为基准来观察飞机相对VOR台的磁方位 n磁航向n磁航向是指飞机所在位置的磁北方向和飞机纵轴方向(机头方向)之间顺时针方向测量的夹角 n相对方位角n飞机纵轴方向和飞机到VOR台连线之间顺时针方向测量的夹角，叫相对方位角，或称电台航向 3031nVOR可以用来进行定位，主要有两种方法：n一种为测角定位（θ－θ定位），即测出飞机到两个已知位置VOR台的方位角，得到两条径向的位置线，由其交点来确定飞机的地理位置；n另外一种为测角－测距定位（ρ－θ定位），或称极坐标定位，即与时间测距系统DME相结合，通过测量飞机方位角和到VOR／DME台的距离进行定位。

32n在一条“空中航路”上，根据航路的长短、规定的航路宽度和伏尔系统的精度，可以设置多个VOR台n航路上的VOR台还可作为航路检查点，实行交通管制服务另外，VOR台与仪表着陆系统ILS配合，可作为飞机进近和着陆的引导设备航道导引和检查33航路导引343.2.2 系统功能与组成 n据用途的不同可以分为航路伏尔和终端伏尔n1、用于航路导航的VOR（简称CVOR，Conventional VOR）n台址通常选在附近区域无障碍物的地点，如山的顶部等，以尽量减小因地形效应引起的台址误差和多路径干扰n此时采用北向方位，使用频率范围为112MHz～117.95MHZ,每隔50kHz为一个频点，共有120个频点，发射功率100～200Wn作用距离受视距限制，在1200m高空，典型作用距离可达200海里35n2、用于进近着陆的VOR（终端Terminial VOR，简称TVOR）n安装在机场跑道后方，采用跑道延长线为方位基准n使用频率为108MHz～111.95MHz，亦每隔50kHz一个频点，共有80个频点,发射功率约50W其中小数点后第一位为偶数的频点为TVOR使用，其他40个频点由仪表着陆系统的航向台(IIS LOC localizer)使用。

nTVOR台通常和DME或ILS的航向信标（LOC）设备装在一起，或组成极坐标定位系统，或利用和跑道中心延长线一致的TVOR台方位线，代替LOC对飞机进行着陆引导n作用距离一般在25海里以内 36地面导航台n地面导航台是系统确定方位的基础，它具有两套独立的发射天线n一套是无方向垂直天线，提供基准信号；n另一套是方向性天线，提供随方位可变相位信号37机载设备n1、天线nVOR天线与仪表着陆系统（ILS）的航向信标（LOC）设备的天线一般是共用n安装在飞机垂直安定面上或机身上部，避免机身对电波的阻挡，以提高接收信号的稳定性n2、甚高频导航控制盒n控制盒一般是VOR、ILS、DME共用n主要功能有：甚高频通讯、频率选择和显示、用试验按钮检查相应设备的工作性能、音量控制等38n3、VOR甚高频接收机n提供如下信号给指示器等设备输出：话音和台识别信号、方位信号、航道偏离信号、向／背台信号、旗警告信号等n4、指示器n常用的指示器有无线电磁指示器（RMI）和水平位置指示器（HIS Horizontal Situation Indicator ，或航道偏离指示器39403.2.3 系统工作原理41n在实际工作中，VOR是通过接收设备测量比较地面发射台的两个30Hz的低频信号的相位来测定飞机方位的。

n运载体的方位决定于基准信号和可变信号之间的相位差这两个信号分别称为基准相位信号和随方位可变相位信号n基准相位信号与可变相位在磁北方位上是同相的，在其他方向是不同的4243一、基准信号的产生一、基准信号的产生n基准相位信号由VOR地面台的全向天线发射，形成全向水平极化辐射场n该信号先用30Hz对副载波9960Hz调频，后调幅到载频(108～118MHz)上44二、可变相位信号的产生二、可变相位信号的产生n可变相位信号是采用两个环形天线（实际中采用分集天线）来产生n用30Hz的低频信号直接对载频调幅，然后由方向性天线发射，其中两个环形天线的放置方向互相垂直信号在空间任意一点的合场强为：4546nVOR系统总的合成场47接收机语音滤波器10KHz滤波器30Hz滤波器限幅器频率检波移相器低频放大相位检波器指示器VOR接收机n机载全向天线负责接收信号，经高频放大、变频和中放后，从检波器输出端加到三个不同的通道，即方位通道、基准通道和语音通道483.2.4 多普勒伏尔（多普勒伏尔（DVOR））n上面我们主要介绍的是旋转发射天线方向性图的VOR的工作原理下面，我们来介绍一下旋转无方向性发射天线的相位测向方法，即多普勒伏尔。

