1、第二章無(wú)線電導(dǎo)航基本原理,2.1 角測(cè)量原理 2.2 距離測(cè)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)工作區(qū),無(wú)線電導(dǎo)航 通過(guò)測(cè)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)行。 構(gòu)建機(jī)制 使得實(shí)際中測(cè)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）、距離（距離、距離差、和）等幾何參量建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，這些參量稱為導(dǎo)航幾何參量。,常用的導(dǎo)航幾何參量 角度 距離 導(dǎo)航通常是相對(duì)于某一具體目的地而言的，因此用空間極坐標(biāo)（角度和距離）是方便和合理的，也是便于無(wú)線電測(cè)量的。主要介紹上述兩類基本幾何參量的電測(cè)量原理及導(dǎo)航定位方法。,2.1 角測(cè)量原理,導(dǎo)航中

2、的角參量可以分為兩類： 一類是用于描述載體與導(dǎo)航臺(tái)站之間的相對(duì)角度關(guān)系的，如電臺(tái)方位，跑道方位等； 另一類用于描述載體的飛行狀態(tài)，如航向、俯仰、橫滾等。 角度測(cè)量?jī)煞N方法： 振幅法和相位法 振幅法主要用于第一類角的測(cè)量 相位法根據(jù)系統(tǒng)構(gòu)制不同可以進(jìn)行兩類角的測(cè)量。,2.1.1、振幅法,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)主動(dòng)式 導(dǎo)航站臺(tái)采用方向性天線發(fā)射信號(hào)，用戶采用無(wú)方向性天線接收； 用戶主動(dòng)式 導(dǎo)航臺(tái)站采用無(wú)方向性天線發(fā)射信號(hào)，用戶端采用方向性天線接收,一、 站臺(tái)主動(dòng)式,注意： 1、基準(zhǔn)線的方向可以是地理北向，也可以是某一特定方向（如飛機(jī)的跑道方向）。 2、

3、僅僅依靠上面測(cè)量的角度是無(wú)法單獨(dú)完成載體的出航和歸航的，必須結(jié)合載體上的航向測(cè)量設(shè)備進(jìn)行角度的比對(duì)。,二、 用戶主動(dòng)式,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 前者稱之為E型工作方式， 后者稱之為M型工作方式。,利用具有方向性函數(shù)的接收天線，對(duì)地面導(dǎo)航臺(tái)的無(wú)方向性調(diào)幅波信號(hào)進(jìn)行接收，接收到的信號(hào)為 ： 可見(jiàn)，在E型工作方式中，調(diào)制深度保持不變，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,E型測(cè)向器,M型測(cè)向器,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)，需要用一個(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)

4、制波，垂直天線上收到的信號(hào)相當(dāng)于載波分量，環(huán)狀天線的接收信號(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 ：,利用方向性圖測(cè)導(dǎo)引角，有三種方法： 1、最大值法 用戶的接收天線采用針狀方向性圖的接收天線。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)接收天線使得接收信號(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。 缺點(diǎn)： 實(shí)際的測(cè)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尖銳,2、最小值法,將接收天線的最小值對(duì)準(zhǔn)來(lái)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，一般最小值法的不靈敏區(qū)較小

5、，故其測(cè)角靈敏度要比最大值法高。,3、比較信號(hào)法,如果將構(gòu)成天線方向性圖的兩個(gè)波束，部分的重疊起來(lái)，則可以獲得一條等訊號(hào)線，如圖所示。 轉(zhuǎn)動(dòng)天線到兩個(gè)波束的接收訊號(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。,三、常用天線,天線是振幅式無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，正是依靠它才建立起接收信號(hào)幅度與導(dǎo)航角參量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 天線需要有一定特性的方向性圖。 常用天線？,1、垂直天線,垂直天線是最簡(jiǎn)單的一類天線，也就是我們常說(shuō)的線狀天線。,假設(shè)天線的長(zhǎng)度為l,電波的磁場(chǎng)方向始終在水平面內(nèi)，則由圖可以容易得到接受天線所感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)為：,2、環(huán)狀天線,矩形環(huán)狀天線A

