第四章無線電振幅導(dǎo)航系統(tǒng)解讀

1、第四章無線電振幅導(dǎo)航系統(tǒng)4. 1 概述411 一般概念根據(jù)無線電波的信號振幅與導(dǎo)航參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，完成導(dǎo)航參數(shù)測量功能的導(dǎo)航系統(tǒng)， 稱為無線電振幅導(dǎo)航系統(tǒng)。這里的導(dǎo)航參量通常是指角坐標參量，它包括飛機或船只的方位、導(dǎo)航臺方位、飛機的下滑角和航向角等，而對應(yīng)的位置面為半平面。因而振幅導(dǎo)航系統(tǒng)一般用于運載體的測向，通過自動測向儀引導(dǎo)飛機、船只朝向或離開導(dǎo)航臺，并可利用兩個或兩個以上的導(dǎo)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。無線電振幅導(dǎo)航系統(tǒng)屬于地基無線電定位系統(tǒng)，一般由地面的導(dǎo)航臺和運載體（飛機、 船只）上的測向器組成。前者用于發(fā)射有一定方向或全向（無方向性）的無線電信號，稱為

2、 信標臺或航向（下滑）臺；后者用于接收信號和實施定向，稱為無線電羅盤或定向接收機等。振幅導(dǎo)航系統(tǒng)的工作波段為長波、中波或短波，其覆蓋范圍可達幾百公里。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)諧機載或船載的定向接收機，得到運載體的方位和位置。導(dǎo)航臺站可以工作于連續(xù)發(fā)射狀態(tài)或者脈沖發(fā)射狀態(tài)，發(fā)射的信號包括識別信號、工作信號和輔助信號三種類型，分別用來識別地面導(dǎo)航臺、測量導(dǎo)航參量、傳送某些輔助信息。從原理上講，無線電振幅導(dǎo)航系統(tǒng)可以利用反射信號或直達信號來測定目標的角坐標參 量，其方法有最大值法、最小值法和等信號比

3、較法。獲取角參量白方式有 E型和M型兩種， 其中E型是利用載波信號振幅本身的變化來實現(xiàn)測向，M型是利用載波信號振幅的調(diào)制深度變化進行測向。根據(jù)振幅導(dǎo)航系統(tǒng)原理和方式的不同，以及不同的外界環(huán)境條件，角度測量的精度為土 1 °± 5°。圖4.1 1給出了由地面信標臺和機載測向器構(gòu)成的無線電振幅導(dǎo)航系統(tǒng)，它主要用于 引導(dǎo)飛機沿給定方向飛向或飛離地面信標臺，可給出飛機相對導(dǎo)航臺的方位信息。假若還有另一部裝設(shè)在適當?shù)攸c的地面導(dǎo)航臺，就可得到在某一水平面上的兩條直線位置線，利用它們的交點就可確定出飛機的當前位置。圖4.1 1無線電振幅導(dǎo)航系統(tǒng)地面發(fā)射臺機HUM向叁412方位。

4、的無線電測量法振幅導(dǎo)航系統(tǒng)通常利用無線電系統(tǒng)天線的方向性圖實現(xiàn)對方位角的測量。在E型方式中，無線電信號的調(diào)制深度保持不變，載波信號的幅度E與導(dǎo)航角參量0建立起E=E（0 ）的依從關(guān)系；而 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。建立起m=m（ 0 ）的關(guān)系。為了利用這兩種關(guān)系測得導(dǎo)航參量，通常采取如下三種方法：1 .最大值法（見圖4.12）:利用具有針狀方向性圖的天線，以運載體本身為中心，以子午線北向N為基準，順時針轉(zhuǎn)到其方向性圖最大值對準導(dǎo)航臺（信標臺）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(dǎo)航臺的方位角0,或?qū)Ш脚_所在的方向。最

5、大值法在測量信號幅值的過程中，由于接收機輸入端存在著干擾和噪聲，以及測量設(shè)備分辨率的影響，使在信號方向性圖的最大值處有一個機載測向器無法分辨的幅值范圍u,所對應(yīng)的角度區(qū)域稱為不靈敏區(qū)，用N表不。為減小N的值，要求天線的萬向性圖足夠尖銳，并且輸入信噪比盡可能高。采用最大值法測向，由于只有一個波束，機載測向器無法分辨出導(dǎo)航臺可能的偏差方向， 即不能判斷出導(dǎo)航臺偏離最大值軸線的方向。圖4.1 2按接收信號最大值測定方向圖4.1 3按接收信號最小值確定方向2 .最小值法（見圖 4.13）:采用分開一定角度的雙針狀方向性圖天線，將天線從子午北向N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(dǎo)航

6、臺的方位。該方法與最大值法相反，其中理想 的信號最小值為零值。最小值法在零值點附近也存在一個無法識別信號微小變化的幅值范圍U ,由此形成不靈敏區(qū)中n，但該法的不靈敏區(qū)相對較小，其測向精度也比最大值法要高。另外當天線方向性圖的兩個波束采用不同的調(diào)制頻率時，可以比較容易地判斷出導(dǎo)航臺偏離最小值點軸線的方向。3 .等信號法（或稱比較信號法，見圖4.1 4）: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，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(dǎo)航臺的方位。, 一 中_ , _ ,其不靈敏區(qū) N和測向精度均介于最大值法和最小值法之間，并且也能判

