8第八講：通信和導(dǎo)航設(shè)備(下).ppt

1、第八講：通信和導(dǎo)航設(shè)備導(dǎo)航輔助設(shè)備陸基無線電導(dǎo)航系統(tǒng),西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院 2011年5月,一.概述,陸基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)是以設(shè)置在陸地上（或艦上）的導(dǎo)航臺為基礎(chǔ)，通過無線電信號向飛機(jī)或船只（或車輛或其他用戶）提供導(dǎo)航信息的系統(tǒng)。 20世紀(jì)3040年代，在世界主要區(qū)域無線電信標(biāo)、指點(diǎn)信標(biāo)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(biāo)：發(fā)射臺全向發(fā)射，載體接收機(jī)的環(huán)狀天線取不同方向時(shí)，接收到的信號強(qiáng)度不同，船只或飛機(jī)以此確定相對信標(biāo)臺的航向或位置； 指點(diǎn)信標(biāo)：在地面上發(fā)射臺以窄波束向頂空輻射信號，當(dāng)飛機(jī)飛過波束照射區(qū)時(shí)，便接收到信號，以此確定飛機(jī)的位置。,一.概述(續(xù)）

2、,1941年出現(xiàn)了ILS，解決了飛機(jī)由于氣象和能見度限制在進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)航路導(dǎo)航系統(tǒng)，VOR可提供飛機(jī)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(jī)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(yīng)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(gè)地面臺的信號覆蓋范圍有限（對1萬米高度的飛機(jī)

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(yùn)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(shí)間差，工作原理：雙曲線導(dǎo)航方法。作用距離遠(yuǎn)，精度較高。 鑒于上述系統(tǒng)都不能覆蓋全球，20世紀(jì)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(dǎo)傳播覆蓋了全球。7080年代，OMEGA曾經(jīng)是越洋航空和航海導(dǎo)航的重要系統(tǒng)（也是雙曲線導(dǎo)航）。定位精度24nm（95）。1997年關(guān)閉。,一.概述(續(xù)）,今天仍然在大量使用的陸基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)主要是：TACAN、VOR、DM

4、E、LORAN-C、NDB（無線電信標(biāo)）、MB（指點(diǎn)信標(biāo)）以及為飛機(jī)提供精密進(jìn)近引導(dǎo)的ILS、MLS和PAR（精密進(jìn)近雷達(dá)）。 盡管陸基無線電導(dǎo)航有被衛(wèi)星導(dǎo)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(chǔ)設(shè)施，覆蓋了世界交通運(yùn)輸?shù)闹饕铰罚侨藗兪煜で乙呀⒘烁叨刃湃蔚膶?dǎo)航手段； 陸基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)是由各國分頭建立和運(yùn)行，并按國際協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的系統(tǒng)，因而在國家主權(quán)和國際通航方面實(shí)現(xiàn)了良好的平衡； 陸基無線電導(dǎo)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(dǎo)航政策修改為：逐步過渡到以衛(wèi)星導(dǎo)航作為主導(dǎo)航系統(tǒng)，而以陸