6、BCD如圖所示 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)方向在水平面內(nèi),3、分集天線,如圖所示，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，水平面方向性圖仍是8字型。 分集天線比環(huán)狀天線省去了水平邊，對(duì)消除極化誤差很有利。,一、方位測(cè)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。 一般多采用旋轉(zhuǎn)天線方向性圖和旋轉(zhuǎn)無(wú)方向性天線兩種方法。,2.1.2、相位法,1、旋轉(zhuǎn)天線方向性圖,假若發(fā)射心型方向性圖，在水平面內(nèi)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；空間任意一點(diǎn)接收到的場(chǎng)強(qiáng)將是包絡(luò)調(diào)制信號(hào)。包絡(luò)相位與接收點(diǎn)的方位相關(guān)，稱為可變相位信號(hào)。 在方向性圖最大值為某一事先確定

7、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)通過(guò)全向天線輻射基準(zhǔn)相位信號(hào)。 通過(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。,2、旋轉(zhuǎn)無(wú)方向性天線,無(wú)方向性天線在輻射或接收電磁波時(shí)，本身是不含角坐標(biāo)信息的。 如果在一個(gè)平面內(nèi)以一個(gè)固定的角頻率旋轉(zhuǎn)，則無(wú)論發(fā)射臺(tái)（信標(biāo)）還是接收臺(tái)（測(cè)向器），其輻射或接收信號(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)行測(cè)角的依據(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)饋送到在水平面內(nèi)沿半徑為R的圓周運(yùn)動(dòng)的無(wú)方向性天線A。,3、基線方式,如

8、圖，沿確定的基準(zhǔn)方向AB并以一定的距離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。 用戶處于遠(yuǎn)場(chǎng)U點(diǎn)，通過(guò)接收A、B的信號(hào)并比較它們的相位，則可得到SU相對(duì)于基準(zhǔn)軸AB的角度，其關(guān)系如下 ：,1、相位法并不要求天線有尖銳的方向性，用無(wú)方向性天線即可。 2、相位差的范圍則可能超過(guò)360度（D），存在測(cè)相的模糊性（多值性） 當(dāng)D時(shí)，則不存在多值問(wèn)題,二、姿態(tài)測(cè)量,與基線方式相反，如果將基線固定在載體上，那么就可以實(shí)現(xiàn)姿態(tài)的測(cè)量。 由于 姿態(tài)的三個(gè)角度：航向（yaw、）、俯仰(pitch、p)、橫滾(roll、r)是互相獨(dú)立的，因此為了闡述的方便，以航向和俯仰為主介紹其測(cè)量方法。,2.2 距

9、離測(cè)量原理,無(wú)論是距離，還是距離差、距離和的測(cè)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。 距離主要有相位、頻率和脈沖（時(shí)間）三種測(cè)量方法。,2.2.1相位法,通過(guò)測(cè)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)確定距離（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，則是一組以基準(zhǔn)點(diǎn)為球心、半徑為r的球位置面。 若一般只考慮二維水平面的情況，則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。,相位法測(cè)量距離差測(cè)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)格同步的,由于兩個(gè)臺(tái)站（或載體與用戶）之間的距離較大，相位

10、法測(cè)距中存在多值性問(wèn)題影響到準(zhǔn)確度與作用距離的提高，為此需要采取相應(yīng)祛除多值模糊的措施。,1、連續(xù)測(cè)量、計(jì)算并記錄完整相位循環(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)。 該方法的應(yīng)用必須保證 首先是容易得到相位巷道的初始值， 其次保證高的可靠性，因?yàn)橐坏﹣G失接收信號(hào)將使相位巷道的序號(hào)記錄丟失或產(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、窄相位巷道配合工作的方法。 在加寬的巷道中，取得相位低精度讀數(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)，獲得距離或距離差。,相位巷道的數(shù)目取決于距離，即： 若將頻率減小K倍

