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文檔簡介

1、第八講:通信和導航設備導航輔助設備陸基無線電導航系統(tǒng),西北工業(yè)大學自動化學院 2011年5月,一.概述,陸基無線電導航系統(tǒng)是以設置在陸地上(或艦上)的導航臺為基礎,通過無線電信號向飛機或船只(或車輛或其他用戶)提供導航信息的系統(tǒng)。 20世紀3040年代,在世界主要區(qū)域無線電信標、指點信標普及使用。二者都是連續(xù)波信號,前者為中波,后者用75MHz. 無線電信標:發(fā)射臺全向發(fā)射,載體接收機的環(huán)狀天線取不同方向時,接收到的信號強度不同,船只或飛機以此確定相對信標臺的航向或位置; 指點信標:在地面上發(fā)射臺以窄波束向頂空輻射信號,當飛機飛過波束照射區(qū)時,便接收到信號,以此確定飛機的位置。,一.概述(續(xù))

2、,1941年出現(xiàn)了ILS,解決了飛機由于氣象和能見度限制在進場和著陸過程易發(fā)安全事故問題。ILS發(fā)射連續(xù)波信號,航向臺工作在VHF頻段,下滑臺工作在UHF頻段; 1948年,ICAO決定采用VOR作為國際民用航空的標準航路導航系統(tǒng),VOR可提供飛機相對地面臺位置矢量偏離地面臺磁北方向的角度,工作在VHF頻段; 1956年塔康(TACAN)研制成功,用以為海軍飛機提供相對于軍艦的位置。TACAN的工作是由測方位和測距兩部分組成,測方位的原理同VOR,測距采用脈沖應答方式。 鑒于VOR、DME和TACAN都工作在VHF以上的頻段,電波沿視距傳播,因此一個地面臺的信號覆蓋范圍有限(對1萬米高度的飛機

3、,其作用半徑為200nm),需毗鄰布置。,一.概述(續(xù)),1957年,羅蘭C投入運行,它工作在100kHz左右頻段,既利用脈沖前沿又利用載波相位以測量時間差,工作原理:雙曲線導航方法。作用距離遠,精度較高。 鑒于上述系統(tǒng)都不能覆蓋全球,20世紀6070年代研制了OMEGA系統(tǒng),該系統(tǒng)工作在10kHz,采用連續(xù)波信號,8各發(fā)射臺,大功率信號通過由電離層與地球表面之間形成的波導傳播覆蓋了全球。7080年代,OMEGA曾經是越洋航空和航海導航的重要系統(tǒng)(也是雙曲線導航)。定位精度24nm(95)。1997年關閉。,一.概述(續(xù)),今天仍然在大量使用的陸基無線電導航系統(tǒng)主要是:TACAN、VOR、DM

4、E、LORAN-C、NDB(無線電信標)、MB(指點信標)以及為飛機提供精密進近引導的ILS、MLS和PAR(精密進近雷達)。 盡管陸基無線電導航有被衛(wèi)星導航取代的趨勢,但仍有以下方面存在和使用下去的理由: 已建有成熟的基礎設施,覆蓋了世界交通運輸?shù)闹饕铰?,是人們熟悉且已建立了高度信任的導航手段?陸基無線電導航系統(tǒng)是由各國分頭建立和運行,并按國際協(xié)議和標準建設的系統(tǒng),因而在國家主權和國際通航方面實現(xiàn)了良好的平衡; 陸基無線電導航系統(tǒng)由于信號功率大,作用距離近,不易受到干擾。,一.概述(續(xù)),所以現(xiàn)在美國、歐洲和世界許多國家都把無線電導航政策修改為:逐步過渡到以衛(wèi)星導航作為主導航系統(tǒng),而以陸

5、基無線電導航作為冗余和備份系統(tǒng),以備萬一衛(wèi)星導航系統(tǒng)失效時能提供最基本的導航服務。,二.定向機/無方向信標(DF/NDB),DF/NDB是20世紀2040年代主要的無線電導航系統(tǒng),ICAO附件10至今仍有其相關內容,說明它仍是ICAO的標準系統(tǒng)。 DF/NDB系統(tǒng)的功用:使裝在飛機上的定向機為飛機提供指向NDB的方位(飛機縱軸與指向NDB方向間的夾角),以引導飛機飛向NDB或飛離NDB,幫助飛機在終端區(qū)找到初始近進點,在設備較差的機場引導飛機非精密進近。 系統(tǒng)工作時,地面NDB臺全向發(fā)射連續(xù)波信號(發(fā)射頻率190kHz1750kHz),機載DF(或ADF)接收信號。 NDB的發(fā)射功率在20W以

