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第三章无线电导航与雷达系统3.1导航系统概述3.2自动定向机3.3仪表着陆系统3.4全向信标系统3.5无线电高度表(LRRA)3.6测距机3.7机载应答机系统3.8避撞系统3.9气象雷达系统3.10机载GPS导航系统简介3.11近地警告系统3.1导航系统概述3.1.1导航系统的功用与导航参数3.1.2导航系统的分类导航系统的功用导航是引导飞行器达到预定目的地的过程。导航系统测量飞机的位置、速度、航迹、姿态等参数,供驾驶员或自动飞行控制系统引导飞行器按预定航线航行。导航参数1、航向飞机的航向是指飞机的机头方向。(1)真航向真子午线(即地理经线)与飞机纵轴在水平面上的夹角为真航向角。(2)磁航向磁子午线(即地球磁经线)与飞机纵轴在水平面上的夹角为磁航向角。磁航向与真航向的关系为:真航向=磁航向+磁差(3)罗航向(4)陀螺航向:(5)大圆航向通过地心的截面与地球表面相交的圆圈最大,称为大圆圈;飞机沿大圆线飞行的航向称为大圆航向。2、航线飞机在空中飞行时所选用的飞行路线称为航线。(1)大圆航线地球表面上任意两点之间的距离,以大圆圈线为最短,即航程最近。飞机沿大圆圈线飞行的航线称为大圆航线。(2)等角航线在地球表面上,与各子午线相交的角度都相等的曲线叫做等角线。飞机在无风条件下飞行,如保持真航向始终不变,则该飞机的飞行路线是一条等角线。3.1.2导航系统的分类根据导航方法及原理的不同,可将导航系统分为以下几种:1、导航仪表飞机上最简单的导航设备是导航仪表。导航仪表可单独测出飞机的一些导航参数,如磁航向、空速、高度等,供给飞行员操纵飞机,完成导航任务。例如:磁罗盘、空速表、高度表2、无线电导航系统利用无线电技术测量导航参数的系统称为无线电导航系统。无线电导航系统的种类较多,可实现测高、测向、测速、测距和定位等基本功能。无线电导航系统的优点是定位精度不会随飞行时间的增加而增大。其缺点是工作受外界因素如气候、地形、外部干扰等因素的影响,以及需要地面导航设备(卫星导航需众多卫星)等。3、天文导航天文导航基本原理是利用光学仪器(如六分仪)人工观测星体高度角,进而确定航行体的位置。4、卫星导航系统卫星导航系统是利用导航卫星来实现导航的。导航卫星严格地控制在预定的轨道上运行,利用装在航行体上的无线电装置测出航行体与卫星之间的相对速度或位置,从而确定航行体在地球上的位置等导航参数。卫星导航系统有其精度极高的突出优点,但它仍属于被动式导航,易受外界因素影响,在少数地区无法覆盖。5、惯性导航系统惯性导航利用惯性敏感元件测量航行体相对于惯性空间的线运动和角运动参数,在给定的运动初始条件下,由计算机推算出航行体的姿态、方位、速度和位置等参数,从而引导航行体完成预定的航行任务。惯导系统的突出优点是:(1)自主性比较强,它可以不依赖任何外界系统的支援而单独进行导航;(2)对准后的短时定位精度较高。此外,它的输出参数多,尤其是它还可输出载体的姿态参数,这是其它导航系统所没有的。惯导系统的缺点是定位精度随时间的增加而降低,或定位误差随时间的增加而积累。这对飞机和舰船,尤其是远程飞行的飞机,是应当考虑的。6、组合导航上述几种类型的导航系统各有优缺点。为了提高导航系统的定位精度和性能,往往将上述两种以上的导航系统组合成为组合式导航系统。目前通常应用的是由惯导系统与无线电导航系统组成的组合方式,或由惯导系统与卫星导航系统组成的组合方式。3.2自动定向机3.2.1自动定向机的功用3.2.2系统组成3.2.3自动定向的基本原理3.2.1自动定向机的功用自动定向机(ADF)也叫无线电罗盘。自动定向机可利用100—2000kHz频段范围内的民用广播电台和专用的NDB电台(无方向导航台),方便地测量飞机与地面导航台的相对方位。现代民用飞机通常装有两部定向机。现代飞机的自动定向机的主要功能是测定飞机纵轴方向到地面导航台的相对方位角,进行向台(TO)或背台(FROM)飞行。此外,可利用ADF收听新闻和音乐。