7、斷出被測導(dǎo)航臺偏(4.1 1)離等信號線的方向。4U圖4.1 4利用比較接收信號確定方向以上三種方法各有特點， 最小值法的測量靈敏度和精度較高，最大值法接收信號的信噪比最大，而天線制作的難易程度是最大值法較難；這幾個方面等信號法的性能表現(xiàn)都是居中。由于最小值法不靈敏區(qū)較小，且在高頻、超高頻、甚高頻以及微波頻段， 均可獲得所要求的方向性圖，因此應(yīng)用場合較多。413振幅導(dǎo)航系統(tǒng)的天線特性和信號特征1.環(huán)形天線的特性分析由上可知，振幅導(dǎo)航系統(tǒng)中方向性天線的性能好壞必然會對角度測量產(chǎn)生影響。一個性能良好的天線，在工作過程中不能改變其方向性圖的形狀；其次靈敏度要高，不靈敏區(qū)間要??；第三制作起來不要太復(fù)雜

8、。為保證所要求的測量靈敏度，一般要對天線的方向性圖在信 號測量處（最大值、最小值或等信號）的幅度變化率提出一定的要求。振幅系統(tǒng)所用的方向性天線種類較多，包括環(huán)形天線、分集天線、H型天線等。下面以常用的環(huán)形天線為例， 對其性能進行分析， 該天線主要用于機載無線電羅盤以及相位無線 電導(dǎo)航系統(tǒng)VOR中。如圖4.1 5所示，假設(shè)矩形環(huán)形天線 ABCD的高為h,寬為b,放置在一個與地球水 平面垂直的平面內(nèi)， 并處于垂直極化無線電波的正常極化場內(nèi)。這樣選擇一個參考直角坐標系，使天線中心位于坐標原點 O處，天線的平面與 ZOX平面相重合，天線平面的法線與 Y 軸一致。設(shè)沿地球表面?zhèn)鞑サ碾姴ǚ较騍k與環(huán)形天線

9、平面的夾角為 日，根據(jù)電磁場理論，與Skkk垂直的是電場E與磁場Ho設(shè)原點。處的電場強度為E = E0 smet。根據(jù)天線理論，環(huán)形 天線中所感應(yīng)的電動勢， 決定于天線各邊感應(yīng)電動勢之和。由于水平邊 BC和AD與電場強 度矢量垂直，其感應(yīng)電勢為零， 因此整個環(huán)形天線的感應(yīng)電動勢等于 AB和CD邊內(nèi)的感應(yīng) 電動勢之和：e 二 eABecD而eAB=Eohsin( t二 bcos1二b co secD = -Eohsi n(t -)故有:(4.12)cl ,.二 bcos?e =2Eohsin cos t式中E0為天線外部電場強度的振幅,3分別為無線電波信號的波長和角頻率。2圖4.1 5矩形環(huán)內(nèi)電

10、動勢的計算定義2E°hsin型os? =Em為天線內(nèi)部感應(yīng)電動勢的振幅，則環(huán)形天線總的感應(yīng)電動 九勢為：e = Emcoscct(4.13)(4.1 4)在b/入< < 1的條件下，Em的表達式可寫為：Em = Emmax cos其中L2 二 bhE 二m maxEo為一固定常數(shù)。該式反映了環(huán)形天線平面和電波傳播方向之間的夾角日與感應(yīng)電動勢的關(guān)系。4.1 6所不'為極角、Em為矢量繪出該天線在水平方向上的極坐標圖，就得到圖的“8"字形方向性圖，為兩個對稱于極點、直徑為Emmax的圓。當日=90°、270°時，Em=0;當 8=0。時

11、Em= Emmax；當日=180。時 Em = - Emmax。從圖中還可以看出，矩形環(huán)形天線的感應(yīng)電動勢超前電場90。，并且當日 在一90。+ 90°之間時，感應(yīng)電動勢為正值，日在90°270°時，電動勢為負值。為了表述方便，通常將天線的方向性圖表示成F(8)的函數(shù)形式，如“8”字形方向性圖可表示成 F(9尸cosH的方式。圖4.16環(huán)形天線“ 8”字形方向性圖圖4.17分集天線的示意圖環(huán)形天線的“ 8”字形方向性圖有最小值，可采用最小值法測向，并且結(jié)構(gòu)簡單、容易 制作、體積小、重量輕，適宜于在運載體上安放，一般工作于中、短波段的測向系統(tǒng)中。圖1.1 7為分集天

12、線的示意圖，其方向性圖與環(huán)形天線基本一致。2. E型測向信號的形成及其特征設(shè)地面導(dǎo)航信標臺輻射全向的無線電信號，而無線電測向器天線的方向性函數(shù)為F(6),由它對信標臺的信號進行接收，按兩種情況進行討論。情況一：導(dǎo)航臺發(fā)射等幅波，則E型測向器接收到的信號為：e = EmmaFg )COSt = Em® )COSt(4.15)情況二：導(dǎo)航臺發(fā)射調(diào)幅波，則測向器接收的信號應(yīng)為e = Em (6 1 + m cos Ct cosot(4.1 6)式中Emmax為載波信號幅值的最大值；Em(日歷載波信號的幅值，是 日的函數(shù)；m為調(diào) 制系數(shù)；c為調(diào)制信號的角頻率。這兩種情況接收信號的載波幅值均與

13、角度9有關(guān)，將隨角度8的改變而變化，而信號的調(diào)制系數(shù)m保持不變，與日無關(guān)。3. M型測向信號的形成及其特征考慮如圖4.1-8由兩個天線組成的接收系統(tǒng)，一個為無方向性天線，即垂直天線，一 個為方向性圖為 F (日)的環(huán)形天線，兩個天線的輸出信號經(jīng)處理后進行迭加。設(shè)導(dǎo)航臺發(fā) 射等幅波，則垂直天線中的接收信號仍為一等幅波：G = Em COS，：t(4.1 7)同時環(huán)形天線中的信號與垂直天線信號相差90。相移，如下為：e2 = E2mFC)cos( t 90 )(4.1 8)對環(huán)形天線的輸出信號進行放大、移相和平衡調(diào)制處理，即可得到：e2' " E2mFC)cos"cos

