第1章-无线电导航基本理论

导航原理与系统NavigationPrinciplesandSystems倪育德中国民航大学第1章无线电导航基本理论1.1无线电导航的定义与任务1.2无线电导航的发展简史和发展趋势1.3导航的分类1.4无线电导航系统的分类1.5无线电导航系统的布局NavigationPrinciplesandSystems1.6无线电导航实现的基础1.7无线电导航信号的传播方式1.8无线电导航系统的技术指标中国民航大学CAUC1.1无线电导航的定义与任务一、导航与无线电导航的定义在各种复杂的气象条件下，采用最有效的方法并以规定的RNP（所需导航性能）引导航行体（飞机、导弹、宇宙飞船、船舶、车辆等）以及个人从出发点到目的地的过程称为导航。无线电导航指利用无线电技术实现的对航行体的导航。用以实现无线电导航的装置即为无线电导航系统。中国民航大学CAUC二、无线电导航的任务1）引导航行体飞离航线起点，进入并沿预定航线航行；2）引导航行体在夜间和各种复杂气象条件下安全着陆或进港；3）为航行体准确、安全完成航行任务提供所需的其他导引及情报咨询服务；4）确定航行体当前所处的位置及其航行参数（速度、加速度等）。1.1无线电导航的定义与任务中国民航大学CAUC1.2无线电导航的发展简史和发展趋势一、第一阶段（从20世纪初至二战前）自动定向机（ADF）－无方向信标（NDB）仪表着陆系统（ILS）无线电高度表（LRRA）四航道信标扇形无线电信标中国民航大学CAUC二、第二阶段（从二战至20世纪60年代初）（1）1.台卡系统（DECCA）主要用于航海；英国台卡导航仪公司研制；1937年提出，1944年研制成功；1954年开始普及（在欧洲应用最为广泛）；随着罗兰－C的建设和发展，台卡用户逐渐减少。1.2无线电导航的发展简史和发展趋势中国民航大学CAUC1.2无线电导航的发展简史和发展趋势二、第二阶段（从二战至20世纪60年代初）（2）2.罗兰系统（LORAN）主要用于航海，美国研制；罗兰－A，罗兰-C；罗兰－A1945年投入使用，上世纪80年代停用；罗兰－C1957年建成，1960年以后得到大力发展；罗兰－C目前还在使用。中国民航大学CAUC1.2无线电导航的发展简史和发展趋势二、第二阶段（从二战至20世纪60年代初）（3）3.奥米伽系统（OMEGA）用于航空与航海，美国研制；1947年设计，1975年在部分区域开始工作，1982年完成全部的建台工作；1997年奥米伽系统宣布关闭。中国民航大学CAUC1.2无线电导航的发展简史和发展趋势二、第二阶段（从二战至20世纪60年代初）（4）4.多普勒导航雷达自主式航空导航系统；1945年开始发展；20世纪50～70年代得到了广泛的应用。中国民航大学CAUC1.2无线电导航的发展简史和发展趋势二、第二阶段（从二战至20世纪60年代初）（5）5.甚高频全向信标（VOR）非常重要的民航测角导航系统，美国研制；1946年VOR成为美国标准航空导航系统；1949年被ICAO批准为国际标准航空导航系统；20世纪60年代，联邦德国研制成功多普勒VOR（DVOR）。中国民航大学CAUC1.2无线电导航的发展简史和发展趋势二、第二阶段（从二战至20世纪60年代初）（6）6.测距机（DME）非常重要的民航测距导航系统，英国研制；DME是在二战中随着雷达的发展而出现的；1949年被ICAO批准为国际标准航空导航系统；精密DME（DME/P）是微波着陆系统（MLS）的组成设备。对于民用航空，DME/P可与下滑台（GS）合装在一起，为飞机提供精确的距离信息。中国民航大学CAUC1.2无线电导航的发展简史和发展趋势二、第二阶段（从二战至20世纪60年代初）（7）7.战术空中导航系统－塔康（TACAN）军用测距测角系统，美国海军1955年研制；TACAN在功能上相当于民航的VOR和DME；TACAN台安装在航母或地面上，可为飞机同时提供距地面台（航母）的方位和距离信息；TACAN系统体积小，便于机动，在军事上得到了广泛应用。