第四章 无线电振幅导航系统

第四章无线电振幅导航系统4．1概述4．1．1一般概念根据无线电波的信号振幅与导航参数的对应关系，完成导航参数测量功能的导航系统，称为无线电振幅导航系统。这里的导航参量通常是指角坐标参量，它包括飞机或船只的方位、导航台方位、飞机的下滑角和航向角等，而对应的位置面为半平面。因而振幅导航系统一般用于运载体的测向，通过自动测向仪引导飞机、船只朝向或离开导航台，并可利用两个或两个以上的导航台实现定位；或者通过仪表着陆系统实现飞机的下滑着陆功能。无线电振幅导航系统属于地基无线电定位系统，一般由地面的导航台和运载体（飞机、船只）上的测向器组成。前者用于发射有一定方向或全向（无方向性）的无线电信号，称为信标台或航向（下滑）台；后者用于接收信号和实施定向，称为无线电罗盘或定向接收机等。振幅导航系统的工作波段为长波、中波或短波，其覆盖范围可达几百公里。运载体为了利用信标台的信号，需要事先知道信标台的准确的地理坐标、发射频率、发射形式、台站识别码、工作时间等参数，根据这些参数调谐机载或船载的定向接收机，得到运载体的方位和位置。导航台站可以工作于连续发射状态或者脉冲发射状态，发射的信号包括识别信号、工作信号和辅助信号三种类型，分别用来识别地面导航台、测量导航参量、传送某些辅助信息。从原理上讲，无线电振幅导航系统可以利用反射信号或直达信号来测定目标的角坐标参量，其方法有最大值法、最小值法和等信号比较法。获取角参量的方式有E型和M型两种，其中E型是利用载波信号振幅本身的变化来实现测向，M型是利用载波信号振幅的调制深度变化进行测向。根据振幅导航系统原理和方式的不同，以及不同的外界环境条件，角度测量的精度为±1°～±5°。图4.1—1给出了由地面信标台和机载测向器构成的无线电振幅导航系统，它主要用于引导飞机沿给定方向飞向或飞离地面信标台，可给出飞机相对导航台的方位信息。假若还有另一部装设在适当地点的地面导航台，就可得到在某一水平面上的两条直线位置线，利用它们的交点就可确定出飞机的当前位置。图4.1－1无线电振幅导航系统4．1．2方位θ的无线电测量法振幅导航系统通常利用无线电系统天线的方向性图实现对方位角的测量。在E型方式中，无线电信号的调制深度保持不变，载波信号的幅度E与导航角参量θ建立起E＝E(θ)的依从关系；而M型工作方式则在其工作区内保持载波信号幅度大于规定的数值，用信号的调制深度m和θ建立起m=m(θ)的关系。为了利用这两种关系测得导航参量，通常采取如下三种方法：1.最大值法（见图4.1—2）：利用具有针状方向性图的天线，以运载体本身为中心，以子午线北向N为基准，顺时针转到其方向性图最大值对准导航台（信标台）的位置，此时接收信号为最大，天线所转过的角度即为所要观测的导航台的方位角θ，或导航台所在的方向。最大值法在测量信号幅值的过程中，由于接收机输入端存在着干扰和噪声，以及测量设备分辨率的影响，使在信号方向性图的最大值处有一个机载测向器无法分辨的幅值范围U，所对应的角度区域称为不灵敏区，用N表示。为减小N的值，要求天线的方向性图足够尖锐，并且输入信噪比尽可能高。采用最大值法测向，由于只有一个波束，机载测向器无法分辨出导航台可能的偏差方向，即不能判断出导航台偏离最大值轴线的方向。图4.1－2按接收信号最大值测定方向图4.1－3按接收信号最小值确定方向2.最小值法（见图4.1—3）：采用分开一定角度的双针状方向性图天线，将天线从子午北向N旋转到方向性图的最小值对准信标台，天线所转过的角度即为导航台的方位。该方法与最大值法相反，其中理想的信号最小值为零值。最小值法在零值点附近也存在一个无法识别信号微小变化的幅值范围U，由此形成不灵敏区N，但该法的不灵敏区相对较小，其测向精度也比最大值法要高。另外当天线方向性图的两个波束采用不同的调制频率时，可以比较容易地判断出导航台偏离最小值点轴线的方向。3.