無(wú)線電導(dǎo)航基本原理12第2章ppt課件

1、 2.1 角丈量原理 2.2 間隔丈量原理 2.3 定位原理 2.4 時(shí)間同步 2.5 無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)任務(wù)區(qū) 無(wú)線電導(dǎo)航 經(jīng)過(guò)丈量電磁波在空間傳播時(shí)的電信號(hào)參量如電波的幅度、頻率及相位等進(jìn)展。 構(gòu)建機(jī)制 使得實(shí)踐中丈量的無(wú)線電電參量與幾何上的角度電臺(tái)方位角、載體姿態(tài)角、間隔間隔、間隔差、和等幾何參量建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，這些參量稱(chēng)為導(dǎo)航幾何參量。 常用的導(dǎo)航幾何參量 角度 間隔 導(dǎo)航通常是相對(duì)于某一詳細(xì)目的地而言的，因此用空間極坐標(biāo)角度和間隔是方便和合理的，也是便于無(wú)線電丈量的。主要引見(jiàn)上述兩類(lèi)根本幾何參量的電丈量原理及導(dǎo)航定位方法。 導(dǎo)航中的角參量可以分為兩類(lèi)： 一類(lèi)是用于描畫(huà)載體與導(dǎo)航臺(tái)站之間的相

2、對(duì)角度關(guān)系的，如電臺(tái)方位，跑道方位等； 另一類(lèi)用于描畫(huà)載體的飛行形狀，如航向、俯仰、橫滾等。 角度丈量?jī)煞N方法： 振幅法和相位法 振幅法主要用于第一類(lèi)角的丈量 相位法根據(jù)系統(tǒng)構(gòu)制不同可以進(jìn)展兩類(lèi)角的丈量。 利用天線的方向性圖實(shí)現(xiàn)振輻與導(dǎo)引角的對(duì)應(yīng)關(guān)系，有兩種實(shí)現(xiàn)體制。 站臺(tái)自動(dòng)式 導(dǎo)航站臺(tái)采用方向性天線發(fā)射信號(hào)，用戶(hù)采用無(wú)方向性天線接納； 用戶(hù)自動(dòng)式 導(dǎo)航臺(tái)站采用無(wú)方向性天線發(fā)射信號(hào)，用戶(hù)端采用方向性天線接納 留意：留意： 1、基準(zhǔn)線的方向可以、基準(zhǔn)線的方向可以是地理北向，也可以是是地理北向，也可以是某一特定方向如飛機(jī)某一特定方向如飛機(jī)的跑道方向。的跑道方向。 2、僅僅依托上面丈量、僅僅依托上

3、面丈量的角度是無(wú)法單獨(dú)完成的角度是無(wú)法單獨(dú)完成載體的出航和歸航的，載體的出航和歸航的，必需結(jié)合載體上的航向必需結(jié)合載體上的航向丈量設(shè)備進(jìn)展角度的比丈量設(shè)備進(jìn)展角度的比對(duì)。對(duì)。 載體的測(cè)向器可以利用載波信號(hào)的振幅變化或者載波信號(hào)的調(diào)制深度的變化來(lái)測(cè)定角參量 前者稱(chēng)之為E型任務(wù)方式， 后者稱(chēng)之為M型任務(wù)方式。 利器具有方向性函數(shù)的接納天線，對(duì)地面導(dǎo)航臺(tái)的無(wú)方向性調(diào)幅波信號(hào)進(jìn)展接納，接納到的信號(hào)為 ： 可見(jiàn)，在E型任務(wù)方式中，調(diào)制深度堅(jiān)持不變，載波信號(hào)的幅度E與導(dǎo)航角參量建立一定的映射關(guān)系 ttmGEeocos*)cos*1 (*)(*)(EE 要獲得一個(gè)調(diào)制深度與角參量發(fā)生對(duì)應(yīng)關(guān)系的電波信號(hào)，需求