中国民航大学CAUC1.2无线电导航的发展简史和发展趋势三、第三阶段（从20世纪60年代中期至今）1.广泛采用数字技术和计算机技术，提高已有的性能优良的导航系统的数字化程度，提高其导航性能，并使系统具备故障诊断能力。2.发展组合导航系统，如INS/GNSS组合系统。3.研制新的更先进的导航系统，如MLS、GPS、GLONASS、GALILEO、北斗卫星导航系统。4.卫星导航系统的增强技术，如陆基增强系统（GBAS）、星基增强系统（SBAS）、飞机增强系统（ABAS）。中国民航大学CAUC一、观测导航1.定义：利用肉眼或观测仪器经常地或连续地对所熟悉地地物进行观测，来确定运动体的位置和运动方向。1.3导航的分类2.举例：目视导航3.特点：简单可靠，误差大，受气候及环境条件影响大。中国民航大学CAUC1.3导航的分类二、推算导航1.定义：根据运动体在该点的航向、航速和时间，从过去已知的位置来推算当前的位置，或预测将来的位置。2.举例：惯性导航（INS）3.特点：为自主式导航，保密性强，不受气候及环境影响，位置积累误差随航行时间越来越大。中国民航大学CAUC1.3导航的分类三、天体导航1.定义：通过观测两个以上星体的位置参数（如仰角），来确定观察者在地球上的位置，从而引导运动体航行。2.举例：通过观测两颗星的仰角来确定航行体的位置。3.特点：为自主式导航，保密性强，定位精度高，受气候及环境影响，定位时间较长，比较适合航海导航。中国民航大学CAUC1.3导航的分类四、无线电导航1.定义：利用运动体上的电子接收设备接收和处理无线电波来获得导航参数，从而确定航行体的位置。2.举例：ADF-NDB，VOR，DME，ILS，LRRA3.特点：不受时间、气候的限制，定位精度高，定位时间短，容易受到干扰，保密性不强。现代航空中，最基本、核心的导航手段是无线电导航。没有无线电导航，就没有现代航空！中国民航大学CAUC一、常用无线电导航术语（1）1.4无线电导航系统的分类1.有关角度NN电台12341：飞机（磁）方位（角）2：电台（磁）方位（角）3：电台（磁）航向（角）/相对方位角4：飞机（磁）航向（角）中国民航大学CAUC一、常用无线电导航术语（2）2.导航参数（1）表示飞机位置与基准点（一般为导航台）之间关系的一些参数，如飞机的磁方位、飞机离基准点的距离、飞机与两个基准点距离之差、飞机的高度、航向及航速等。NNABrArBBAh飞机方位:A，B距离差：r=rArB飞机高度:h1.4无线电导航系统的分类距离：rA，rB中国民航大学CAUC一、常用无线电导航术语（3）2.导航参数（2）无线电信号：e(t)=Emcos(t)=Emcos(t+0)用无线电波的哪个参数与导航参数建立关系是导航的核心问题。1.4无线电导航系统的分类导航参数飞机方位距离差r飞机高度h电参数Em(t)t建立一一对应关系距离r中国民航大学CAUC一、常用无线电导航术语（4）3.位置线（面）某一导航参数等于某一常数的点的集合。NNrAA=常数的点的集合r=常数的点的集合1.4无线电导航系统的分类中国民航大学CAUC一、常用无线电导航术语（5）4.非自主式（他备式）导航系统包括航行体上的无线电导航系统和地面导航台才可完成导航任务的导航系统。ADF-NDB，VOR，DME，ILS，MLS，GPS。5.自主式（自备式）导航系统只包括航行体上的无线电导航系统就能完成导航任务的导航系统。LRRA，INS（非无线电导航系统）。1.4无线电导航系统的分类中国民航大学CAUC一、常用无线电导航术语（6）6.导航台具有确定位置、辐射与导航参数有关的有规定信号格式的发射/接收处理系统。7.航迹飞机重心在空间运动的轨迹。8.航线飞机的航迹在地面的投影。