经典无线电导航系统(1-3)第3章.ppt

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1、1,3.1 无线电罗盘(ADF)3.2 甚高频全向信标系统（VOR）3.3 无线电高度表 3.4 测距器(DME)3.5 塔康系统（TACAN）3.6 多普勒导航系统(Doppler)3.7 罗兰-C系统,第三章 经典无线电导航系统,2,3.1 无线电罗盘(ADF),概述组成及功能基本工作原理系统误差分析及改进措施,3,3.1.1 概述,无线电罗盘（radio compass）是一种最小值测量来波向的振幅式测角无线电导航设备，又称无线电自动侧向仪（automatic direction finding），配套地面设备是无方向信标（Non-direction beacon）。系统的工作频率在10

2、0khz1800khz范围内，属中、长波波段，因此主要依靠地波或直达波传播。地波的传播距离可以达到几百公里，但受到天波的污染，特别在夜间，只有当飞机离地面导航台站较近时，方位读数才比较可靠，系统精度为2度左右。,4,无线电信标台一般安装在机场附近，使飞机能够沿精确的航线向信标台飞行，然后执行向跑道的非精密进场。在第一次世界大战期间，开始使用该系统引导船只的出航与归航，后来很快发展到航空导航。无线电罗盘有半自动和全自动之分，采用前者测向时，必须人工旋转环状天线或搜索线圈，采用后者时，无论是测向还是归航，都完全由罗盘本身自动完成。,5,（1）20世纪四五十年代采用电子管电路，对地面无线电台频率采用

3、机械软轴进行调谐，定向天线为单个的旋转式环形天线，其典型设备为R5/ARN7；（2）20世纪六七十年代采用晶体管电路，频率选择采用粗、细同步器调谐，定向天线采用两个正交的旋转式或固定式环形天线，如APK11，WL76A型定向机等（3）20世纪80年代左右，采用集成电路，数字选频，采用旋转测角器来代替环形天线的旋转。,发展阶段,6,无线电罗盘指示的角度是以载体纵轴为基准顺时针转向飞机到导航台连线的夹角。若要得到飞机相对于导航台的方位，必须知道飞机的航向，所以需要与磁罗盘或其他航向测量设备相结合。飞机上通常把磁罗盘和自动测向仪的指示部分结合在一起，构成无线电磁指示器（RMI,Radio Magne

4、tic Indicator）。,7,系统功能及组成,无线电罗盘属于M型最小值法测向系统。无线电罗盘主要有六种功能规定航线：使飞机沿给定的航线飞行；定位：测出两个以上地面导航台的航向角，可以实现对飞机的定位；压点飞行控制：判断飞越导航台的时间,8,着陆引导：配合仪表着陆系统引导着陆。识别通信和监听：接收导航台站发出的音频识别信号及其它信息遇险救助：可接收民用广播电台的信号，并可用于定向；还可收听500千赫的遇险信号，并确定遇险方位。,9,整个系统包括地面设备（无方向信标）和机载设备（无线电罗盘）。机载设备通常由以下几部分组成：天线：包括垂直天线、环状天线及测角器。接收机：一般多为超外差式。控制台

5、指示器,系统组成,10,基本技术指标,有效作用距离 250350km 工作频率范围 1001799.3kHz，共分四个波段 100199.5 kHz 200399.5 kHz 400899.5 kHz 9001799.5 kHz,11,3.1.3 基本工作原理,12,1、方向性图的转动,无线电罗盘在测向过程中，需要随时转动环状天线的8字形方向性图，使其最小值(零值点)对准被测的地面导航台。为使方向性图能够旋转，一种方法是用电机直接拖动环状天线转动，另一种方法是天线固定不动，通过测角器实现方向性图转动。,13,将两个环状天线垂直安放，并固定不动，两个天线的线圈分别接到测角器的两个固定线圈(称为场

6、线圈)上，如图所示。,14,测角器中形成一个合成磁场,测角器的活动线圈(亦称搜索线圈)，在合成磁场作用下所产生的感应电势为：搜索线圈通过同步发送器与指示器相连，转动搜索线圈使其平面与合成磁场平行，感应电势消失，相当于8字形方向性图的零值点对准了地面导航台，此时指示器指针所示的角度即搜索线圈转过的角度就是所测之导航台航向。搜索线圈的转动代替了环状天线的转动，达到了方向性图旋转的目的。,15,2、90度移相,16,3、平衡调制与迭加,环状天线信号移相90后，经放大与倒相加给平衡调制器两个幅度相等而相位相反的信号。平衡调制器，在135HZ低频信号控制下工作，得到两个旁频（边频）信号，在迭加电路中与垂