等信号法（或称比较信号法，见图4.1—4）：采用部分重合的双针状方向性图天线，当两个波束的接收信号相等时，即可获得一条等信号线的方向。转动天线，使天线两个波束的接收信号强度相等，即可确定出导航台的方位。其不灵敏区N和测向精度均介于最大值法和最小值法之间，并且也能判断出被测导航台偏离等信号线的方向。图4.1－4利用比较接收信号确定方向以上三种方法各有特点，最小值法的测量灵敏度和精度较高，最大值法接收信号的信噪比最大，而天线制作的难易程度是最大值法较难；这几个方面等信号法的性能表现都是居中。由于最小值法不灵敏区较小，且在高频、超高频、甚高频以及微波频段，均可获得所要求的方向性图，因此应用场合较多。4．1．3振幅导航系统的天线特性和信号特征1.环形天线的特性分析由上可知，振幅导航系统中方向性天线的性能好坏必然会对角度测量产生影响。一个性能良好的天线，在工作过程中不能改变其方向性图的形状；其次灵敏度要高，不灵敏区间要小；第三制作起来不要太复杂。为保证所要求的测量灵敏度，一般要对天线的方向性图在信号测量处（最大值、最小值或等信号）的幅度变化率提出一定的要求。振幅系统所用的方向性天线种类较多，包括环形天线、分集天线、H型天线等。下面以常用的环形天线为例，对其性能进行分析，该天线主要用于机载无线电罗盘以及相位无线电导航系统VOR中。如图4.1—5所示，假设矩形环形天线ABCD的高为h，宽为b，放置在一个与地球水平面垂直的平面内，并处于垂直极化无线电波的正常极化场内。这样选择一个参考直角坐标系，使天线中心位于坐标原点O处，天线的平面与ZOX平面相重合，天线平面的法线与Y轴一致。设沿地球表面传播的电波方向Sk与环形天线平面的夹角为，根据电磁场理论，与Sk垂直的是电场E与磁场H。设原点O处的电场强度为tEEsin0。根据天线理论，环形天线中所感应的电动势，决定于天线各边感应电动势之和。由于水平边BC和AD与电场强度矢量垂直，其感应电势为零，因此整个环形天线的感应电动势等于AB和CD边内的感应电动势之和：CDABeee(4.1—1)而)cossin(bthEeoAB)cossin(bthEeoCD故有：cos2sincosobeEht(4.1—2)式中E0为天线外部电场强度的振幅，λ、ω分别为无线电波信号的波长和角频率。图4.1－5矩形环内电动势的计算定义moEbhEcossin2为天线内部感应电动势的振幅，则环形天线总的感应电动势为：tEemcos(4.1—3)在b/λ﹤﹤1的条件下，mE的表达式可写为：cosmaxmmEE(4.1—4)其中0max2EbhEm为一固定常数。该式反映了环形天线平面和电波传播方向之间的夹角与感应电动势的关系。以为极角、mE为矢量绘出该天线在水平方向上的极坐标图，就得到图4.1—6所示的“8”字形方向性图，为两个对称于极点、直径为maxmE的圆。当＝90°、270°时，mE＝0；当＝0°时mE=maxmE；当180°时mE=﹣maxmE。从图中还可以看出，矩形环形天线的感应电动势超前电场90°，并且当在－90°～＋90°之间时，感应电动势为正值，在90°～270°时，电动势为负值。为了表述方便，通常将天线的方向性图表示成F()的函数形式，如“8”字形方向性图可表示成F()=cos的方式。图4.1－6环形天线“8”字形方向性图图4.1－7分集天线的示意图环形天线的“8”字形方向性图有最小值，可采用最小值法测向，并且结构简单、容易制作、体积小、重量轻，适宜于在运载体上安放，一般工作于中、短波段的测向系统中。图4.1－7为分集天线的示意图，其方向性图与环形天线基本一致。2.E型测向信号的形成及其特征设地面导航信标台辐射全向的无线电信号，而无线电测向器天线的方向性函数为F()，由它对信标台的信号进行接收，按两种情况进行讨论。