4、用一個(gè)方向性天線和一個(gè)無(wú)方向性天線如垂直天線共同來(lái)完成。 假定導(dǎo)航臺(tái)發(fā)射的是等幅非調(diào)制波，垂直天線上收到的信號(hào)相當(dāng)于載波分量，環(huán)狀天線的接納信號(hào)相當(dāng)于傍頻分量，二者在迭加器中合成為一個(gè)調(diào)幅波 ：ttmEeeemcoscos*)(1 *121)()(12GEEmmm 利用方向性圖測(cè)導(dǎo)引角，有三種方法： 1、最大值法 用戶(hù)的接納天線采用針狀方向性圖的接納天線。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)接納天線使得接納信號(hào)最強(qiáng)時(shí)，天線轉(zhuǎn)過(guò)的角度即為導(dǎo)航臺(tái)站相對(duì)于機(jī)軸的方位。 缺陷： 實(shí)踐的丈量過(guò)程中，方向性圖的最大值在某個(gè)角度范圍內(nèi)無(wú)法覺(jué)察出方向的偏離，稱(chēng)為不靈敏區(qū) 為減小不靈敏區(qū)，要求天線的方向性圖足夠鋒利 將接納天線的最小值對(duì)準(zhǔn)來(lái)

5、波方向，天線中心所轉(zhuǎn)過(guò)的角度也就是導(dǎo)航臺(tái)站相對(duì)于機(jī)軸方向的方位。 零值點(diǎn)附近也存在一個(gè)不靈敏區(qū)。 與最大值法相比，普通最小值法的不靈敏區(qū)較小，故其測(cè)角靈敏度要比最大值法高。 假設(shè)將構(gòu)成天線方向性圖的兩個(gè)波束，部分的重疊起來(lái)，那么可以獲得一條等訊號(hào)線，如下圖。 轉(zhuǎn)動(dòng)天線到兩個(gè)波束的接納訊號(hào)強(qiáng)度相等的方向，即可確定出被測(cè)導(dǎo)航臺(tái)的方位。 靈敏度介于最大值法和最小值法之間。 天線是振幅式無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，正是依托它才建立起接納信號(hào)幅度與導(dǎo)航角參量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 天線需求有一定特性的方向性圖。 常用天線？ 垂直天線是最簡(jiǎn)單的一類(lèi)天線，也就是我們常說(shuō)的線狀天線。 假設(shè)天線的長(zhǎng)度為l,電波的磁

6、場(chǎng)方向一直在程度面內(nèi)，那么由圖可以容易得到接受天線所感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)為： tElecoscos*0 矩形環(huán)狀天線ABCD如下圖 天線高度為h，寬為b 處于正常極化的電磁場(chǎng)內(nèi)， 假定電波磁場(chǎng)方向在程度面內(nèi) 如下圖，分集天線由兩個(gè)垂直天線構(gòu)成 可以把天線A,B看作環(huán)狀天線的兩個(gè)垂直邊，程度面方向性圖仍是8字型。 分集天線比環(huán)狀天線省去了程度邊，對(duì)消除極化誤差很有利。 一、方位丈量 無(wú)線電波傳播時(shí)，相位與方位角之間沒(méi)有直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 普通多采用旋轉(zhuǎn)天線方向性圖和旋轉(zhuǎn)無(wú)方向性天線兩種方法。 假假設(shè)發(fā)射心型方向性圖，在程度面內(nèi)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；空間恣意一點(diǎn)接納到的場(chǎng)強(qiáng)將是包絡(luò)調(diào)制信號(hào)。包絡(luò)相位與接納點(diǎn)的方位相關(guān)

7、，稱(chēng)為可變相位信號(hào)。 在方向性圖最大值為某一事先確定的方位航路VOR通常采用地磁北向方位，終端VOR通常采用跑道方位時(shí)經(jīng)過(guò)全向天線輻射基準(zhǔn)相位信號(hào)。 經(jīng)過(guò)測(cè)出包絡(luò)相位和基準(zhǔn)相位之間的相位差就可得到載體相對(duì)于基準(zhǔn)方向的方位角。 無(wú)方向性天線在輻射或接納電磁波時(shí)，本身是不含角坐標(biāo)信息的。 假設(shè)在一個(gè)平面內(nèi)以一個(gè)固定的角頻率旋轉(zhuǎn)，那么無(wú)論發(fā)射臺(tái)信標(biāo)還是接納臺(tái)測(cè)向器，其輻射或接納信號(hào)的相位，都將被天線的轉(zhuǎn)動(dòng)所調(diào)制。所調(diào)制的相位與觀測(cè)點(diǎn)的角坐標(biāo)有著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，這就是旋轉(zhuǎn)無(wú)方向性天線進(jìn)展測(cè)角的根據(jù)DVOR。 在O點(diǎn)設(shè)置一等幅發(fā)射機(jī)，同時(shí)將高頻信號(hào)饋送到在程度面內(nèi)沿半徑為R的圓周運(yùn)動(dòng)的無(wú)方向性天線A。