6、上,作用半徑取決于發(fā)射功率,范圍為25nm150nm。 NDB天線為塔式,垂直極化,方向圖水平為圓形,垂直面頂空有一盲區(qū)。,二.定向機/無方向信標(DF/NDB)(續(xù)),二.定向機/無方向信標(DF/NDB)(續(xù)),DF工作原理:轉動環(huán)狀天線,使其輸出為0,便說明NDB臺處于與環(huán)形天線平面相垂直的方向。 特點: DF(ADF)/NDB系統(tǒng)依靠地波工作,當?shù)匦纹鸱?,尤其靠近山區(qū)時,對精度影響較大,NDB誤差為3 10,要達到3必須事先對ADF進行仔細校正。 DF(ADF)工作不一定必須依靠NDB,只要有DF能調諧到的其他發(fā)射臺,均可以將它們作為航向基準進行導航。 由它導航的飛機,在有側風時,飛

7、行路徑是彎曲的。,三.伏爾(VOR),VOR是甚高頻全向信標的縮寫。1949年由ICAO確定為標準系統(tǒng),它由地面臺和機載設備組成,地面臺發(fā)射信號,記載設備只接收信號,為飛機提供相對于地面臺的磁北方位角。 VOR是到目前為止民用航空最為普及的系統(tǒng),用作航路導航,也作非精密進近引導。 VOR工作頻段為108MHz117.95MHz,頻道間隔50kHz,信號為水平極化,一個地面臺可覆蓋200nm半徑范圍(飛機高度10000m時)。 VOR分為二種:常規(guī)VOR和多普勒VOR(DVOR),DVOR改善了VOR的精度,兩者只是地面臺不同,機載接收機通用。,三.伏爾(VOR)(續(xù)),VOR/DVOR有相當完

8、備的臺網,仍是世界民用航空中本土航路飛行的主要導航系統(tǒng)。 VOR對劃定空中航路有很大影響,如美國的空中航路和寬度便是按VOR及其使用誤差來劃定的。在VOR臺51nm以內航路寬度為4nm,此后按4.5擴張,到距離130nm處,航路寬度達到10nm,這是因VOR的系統(tǒng)誤差為4.5。 (故美國兩個VOR臺間的距離小于260nm),表 :VOR系統(tǒng)誤差分配表,四.測距器(DME),1.DME的由來 DME是ICAO的標準導航系統(tǒng),由地面臺和機載設備組成,為飛機提供相對于地面臺的斜距。 1956年美國軍方研制成功TACAN系統(tǒng),1959年ICAO決定采用TACAN的測距部分作為標準系統(tǒng),這就是現(xiàn)今的DM

9、E系統(tǒng)。 DME分為DME/N(窄頻帶)(簡稱DME)和DME/P(精密)。 當DME/N地面臺和VOR地面臺裝在一起時,形成ICAO的標準(距離方位)系統(tǒng),用于航路和終端區(qū)域導航,DME/N還可以和ILS或MLS相配,用于飛機精密進近; 新的趨向是將DME/N單獨使用,利用多個DME/N地面臺,形成 (距離距離)區(qū)域導航系統(tǒng)。 DME/P只與MLS相配,用作飛機的精密進近,是在1978年MLS出現(xiàn)后才發(fā)展的。,四.測距器(DME)(續(xù)),2.DME系統(tǒng)工作原理 DME工作頻段為960MHz1215MHz,采用脈沖信號體制。作航路導航時,一個地面臺可覆蓋200nm的半徑范圍;在終端區(qū)和作精密進

10、近時,覆蓋25nm半徑。 一個地面臺可服務的飛機數(shù)為100至110架。按ICAO的規(guī)定,DME的系統(tǒng)精度為370m(95%),其中地面臺的誤差不大于75m. 工作原理:機載設備(又稱詢問器)發(fā)出成對的詢問脈沖,地面臺(又稱應答器或地面信標)接收到之后,經過一定的時延(一般為50s)發(fā)出成對應答脈沖。機載設備接收到應答信號后,將發(fā)出詢問信號和收到應答信號所經歷的時間減去地面臺的時延,便可計算出飛機與地面臺的距離。,四.測距器(DME)(續(xù)),測距主要誤差源: 地面應答機50s的時延誤差,按規(guī)定允許0.5s(實際控制到0.2s以下); 脈沖半幅度點檢測誤差; 多徑反射引起脈沖波形畸變帶來的檢測誤差