5、基無線電導(dǎo)航作為冗余和備份系統(tǒng)，以備萬一衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)失效時(shí)能提供最基本的導(dǎo)航服務(wù)。,二.定向機(jī)/無方向信標(biāo)（DF/NDB）,DF/NDB是20世紀(jì)2040年代主要的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，ICAO附件10至今仍有其相關(guān)內(nèi)容，說明它仍是ICAO的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)。 DF/NDB系統(tǒng)的功用：使裝在飛機(jī)上的定向機(jī)為飛機(jī)提供指向NDB的方位（飛機(jī)縱軸與指向NDB方向間的夾角），以引導(dǎo)飛機(jī)飛向NDB或飛離NDB，幫助飛機(jī)在終端區(qū)找到初始近進(jìn)點(diǎn)，在設(shè)備較差的機(jī)場引導(dǎo)飛機(jī)非精密進(jìn)近。 系統(tǒng)工作時(shí)，地面NDB臺全向發(fā)射連續(xù)波信號（發(fā)射頻率190kHz1750kHz），機(jī)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(jī)/無方向信標(biāo)（DF/NDB）（續(xù)）,二.定向機(jī)/無方向信標(biāo)（DF/NDB）（續(xù)）,DF工作原理：轉(zhuǎn)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(diǎn)： DF（ADF）/NDB系統(tǒng)依靠地波工作，當(dāng)?shù)匦纹鸱?，尤其靠近山區(qū)時(shí)，對精度影響較大，NDB誤差為3 10，要達(dá)到3必須事先對ADF進(jìn)行仔細(xì)校正。 DF（ADF）工作不一定必須依靠NDB，只要有DF能調(diào)諧到的其他發(fā)射臺，均可以將它們作為航向基準(zhǔn)進(jìn)行導(dǎo)航。 由它導(dǎo)航的飛機(jī)，在有側(cè)風(fēng)時(shí)，飛

7、行路徑是彎曲的。,三.伏爾（VOR）,VOR是甚高頻全向信標(biāo)的縮寫。1949年由ICAO確定為標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)，它由地面臺和機(jī)載設(shè)備組成，地面臺發(fā)射信號，記載設(shè)備只接收信號，為飛機(jī)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(dǎo)航，也作非精密進(jìn)近引導(dǎo)。 VOR工作頻段為108MHz117.95MHz，頻道間隔50kHz，信號為水平極化，一個(gè)地面臺可覆蓋200nm半徑范圍（飛機(jī)高度10000m時(shí)）。 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(jī)載接收機(jī)通用。,三.伏爾（VOR）（續(xù)）,VOR/DVOR有相當(dāng)完

8、備的臺網(wǎng)，仍是世界民用航空中本土航路飛行的主要導(dǎo)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(nèi)航路寬度為4nm，此后按4.5擴(kuò)張，到距離130nm處，航路寬度達(dá)到10nm，這是因VOR的系統(tǒng)誤差為4.5。 （故美國兩個(gè)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(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)航系統(tǒng)，由地面臺和機(jī)載設(shè)備組成，為飛機(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)DME/N地面臺和VOR地面臺裝在一起時(shí)，形成ICAO的標(biāo)準(zhǔn)（距離方位）系統(tǒng)，用于航路和終端區(qū)域?qū)Ш?，DME/N還可以和ILS或MLS相配，用于飛機(jī)精密進(jìn)近； 新的趨向是將DME/N單獨(dú)使用，利用多個(gè)DME/N地面臺，形成 （距離距離）區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)。 DME/P只與MLS相配，用作飛機(jī)的精密進(jìn)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(dǎo)航時(shí)，一個(gè)地面臺可覆蓋200nm的半徑范圍；在終端區(qū)和作精密進(jìn)