14、 t則迭加電路的信號輸出為一調(diào)幅波，其形式為:(4.1 9)(4.1 10)e1 e2' = E1m1 m(i) cos(tcos t其中m(u)E2mEiF(e)。此時，就得到了與e型不同的m型測向信號，其特點是載波信號的幅值保持不變，而調(diào)制系數(shù)m隨角度0的變化而改變，即調(diào)幅信號包絡(luò)的大小，隨測向器相對信標臺的方位不同而變化。135H1 振蕩器圖4.1 8 M型測向信號的形成414無線電振幅導(dǎo)航系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢無線電振幅導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)明較早，距今已有一百年了。 在一次大戰(zhàn)期間，就被用于引導(dǎo)船 只的歸航和出航，并很快發(fā)展到對飛機的導(dǎo)航。和其它無線電導(dǎo)航系統(tǒng)相比，振幅導(dǎo)航系統(tǒng) 存在著測向

15、(測角)精度不高的缺點，限制了它的進一步應(yīng)用，如無法達到n類、出類的飛 機下滑著陸標準。隨著導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，該類系統(tǒng)經(jīng)過不斷完善和改進，作為基本的導(dǎo)航手段仍然在航空、 航海等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，其中儀表著陸系統(tǒng)仍然是飛機進近和著陸的普遍設(shè)備。這主要是由于其機載設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單(重量輕、體積小) 、使用維護方便、價格低廉、指示直觀明確；其地 面導(dǎo)航設(shè)備簡單、廉價，數(shù)量眾多，方便運載體的使用。另外，已投入使用的數(shù)字化測向儀、 可遙控免維護信標發(fā)射機，為系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展提供了新的活力。目前世界各國的軍用、 民用飛機大都裝有無線電羅盤和儀表著陸系統(tǒng)，在飛機的航路飛行和著陸過程中起重要作用，用戶數(shù)量很大。如美國有

16、1800多個定向信標臺在工作，可以覆蓋大部分的領(lǐng)空和近海領(lǐng)域，飛機用戶數(shù)量達幾萬。當前由于GPS的發(fā)展，用于航海的無線電信標受到了沖擊，將逐漸被淘汰或被賦予新的功能。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?qū)⑿艠伺_改造為只發(fā)差分GPS修正數(shù)據(jù)的中波數(shù)據(jù)鏈臺。從目前的發(fā)展趨勢看，振幅系統(tǒng)還會繼續(xù)使用至少20年以上，未來的發(fā)展將更多地采取組合方式，與其它導(dǎo)航系統(tǒng)組成多功能、高可靠的組合系統(tǒng)。如在航路上無線電羅盤和 GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)結(jié)合，可實現(xiàn)地面有臺和無臺兩種條件下的航路導(dǎo)航；儀表著陸系統(tǒng)和微波著陸系統(tǒng)、衛(wèi)星著陸系統(tǒng)等組成的多模式接收機（

17、 MMR ） ， 可實現(xiàn)對飛機著陸的更為靈活、可靠的引導(dǎo)。4 2 無線電羅盤測向系統(tǒng)4 2 1 系統(tǒng)簡介無線電羅盤測向系統(tǒng)是一種地基定向系統(tǒng)，由機載或船載定向儀自動測定地面發(fā)射臺的無線電波來波方向，從而獲得飛機或船只相對信標臺的角坐標方位數(shù)據(jù)。系統(tǒng)由機載設(shè)備和地面設(shè)備兩部分組成，機載無線電自動定向儀（ADF ）是一種M 型最小值法測向設(shè)備，稱之為無線電羅盤（Radio Compass） ；地面導(dǎo)航臺也稱無方向性信標（ NDB ） ，其臺站識別信號采用1020Hz 調(diào)制的二個英文字符的莫爾斯碼格式。系統(tǒng)工作頻率一般在 150kHz1800kHz范圍內(nèi)，屬于中波、長波或短波波段，功率在500W 左

18、右。在此波段內(nèi)，可靠的方位信息只能從地波或直達波才能得到，其作用距離由地面導(dǎo)航臺發(fā)射功率及機上接收機靈敏度決定，一般可達幾百千米，典型為250350km 。另外， 地面臺發(fā)射的信號常常會受到天波的影響，在夜間情況會更加惡劣。因此只有當飛機離地面導(dǎo)航臺較近，地波信號覆蓋良好時，方位讀數(shù)才可靠。當接收點的信號場強較大，且忽略飛機結(jié)構(gòu)的影響，系統(tǒng)的測向精度可達到2°左右。無線電羅盤測向系統(tǒng)的基本功能包括：（ 1 ） 可 以連續(xù)自動地對準地面導(dǎo)航臺，引導(dǎo)飛機沿給定航線飛行，在給定方向上完成 從一個臺站至另一個臺站的飛行。（2） 通 過測出飛機對兩個以上地面導(dǎo)航臺的方位角數(shù)值，利用所得到的直線

19、位置線的交點，實現(xiàn)對飛機的水平位置定位。（3） 引導(dǎo)飛機進入空中走廊的出、入口。（4） 引導(dǎo)飛機完成著陸前的進場機動飛行和下降飛行，使飛機對準跑道中心線，配合儀表著陸系統(tǒng)，引導(dǎo)飛機著陸。（5） 在航海應(yīng)用中，引導(dǎo)船舶在不良視距下通過狹窄海道和進出港，并且可用來確定發(fā)出SOS 呼救信號的遇難船舶的方位。422機載無線電自動定向儀機載 ADF 的種類和型號較多，以旋轉(zhuǎn)調(diào)制式和伺服指針式最為普遍?，F(xiàn)以旋轉(zhuǎn)調(diào)制式 為例說明。1 . 基本組成及工作狀態(tài)自動定向儀包括三種主要工作狀態(tài)：ADF （自動測向）由垂直天線和環(huán)形天線聯(lián)合接收信號進行自動測向；ANT （天線）一一由垂直天線接收信號作為普通接收機使用

