無線電導航原理pptConvertor

1、第三章 無線電導航系統(tǒng)3.1 無線電振幅導航系統(tǒng)3.2 無線電頻率導航系統(tǒng)3.3 無線電脈沖 /時間導航系統(tǒng)3.4 無線電相位導航系統(tǒng)3.1 無線電振幅導航系統(tǒng)3.1.1 振幅導航系統(tǒng)的定義： 根據(jù)無線電波的信號振幅與導航參數(shù)的對應關(guān)系，完成導航參數(shù)測量功能的導航系統(tǒng)稱為 無線電振幅導航系統(tǒng)。導航參量：通常是指角坐標參量，包括飛機或船只的方位、 導航臺方位、飛機的下滑角和航向角3.1 無線電振幅導航系統(tǒng)3.1.2 振幅導航系統(tǒng)的應用范圍： 一般用于運載體的測向，通過自動測向儀器引導飛機、船只朝向或離開導航，并可以利用 兩個或兩個以上的導航臺實現(xiàn)定位，或者通過儀表著陸系統(tǒng)實現(xiàn)飛機的下滑著陸功能。

2、3.1 無線電振幅導航系統(tǒng)3.1.3 組成部分：地面的導航臺：發(fā)射有一定方向或全方向的無 線電信號，又稱為信標臺或者航向臺 運載體上的測向器：接收信號和實施定向，稱為無線電羅盤或定向接收機工作波段： 長波、中波或者短波，覆蓋范圍可達幾百公里3.1 無線電振幅導航系統(tǒng)3.1.4 振幅導航系統(tǒng)的工作原理： 運載體為了利用信標臺的信號，需要事先知道信標臺的準確的地理坐標，發(fā)射頻率、 發(fā)射形式、 臺站識別碼、 工作時間等參數(shù)，根據(jù)這些參數(shù)調(diào)諧機載設備，得到運載體的方位 和位置。發(fā)射的信號： 識別信號 識別地面導航臺工作信號測量導航參數(shù) 輔助信號傳送某些輔助參數(shù)3.1 無線電振幅導航系統(tǒng)3.1.5 測定

3、目標的方法：最大值法最小值法等信號比較法獲取角參量的方法：E 型：利用載波信號振幅本身的變化來實現(xiàn)定向M 型： 利用載波信號振幅的調(diào)制深度變化進行定向無線電振幅導航系統(tǒng) 按接收信號最大值測定方向3.1 無線電振幅導航系統(tǒng)3.1.6 方位的無線電測量法 振幅導航系統(tǒng)通常利用無線電系統(tǒng)天線的方向性圖實現(xiàn)方位角的測量，在 E 型 天線中，載波信號的幅度與導航角參量建立其函數(shù)關(guān)系：在M型工作方式則在其工作區(qū)內(nèi)保持載波信號幅度大于規(guī)定的數(shù)值，用信號的調(diào)制深度m和角度建立起函數(shù)關(guān)系：3.1 無線電振幅導航系統(tǒng)3.1.7 測量方法1) 最大值法基本原理： 利用具有針狀方向性圖的天線， 以運載體本身為中心，

4、以子午線北向為 基準， 順時針轉(zhuǎn)到其方向性圖最大值對準導航臺的位置， 此時接收信號為最大， 天線所轉(zhuǎn)過 的角度即為所要觀測的導航臺的方位角，或?qū)Ш脚_所在的方向按接收信號最大值測定方向3.1 無線電振幅導航系統(tǒng)3.1.7 測量方法2) 最小值法基本原理：利用分開一定角度的雙針狀方向性圖天線，將天線從子午線北向旋轉(zhuǎn)到 方向性圖的最小值對準信標臺， 天線所轉(zhuǎn)過的角度即為導航臺的方位， 該方法與最大值法的 思想相反，其中理想的信號是最小值為零值。按接收信號最小值測定方向3.1 無線電振幅導航系統(tǒng)3.1.7 測量方法3) 等信號法基本原理：采用部分重合的雙針狀方向性圖天線，當兩個波束的接收信號相等時，

5、即可獲得一條等信號線的方向， 轉(zhuǎn)動天線， 使天線兩個波束的接收信號強度相等， 即可確定 出導航臺的方位， 其不靈敏度和測向精度均介于最大值法與最小值法之間，并且能判斷出被測導航臺偏離等信號線的方向。按等信號法測定方向3.1 無線電振幅導航系統(tǒng)3.1.8 無線電振幅導航系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 無線電振幅導航技術(shù)出現(xiàn)很早，早在一次世界大戰(zhàn)期間，就可以用于引導船只的歸航和出航， 并很快發(fā)展到對飛機的導航， 但是該系統(tǒng)存在著測向精度不高的缺點， 限制了他的 進一步應用。隨著導航技術(shù)的發(fā)展， 該類系統(tǒng)經(jīng)過不斷的完善和改進， 作為基本的導航手段仍 然在航空和航海等領(lǐng)域廣泛應用，其中儀表著陸系統(tǒng)仍然是飛機進近