自动定向系统的工作频率范围为190—1750kHz,即便工作于中、低频段。3.2.2系统组成一、定向接收机二、控制盒三、方位指示器四、垂直天线和环形天线一、自动定向接收机现代机载自动定向机大多采用超外差式调幅接收电路。二、控制盒与定向机的工作方式1、定向(ADF)方式此时定向机可利用方向性天线(环形天线)和垂直天线(无方向性天线)的信号实现自动定向。2、天线(ANT方式)当方式开关置于天线方式时,只有垂直天线所接收的信号可以输入接收机。定向机只能用以接收所选择电台的信号,相当于一台收音机,不能定向。3、测试(TEST)测试方式用于测试定向机系统。三、方位指示器无线电方位磁指示器四、天线1、环形天线的方向特性环形天线是一种方向性的天线,其方向性图为以环形天线为中心的“8”字图形。2、垂直天线是无方向性天线。利用环形天线同垂直天线相结合的方法实现单值定向。3.2.3自动定向的基本原理自动定向机利用环形天线方向性特性测定地面电台的相对方位。一、环形天线的方向特性二、自动定向机的单值定向一、环形天线的方向特性环形天线是一种方向性的天线,其方向性图为以环形天线为中心的“8”字图形。二、自动定向机的单值定向垂直天线是无方向性天线利用环形天线同垂直天线相结合的方法实现单值定向。3.3仪表着陆系统3.3.1仪表着陆系统的功用3.3.2ILS的系统组成及地面设备配置3.3.3仪表着陆系统技术参数3.3.4航向偏离指示原理3.3.5下滑指示的基本原理3.3.6指点信标系统3.3.1仪表着陆系统的功用一、功用二、着陆标准等级一、功用在恶劣气象条件和能见度不良条件下给驾驶员提供引导信息,保证飞机安全进近和着陆。二、着陆标准等级Ⅰ类设施的运用性能:在跑道视距不小于800m的条件下,以高的进场成功概率,能将飞机引导至60m的决断高度。Ⅱ类设施的运用性能:在跑道视距不小于400m的条件下,以高的进场成功概率,能将飞机引导至30m的决断高度。Ⅲ类设施的运用性能:没有决断高度限制,在跑道视距不小于200m的条件下,着陆的最后阶段凭外界目视参考,引导飞机至跑道表面。因此目叫“看着着陆”(seetoland)。Ⅲ类设施运用性能:没有决断高度限制和不依赖外界目视参考,一直运用到跑道表面,接着在跑道视距50m的条件下,凭外界目视参考滑行,因此目叫“看着滑行”(seetoxi)。Ⅲc类设施的运用性能:无决断高度限制,不依靠外界目视参考,能沿着跑道表面着陆和滑行。3.3.2ILS的系统组成及地面设备配置ILS系统包括三个分系统:提供横向引导的航向信标(localizer)系统提供垂直引导的下滑信标(glidealope)系统提供距离的指点信标(markerbeacon)航向和下滑信标产生的引导信号3.3.3仪表着陆系统技术参数航向信标工作频率为108.10—111.95MHz范围中1/10MHz为奇数的频率,共有40个波道。下滑信标工作频率为329.15—335MHz的UHF波段,频率间隔150kHz,共有40个波道。指点信标工作频率为固定的75MHz。航向信标和下滑信标工作频率是配对工作的。机上的航向接收机和下滑接收机是统调的,控制盒上只选择和显示航向频率,下滑频率自动配对调谐。3.3.4航向偏离指示原理地面航向台沿跑道中心线两侧发射两束水平交叉的辐射波瓣,跑道左边的甚高频载波辐射波瓣被90Hz低频信号调幅,跑道右边的甚高频载波辐射波瓣被150Hz低频信号调幅。当飞机在航向道上时,90Hz调制信号等于150Hz调制信号。若飞机偏离到航向道的左边,90Hz调制信号大于150Hz调制信号反之,150Hz调制信号大于90Hz调制信号3.3.5下滑指示的基本原理下滑接收机的通过对90Hz和150Hz调制音频下滑的比较,引导飞机对准下滑道。如所接收的90Hz信号等于150Hz信号,下滑偏离指针指在中心零位(C飞机)。若飞机在下滑道的上面,90Hz音频大于150Hz音频,偏离指针向下指(A飞机),表示下滑道在飞机的下面。反之,飞机在下滑道下面时,150Hz音频大于90Hz音频,指针向上指(B飞机),表示下滑道在飞机的上面。