20、；TEST （測試）一一定向儀自檢，按下測試按鈕時，指示器應(yīng)指示一規(guī)定的數(shù)值（一般為 90°） ，以確定定向儀的工作是否正常。目前飛機上裝載的ADF 通常由以下4 個部分組成：（ 1 ） 天 線系統(tǒng)包括垂直天線、環(huán)形天線和測角器。由環(huán)形天線旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的感應(yīng)電壓輸入到羅盤接收機中，與垂直天線的接收信號結(jié)合形成M 型測向信號。當環(huán)形天線做成固定方式時，以測角器的旋轉(zhuǎn)代替環(huán)形天線的旋轉(zhuǎn)。(2)羅盤接收機一般多為普通的超外差式報話兩用接收機，有很好的選擇性和靈敏度，用于將接收的高 頻信號進行放大、變頻、 檢波等處理，變換為帶有方位信息的低頻信號，輸出到無線電磁指示器( RMI)和水平狀態(tài)指示器

21、(HSI)中，實現(xiàn)自動測向。接收機還可單獨與垂直天線連接，接收導(dǎo)航臺發(fā)出的音頻調(diào)制的識別信號及其它信息， 通過音頻選擇供飛行員監(jiān)聽，或接收無線電廣播、用于通信等。(3)控制盒由表頭及各種旋鈕組成，用來控制各種工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換、波段轉(zhuǎn)換、電臺選擇和調(diào)諧等,進行波道預(yù)選、頻率選擇和遠、近臺的轉(zhuǎn)換。由于地面導(dǎo)航臺在大部分的時間里只發(fā)射等幅信號，為便于監(jiān)聽，控制盒上還設(shè)有音調(diào)(Tone)電門，將其置于音調(diào)位置，接收機內(nèi)將以固定音調(diào)對載頻信號進行調(diào)幅，使耳機中 產(chǎn)生聲音輸出。(4)指示器通過同步電機與測角器相連，用指針指示出所測方位角度的數(shù)值。需要注意的是，機載 ADF所指示的角度是以飛機縱軸為基準，順時

22、針轉(zhuǎn)到飛機與導(dǎo)航臺連線所形成的夾角，如下圖所示(為60。的夾角)。要獲得導(dǎo)航臺相對于飛機的方位，還必須知道飛機的航向角，因此需要與磁羅盤等航向測量設(shè)備相結(jié)合。另外，為了獲取讀數(shù)的方便，飛機上常把磁羅盤與 ADF的指示部分合在一起，稱為無線電磁指示器( RMI , RadioMagnetic Indicator )。圖4.2 1無線電磁指示器指示方位原理2 .基本原理圖4.22為無線電羅盤的工作原理框圖。由 4. 1. 3小節(jié)內(nèi)容可知，具有“ 8”字形方 向性圖的環(huán)形天線接收地面信標臺的發(fā)射信號，為使該信號與垂直天線接收到的信號同相疊加，先將環(huán)形天線的信號移相90。，并經(jīng)放大與倒相后加給平衡調(diào)制

23、器兩個幅度相等而相位相反的信號，平衡調(diào)制器在135Hz低頻信號控制下工作，得到兩個旁頻(邊頻)信號 (見式4.19),然后與垂直天線的無方向性載頻信號進行相加，得到一個調(diào)制度是電波來向0的函數(shù)的調(diào)幅波信號。該調(diào)幅波信號在超外差式接收機中進行處理，經(jīng)過混頻、中放、檢波等環(huán)節(jié)，得到具有方位信息的低頻信號并分成兩路輸出，其中一路到耳機用于人工定向；另一路經(jīng)135Hz的選頻放大電路，將 135Hz信號從低頻信號中分離出來，放大后作為誤差信號加到伺服電機的控制線圈上。同時在伺服電機的激磁線圈中，還加有從135Hz本地振蕩器直接輸出的135Hz信號。在這兩個信號的共同作用下，伺服電機轉(zhuǎn)動，同時帶動環(huán)形天線

24、向最小值信號的方向轉(zhuǎn) 動，直到轉(zhuǎn)到環(huán)形天線信號為零、方向性圖最小值對準導(dǎo)航臺時為止，此時無線電羅盤中就只有垂直天線的信號。 在這個過程中，同步發(fā)送機轉(zhuǎn)子和航向指示器指針都在同步轉(zhuǎn)動，最終指示器指針就指出了所測導(dǎo)航臺的航向角。圖4.22無線電羅盤工作原理方框圖3 .關(guān)鍵技術(shù)和解決方法（1） 環(huán)形天線的轉(zhuǎn)動和雙值性的消除在ADF中，環(huán)形天線的“ 8”字形方向性圖最小值方向有兩個（0 =90°和270° ）,二者相差180。，即具有“雙值性”，應(yīng)該加以判別或消除以保證定向的單值性。由圖411可知，當90°<。<270°時，導(dǎo)體2上的感應(yīng)電動勢 e2

25、超前于導(dǎo)體1上的感應(yīng) 電動勢e1。此時若通過伺服電機使環(huán)形天線順時針旋轉(zhuǎn)，。將逐漸減小，當。減小到90。時，環(huán)形天線感應(yīng)的合成電動勢e合=0,天線停止轉(zhuǎn)動，0 =90°的方向即為導(dǎo)航臺方向。反之，若-90°<0 <90°,則快超前于十,通過伺服電機使環(huán)形天線逆時針旋轉(zhuǎn)，0將逐漸增大，直至0 =90°時為止。圖4.2 3環(huán)形天線方向性圖采用這種辦法，環(huán)形天線將只有一個穩(wěn)定的最小值方向（0 =90°）,而另一個最小值方向(0 =270°)將是不穩(wěn)定的。當非穩(wěn)定的最小值方向?qū)蕦?dǎo)航臺時，在干擾作用下或電波 的來向稍有變化，產(chǎn)生的