11、。 雙DME定位誤差: 定位精度與定位時飛機和地面臺的幾何分布位置有關。,四.測距器(DME)(續(xù)),3.DME/P MLS的方位臺和仰角臺為實施精密進近中的飛機提供方位角和下滑角引導,為了提供第三維位置坐標,即飛機距接地點的距離,還要用DME/P。 DME/P在飛機著陸階段提供比DME/N高得多的測距精度(12m) 機載DME設備把DME/P作為一種工作模式,只在著陸時使用,航路上以DME/N模式工作,在與MLS相配實施著陸時轉換到DME/P模式。 DME/P機載設備有初始進近(IA)和最后進近(FA)兩種模式。初始進近從距跑道22nm開始,到8nm結束;87nm為過渡區(qū);在7nm內按FA模

12、式工作。 DME/P地面應答器是專門的(其發(fā)射功率?。?,與MLS方位臺一起架設在跑道端頭。,五.塔康(TACAN),1.TACAN系統(tǒng)的由來 TACAN(戰(zhàn)術空中導航)是由美國海軍在1956年研制的,是世界上第一個同時為飛機提供方位和距離信息的系統(tǒng)。為實現(xiàn)艦空配合,海軍需要為航母艦載飛機提供相對于軍艦的方位和距離信息。 TACAN系統(tǒng)由臺站和機載設備組成,工作在960MHz1215MHz的脈沖信號體制(同DME)。,五.塔康(TACAN)(續(xù)),2.TACAN地面臺 TACAN測方位的原理類似VOR。為改善方位測量精度,TACAN天線方向圖為九瓣心臟形,理想情況下方位測量誤差可下降為1/9。

13、3.TACAN機載設備 TACAN機載設備由DME詢問器加方位測量電路構成。對于測位功能,機載設備只接收不發(fā)射,因此系統(tǒng)用戶數(shù)無限。 TACAN與DME機載設備的天線完全一樣,廣泛使用一種1/4波長扁平刀形天線。 TACAN機載設備還有空/空測距工作模式。在這種工作模式下,機載設備既可以做詢問器,又可做應答器。此模式用于空中加油、空中集合和編隊飛行。,五.塔康(TACAN)(續(xù)),4.TACAN的性能 測距精度同DME,為370m; 方位測量精度:優(yōu)于2(2)。 TACAN系統(tǒng)測位精度比VOR高,一是因為采用了多瓣天線方向圖,二是因為脈沖系統(tǒng)與連續(xù)系統(tǒng)相比對多徑的敏感度低。,六.羅蘭C,羅蘭C

14、是一種中遠程無線電導航系統(tǒng),它屬于陸基、低頻(工作頻率100kHz)、脈沖相位導航體制。 其基本組成分為四部分:地面設施、用戶設備、傳播媒介和應用方法。 地面設施包括形成臺鏈的一組發(fā)射臺、工作區(qū)監(jiān)測站和臺鏈控制中心。一個臺鏈由若干個發(fā)射臺組成,對于雙曲線定位體制的臺鏈,它至少應包括三個發(fā)射臺;對于園園定位體制的臺鏈,至少兩個發(fā)射臺。發(fā)射臺提供無線電導航信號,監(jiān)測站和臺鏈控制中心用于監(jiān)視和控制信號,使信號滿足系統(tǒng)的要求。,六.羅蘭C(續(xù)),用戶設備(接收機):接收來自發(fā)射臺的導航信號。 傳播媒介:指無線電導航信號由發(fā)射臺到用戶接收機之間所經過的地球表面和大氣條件,包括可能受到的各種自然和人為干擾。使用羅蘭C系統(tǒng)必須要考慮傳播媒介的影響。 應用方法:發(fā)射臺的幾何體制、信號形式及接收機的信號處理技術等。不同的應用方法會產生不同的導航效果。例如,使用圓圓定位體制就要求用戶接收機具有高質量的時間基準設備;使用天波定位相比使用地波定位,應用工作區(qū)大,但定位精度降低。,六.羅蘭C(續(xù)),羅蘭C是雙曲線無線電導航系統(tǒng),其基本工作原理:接收機接收同一臺鏈兩個發(fā)射臺的信號到達的時間差(可轉換為距離差),具有相同距離差的點的軌跡是以發(fā)射臺為焦點的一條雙曲線,如能獲取兩條相交的雙曲線,則其交點就是要確定的位置。 臺鏈的配置有三角形、Y形和星形。 羅蘭C定

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