n由于旋转天线的多普勒效应，天线辐射（或接收）的信号频率将被天线的转速所调制，相当于对信号进行了频率调制，这种调制使信号的相位发生相应变化，产生包络线相位与方位有一定关系的调相辐射场，从中可以确定运载体的方位，因而称为多普勒伏尔49Ø1964年我国民航首次由法国引进四套设备；Ø1987年我国从英国引进13套DVOR 设备；Ø1988年我国又从法国引进12套DVOR设备；Ø1993年至今又从澳大利亚引进了100多套DVOR设备50 在O点设置一等幅发射机，同时将高频信号馈送到在水平面内沿半径为R的圆周运动的无方向性天线A5152n接收到的调相信号的包线相位与观测点方位之间存在单值关系n当接收到DVOR信标台的信号，并测量出包络线的相位，就可直接确定运载体相对于信标台的方位n相位与方位的关系是连续的，可在任意方向上进行导航定位， 因此是一种全向的无线电相位测向系统n接收点B的接收频率便是随天线旋转角频率按正弦规律变化的n载体沿径向运动的速度不影响信号的包线相位，但使频率偏移比较固定的一个数值（速度不可能发生突变n频偏的最大值决定于载频频率和发射天线的线速度53n1、为了能较方便的分出包线，希望最大频偏要大一些。

n在波长选定的情况下，如果采用机械旋转的方式，要增大切向速度，最好增大半径，而不是旋转角速度，n旋转天线所需要的机械力与旋转半径的一次方成正比，而与旋转角速度的平方成正比n2、在天线较大的情况下，直接旋转天线是比较困难的，通常的做法是将许多天线按照一定的半径排列成一个天线阵，对天线阵中的每个辐射单元采用轮流馈电的方法54VRB-51D 多普勒甚高频全向信标55n为满足±480Hz的调制频偏，圆天线阵的直径取为13.4m，且以30转／秒的转速转动，将产生1262m／秒的圆周速度，即产生了VOR所要求的±480Hz的频率偏移n采用大天线阵的另一个好处是，由于宽孔径天线具有削弱场地误差如多路径效应的能力，并且DVOR中采用了双边带发射，进一步减小了场地误差影响，其测量精度比CVOR大为提高，可以达到在任何径向（方位）上的误差不超过1º的精度56n在DVOR中，载频用30Hz的信号调幅后由中央无方向性天线辐射，作为系统的基准信号；与方位有关的30Hz可变方位信号由圆周上的边带阵天线辐射，该边带信号相对载频偏离±9960HznDVOR的调制方式与CVOR相反，其信号调幅和调频的作用与CVOR相互颠倒，为使标准VOR接收设备能与DVOR兼容工作，应使在某方位上的载体收到的可变相位信号超前于基准信号，因此需要使DVOR天线波束转动的方向与CVOR的相反。

573.3 无线电高度表 n概述n工作原理n误差分析58飞行飞行““高度高度””的定义的定义飞机飞行的高度是指飞机在空中的位置和所选定的基准面之间的高度差值，由于所造的基准不同，因而也有不同的高度定义n相对高度相对高度n绝对高度绝对高度n真实高度真实高度 n标准气压高度标准气压高度59n相对高度n指飞机对某一指定的场面，如机场（如即将要降落的目的地机场）地面之间的高度n高度表的气压刻度以机场为基准时，称为场面气压高度，在起飞和降落时驾驶员必须知道这一高度 n真实高度真实高度n指飞机和它正下方地面的垂直距离，无线电高度表所测量的高度60n绝对高度：n是飞机到海平面之间的高度，也称为海平面气压高度n标准气压高度：n是指飞机到标准气压平面之间的高度标准气压面是人为设定的，在这个平面上大气压力为760毫米汞柱高，温度为15℃（288K）n由于这个高度不随温度和湿度的影响而变化，它和真实的海平面高度是不完全一致的，因而标准气压高度和绝对高度不同n国际民航组织规定当飞机进入航线后，一律使用标准气压高度 61高度表n所谓无线电高度表，即测量飞机距地面的垂直距离，也就是飞机所飞的高度n高度表是飞机的基本仪表之一，主要有无线高度表和气压式高度表。