8、如圖，沿確定的基準(zhǔn)方向AB并以一定的間隔D放置兩個(gè)無(wú)方向性天線A、B，它們發(fā)射同相的電磁波。 用戶(hù)處于遠(yuǎn)場(chǎng)U點(diǎn)，經(jīng)過(guò)接納A、B的信號(hào)并比較它們的相位，那么可得到SU相對(duì)于基準(zhǔn)軸AB的角度，其關(guān)系如下 ：cos2DAB 1、相位法并不要求天線有鋒利的方向性，用無(wú)方向性天線即可。 2、相位差的范圍那么能夠超越360度D，存在測(cè)相的模糊性多值性 當(dāng)D時(shí)，那么不存在多值問(wèn)題 與基線方式相反，假設(shè)將基線固定在載體上，那么就可以實(shí)現(xiàn)姿態(tài)的丈量。 由于 姿態(tài)的三個(gè)角度：航向yaw、俯仰(pitch、p)、橫滾(roll、r)是相互獨(dú)立的，因此為了論述的方便，以航向和俯仰為主引見(jiàn)其丈量方法。 無(wú)論是間隔，還是

9、間隔差、間隔和的丈無(wú)論是間隔，還是間隔差、間隔和的丈量，它們的都是利用電磁波在均勻介質(zhì)量，它們的都是利用電磁波在均勻介質(zhì)空間中傳播式的直線性和等速性。空間中傳播式的直線性和等速性。 間隔主要有相位、頻率和脈沖時(shí)間間隔主要有相位、頻率和脈沖時(shí)間三種丈量方法。三種丈量方法。 經(jīng)過(guò)丈量電磁波在運(yùn)載體和電臺(tái)之間信號(hào)相位的變化來(lái)確定間隔差。 A、B兩點(diǎn)電波的相位差是: 在三維空間中，以運(yùn)載體或?qū)Ш脚_(tái)為基準(zhǔn)，畫(huà)出等相位的曲線，那么是一組以基準(zhǔn)點(diǎn)為球心、半徑為r的球位置面。 假設(shè)普通只思索二維程度面的情況，那么r常數(shù)時(shí)，相當(dāng)于以基準(zhǔn)點(diǎn)為圓心、r為半徑的圓弧，即為圓位置線。 crAB/*crAB/* 相位法丈

10、量間隔差丈量導(dǎo)航臺(tái)站A、B發(fā)射電波的相位差。 導(dǎo)航臺(tái)站之間是嚴(yán)厲同步的BABBBCAAACcrcr/*/*)(ABBCACrrc20ABrrr 由于兩個(gè)臺(tái)站或載體與用戶(hù)之間的間隔較大，相位法測(cè)距中存在多值性問(wèn)題影響到準(zhǔn)確度與作用間隔的提高，為此需求采取相應(yīng)祛除多值模糊的措施。 1、延續(xù)丈量、計(jì)算并記錄完好相位循環(huán)數(shù)。 根據(jù)計(jì)數(shù)器的指示，可確定出相位巷道的序號(hào)；根據(jù)相位計(jì)的指示，可確定出小于的相位讀數(shù)。 該方法的運(yùn)用必需保證 首先是容易得到相位巷道的初始值， 其次保證高的可靠性，由于一旦喪失接納信號(hào)將使相位巷道的序號(hào)記錄喪失或產(chǎn)生混亂，導(dǎo)致更大的定位誤差。 2、消除相位多值性的另一種方法是寬、窄

11、相位巷道配合任務(wù)的方法。 在加寬的巷道中，獲得相位低精度讀數(shù)，獲得原相位巷道的序號(hào)； 在窄相位巷道中讀取相位高精度讀數(shù)，獲得間隔或間隔差。 相位巷道的數(shù)目取決于間隔，即： 假設(shè)將頻率減小K倍，其波長(zhǎng)加大K倍，那么相位巷道將相應(yīng)加寬K倍。這時(shí)，地面臺(tái)除了輻射頻率f0的信號(hào)外，同時(shí)還要輻射頻率f1的信號(hào)： 這時(shí)相位接納機(jī)在f0-f1的頻率上進(jìn)展粗測(cè)，在f0對(duì)應(yīng)的巷道里進(jìn)展精測(cè)。既可以消除多值性，又能同時(shí)獲得必要的丈量精度。012rn )/11 (01Kff 頻率測(cè)距通常是利用發(fā)射信號(hào)與反射信號(hào)的差頻來(lái)進(jìn)展丈量的。 作為頻率測(cè)距系統(tǒng)，必需求有一定的反射面，頻率測(cè)距通常用來(lái)進(jìn)展高度的丈量。 頻率測(cè)高的