7、直天线接收来的载频信号进行迭加。,17,接收机将此调幅信号经混频，中放和检波处理成低频信号，一路送至耳机进行人工定向；另一路经135Hz选频电路将135Hz信号从检波后的低频信号中分离出来，作为误差信号加到伺服电机的控制线圈中去。,18,4、伺服电机的转动,加到伺服电机控制线圈中的135Hz信号，是一个可变相位信号。它的起始相位决定于地面导航台处在8字形方向性图最小值的哪一边(左边还是右边)。加到伺服电机激磁线圈中的135Hz信号，却是一个相位固定的基准信号。当导航台在飞机右侧时，可变相位信号的起始相位为正，超前于固定相位信号90，使伺服电机带动测角器搜索线圈向右(顺时针)转动；当导航台在飞机

8、左侧时，可变相位信号之起始相位为负，滞后于固定相位信号90，使伺服电机向左(逆时针)转动。,19,20,四、系统误差分析及改进,无线电罗盘是依赖于地面导航台发射的无线电波进行定向。误差大致可以分为环形天线附近金属导体的干扰误差、电波传播误差设备误差。,21,（1）象限误差,也叫罗差，主要是环形天线附近金属导体的干扰误差。当地面电台辐射的无线电波到达飞机机身等金属物体上时，将在金属物体上产生交变的感应电流，该电流又在机身等金属物体周围产生辐射电波，这种现象称为两次辐射。两次辐射电波与原电波叠加后，合成电波作用到环形天线的方向与原电波传播方向相差一个角度，从而改变了定向方向，造成了定向误差，该角度

9、称为象限误差或罗差。,22,基本措施,采用象限误差修正器来修正象限误差，现代飞机通常使用的是电感式罗差补偿器。电感式罗差补偿器是一个平衡电感衰减器，它用于正交固定环形天线式自动定向机，接在环形天线与接收机之间，将正交固定式环形天线的横向线圈或纵向线圈的信号按修正度数要求给以相应的衰减，从而得到适当的罗差补偿。目前新式的无线电罗盘ADF700中，并不用专门的象限误差修正器，而是在接收机尾部中间插头上的5个插钉由跨接线按不同的连接组合来修正象限误差。,23,极化误差,无线电罗盘工作在中波波段，电离层对电波的吸收白天比夜间强，因此白天接收机只能收到地波信号。而在夜晚，电波受电离层的损耗比白天小，由电

10、离层反射的天波分量加强，所以无线电罗盘可能同时接收到地波与天波信号，这会形成电波衰落。另一方面，由于反射的天波将使垂直极化波变为椭圆极化波，在环形天线的水平部分产生感应电势，不仅会使接收信号减弱，同时使环形天线的最小接收方向模糊不清，而造成定向误差，即极化误差。减小极化误差的根本措施就是避免接收天波信号，并在测定方位时注意读取方位角的平均值。,24,3.2 甚高频全向信标系统VOR,概述功能及组成工作原理,25,3.2.1 概述,甚高频全向信标系统VOR（VHF Omni directional Range）是一种相位式近程测角导航系统。可以确定以导航台所在位置北向为基准(也可以航道方向）的飞

11、机方位。通常与测距器配合使用，不仅用于航路导航，而且可用于飞机进场引导。,26,发展历程,1936年由德国SEL公司研制成功；1947年国际民航组织将其定为标准近程导航设备；1952年英国马尼克公司开始生产；1958年美国开始使用；1965年DVOR出现，得到迅速发展；,27,我国VOR发展,民航1964年首次由法国THOMSON公司引进4套l615/2型电子管式的甚高频全向信标，分别安装在大王庄、无锡、昆明和英德等地（现已淘汰）；1973年从法国THOMON公司引进10套TAH510型全晶体管化CVOR；1987年引进13套英国RACAL公司的MKI型全固态DVOR；1988年从法国THOM