26、擺動便會使環(huán)形天線離它而去，自動轉(zhuǎn)向穩(wěn)定的最小值點，而不會再回到非穩(wěn)定點，這樣就保證了單值定向。要確定信號ei和e2的相對相位，即判斷 ei是超前或滯后于e2,需要另加一個天線，正 好可以利用前面提到的無方向垂直天線(又稱判讀天線)，它接收同一無線電波信號，通過比較其上的電動勢與環(huán)形天線合成電動勢e合的相位差，即可確定 ei是超前還是滯后于 e2,從而確定環(huán)形天線的旋轉(zhuǎn)方向。（2） 用測角器代替環(huán)形天線的轉(zhuǎn)動一一天線不動、方向性圖轉(zhuǎn)動的機理在測向過程中，環(huán)形天線的轉(zhuǎn)動是個關(guān)鍵，一般有兩種方法，一為直接法，即直接用 電機拖動環(huán)形天線旋轉(zhuǎn)，但對于高空高速飛行的飛機而言，受高空氣流影響等操作比較困難

27、； 二為間接法，即天線固定不動，通過測角器實現(xiàn)方向性圖的轉(zhuǎn)動。直接法目前已比較少見，現(xiàn)在多采用間接法，它是在飛機上安裝兩個環(huán)形天線，相互 垂直放置并且固定不動，可分別取與飛機的縱軸平行和垂直的方向，兩天線同時接收地面信標臺的信號，如圖 4.2 4所示。在測角器內(nèi)，放置有兩個相互垂直固定的場線圈分別與兩 環(huán)形天線相連，另有一個可轉(zhuǎn)動的活動線圈置于兩場線圈所產(chǎn)生的電磁場內(nèi)，稱為搜索線圈，如圖4.25。固定的兩個環(huán)形天線接收到電波后，得到的感應(yīng)電動勢在方位空間上相互垂直，其振幅分別與cos8和sin 8成正比，為：e( =E1mcosicos t(4.2 1)e2 = E2m sin cos t式中

28、e為環(huán)形天線i所在平面與地面導(dǎo)航臺的相對角度。由于場線圈與環(huán)形天線兩兩相連，這兩個感應(yīng)電動勢將分別加在測角器的固定繞組上， 在測角器內(nèi)產(chǎn)生互相垂直的兩個感應(yīng)磁場：(4.2 2)h1 = H1 cos cos th2 = H 2 sin cos t圖4.2 4固定的環(huán)形天線及其方向性圖圖4.2 5測角器的作用原理兩個磁場將形成一個合成磁場:h = h12 h2 = H 12 cos2 1 H 2 sin2 l cos t(4.2 3)由于測角器內(nèi)兩場線圈的參數(shù)是按相同比例設(shè)計的，即滿足:ElmE2mHi(4.2 4)因此合成磁場即為兩環(huán)形天線合成電動勢的影射，其方向代表了無線電波的來波方向，并與

29、基準方向即環(huán)形天線 1的夾角為0。測角器內(nèi)的轉(zhuǎn)子在合成磁場的作用下轉(zhuǎn)動。設(shè)其活動線圈平面與合成磁場方向的夾角為 中L,則搜索線圈在合成磁場作用下，所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為:e = Em sin 中l(wèi) coscot（4.2 5）可以看出e為L的函數(shù)，且具有“ 8”字形方向性圖的性質(zhì)，同時與上面式（4.21）比較可知，活動線圈的感應(yīng)電動勢與其中一個環(huán)形天線的表達式完全相同（平L = e）,即活動線圈轉(zhuǎn)動時，'L變化導(dǎo)致e的變化規(guī)律與環(huán)型天線完全一樣，相當于環(huán)形天線在轉(zhuǎn)動。這樣就通過搜索活動線圈的轉(zhuǎn)動，代替了環(huán)形天線的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)了天線不動、方向性圖轉(zhuǎn)動的目的。（3） 環(huán)形天線的安裝與伺服電機的轉(zhuǎn)

30、動在飛機上安裝環(huán)形天線時，要求將穩(wěn)定的零值點朝向機頭方向，即“8”字形方向性圖的縱軸與飛機縱軸方向嚴格保持一致。具體實現(xiàn)方法是：使電波從機頭沿機身軸線射入，轉(zhuǎn)動測角器搜索線圈使其感應(yīng)電勢消失，指示器指示零度，這樣即確定了機身軸線方向為基準方向。當無線電波從其它方向射入時，其合成磁場方向變化， 搜索線圈產(chǎn)生電動勢， 電機帶動它向方向性圖零值點的方向轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)到電動勢e=0時停止轉(zhuǎn)動，所轉(zhuǎn)過的角度就是飛機對導(dǎo)航臺的航向角，羅盤指示器與搜索線圈相連并隨之轉(zhuǎn)動。伺服電機包括激磁線圈和控制線圈兩組，前者加基準信號，后者加控制信號，電機的轉(zhuǎn)動由這兩個信號的相對相位控制?？刂菩盘柕南辔怀盎鶞市盘枙r，電機正轉(zhuǎn)