12、原理表示圖如下所示： 設(shè)發(fā)射機(jī)在t1時(shí)辰向地面發(fā)射信號(hào)的頻率為f1，經(jīng)時(shí)間后由地面反射回來(lái)。 假設(shè)不思索多普勒效應(yīng)，那么反射回來(lái)的信號(hào)頻率不變，而此時(shí)發(fā)射機(jī)發(fā)射的頻率變?yōu)閒2，那么在接納檢波的中直達(dá)信號(hào)與反射信號(hào)的差頻為fb=f2-f1。 差頻的大小與傳播延遲相關(guān)，即取決于高度。 線性調(diào)頻比較直觀的表達(dá)了頻率和間隔之間的關(guān)系 普通說(shuō)來(lái)頻率調(diào)制信號(hào)可以是恣意周期的時(shí)間函數(shù)。 bmfTfTffch/2000102bmffcTh20 脈沖法測(cè)距，本質(zhì)上是用鋒利的脈沖對(duì)時(shí)間軸進(jìn)展標(biāo)定，然后經(jīng)過(guò)脈沖間隔讀取時(shí)間，進(jìn)而丈量間隔。 脈沖測(cè)距有兩種方式： 有源方式 無(wú)源方式 所謂的有源測(cè)距指的是信號(hào)在用戶(hù)和導(dǎo)

13、航臺(tái)站之間閱歷了往、返兩個(gè)傳播過(guò)程，然后經(jīng)過(guò)丈量信號(hào)的往返時(shí)間計(jì)算出用戶(hù)和導(dǎo)航臺(tái)站之間的間隔。 通常測(cè)距訊問(wèn)脈沖由用戶(hù)發(fā)出，該訊問(wèn)脈沖需求經(jīng)過(guò)特殊的編碼以區(qū)別是哪個(gè)用戶(hù)的訊問(wèn)脈沖，導(dǎo)航臺(tái)站收到該脈沖后，延遲一定的時(shí)間 后向用戶(hù)發(fā)射應(yīng)對(duì)脈沖 由用戶(hù)接納并丈量訊問(wèn)脈沖和應(yīng)對(duì)脈沖之間的時(shí)間間隔 ，便可以丈量載體和導(dǎo)航臺(tái)站之間的間隔，即： tctD*2 需求留意的是，在上述的丈量中，沒(méi)有對(duì)用戶(hù)和導(dǎo)航臺(tái)站的時(shí)鐘同步提出要求，也沒(méi)有要求用很高精度的用戶(hù)時(shí)鐘。但并不是任何時(shí)鐘都是允許的，需求根據(jù)間隔的丈量精度目的安裝符合要求的時(shí)鐘。 譬如，假設(shè)要求間隔的丈量精度不大于30米，系統(tǒng)的任務(wù)半徑為300公里，那么時(shí)鐘的穩(wěn)定度不能低于 。 較好的石英晶體根本上都可以滿(mǎn)足。因此，有源測(cè)距對(duì)時(shí)鐘性能要求比較低55105103230 無(wú)源測(cè)距指的是用戶(hù)僅僅接納導(dǎo)航臺(tái)站發(fā)射的脈沖信號(hào)來(lái)測(cè)得傳播延遲。 要求用戶(hù)的時(shí)鐘與導(dǎo)航臺(tái)站的時(shí)鐘基準(zhǔn)嚴(yán)厲同步，它們的時(shí)鐘震蕩源之間既同頻又同相，既無(wú)頻差又無(wú)鐘差。 嚴(yán)厲意義的無(wú)源測(cè)距往往需求在測(cè)距之前曾經(jīng)在用戶(hù)和導(dǎo)航臺(tái)站之間進(jìn)展了大量的時(shí)鐘同步任務(wù)。 在用戶(hù)和導(dǎo)航臺(tái)站的時(shí)鐘同步之后，導(dǎo)航臺(tái)站發(fā)射測(cè)距脈沖，同時(shí)在測(cè)距脈沖中對(duì)發(fā)射時(shí)辰以電文的方式傳輸。 用戶(hù)收到測(cè)距脈沖后，測(cè)定脈沖的到達(dá)時(shí)間TOA