n气压式高度表的传感媒质是机上大气的静态压力，利用飞机上大气的静态气压与本地海平面或机场水准面的静态气压之差来给出高度n气压式高度表所测的高度，是相对于海平面或机场水准面的高度，也可以理解为地理高度62n无线电高度表的信号在4200~4400MHz上，载频必须要进行调制，通常采用频率调制(低高度表)和脉冲调制(高高度表)两种n飞机利用高高度表在高空飞行，在进场着陆时要用低高度调频高度表其原因是脉冲调制的高度表，其最小可测高度由脉冲宽度所确定n例如在50ns脉冲宽度的情况下，最小可测高度不可能小于7.5m；而用频率调制的低高度表，其最小测量高度可达到0.5m 63n高性能和低高度飞行的军用飞机和巡航导弹系统要求在保持高度的隐蔽性和抗干扰性的同时进行精确的高度跟踪n高度标定雷达一般是低高度高度表，专门用于在特定高度上提供标定信号，从而启动某一自动操作n如引信触发或打开登月系统上的降落伞n为民航服务的雷达高度同时要支持自动着陆、拉平和接地计算等功能 6465663.3.2 调频高度表工作原理 n1、 基本物理过程及关系式 67n通常反射信号的强度远远小于发射信号的强度，即：V1m>>V2m68n应当强调，Vm是合成信号的包络，类似于调幅信号的振幅。

将合成信号V送入接收机中的差拍检波器，并设检波系数为1，则在检波器的输出端可以获得信号：69n由上式可以看出，检波后信号的相位信息中包含了高度信息，似乎直接从其中得到高度比较方便n在实际应用中，由于没有基准相位进行比对，很难提取高度信息70n从频率中提取高度信息，并以脉冲计数的方式来得到高度n首先，如果不从相位上来提取高度信息，而是从频率上，则该信号的初相所携带的信息被剔除n在高度一定的情况下，初相将不影响信号的起伏变化，此时的起伏完全是由变化的相位项引起的频率测高7172n可以看到信号相位起伏的大小取决于高度所影响的可变项n在一个调制周期内，相位起伏越大，则检波器输出端信号的变化越快，即过零点越多n每一个过零点我们都可以通过脉冲整形或限幅的方法得到标准脉冲，从而用于计数73n量化误差同时也对应最小可测高度n减小量化误差的途径：n1、保持最大相对频偏不变的情况下，尽量的减小发射波波长，即增大发射频率；n2、尽可能加大最大频率频移，即增加调频深度74n为了得到最大可测高度，我们重新考察可变相位项 n如果高度很高，那么这个假设将不再成立当高度增加到某一数值时， =1，此时合成信号的相位变化与高度的变化将不再对应，此时的高度称之为理论最大测量高度Hmax。

n考虑到实际中实现的困难和非线性误差的影响，最大可测高度一般取（0.05～0.1）Hmax75n**n 此处给出的最大可测高度为值，考虑到实际中实现的困难和非线性误差的影响，最大可测高度一般取（0.05～0.1）Hmax763、改进途径n简单调频式无线电高度表在特征频率测距(测高)原理方面有其突出的代表性，但由于其测量方法引入的阶梯误差，很难降低到令人满意的程度，故限制了它的应用范围n为了降低阶梯误差，提出了不少改进措施，从而形成了各种型式的调频式无线电高度表，如：n具有旋转移相器的调频式无线电高度表，n双调频式无线电高度表，n调频深度渐增式无线电高度表等等。