31、；滯后時，則 反轉(zhuǎn)；兩者相位相等時，電機停轉(zhuǎn)。在無線電羅盤中，135Hz的本振信號加到伺服電機激磁繞組，其相位固定；接收機輸出的135Hz合成信號加到電機控制繞組。該合成信號是一個可變相位信號，其相位由無線電 波從機頭左方還是右方射入決定。當無線電波射入方向在飛機機頭右方時，環(huán)形天線或搜索線圈感應(yīng)的可變相位信號為 正，與控制信號同相，但經(jīng)檢波輸出后，信號相位前移90。，就比控制信號超前了 90。，因此使伺服電機帶動測角器搜索線圈正轉(zhuǎn)（順時針轉(zhuǎn)動），使感應(yīng)電動勢逐漸減小直至為零為止。同理，也可以分析當射入方向在飛機機頭左方的情況。4. 2. 3無方向無線電信標無線電測向信標可分為兩類，即全向性和

32、定向性指向標。前者利用無方向性天線發(fā)射信 號，用測向儀接收指示信號，也稱為無方向信標，如與無線電羅盤配合的航路信標臺。后者利用有一定方向性的天線發(fā)射信號， 可用一般收音機或?qū)Ｓ媒邮罩甘酒鹘邮詹y定方向，比如放在跑道中心軸附近的儀表著陸系統(tǒng)信標臺，用于引導(dǎo)飛機完成著陸前的機動飛行、 穿云下降并對準跑道。無方向無線電信標臺具有準確的地理坐標位置，定期發(fā)射無線電信號， 包括測向、識別和語音信號。有三種基本的工作狀態(tài)：等幅波方式一一用于測向；調(diào)幅波方式一一用于測向 和臺站識別；語音方式一一用于測向和通話。由控制臺實現(xiàn)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。無方向信標的組成如圖 4.26所示。其中話音放大器傳送語音信號，音頻振

33、蕩器產(chǎn)生 調(diào)幅波信號，等幅波信號直接輸出到高頻信號發(fā)生器。然后通過幅度調(diào)制加到高頻載波上， 并由放大器產(chǎn)生大功率信號，通過天線輻射到空間去。圖4.2 6無方向無線電信標方框圖臺站識別信息一般每分鐘至少發(fā)兩次，每次連續(xù)發(fā)兩遍，每遍包括46個字母，由莫爾斯碼的點、劃組成。在兩次識別信號中間仍然發(fā)等幅波，以保證飛機上的無線電羅盤能夠連續(xù)地測向。當信標臺發(fā)射調(diào)幅波識別信號時，自動信號鍵的電碼控制一個音頻振蕩器，按電碼組合規(guī)律產(chǎn)生頻率一定的音頻信號。在自動信號鍵發(fā)“點”和“劃”期間，信標臺發(fā)射調(diào)幅信號，其余時間仍發(fā)射等幅信號。圖 4.2 7為帶有識別信號的調(diào)幅信號波形圖。律狼懶號膏柒信號就射信號圖4.2

34、 7 無方向信標的調(diào)幅波信號當發(fā)射等幅波識別信號時，自動鍵電碼直接控制高頻信號發(fā)生器，因此在發(fā)“點”和“劃”期間有輸出信號，其它時間沒有信號，如圖 4.2 8所示，因此測向會有中斷，指示 器指針會發(fā)生抖動。另外，地面信標臺還可以作為中波通信機使用，用于實施單向的對空聯(lián)絡(luò)，發(fā)送等幅電話音信號即自動地對高頻報、調(diào)幅電報和進行地空通話等。進行通話時，只需將話筒接入, 信號進行調(diào)制并發(fā)射出去。電碼堂射信號圖4.28無方向信標的等幅波信號4. 3儀表著陸系統(tǒng)（ILS）4. 3. 1系統(tǒng)簡介著陸是飛機航行中最為重要的階段，也是事故率最高的階段， 要求飛行員必須在很短的時間內(nèi)完成許多高標準的操作。若僅靠目視

35、著陸，一般要求在飛行高度不低于300m時，水平能見度不小于4.8km,否則難以保證降落安全。為了保證飛機能在不良氣候條件下或夜間安全著陸，必須使用無線電導(dǎo)航系統(tǒng)向飛機提供高精度的定位引導(dǎo)信息，給出飛機與規(guī)定的下滑航道的偏離程度。目前， 軍用、民用機場 大多使用儀表著陸系統(tǒng)ILS（Instrument Landing System）,少數(shù)機場安裝有微波著陸系統(tǒng)MLS（Microwave Landing System）。儀表著陸系統(tǒng)的地面設(shè)備包括航向臺（LOC）、下滑臺（GS）和信標臺（MB）三大部分。航向臺和下滑臺都是利用在空間相交的雙針狀方向性圖天線（見前面圖4.14）,以等信號區(qū)的形式分別提

36、供與水平面成一定角度的下滑面引導(dǎo)、與水平面垂直的航向面引導(dǎo)。下滑面和航向面相交形成一條位于跑道中心線上方、與跑道面有一定角度的固定下滑航道。信標臺為2或3個，在跑道中心線的延長線上，向天空輻射方向性圖為窄圓錐形的無線電波束，提供飛機距離跑道入口的位置坐標信息。機上設(shè)備分別包括航向、下滑和信標接收機， 前兩者常裝在一個機盒內(nèi)。相應(yīng)地，機上需要三種天線，即水平極化的VOR/LOC共用天線、下滑接收機的折疊式偶極天線、信標接收機的環(huán)形天線。 飛機的航向和下滑信息可在幾種不同類型的儀表上顯示，其相對于給定航向面和下滑面的偏差位置由位置指示器表示，供駕駛員調(diào)整下滑路線。ILS機載設(shè)備的控制一般通過甚高頻