12、SON公司引进12套512D型全固态DVOR；1993年至今又引进了澳大利亚AWA公司的VRB5lD型DVOR一百多套,28,1、ADF采用地面无方向性天线发射，机上方向性天线接收；VOR地面导航台站用方向性天线发射，机上采用无方向性天线接收。2、VOR可以直接提供飞机的方位角（相对于地面导航台站）而无需航向标准，精度高于ADF。,与ADF相比，具有如下特点：,29,3、工作频率高（108118M)，受静电干扰小，指示较稳定。但作用距离受视线距离的影响，与飞行高度有关。4、地面导航台站的场地要求较高，如果地形起伏较大或有大型建筑物位于附近，则由于反射波的干涉，将引起较大的方位误差。,30,VO

13、R相关角度,VOR方位角（电台磁方位）以飞机为基准来观察VOR台在地理上的方位飞机磁方位 以VOR台为基准来观察飞机相对VOR台的磁方位 磁航向磁航向是指飞机所在位置的磁北方向和飞机纵轴方向(机头方向)之间顺时针方向测量的夹角。相对方位角飞机纵轴方向和飞机到VOR台连线之间顺时针方向测量的夹角，叫相对方位角，或称电台航向,31,32,VOR可以用来进行定位，主要有两种方法：一种为测角定位（定位），即测出飞机到两个已知位置VOR台的方位角，得到两条径向的位置线，由其交点来确定飞机的地理位置；另外一种为测角测距定位（定位），或称极坐标定位，即与时间测距系统DME相结合，通过测量飞机方位角和到VOR

14、DME台的距离进行定位。,33,在一条“空中航路”上，根据航路的长短、规定的航路宽度和伏尔系统的精度，可以设置多个VOR台。航路上的VOR台还可作为航路检查点，实行交通管制服务。另外，VOR台与仪表着陆系统ILS配合，可作为飞机进近和着陆的引导设备。,航道导引和检查,34,航路导引,35,3.2.2 系统功能与组成,据用途的不同可以分为航路伏尔和终端伏尔。1、用于航路导航的VOR（简称CVOR，Conventional VOR）台址通常选在附近区域无障碍物的地点，如山的顶部等，以尽量减小因地形效应引起的台址误差和多路径干扰。此时采用北向方位，使用频率范围为112MHz117.95MHZ,每隔5

15、0kHz为一个频点，共有120个频点，发射功率100200W。作用距离受视距限制，在1200m高空，典型作用距离可达200海里。,36,2、用于进近着陆的VOR（终端Terminial VOR，简称TVOR）安装在机场跑道后方，采用跑道延长线为方位基准。使用频率为108MHz111.95MHz，亦每隔50kHz一个频点，共有80个频点,发射功率约50W。其中小数点后第一位为偶数的频点为TVOR使用，其他40个频点由仪表着陆系统的航向台(IIS LOC localizer)使用。TVOR台通常和DME或ILS的航向信标（LOC）设备装在一起，或组成极坐标定位系统，或利用和跑道中心延长线一致的TV

16、OR台方位线，代替LOC对飞机进行着陆引导。作用距离一般在25海里以内。,37,地面导航台,地面导航台是系统确定方位的基础，它具有两套独立的发射天线一套是无方向垂直天线，提供基准信号；另一套是方向性天线，提供随方位可变相位信号。,38,机载设备,1、天线VOR天线与仪表着陆系统（ILS）的航向信标（LOC）设备的天线一般是共用安装在飞机垂直安定面上或机身上部，避免机身对电波的阻挡，以提高接收信号的稳定性。2、甚高频导航控制盒控制盒一般是VOR、ILS、DME共用主要功能有：甚高频通讯、频率选择和显示、用试验按钮检查相应设备的工作性能、音量控制等。,39,3、VOR甚高频接收机提供如下信号给指示

17、器等设备输出：话音和台识别信号、方位信号、航道偏离信号、向背台信号、旗警告信号等。4、指示器常用的指示器有无线电磁指示器（RMI）和水平位置指示器（HIS Horizontal Situation Indicator，或航道偏离指示器,40,41,3.2.3 系统工作原理,42,在实际工作中，VOR是通过接收设备测量比较地面发射台的两个30Hz的低频信号的相位来测定飞机方位的。运载体的方位决定于基准信号和可变信号之间的相位差。这两个信号分别称为基准相位信号和随方位可变相位信号。基准相位信号与可变相位在磁北方位上是同相的，在其他方向是不同的,43,44,一、基准信号的产生,基准相位信号由VOR地