6、和著陸的設備。特點：設備結(jié)構(gòu)簡單，使用維護方便，價格低 廉，指示直觀明確，3.1 無線電振幅導航系統(tǒng)3.1.8 發(fā)展趨勢由于當前 GPS 的迅速發(fā)展， 振幅導航系統(tǒng)受到了很大的沖擊， 將逐漸被淘汰或者被賦予 新的功能，。如可用無線電信標臺在播發(fā)指向信號的同時兼發(fā)差分GPS修正數(shù)據(jù)，在局部范圍內(nèi)提高GPS的定位精度；或者將信標臺改造為只發(fā)差分信號的中波數(shù)據(jù)鏈臺。從目前的發(fā)展趨勢來看，振幅系統(tǒng)還會繼續(xù)使用，但未來的發(fā)展將更多的采用組合方 式，與其他的導航系統(tǒng)組成多功能，高可靠性的組合系統(tǒng)。3.1 無線電振幅導航系統(tǒng)3.1.9 無線電羅盤測向系統(tǒng) 該系統(tǒng)是一種地基定向系統(tǒng)，由機載或船載定向儀自動測定

7、地面發(fā)射臺的無線電來波方 向，從而獲得飛機或者船只相對于信標臺的坐標方位角數(shù)據(jù)。組成部分：機載設備 ：無線電羅盤（ Radio Compass）地面設備 : 地面導航臺無線電羅盤工作原理3.1 無線電振幅導航系統(tǒng)3.1.9 無線電羅盤測向系統(tǒng) 基本功能：1 ）可以連續(xù)自動的對準地面導航臺， 引導飛機沿給定航線飛行， 在給定方向上完成從 一個臺站到另一個臺站的飛行；2）通過測出飛機對兩個以上地面導航臺的方位角數(shù)據(jù)，利用所得到的位置線的焦點， 實現(xiàn)對飛機的水平位置的定位；3）引導飛機進入空中走廊的出入口；4）引導飛機完成著陸前的進場飛行和下降飛行，使飛機對準跑到中心；5）在航海應用中，可以確定發(fā)出

8、SOS 呼救信號的遇難船只的方位。3.1 無線電振幅導航系統(tǒng)儀表著陸系統(tǒng) （ILS Instrument Landing System）（1） 系統(tǒng)簡介 著陸系統(tǒng)是飛機航行中最為重要的階段，也是事故率最高的階段，要求飛行員在很短 的時間內(nèi)完成很多高標準的操作。儀表著陸系統(tǒng)包括：航向臺下滑臺信標臺儀表著陸系統(tǒng)工作示意圖3.1 無線電振幅導航系統(tǒng) 儀表著陸系統(tǒng) （ILS）（2） 優(yōu)缺點1）只能在空間上提供一條單一的下滑道，一次只允許一架飛機從單方向降落2）提供的下滑角是固定的，對飛機的類型限制很大3）對周圍地形要求很高，不允許有遮擋物4）下滑道會隨季節(jié)和氣候變化而變化，容易產(chǎn)生彎曲5）工作頻率低，

9、天線尺寸大6）工作波段有限，不適合密集機場7）信號受廣播電臺的干擾3.1 無線電振幅導航系統(tǒng) 無線電振幅導航系統(tǒng)的測向誤差1）設備誤差2）極化誤差3）二次輻射誤差和反射誤差4）無線電波傳播方向變化和地形的影響5）大氣噪聲干擾誤差和接收機內(nèi)部的噪聲干擾6）無聲錐的影響測量角參量的誤差3.2 無線電頻率導航系統(tǒng)3.2.1 可與導航參量相聯(lián)系的頻率有：1）載波頻率2)調(diào)制頻率3）脈沖重復頻率4）信號的差拍頻率5）多普勒頻率這些頻率可分別建立起與距離、 距離差、 速度、 角度等參量的對應關(guān)系， 相應的導航系 統(tǒng)稱之為頻率測距、測速系統(tǒng)3.2 無線電頻率導航系統(tǒng)3.2.2 頻率式無線電高度表 基本原理：

