无线电导航设备与系统3

无线电导航设备与系统2010.12.20主要内容1.概述2.无线电导航基本原理3.航空无线电导航系统3.航空无线电导航系统自动测向器（ADF）全向信标系统（VOR）仪表着陆系统（ILS）测距器（DME）无线电高度表（RA）多普勒导航雷达罗兰-C系统GPS系统3.1自动测向器(ADF)（1）ADF(AutomaticDirectionFinding)，又称无线电罗盘，是一种振幅最小值测向无线电导航系统。利用设置在地面的无方向信标（NDB）发射无线电波，在机上用环形方向性天线接收和处理电波信号，获取飞机到地面导航台的相对方位。相对方位N飞机到地面导航台的相对方位飞机纵轴延长线观测线3.1自动测向器(ADF)（2）系统的工作频率在150kHz～1800kHz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，但易受到天波的污染，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，测向精度可达2°左右。3.1自动测向器(ADF)（3）ADF指示的角度是飞机纵轴方向到地面导航台的相对方位。因此，若要得到飞机相对于导航台的方位，还必须获知飞机的航向，这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ADF的指示部分结合在一起，构成无线电磁指示器（RMI,RadioMagneticIndicator）。RMI指示方位原理相对方位航向ADF指示器3.1自动测向器(ADF)（4）ADF的主要功能：测量飞机纵轴方向到地面导航台的相对方位角，并显示在方位指示器上；对飞机进行定位：现代飞机上一般装备两部ADF。两部ADF所测得的相对方位显示于同一指示器上，由这两个方位角可确定飞机对地面导航台的两条相应位置线，根据位置线相交定位原理即可确定飞机的地理位置；利用两个地面导航台为飞机定位判断飞机飞越导航台的时间3.1自动测向器(ADF)（5）判断飞机飞越导航台的时间：当飞机飞向导航台时，根据相对方位角的变化来判断飞越导航台的时间。如方位指示由0°转向180°的瞬间即为飞越导航台的时间；利用方位指示保持沿预定航路飞行，即向/背台飞行；由于工作于中长波段，可接收民用广播信号，并可用于定向。3.1自动测向器(ADF)（6）ADF的组成地面导航台：由中波发射机、发射天线及辅助设备组成，安装在每个航站和航线的某些检测点上，不断地向空间全方位地发射无线信号，称为无方向信标（NDB)。机载设备：主要包括自动测向接收机、控制盒、方位指示器、环形天线和垂直天线或组合式环形/垂直天线。3.1自动测向器(ADF)（7）机载设备自动测向接收机：一般为超外差式设计；控制盒：用于控制各种工作状态的转换、频率选择和远、近台的转换等，并可进行调谐；方位指示器天线3.1自动测向器(ADF)（8）机载天线采用两个(正交)环形天线和一个垂直天线，一个环形天线的环面与飞机纵轴垂直，当飞机对准导航台时接收信号最小，另一个环形天线的环面与飞机横轴垂直，当飞机对准导航台时接收信号最大，即接收信号的强弱随飞机的纵轴移动而变化，而接收信号的相位在最小值时转换。这一信号再与垂直天线(用于辨向)接收信号叠加即可确定方位。简单的矩形环形天线及其方向图3.1自动测向器(ADF)（9）双值性的消除环形天线旋转一周，感应电动势有两个最小值（相差180度），测出的方位具有双值性。环形天线和垂直天线的合成方向图为心形，合成感应电动势只有一个最小值，从而消除了环形天线的双值性，实现单值定向。环形与垂直天线的合成方向图（以环形天线的零点为定向零点）3.1自动测向器(ADF)（10）天线方向图转动测向过程中，ADF需要随时转动环状天线的8字形方向图，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，通过测角器来实现方向图转动。测角器原理（组成与方向图）3.1自动测向器(ADF)（11）两个环状天线正交安装（分别与飞机的纵轴垂直和平行），并固定不动，两个天线的线圈分别接到测角器的两个励磁线圈(固定线圈)上。测角器中形成一个合成磁场，测角器的转子线圈(活动线圈)，在合成磁场作用下产生的感应电势，感应电势振幅随来波方向按余弦规律（即“8”字形）变化。