18、面台的全向天线发射，形成全向水平极化辐射场。该信号先用30Hz对副载波9960Hz调频，后调幅到载频(108118MHz)上。,45,二、可变相位信号的产生,可变相位信号是采用两个环形天线（实际中采用分集天线）来产生。用30Hz的低频信号直接对载频调幅，然后由方向性天线发射，其中两个环形天线的放置方向互相垂直。信号在空间任意一点的合场强为：,46,47,VOR系统总的合成场,48,VOR接收机,机载全向天线负责接收信号，经高频放大、变频和中放后，从检波器输出端加到三个不同的通道，即方位通道、基准通道和语音通道。,49,3.2.4 多普勒伏尔（DVOR）,上面我们主要介绍的是旋转发射天线方向性图

19、的VOR的工作原理。下面，我们来介绍一下旋转无方向性发射天线的相位测向方法，即多普勒伏尔。由于旋转天线的多普勒效应，天线辐射（或接收）的信号频率将被天线的转速所调制，相当于对信号进行了频率调制，这种调制使信号的相位发生相应变化，产生包络线相位与方位有一定关系的调相辐射场，从中可以确定运载体的方位，因而称为多普勒伏尔。,50,1964年我国民航首次由法国引进四套设备；1987年我国从英国引进13套DVOR 设备；1988年我国又从法国引进12套DVOR设备；1993年至今又从澳大利亚引进了100多套DVOR设备。,51,在O点设置一等幅发射机，同时将高频信号馈送到在水平面内沿半径为R的圆周运动的

20、无方向性天线A。,52,53,接收到的调相信号的包线相位与观测点方位之间存在单值关系。当接收到DVOR信标台的信号，并测量出包络线的相位，就可直接确定运载体相对于信标台的方位。相位与方位的关系是连续的，可在任意方向上进行导航定位，因此是一种全向的无线电相位测向系统。接收点B的接收频率便是随天线旋转角频率按正弦规律变化的。载体沿径向运动的速度不影响信号的包线相位，但使频率偏移比较固定的一个数值（速度不可能发生突变频偏的最大值决定于载频频率和发射天线的线速度。,54,1、为了能较方便的分出包线，希望最大频偏要大一些。在波长选定的情况下，如果采用机械旋转的方式，要增大切向速度，最好增大半径，而不是旋

21、转角速度，旋转天线所需要的机械力与旋转半径的一次方成正比，而与旋转角速度的平方成正比。2、在天线较大的情况下，直接旋转天线是比较困难的，通常的做法是将许多天线按照一定的半径排列成一个天线阵，对天线阵中的每个辐射单元采用轮流馈电的方法,55,VRB-51D 多普勒甚高频全向信标,56,为满足480Hz的调制频偏，圆天线阵的直径取为13.4m，且以30转秒的转速转动，将产生1262m秒的圆周速度，即产生了VOR所要求的480Hz的频率偏移。采用大天线阵的另一个好处是，由于宽孔径天线具有削弱场地误差如多路径效应的能力，并且DVOR中采用了双边带发射，进一步减小了场地误差影响，其测量精度比CVOR大为

22、提高，可以达到在任何径向（方位）上的误差不超过1的精度。,57,在DVOR中，载频用30Hz的信号调幅后由中央无方向性天线辐射，作为系统的基准信号；与方位有关的30Hz可变方位信号由圆周上的边带阵天线辐射，该边带信号相对载频偏离9960Hz。DVOR的调制方式与CVOR相反，其信号调幅和调频的作用与CVOR相互颠倒，为使标准VOR接收设备能与DVOR兼容工作，应使在某方位上的载体收到的可变相位信号超前于基准信号，因此需要使DVOR天线波束转动的方向与CVOR的相反。,58,3.3 无线电高度表,概述工作原理误差分析,59,飞行“高度”的定义,飞机飞行的高度是指飞机在空中的位置和所选定的基准面之