1.4无线电导航系统的分类中国民航大学CAUC一、常用无线电导航术语（7）9.大圆航线沿着大圆弧线航行的航线称为大圆航线。两点之间的大圆弧线是这两点之间的最短距离，故大圆航线有时又叫最经济航线。无线电导航台所给出的航线就是大圆航线。10.空速（VTAS）飞机相对于它周围空气的运动速度。1.4无线电导航系统的分类中国民航大学CAUC一、常用无线电导航术语（8）11.地速（Vg）飞机相对于地面的运动速度。Vg=VTAS+VW，VW为风速。1.4无线电导航系统的分类中国民航大学CAUC二、无线电导航系统的分类（1）1.按所测量的电气参量划分振幅式无线电导航系统。（ADF-NDB，ILS）相位式无线电导航系统。（VOR）频率式无线电导航系统。（LRRA）脉冲（时间）式无线电导航系统。（DME）复合无线电导航系统。（TACAN）1.4无线电导航系统的分类中国民航大学CAUC二、无线电导航系统的分类（2）2.按所测量的导航参数划分测角无线电导航系统。（ADF-NDB，VOR，ILS）测距无线电导航系统。（DME，LRRA）测距差无线电导航系统。（OMEGA）测距、测角无线电导航系统。（TACAN）1.4无线电导航系统的分类中国民航大学CAUC二、无线电导航系统的分类（3）3.按有效作用距离划分近程导航系统：有效作用距离在500km之内。（ADF-NDB，VOR，DME，ILS，LRRA）远程导航系统：有效作用距离大于500km。（OMEGA）4.按系统中机载设备独立情况划分自主式无线电导航系统。（LRRA）非自主式无线电导航系统。（ADF-NDB，VOR，DME，ILS，LRRA）1.4无线电导航系统的分类中国民航大学CAUC二、无线电导航系统的分类（3）5.按导航台的安装地点划分陆基无线电导航系统。（ADF-NDB，VOR，DME，ILS）星基无线电导航系统（GPS，GLONASS，GALILEO，北斗）6.根据飞机的飞行阶段划分航路导航系统。终端区导航系统。1.4无线电导航系统的分类中国民航大学CAUC7.按工作方式划分二、无线电导航系统的分类（4）有源工作方式导航系统。（DME）无源工作方式导航系统。（ADF-NDB，VOR，ILS）1.4无线电导航系统的分类中国民航大学CAUC1.5无线电导航系统的布局中国民航大学CAUC一、地面无线电导航系统的布局（1）1.航路上的导航系统（导航台）1.5无线电导航系统的布局NDB，VOR，DME地理坐标（经度，纬度）工作频率识别码（没有识别码，就没有地面信标！）工作时间中国民航大学CAUC1.5无线电导航系统的布局一、地面无线电导航系统的布局（2）2.终端区导航系统引进系统：ADF-NDB，VOR，DME着陆系统：ILS，MLS，GBAS中国民航大学CAUC1.5无线电导航系统的布局二、机载无线电导航系统的布局（1）中国民航大学CAUC1.5无线电导航系统的布局二、机载无线电导航系统的布局（2）中国民航大学CAUC1.6无线电导航实现的基础一、无线电导航的依据无线电导航的基本任务是：测距和测向1）在同一介质中，无线电波按直线传播；2）在同一介质中，无线电波的传播速度为常数；3）无线电波具有反射性。无线电波的上述3个基本特性为测距和测角奠定了基础。中国民航大学CAUC1.6无线电导航实现的基础二、无线电导航的定位方法（1）1.定位NNABBAMLALB飞机离导航台的距离越远，由测角误差导致的飞机位置误差将迅速增大。中国民航大学CAUC1.6无线电导航实现的基础二、无线电导航的定位方法（2）2.定位NABMCrArBrCLALBLC飞机离导航台的距离越远，由测距误差导致的飞机位置误差的增大比定位法的小。中国民航大学CAUC1.6无线电导航实现的基础二、无线电导航的定位方法（3）3.定位NMLALBVOR/DME定位误差介于定位法与定位法之间。中国民航大学CAUC1.6无线电导航实现的基础三、无线电