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无线电导航系统RadioNavigationSystem无线电广播通讯系统利用无线电波的传播特性完成某种特定功能的系统称为无线电系统。从功能上分,可大体分为两类:一类用于信息传输,如广播、通讯、电视等;另一类用于信息获取,雷达、导航、气象卫星等。无线电导航基础无线电导航基础由此可见,从无线电波信号传播的角度,无线电导航基础的内容应该包括:1.无线电波及传播;2.天线及馈线;3.无线电信号的调制与发射;4.无线电信号的接收。无线电导航基础运载体接收到无限波信号以后,如何实现导航与定位,由此涉及的内容主要有:1.空间坐标系;2.无线电测量原理;3.无线电导航定位原理;4.无线电导航系统的工作区。无线电波及传播主要涉及的研究内容有:无线电波的产生、无线电波的极化方式、无线电波的传播特性、无线电波的传播方式。无线电导航基础无线电波及传播1.无线电波是如何产生的?根据电路理论可知,由R、L、C可构成谐振回路。若C或L具有开放性,例如C不是理想的平板电容,则平板边缘存在泄漏的交变电场。由于电磁感应,在交变电场周围将产生交变磁场,该交变磁场周围又产生交变的电场,这个过程循环交替下去。若所有的电能或磁能存在于一个无界空间内,则整个电磁能量的转换将在该空间内进行,形成电场、磁场的互相激发并向外辐射与传播,即产生所谓的电磁波,称无线电波或电波。一个完全开放的平板电容,当它被频率w的电压激励时,就向空间辐射电磁波。这时空间电场随时间和传播方向的变化规律为)cos(),(αβ+−=zwtEtzEmx),(tzEx因此,对应空间某处z,电场随时间周期性变化;对应某时刻t,电场在空间呈周期性分布。同样可有空间磁场的传播,也是z,t的函数。在电波传播时磁场始终与电场垂直,且都垂直于传播方向,随着时间推移,都沿z方向移动,形成电磁传播。),(tzHy无线电导航基础因此,对应空间某处z,电场随时间周期性变化;对应某时刻t,电场在空间呈周期性分布。无线电导航基础无线电导航基础2.无线电波的极化方式了解无线电波的极化,有助于天线接收信号时,对其极化进行调整以实现昀佳的接收效果。天线不能接收与其正交的极化分量或与其旋向相反的极化分量;否则会产生极化失配,造成功率损失。无线电波的极化,是指在空间辐射场某一固定位置上电场矢量端点随时间运动的轨迹。天线不能接收与其正交的极化分量或与其旋向相反的极化分量;否则会产生极化失配,造成功率损失。无线电导航基础3.无线电波的传播特性发射天线或自然辐射源产生的无线电波,通过自然条件下的媒质或真空到达接收天线的过程,称为无线电波的传播,它是一种电磁能量的传播。与其他波动如声波、机械波等不同,其传播不必依赖传输媒质,可在真空中进行,这是无线电波的重要特征之一。无线电导航基础4.无线电波的传播方式按照传输媒质的不同属性,电磁波在空间大气中传播时,主要有以下几种传播方式:地面波传播、天波传播、视距传播、散射传播。电波传播特性同时取决于媒质的结构特性和电波的特征参数。无线电导航基础天线及馈线主要涉及的研究内容有:天线的作用、天线的分类、天线的特性指标及其影响因素、馈线。天线及馈线1.天线在无线电波传输中的作用是什么?天线是任何无线电设备和系统必不可少的前端(对接收机)或后端(对发射机)器件。在不同设备和系统中作用基本相同,用来实现传输线中的射频电流能量与空中传播的电磁波能量之间的转换,对线上和空中的电信号起到沟通和连接的作用。2.天线的分类由于无线电波的频率覆盖范围很宽,以及无线电系统和设备的多样性,不同系统对天线辐射的要求差异很大,用户装置对天线结构的要求也不同,产生了多种不同类型的实用天线。