23、间的高度差值，由于所造的基准不同，因而也有不同的高度定义相对高度绝对高度真实高度 标准气压高度,60,相对高度指飞机对某一指定的场面，如机场（如即将要降落的目的地机场）地面之间的高度。高度表的气压刻度以机场为基准时，称为场面气压高度，在起飞和降落时驾驶员必须知道这一高度。真实高度指飞机和它正下方地面的垂直距离，无线电高度表所测量的高度,61,绝对高度：是飞机到海平面之间的高度，也称为海平面气压高度。标准气压高度：是指飞机到标准气压平面之间的高度。标准气压面是人为设定的，在这个平面上大气压力为760毫米汞柱高，温度为15（288K）。由于这个高度不随温度和湿度的影响而变化，它和真实的海平面高度是

24、不完全一致的，因而标准气压高度和绝对高度不同。国际民航组织规定当飞机进入航线后，一律使用标准气压高度,62,高度表,所谓无线电高度表，即测量飞机距地面的垂直距离，也就是飞机所飞的高度。高度表是飞机的基本仪表之一，主要有无线高度表和气压式高度表。气压式高度表的传感媒质是机上大气的静态压力，利用飞机上大气的静态气压与本地海平面或机场水准面的静态气压之差来给出高度。气压式高度表所测的高度，是相对于海平面或机场水准面的高度，也可以理解为地理高度。,63,无线电高度表的信号在42004400MHz上，载频必须要进行调制，通常采用频率调制(低高度表)和脉冲调制(高高度表)两种。飞机利用高高度表在高空飞行，

25、在进场着陆时要用低高度调频高度表。其原因是脉冲调制的高度表，其最小可测高度由脉冲宽度所确定。例如在50ns脉冲宽度的情况下，最小可测高度不可能小于7.5m；而用频率调制的低高度表，其最小测量高度可达到0.5m。,64,高性能和低高度飞行的军用飞机和巡航导弹系统要求在保持高度的隐蔽性和抗干扰性的同时进行精确的高度跟踪。高度标定雷达一般是低高度高度表，专门用于在特定高度上提供标定信号，从而启动某一自动操作。如引信触发或打开登月系统上的降落伞。为民航服务的雷达高度同时要支持自动着陆、拉平和接地计算等功能。,65,66,67,3.3.2 调频高度表工作原理,1、基本物理过程及关系式,68,通常反射信号

26、的强度远远小于发射信号的强度，即：V1mV2m,69,应当强调，Vm是合成信号的包络，类似于调幅信号的振幅。将合成信号V送入接收机中的差拍检波器，并设检波系数为1，则在检波器的输出端可以获得信号：,70,由上式可以看出，检波后信号的相位信息中包含了高度信息，似乎直接从其中得到高度比较方便。在实际应用中，由于没有基准相位进行比对，很难提取高度信息。,71,从频率中提取高度信息，并以脉冲计数的方式来得到高度。首先，如果不从相位上来提取高度信息，而是从频率上，则该信号的初相所携带的信息被剔除。在高度一定的情况下，初相将不影响信号的起伏变化，此时的起伏完全是由变化的相位项引起的,频率测高,72,73,

27、可以看到信号相位起伏的大小取决于高度所影响的可变项在一个调制周期内，相位起伏越大，则检波器输出端信号的变化越快，即过零点越多每一个过零点我们都可以通过脉冲整形或限幅的方法得到标准脉冲，从而用于计数。,74,量化误差同时也对应最小可测高度。减小量化误差的途径：1、保持最大相对频偏不变的情况下，尽量的减小发射波波长，即增大发射频率；2、尽可能加大最大频率频移，即增加调频深度。,75,为了得到最大可测高度，我们重新考察可变相位项 如果高度很高，那么这个假设将不再成立。当高度增加到某一数值时，=1，此时合成信号的相位变化与高度的变化将不再对应，此时的高度称之为理论最大测量高度Hmax。考虑到实际中实现的困难和非线性误差的影响，最大可测高度一般取（0.050.1）Hmax。,76,*此处给出的最大可测高度为值，考虑到实际中实现的困难和非线性误差的影响，最大可测高度一般取（0.050.1）Hmax。,77,3、改进途径,简单调频式无线电高度表在特征频率测距(测高)原理方面有其突出的代表性，但由于其测量方法引入的阶梯误差，很难降低到令人满意的程度，故限制了它的应用范围。为了降低阶梯误差，提出了不少改进措施，从而形成了各种型式的调频式无线电高度表，如：具有旋转移相器的调频式无线电高度表，双调频式无线电高度表，调频深度渐增式无线电高度表等等。,