10、頻率測高通常是利用調(diào)頻發(fā)射信號與反射信號之間的差拍頻率進行距離測量 頻率測距設備的工作示意圖3.2 無線電頻率導航系統(tǒng)3.2.2 調(diào)頻式測距3.2 無線電頻率導航系統(tǒng)3.2.3 多普勒導航系統(tǒng) 是一種基于多普勒效應的自主式導航設備，其測量部件是多普勒導航雷達，通過測量 載體在運動過程中發(fā)射到地面并反射回來的信號頻率偏移或變化， 計算出地速和偏流角， 并 在航姿系統(tǒng)的輔助下完成載體位置的推算功能。發(fā)展歷程：1945 年開始研究，早期應用于軍用飛機的探測和武器控制20 世紀 60 年代，開始應用于商業(yè)航行，行星測量等20 世紀 90 年代，慣性導航開始取代多普勒雷達的在測速方面的功能3.2 無線電

11、頻率導航系統(tǒng)3.2.3 多普勒導航系統(tǒng)的優(yōu)點1）系統(tǒng)基本上可以全天候工作2）飛機自備導航設備，不需要設置地面站3）可以提供全球?qū)Ш?，不受地區(qū)和國際協(xié)議的限制4）能夠連續(xù)提供飛機的速度、角度和位置信息，推航的 精度約為航程的 23.2 無線電頻率導航系統(tǒng)3.2.4 多普勒導航系統(tǒng)的不足1）需要羅盤、航姿系統(tǒng)等的姿態(tài)信息才能完成位置定位2）隨著距離增加，定位精度隨之下降3）系統(tǒng)測量的瞬時速度不如平均速度準確4）由于反射體的運動，精度有所下降3.2 無線電頻率導航系統(tǒng)3.2.5 多普勒系統(tǒng)的實質(zhì) 當兩個物體如輻射源和接收機之間存在相對運動時，接收機收到的信號頻率，將與發(fā) 射源所發(fā)射的信號的頻率是不同

12、的， 兩者之間相差一個多普勒頻移而頻移量的大小與輻射源 和接收機之間的相對徑向運動速度成正比。3.2 無線電頻率導航系統(tǒng)（1） 輻射源朝向接收點做徑向運動3.2 無線電頻率導航系統(tǒng)（2） 輻射源朝著偏離接收點的方向運動3.2 無線電頻率導航系統(tǒng)3.2.6 多普勒導航系統(tǒng)的工作原理多普勒系統(tǒng)是由多普勒雷達、航姿系統(tǒng)、導航計算機、顯示控制器等構(gòu)成。 多普勒系統(tǒng)導航系統(tǒng)原理方框圖3.2 無線電頻率導航系統(tǒng)3.2.7 導航精度分析頻率測量在研究多普勒導航的測速原理時， 都假定反射信號是由地面上一個確定的點發(fā)射形成 的，但是實際上天線波束不可能窄到一條直線， 受波束照射的面積中， 含有無數(shù)個反射基元，

13、其分布和反射方向都是隨機的，從而形成散射，因此反射信號包含了所有散射信號的能量。 多普勒頻率的測量精度主要取決于類窄帶高斯噪聲的信號特性，3.2 無線電頻率導航系統(tǒng)3.2.7 導航 精度分析系統(tǒng)定位精度1）定位誤差主要與平面內(nèi)的位移有關(guān)系，與高度關(guān)系方向的位移關(guān)系不大；2）定位誤差的大小是隨著位移的增大而增大，而不是距 離，如果載體做閉合路線運動時，返回終點的定位誤差 可能較小，即經(jīng)歷由小到大，再由大到小的過程；3）定位誤差的主要來源是航姿系統(tǒng)，而不是測速雷達3.3 無線電脈沖 /時間導航系統(tǒng)3.3.1 時間導航系統(tǒng)的概念指以電波傳播的時間和導航參數(shù)之間的關(guān)系作為工作基礎的導航系統(tǒng)， 通過測量

14、兩個 脈沖信號的時間間隔，也可以稱為無線電脈沖導航系統(tǒng)。功能：測距：測量脈沖信號往返的時間測距差：測量兩個信號的傳播的時間差 測角：測量來回掃描的無線電波束之間的時間間隔，確定載體在空間的方位角3.3 無線電脈沖 /時間導航系統(tǒng)3.3.2 脈沖無線電高度表通過測量脈沖信號有飛機到地面，再由地面反射回到飛機的傳播時間來測定高度，此時的反射體變成了地面而不在是空中的目標 高度測量的范圍取決于發(fā)射脈沖的重復周期，最小可測高度決定于脈沖寬度，如脈寬為 0.5 ，則最小起測高度為 75米， 75米以下高度就無法測知，稱為盲區(qū)3.3 無線電脈沖 /時間導航系統(tǒng)3.3.3 毫微秒脈沖高度表的特點1）采用極窄