情况一：导航台发射等幅波，则E型测向器接收到的信号为：tEtFEemmcoscosmax(4.1—5)情况二：导航台发射调幅波，则测向器接收的信号应为ttmEemcos]cos1[(4.1—6)式中maxmE为载波信号幅值的最大值；mE为载波信号的幅值，是的函数；m为调制系数；为调制信号的角频率。这两种情况接收信号的载波幅值均与角度有关，将随角度的改变而变化，而信号的调制系数m保持不变，与无关。3.M型测向信号的形成及其特征考虑如图4.1—8由两个天线组成的接收系统，一个为无方向性天线，即垂直天线，一个为方向性图为F（）的环形天线，两个天线的输出信号经处理后进行迭加。设导航台发射等幅波，则垂直天线中的接收信号仍为一等幅波：tEemcos11(4.1—7)同时环形天线中的信号与垂直天线信号相差90°相移，如下为：)90cos()(22tFEem(4.1—8)对环形天线的输出信号进行放大、移相和平衡调制处理，即可得到：ttFEemcoscos)('22(4.1—9)则迭加电路的信号输出为一调幅波，其形式为：ttmEeemcos]cos)(1['121(4.1—10)其中)()(12FEEmmm。此时，就得到了与E型不同的M型测向信号，其特点是载波信号的幅值保持不变，而调制系数m随角度的变化而改变，即调幅信号包络的大小，随测向器相对信标台的方位不同而变化。图4.1—8M型测向信号的形成4．1．4无线电振幅导航系统的现状和发展趋势无线电振幅导航系统发明较早，距今已有一百年了。在一次大战期间，就被用于引导船只的归航和出航，并很快发展到对飞机的导航。和其它无线电导航系统相比，振幅导航系统存在着测向（测角）精度不高的缺点，限制了它的进一步应用，如无法达到Ⅱ类、Ⅲ类的飞机下滑着陆标准。随着导航技术的发展，该类系统经过不断完善和改进，作为基本的导航手段仍然在航空、航海等领域广泛应用，其中仪表着陆系统仍然是飞机进近和着陆的普遍设备。这主要是由于其机载设备结构简单（重量轻、体积小）、使用维护方便、价格低廉、指示直观明确；其地面导航设备简单、廉价，数量众多，方便运载体的使用。另外，已投入使用的数字化测向仪、可遥控免维护信标发射机，为系统的应用和发展提供了新的活力。目前世界各国的军用、民用飞机大都装有无线电罗盘和仪表着陆系统，在飞机的航路飞行和着陆过程中起重要作用，用户数量很大。如美国有1800多个定向信标台在工作，可以覆盖大部分的领空和近海领域，飞机用户数量达几万。当前由于GPS的发展，用于航海的无线电信标受到了冲击，将逐渐被淘汰或被赋予新的功能。如可用无线电信标台在播发指向信号的同时兼发差分GPS修正数据，在局部范围内提高GPS的定位精度，或将信标台改造为只发差分GPS修正数据的中波数据链台。从目前的发展趋势看，振幅系统还会继续使用至少20年以上，未来的发展将更多地采取组合方式，与其它导航系统组成多功能、高可靠的组合系统。如在航路上无线电罗盘和GPS卫星定位系统结合，可实现地面有台和无台两种条件下的航路导航；仪表着陆系统和无方向性天线微波着陆系统、卫星着陆系统等组成的多模式接收机（MMR），可实现对飞机着陆的更为灵活、可靠的引导。4．2无线电罗盘测向系统4．2．1系统简介无线电罗盘测向系统是一种地基定向系统，由机载或船载定向仪自动测定地面发射台的无线电波来波方向，从而获得飞机或船只相对信标台的角坐标方位数据。系统由机载设备和地面设备两部分组成，机载无线电自动定向仪（ADF）是一种M型最小值法测向设备，称之为无线电罗盘（RadioCompass）；地面导航台也称无方向性信标（NDB），其台站识别信号采用1020Hz调制的二个英文字符的莫尔斯码格式。系统工作频率一般在150kHz～l800kHz范围内，属于中波、长波或短波波段，功率在500W左右。在此波段内，可靠的方位信息只能从地波或直达波才能得到，其作用距离由地面导航台发射功率及机上接收机灵敏度决定，一般可达几百千米，典型为250~350km。另外，地面台发射的信号常常会受到天波的影响，在夜间情况会更加恶劣