转子线圈的转动取代环状天线的转动，达到了方向性图旋转的目的。3.2甚高频全向信标系统(VOR)(1)VOR（VHFOmnidirectionalRange，伏尔）是一种相位比较测向近程导航系统。机载设备通过接收地面VOR导航台发射的甚高频电波，可直接测量从飞机所在位置的磁北方向到地面导航台的方位（VOR方位），以进一步确定飞机相对于所选航道的偏离状态。被ICAO（国际民航组织）所采用，1949年起成为国际标准航线的无线电导航设备，用作航路导航，也用作非精密进近引导。VOR方位、磁航向与相对方位VOR方位：飞机所在位置的磁北方向顺时针测量到飞机与VOR台连线之间的夹角，是以飞机为基准来观察VOR台在地理上的方位。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，是以VOR台为基准来观察飞机相对VOR台的磁方位。3.4甚高频全向信标系统(VOR)(2)3.4甚高频全向信标系统(VOR)(3)与同样是测向导航导航设备的ADF相比，VOR具有以下特点：ADF采用地面无方向性天线发射，机上采用方向性天线接收的方法测向；VOR则采用地面导航台用方向性天线发射，机上采用无方向性天线接收的方法测向。VOR可以直接提供飞机的方位角（相对于地面导航台）而无需航向基准，且测向精度高于ADF。3.4甚高频全向信标系统(VOR)(4)工作频率高（108M~118MHz)，因此受静电干扰小，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。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。3.4甚高频全向信标系统(VOR)(5)VOR系统的工作频段为108~118MHz，频段内共有160个通信频道，频道间隔为50kHz。用于航路导航的VOR导航台(CVOR)，使用频率112~118MHz，共有120个频道，其作用距离可达100海里以上。用于引导进近着陆的VOR导航台(TVOR)，使用频率108~112MHz，共有80个频段，其作用距离一般为25海里以上。VOR的主要功能：对飞机进行定位：VOR机载设备测出从两个已知的VOR台到飞机的磁方位角，便可得到两条位置线，根据位置线相交定位原理即可确定飞机的地理位置；VOR台通常和测距台(DME)安装在一起，利用VOR测量飞机磁方位角，利用DME测量飞机到VOR/DME台的距离，也可确定飞机的地理位置（基于测向测距定位原理）。3.4甚高频全向信标系统(VOR)(6)沿选定的航路导航：飞机沿预选的航道飞向或飞离VOR台，通过航道偏离指示指出飞机偏离预选航道的方向和角度，以引导飞机沿预选航道飞往目的地。3.4甚高频全向信标系统(VOR)(7)航道偏离指示航道偏离杆（指示飞机偏离跑道中心线的角度）；向台/背台箭头3.4甚高频全向信标系统(VOR)(8)VOR测定方位的基本原理VOR台发射被两个低频信号（30Hz）调制的射频信号，这两个低频信号分别为基准相位信号和可变相位信号，机载设备接收VOR台的发射信号，并测量这两个信号的相位差（相位差正比于飞机磁方位），即可得到飞机磁方位及VOR方位。VOR工作原理说明3.4甚高频全向信标系统(VOR)(10)将VOR台想象为一个灯塔：它向四周发射全方位光线（相当于基准相位信号）的同时，还发射一个自磁北方向顺时针旋转的光束（相当于可变相位信号）。如果一个远距离观测者记录从开始看到全方位光线到看到旋转光束之间的时间间隔，并已知光束旋转速度，即可计算出观测者的磁方位角：观测者磁方位角观测时间间隔光束旋转周期O360可变相位信号（其相位随VOR台的径向方位而变）基准相位信号（其相位在VOR台周围各个方位上相同）3.4甚高频全向信标系统(VOR)(9)为了在接收机中能够区分两个30Hz信号，VOR台发射信号采用两种不同的调制方式基准相位信号：首先用30Hz信号对9960Hz的副载波调频，然后调频副载波再对载波调幅，其相位在VOR台周围360度方位上均相同，由无方向性天线发射。可变相位信号：用30Hz信号直接对载波（108M~118MHz)调幅，其相位随VOR台的径向方位而变，由方向性天线发射。合成辐射场（旋转的心形方向图）