15、的毫微秒脈沖體制，減小了脈沖測距的盲區(qū)2）由于脈沖極窄，上升前沿很陡，測量精度比較高3）采用脈沖前沿跟蹤技術(shù)，能夠跟蹤最近回波的前沿，飛機在復雜地面飛行時，所測高度為最近點目標的距離， 能夠保證飛行的安全4）脈沖體制，增加測高量程也容易實現(xiàn)5）能夠進行高度預警3.3 無線電脈沖 /時間導航系統(tǒng)3.3.4 應答 /測距系統(tǒng)（ DME ）1 定義 測量飛機到某固定地點的直線距離，是在第二次世界大戰(zhàn)中隨著雷達的出現(xiàn)而 發(fā)展起來的。分類：DME/N: 普通測距器，和塔康系統(tǒng)于 1959 年被確定為國際標準DME/P ：精密測距器，和時間基準波束掃描的微波著陸系 統(tǒng)確定為新一代國際標準著陸系統(tǒng)3.3 無

16、線電脈沖 /時間導航系統(tǒng)3.3.4 應答 /測距系統(tǒng)（ DME ）組成部分系統(tǒng)的基本組成地面設備：接收機、信號處理器、發(fā)射機和天線 機載設備：詢問發(fā)生器、發(fā)射機、天線、接收機和距離 計算器基本的工作過程： 機載設備發(fā)射詢問脈沖，被地面臺應答器接收，經(jīng)固定的時間延遲，地面應答器向機 上詢問器發(fā)射回答信號， 機上的設備收到回答信號后， 根據(jù)詢問發(fā)射和回答接收之間的時間 間隔，計算出詢問起和應答器之間的直線距離3.3 無線電脈沖 /時間導航系統(tǒng) 應答 /測距系統(tǒng)（ DEM ）3.3 無線電脈沖 /時間導航系統(tǒng)3.3.4 應答 /測距系統(tǒng)（ DEM ） 系統(tǒng)的技術(shù)改進：1）利用寬帶中頻放大器保證脈沖信

17、號的陡前沿，改善信 噪比和抑制鄰波道的干擾2）利用數(shù)字調(diào)制技術(shù)和自動調(diào)制控制技術(shù)來控制穩(wěn)定發(fā) 射脈沖的形狀系統(tǒng)的發(fā)展前景：精密測距器是微波著陸系統(tǒng)的一個組成部分，因此他們的 發(fā)展將與整個系統(tǒng)同命運，目前， GPS 技術(shù)及其差分技術(shù) 已經(jīng)使微波著陸系統(tǒng)受到很大的影響，但是代替微波著陸系 統(tǒng)還沒有定論。3.3 無線電脈沖 /時間導航系統(tǒng)3.3.5 時基波束掃描微波著陸系統(tǒng)（ MLS ）隨著航空事業(yè)的發(fā)展， 空中交通密度不斷增加， 飛機的類型也日益增多， 早期的出現(xiàn)的 儀表著陸系統(tǒng)已經(jīng)不能適應航空技術(shù)的發(fā)展要求， 迫切需要適應性強、 覆蓋范圍廣、 制導精 度高的新型著陸系統(tǒng)。20 世紀 70 年代，

18、在微波著陸系統(tǒng)的基本要求被提出和批準后，國際民航組織收到各成員國1978 年提出的系統(tǒng)方案，其中美國和澳大利亞的間斷掃描方式的原理有很大的一致性，于 確定為信的國際標準體制，并且一直沿用至今。3.3 無線電脈沖 /時間導航系統(tǒng)3.3 無線電脈沖 /時間導航系統(tǒng)3.3.5 時基波束掃描微波著陸系統(tǒng)（ MLS ）通過飛機在空間的角度位置來引導飛機著陸， 波束以很高的角速度在規(guī)定那個的工作區(qū) 域內(nèi)來回掃描， 利用來回掃過著陸飛機所形成的兩個脈沖時之間的時間間隔作為測定飛機空 間角位置的基本數(shù)據(jù)，從這個角度上說，觀測值是基于時間得到角度值。接收機上收到的去和來脈沖的脈沖寬度，與扇形波束在水平面內(nèi)的寬度及波束掃描速度有 關(guān)，兩個脈沖之間的時間間隔則確定了飛機在掃描空間中的角位置， 測量出這一時間間隔后， 就可以單值的確定飛機相對于跑道中心線的方位角。3.3 無線電脈沖 /時間導航系統(tǒng)3.3.5 時基波束掃描微波著陸系統(tǒng)（ MLS ）系統(tǒng)組成和配置：機上設備地面設備 : 航向分系統(tǒng)，下滑分系統(tǒng)