37、導(dǎo)航（VHF NAV）控制盒來實現(xiàn)，可以同時選擇航向接收機頻率及相應(yīng) 的下滑接收機頻率。另外，當飛機飛過不同信標臺的上空時，信標接收機會發(fā)出相應(yīng)的音響和燈光信號，來表示飛機的當前位置。在正常飛行中，飛機在巡航高度上到達目的地后開始下降，這時如果云高超過800m,水平能見度超過 4.8km時，允許飛機按照目視飛行規(guī)則著陸。 但在惡劣氣候條件下， 著陸必 須按照儀表飛行規(guī)則進行。ICAO根據(jù)著陸系統(tǒng)的引導(dǎo)性能，并考慮到跑道上水平能見度的氣象條件，把著陸級別 分為I、n、出三類，規(guī)定了相應(yīng)的決斷高度（如表4.3-1所示）。在此高度上，飛行員根據(jù)能否清晰地看到跑道，對繼續(xù)著陸或拉升復(fù)飛做出決斷。飛機在

38、跑道延伸線上方 500m至30m的高度范圍內(nèi)飛行，將由 ILS產(chǎn)生的無線電波束 引導(dǎo)，要求從儀表飛行過渡到目視著陸必須很平穩(wěn)，并且保證可以立刻進行復(fù)飛。當飛機到達I類或H類最低決策高度時，規(guī)定飛行員必須能夠看到跑道，否則放棄著陸。圖4.3 1是儀表著陸系統(tǒng)的工作示意圖。表4.31國際民航組織的著陸級別劃分著陸類別水平精度(m, 2 s)垂直精度(m, 2 o-)決策局度(m)距跑道入口距離(m)最低引導(dǎo)tWj 度(m)跑道能見度(m)非精密進場/1202050/1500CAT I17.094.1460.9872.330.5791.7cat n5.151.7330.5290.815.2365.4

39、CAT mA4.020.5415.20060.9CAT m B4.020.5415.20045.7CAT me4.020.5415.2000在具體應(yīng)用中，ILS實際上是將無線電波束在地面反射后形成的等信號區(qū)，因此其性能在很大因素上取決于場地標準，如果場地障礙物多、地面不平整等都會造成航向面和下滑面的彎曲，影響引導(dǎo)性能。目前大多數(shù)機場的儀表著陸系統(tǒng)只能達到I類著陸標準，只有少數(shù) 機場可以達到n類標準，也主要與場地情況有關(guān)。4. 3. 2下滑臺下滑臺利用兩組在不同高度的天線， 同時輻射方向性圖互相交疊的上下兩個波束，在與水平面成一定角度的方向上形成等信號區(qū)。兩組天線的信號可通過載波頻率、 調(diào)制頻率

40、或調(diào)制方式的不同而加以區(qū)別，下面以調(diào)制頻率的不同進行介紹。1 . 下滑臺地面信標下滑信標安裝于飛機跑道一側(cè)，距跑道中心120180m,距跑道終端 200450m,為飛機著陸提供與跑道成 2。3。傾角的下滑面引導(dǎo)，有效導(dǎo)航距離為10n mile以上。下滑臺工作的載頻頻率在 329.15M335MHz頻段內(nèi)，每隔150kHz為一頻點，共有 40個波道， 各波道與導(dǎo)航臺的波道配對使用。其基本組成見圖 4.32所示，發(fā)射機產(chǎn)生甚高頻振蕩，通過功率分配和交叉調(diào)制電橋分別加到兩個通道上去，其上、下天線通道的載波分別被90Hz、150Hz低頻信號調(diào)幅。圖4.3 2下滑臺基本方塊圖設(shè)饋電給上、下天線的電流瞬時

41、值分別為：ih = I h(1+mi sinC1t)sinTt(4.31)iL = IL(1+m2 sinC2t)sin 8 t(4.32)式中編為載頻角頻率，m11、m2分別為角頻率口1=2"1、口2=2葉2的低頻信號的調(diào)幅系數(shù)，其中f1為90Hz, f2為150Hz。若向兩根天線饋送的電流初始相位為零，則它們在遠區(qū)形成的場可表示為：eh 二 Ehm fh (1)(1 Im1 sin - 1 t) sin 1 t(4.3-3)(4.34)el = Elmf1c)(1 m2 sin1 12t)sin t式中Ehm、Em分別為上、下天線在它們的方向性圖最大值方向輻射的信號幅度;fh (

42、9)> fl (9)分別為上、下天線在垂直面上歸一化的方向性函數(shù)。則兩天線輻射信號的合成場為:e = el - eh= Ehmfh。)ElmflC)1m1Ehmfh。).sin j 1tEhmfhC)ElmflC).mzElmflO)Ehmfh Elm fl sin2tlsin t(4.35)上式中sinC1t、sinG2t前面的系數(shù)確定了調(diào)制旁頻振蕩幅度與角度日的關(guān)系，稱為空間調(diào)制深度，并表示為:mEmfh。)EhmfhQ)ElmflQ)(4.36)mzElmff)(4.3 7)M 2 二-EhmfhC) Elm fl 對于式(4.3 5)的合成信號，通過機載下滑接收機就可以實現(xiàn)將上、

43、下天線的信號進行分離，并得到等信號區(qū)方向的位置。2 .下滑臺機載接收機機載接收機的基本組成結(jié)構(gòu)見圖4.33所示。天線接收下滑臺輻射的信號，經(jīng)過放大、 g與空間調(diào)制變頻、檢波，用低頻濾波器將90Hz和150Hz的信號分開，分別整流成直流電壓信號，接入相減電路，下滑指示器指示的是兩電壓信號的差值，其相對于下滑線的偏離 深度之差成正比，即:g =K(M1 - M2)(4.3 8)式中K為比例系數(shù)。因此，下滑指示器的指示取決于上、下天線方向性圖的調(diào)制系數(shù)(4.39)之差。令上式等于零，且 m1 =m2時，可得到關(guān)于等信號區(qū)方向的位置方程為：EhmFh(U0)=ElmFl(U0)指 針 指 示 器圖4.