10、近時(shí)，覆蓋25nm半徑。 一個(gè)地面臺可服務(wù)的飛機(jī)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(jī)載設(shè)備（又稱詢問器）發(fā)出成對的詢問脈沖，地面臺（又稱應(yīng)答器或地面信標(biāo)）接收到之后，經(jīng)過一定的時(shí)延（一般為50s）發(fā)出成對應(yīng)答脈沖。機(jī)載設(shè)備接收到應(yīng)答信號后，將發(fā)出詢問信號和收到應(yīng)答信號所經(jīng)歷的時(shí)間減去地面臺的時(shí)延，便可計(jì)算出飛機(jī)與地面臺的距離。,四.測距器（DME）（續(xù)）,測距主要誤差源： 地面應(yīng)答機(jī)50s的時(shí)延誤差，按規(guī)定允許0.5s（實(shí)際控制到0.2s以下）； 脈沖半幅度點(diǎn)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(shí)飛機(jī)和地面臺的幾何分布位置有關(guān)。,四.測距器（DME）（續(xù)）,3.DME/P MLS的方位臺和仰角臺為實(shí)施精密進(jìn)近中的飛機(jī)提供方位角和下滑角引導(dǎo)，為了提供第三維位置坐標(biāo)，即飛機(jī)距接地點(diǎn)的距離，還要用DME/P。 DME/P在飛機(jī)著陸階段提供比DME/N高得多的測距精度（12m) 機(jī)載DME設(shè)備把DME/P作為一種工作模式，只在著陸時(shí)使用，航路上以DME/N模式工作，在與MLS相配實(shí)施著陸時(shí)轉(zhuǎn)換到DME/P模式。 DME/P機(jī)載設(shè)備有初始進(jìn)近（IA）和最后進(jìn)近（FA）兩種模式。初始進(jìn)近從距跑道22nm開始，到8nm結(jié)束；87nm為過渡區(qū)；在7nm內(nèi)按FA模

12、式工作。 DME/P地面應(yīng)答器是專門的（其發(fā)射功率?。cMLS方位臺一起架設(shè)在跑道端頭。,五.塔康（TACAN）,1.TACAN系統(tǒng)的由來 TACAN（戰(zhàn)術(shù)空中導(dǎo)航）是由美國海軍在1956年研制的，是世界上第一個(gè)同時(shí)為飛機(jī)提供方位和距離信息的系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)艦空配合，海軍需要為航母艦載飛機(jī)提供相對于軍艦的方位和距離信息。 TACAN系統(tǒng)由臺站和機(jī)載設(shè)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(jī)載設(shè)備 TACAN機(jī)載設(shè)備由DME詢問器加方位測量電路構(gòu)成。對于測位功能，機(jī)載設(shè)備只接收不發(fā)射，因此系統(tǒng)用戶數(shù)無限。 TACAN與DME機(jī)載設(shè)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(jī)載設(shè)備還有空/空測距工作模式。在這種工作模式下，機(jī)載設(shè)備既可以做詢問器，又可做應(yīng)答器。此模式用于空中加油、空中集合和編隊(duì)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?yàn)椴捎昧硕喟晏炀€方向圖，二是因?yàn)槊}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(yuǎn)程無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，它屬于陸基、低頻（工作頻率100kHz)、脈沖相位導(dǎo)航體制。 其基本組成分為四部分：地面設(shè)施、用戶設(shè)備、傳播媒介和應(yīng)用方法。 地面設(shè)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(gè)臺鏈由若干個(gè)發(fā)射臺組成，對于雙曲線定位體制的臺鏈，它至少應(yīng)包括三個(gè)發(fā)射臺；對于園園定位體制的臺鏈，至少兩個(gè)發(fā)射臺。發(fā)射臺提供無線電導(dǎo)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(shè)備（接收機(jī)）：接收來自發(fā)射臺的導(dǎo)航信號。 傳播媒介：指無線電導(dǎo)航信號由發(fā)射臺到用戶接收機(jī)之間所經(jīng)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(yīng)用方法：發(fā)射臺的幾何體制、信號形式及接收機(jī)的信號處理技術(shù)等。不同的應(yīng)用方法會產(chǎn)生不同的導(dǎo)航效果。例如，使用圓圓定位體制就要求用戶接收機(jī)具有高質(zhì)量的時(shí)間基準(zhǔn)設(shè)備；使用天波定位相比使用地波定位，應(yīng)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(dǎo)航系統(tǒng)，其基本工作原理：接收機(jī)接收同一臺鏈兩個(gè)發(fā)射臺的信號到達(dá)的時(shí)間差（可轉(zhuǎn)換為距離差），具有相同距離差的點(diǎn)的軌跡是以發(fā)射臺為焦點(diǎn)的一條雙曲線，如能獲取兩條相交的雙曲線，則其交點(diǎn)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