11、，其波長(zhǎng)加大K倍，則相位巷道將相應(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)相位接收機(jī)在f0-f1的頻率上進(jìn)行粗測(cè)，在f0對(duì)應(yīng)的巷道里進(jìn)行精測(cè)。既可以消除多值性，又能同時(shí)獲得必要的測(cè)量精度。,2.2.2 頻率法,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)行測(cè)量的。 作為頻率測(cè)距系統(tǒng)，必須要有一定的反射面，頻率測(cè)距通常用來(lái)進(jìn)行高度的測(cè)量。 頻率測(cè)高的原理示意圖如下所示：,設(shè)發(fā)射機(jī)在t1時(shí)刻向地面發(fā)射信號(hào)的頻率為f1，經(jīng)時(shí)間后由地面反射回來(lái)。 如果不考慮多普勒效應(yīng)，則反射回來(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，則在接收檢波的中直達(dá)信號(hào)與反射信

12、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)頻比較直觀的體現(xiàn)了頻率和距離之間的關(guān)系 一般說(shuō)來(lái)頻率調(diào)制信號(hào)可以是任意周期的時(shí)間函數(shù)。,2.2.3 脈沖法,脈沖法測(cè)距，實(shí)質(zhì)上是用尖銳的脈沖對(duì)時(shí)間軸進(jìn)行標(biāo)定，然后通過(guò)脈沖間隔讀取時(shí)間，進(jìn)而測(cè)量距離。 脈沖測(cè)距有兩種方式： 有源方式 無(wú)源方式,1、有源測(cè)距,所謂的有源測(cè)距指的是信號(hào)在用戶和導(dǎo)航臺(tái)站之間經(jīng)歷了往、返兩個(gè)傳播過(guò)程，然后通過(guò)測(cè)量信號(hào)的往返時(shí)間計(jì)算出用戶和導(dǎo)航臺(tái)站之間的距離。,通常測(cè)距詢問(wèn)脈沖由用戶發(fā)出，該詢問(wèn)脈沖需要經(jīng)過(guò)特殊的編碼以區(qū)別是哪個(gè)用戶的詢問(wèn)脈沖，導(dǎo)航臺(tái)站收到該脈沖后，延遲一定的時(shí)間 后向用戶發(fā)射應(yīng)

13、答脈沖 由用戶接收并測(cè)量詢問(wèn)脈沖和應(yīng)答脈沖之間的時(shí)間間隔 ，便可以測(cè)量載體和導(dǎo)航臺(tái)站之間的距離，即：,需要注意的是，在上述的測(cè)量中，沒(méi)有對(duì)用戶和導(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時(shí)鐘。但并不是任何時(shí)鐘都是允許的，需要根據(jù)距離的測(cè)量精度指標(biāo)安裝符合要求的時(shí)鐘。 譬如，如果要求距離的測(cè)量精度不大于30米，系統(tǒng)的工作半徑為300公里，則時(shí)鐘的穩(wěn)定度不能低于 。 較好的石英晶體基本上都可以滿足。因此，有源測(cè)距對(duì)時(shí)鐘性能要求比較低,2、無(wú)源測(cè)距,無(wú)源測(cè)距指的是用戶僅僅接收導(dǎo)航臺(tái)站發(fā)射的脈沖信號(hào)來(lái)測(cè)得傳播延遲。 要求用戶的時(shí)鐘與導(dǎo)航臺(tái)站的時(shí)鐘基準(zhǔn)嚴(yán)格同步，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)格意義的無(wú)源測(cè)距往往需要在測(cè)距之前已經(jīng)在用戶和導(dǎo)航臺(tái)站之間進(jìn)行了大量的時(shí)鐘同步工作。,在用戶和導(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)刻以電文的形式傳輸。 用戶收到測(cè)距脈沖后，測(cè)定脈沖的到達(dá)時(shí)間（TOA），利