下滑信标辐射场和偏离指示3.3.6指点信标系统指点信标台发射频率均为75MHz。而调制频率和台识别码各不相同,以便使飞行员识别飞机在哪个信标台上空。航道指点信标台安装在沿着着陆方向的跑道中心线延长线上。在飞机飞越各指点信标台上空时,对应的指点信标指示灯亮,且可听道各指点信标台所发射的不同的音频编码键控调制。3.4全向信标系统3.4.1全向信标系统的功用3.4.2全向信标系统的组成3.4.3全向信标系统的基本工作原理3.4.1全向信标系统(VOR)的功用1、基本功用是引导飞机沿选定的航路飞行机载VOR接收机接收VOR台所发射的信号,经处理后可指示出VOR台的磁方位角,并进而计算飞机相对于预选航道的偏差。飞行员根据EHSI等仪表上的航道偏离杆的指示,即可驾驶飞机沿预选航道飞行。2、定位利用VOR接收机所测出的VOR方位角,加上由测距机所提供的飞机到VOR/DME台的距离,便可进行定位计算,确定飞机的地理位置。3.4.2全向信标系统的组成一、VOR接收机二、控制盒三、天线四、指示器二、控制盒甚高频导航控制盒是VOR,ILS,DME共用四、指示器1、无线电磁指示器(RMI):可指示磁航向、VOR方位、相对方位角。2、水平状态显示器(EHSI)如下图。3.4.3全向信标系统的基本工作原理一、有关的角度定义二、VOR系统的基本工作原理三、VOR工作频率分配一、有关的角度定义1、VOR方位角VOR方位角是指从飞机所在位置的磁北方向顾时针测量到飞机与VOR台连线之间的夹角。VOR方位也称电台磁方位。2、飞机磁方位从VOR台的磁北方向顺时针测量到VOR台与飞机连线之间的夹角,叫飞机磁方位。它是以VOR台为基准来观察飞机相对VOR台的磁方位。3、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。4、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。二、VOR系统的基本工作原理VOR台发射信号是由两个低频信号调制的射频信号。一个称为基准相位信号,另一个称为可变相位信号。基准相位信号的相位在VOR台周围的各个方位上相同;可变相位信号的相位随VOR台的径向方位而变。飞机磁方位决定于基准和可变相位信号之间的相位差。机载设备接收VOR台的发射信号,并测量出这两个信号的相位差,就可得到飞机磁方位角,再加180°就是VOR方位。三、VOR工作频率分配VOR和LOC工作在同一甚高频频段的不同频率上。VOR/LOC工作频率范围从108.00—117.95MHz,频率间隔50kHz,共有200个波道。其中108.00—111.95MHz之间的频率,VOR/LOC共用,其中十分位为偶数的频率为VOR波道;112—117.95MHz之间的频率均为VOR波道。3.5无线电高度表(LRRA)3.5.1系统功用和组成3.5.2调频连续波(FMCW)高度表3.5.3等差频FMCW高度表3.5.4飞机安装延时校正和多设备安装干扰3.5.5高度指示与决断高度3.5.1系统功用和组成一、无线电高度表的功用二、无线电高度表的组成一、无线电高度表的功用无线电高度表测量飞机相对地面的真实高度或叫垂直高度。测高范围为0—2500英尺,属于低高度无线高度表,简称LRRA。主要应用于飞机的起飞和着陆阶段。现代无线电高度表的工作频率为4300MHz(c波段)。二、无线电高度表的组成无线电高度表的类型:•调频连续波(FMCW)高度表•等差频FMCW高度表脉冲式高度表LRRA系统包括收/发机组件、发射天线、接收天线和高度指示器。接收天线和发射天线可以互换。3.5.2调频连续波(FMCW)高度表FMCW高度表发射信号是调频连续波,可以用正弦波调频或用三角波调频。在接收机收到反射波的t2时刻的发射频率为f2,而所接收的信号频率为f1,即在t时间内,发射频率从f1变化到f2,f=f2-f1,
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