44、3 3 下滑臺接收機基本方塊圖兩天線信號調(diào)制系數(shù)相等的方向與地面形成 2° 7°的夾角。當飛機處于下滑道平面下方 時，下滑接收機接收的150Hz調(diào)制系數(shù)大于90Hz的調(diào)制系數(shù)，下滑指示器指示飛機向上飛 行；反之亦然。4. 3. 3 航向臺航向臺安裝在跑道中心線的延長線上，提供與跑道平面垂直的航向面信號。當飛機高度在600m以上時，要求在航向道左右10°扇形范圍內(nèi)的有效導(dǎo)航距離應(yīng)達18M5 n mile；在航向道左右35°扇形范圍內(nèi)，有效導(dǎo)航距離應(yīng)達1077 n mile。航向臺發(fā)射的載頻頻率為108M112MHz ,每隔50kHz為一頻點，共劃分了 40

45、個波道。其識別信號為1020Hz調(diào)制的、23個英文字符的莫爾斯電碼。與下滑臺原理類似，航向臺的地面信標沿跑道中心線兩側(cè)發(fā)射兩束水平交叉的輻射波 瓣，分別被90Hz和150Hz低頻信號調(diào)幅。當飛機飛行在跑道中心線上時，兩者的調(diào)制系數(shù) 相同，儀表指針或水平位置指示器中的航道桿在中心位置；當飛機在跑道中心線的左邊時， 90Hz信號的調(diào)制系數(shù)將大于 150Hz的調(diào)制系數(shù)，儀表指針偏向右邊，飛機向右修正航向。 用航道桿指示飛機的航向偏離程度時，每一點代表0.5°。航向臺天線是沿一條直線裝設(shè)的許多對水平極化的偶極子天線(見圖4.34),垂直于跑道且對稱放置，一般為5或7對。各天線振子按下述方式饋

46、電：用同相電流對各振子饋電,形成一個最大值方向位于跑道中心線上的單波瓣方向性圖，稱為和信號方向性圖；由旁頻電流給跑道中心線兩邊的振子反向供電，即兩邊的電流相位相差180。，形成位于跑道中心線上相位相反的雙波瓣方向性圖，稱為差信號方向性圖； 其合成的方向性圖就成為向左或右偏離跑道中心線一定角度的波束形狀。圖4.34航向信標臺方框圖由于90Hz與150Hz調(diào)制頻率的旁頻分量在跑道中心線兩側(cè)是反相的，這樣其方向性圖就一個向左偏離、一個向右偏離，在跑道中心線方向上兩個波瓣的方向性圖相交，形成信號相等的航向?qū)б妗Ｅc航向地面信標臺配合使用的機載航向接收機，其組成結(jié)構(gòu)和工作原理與下滑接收機 基本相同，不再

47、重復(fù)。4. 3. 4指點信標指點信標配合儀表著陸系統(tǒng)使用，架設(shè)在飛機進近方向的跑道中心線延長線上，在距跑道始端的幾個特定位置點上垂直向上發(fā)射錐形波束，為飛機提供距離信息。ICAO規(guī)定，大、中型機場應(yīng)設(shè)置三個指點信標臺，即外標臺、中標臺和內(nèi)標臺，如圖4.3 5所示，小型機場一般只有外標臺和中標臺。三個信標臺分別裝設(shè)在距離跑道入口端約近白3000Hz中看遠臺 460HH7200m、1050m和75m的地方，內(nèi)標臺的位置根據(jù)機場具體條件可做相應(yīng)調(diào)整。它們的發(fā) 射功率都為12W,載頻頻率為75MHz,采用莫爾斯碼幅度調(diào)制方式。10.6 英里-j4、7英里 T一遠推點標臺 2一中指點標臺 3-近指點標臺

48、1-蹈道5-蒯通人L】魏圖4.3 5指點信標的發(fā)射波束外標臺的音頻調(diào)幅頻率為 400Hz，識別電碼為2劃/秒（藍色燈）；中標臺音頻調(diào)幅頻率 為1300Hz,識別電碼為一點一劃/秒 （琥珀色燈）；內(nèi)標臺音頻調(diào)制頻率為3000Hz,識別電碼為6點/秒（白色燈）。只有當飛機飛過信標臺上空時，機上信標接收機才能收到信號，接收機的指示燈和音響設(shè)備將提醒飛行員進行決斷。隨著距機場的距離越來越近，報警聲音和燈光的閃爍會逐級地越來越短促。4. 3. 5儀表著陸系統(tǒng)的優(yōu)缺點儀表著陸系統(tǒng)在二次大戰(zhàn)后被國際民航組織規(guī)定為飛機引導(dǎo)著陸的標準設(shè)備，至今已有50多年歷史，主要用于提供 I類和n類精密著陸的儀表引導(dǎo)。儀表著陸系統(tǒng)設(shè)備簡單、使 用方便、可靠性高，應(yīng)用廣泛，目前全世界處于運行的ILS有幾千套。但是，由于儀表著陸系統(tǒng)固有的技術(shù)體制原因，存在著許多原理和應(yīng)用方面的局限：(1)它只能在空間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不變的，對飛機類型限制大，不適應(yīng)特殊類型的飛機進場著陸 的要求，如直升機、垂直起降飛機、短距離起落飛機等。(3)系統(tǒng)依靠地面反射形成下滑道，對周圍地形要求高，不允許有遮擋物，要求安裝場 地非常平整和寬闊，增大了平整場地的費用。(4)下滑道會隨季節(jié)和氣候變化而變化，并且容易產(chǎn)生彎曲。(5)工作頻率低，天線尺寸大，安裝調(diào)試不方便。