无线电导航基础3.天线的特性指标及其影响(略)4.馈线用来连接天线与接收机或发射机,有效地传输高频电路或电磁波的线缆、波导等装置,尤其用于输送微波信号能量。无线电导航基础无线电系统利用无线电波实现数据的传输和参数测量等功能,需要无线电台发射载有一定信息的无线电信号,这一任务由无线电发射机、发射天线及其附属设备来完成。无线电信号的调制与发射无线电接收机的任务是将接收天线收到的微弱射频信号从混杂有各种干扰和噪声的背景提取出来,并经过放大、解调、解码后送入显示器或终端处理器,得到所需要的信息和参数。无线电信号的接收无线电导航基础空间坐标系(前面内容已有介绍,不再详细讲)无线电导航通过测量电磁波在空间传播时的电信号参量(如幅度、频率及相位等)进行导航定位,是时间和空间的联合概念。因此需要在特定的时刻描述在特定空间位置的状态,从而能够对载体进行有效的导引。无线电测量原理在无线电导航的设计中,往往构建一定的机制使得实际中测量的无线电参量与角度、距离等导航几何参量建立对应关系;然后利用几何参量与待求导航参数之间的数学关系,通过解方程或其他等效方法求得所需的导航参数。无线电测量原理包含两类基本几何参量的测量原理,角测量原理和距离测量原理。1.角测量原理要完成方位角参量的测量,通常需要导航台发射一定的无线电信号,由安装在载体上的接收设备(称为无线电测向器)完成角度的测量。振幅法和相位法是方位角度测量的两种常用方法。无线电导航基础振幅法:其基本出发点是利用天线的方向性图实现振幅与角度的对应关系,有两种实现体制。一种是导航台站用方向性天线发射信号,用户利用无方向性天线接收,定义为站台主动式;另一种是导航台站用无方向性天线发射信号,用户端利用方向性天线接收,定义为用户主动式。无线电导航基础相位法:无线电波传播时,相位与角度之间没有直接的对应关系,但可以通过采取某些措施使它们建立起对应关系,比如旋转方向性天线、绕圆周旋转无方向性天线,以及采用基线测量法等。与振幅法不同,相位法并不要求天线有尖锐的方向性,即使采用无方向性天线也可以完成角度的测量。无线电导航基础2.距离测量原理无论是对距离(即矢径长度),还是距离差、距离和的测量,都是利用电磁波在均匀介质空间中传播的直线性和等速性为条件的,主要有相位、频率和脉冲(时间)三种测量距离的方法。频率法:频率测距是利用发射信号与发射信号的差频来进行测量的,因此必须要有一定的发射面,通常用来进行对地高度或相对水面高度的测量。相位法:相位测距(差)是通过测量电磁波在运载体和导航台之间信号相位的变化来确定距离(差)的。应用相位法测量距离差时,实际是测量载体收到导航台站A、B发射电波的相位差。无线电导航基础脉冲法:实际上是用尖锐的脉冲对时间轴进行标定,然后通过脉冲间隔读取时间,进而测量距离。脉冲测距通常有有源和无源两种方式。无线电导航基础有源测距:信号在用户和导航台站之间经历了往、返两个传播过程(这时用户需要发射信号),通过测量信号在空间的往返传播时间计算出用户和导航台站之间的距离。无线电导航基础无源测距:用户仅仅接收导航台站发来的电波信号,利用本地时间测量信号的到达时刻,同时由接收信号的电文中获知信号的发射时刻。利用本地的接收时刻与导航电文中数据所提供的发射时刻之差,即可完成距离的测量。因此,无源测距要求用户的时钟与导航台的时钟必须严格同步,即保持同频同相,或者说既无频差又无钟差。无线电导航基础无线电导航基础通过无线电信号参量所测量到的几何、物理参量来确定用户的方位、距离、姿态等导航参量可以较直接地由无线电参量(如幅度测角、时间测距、相位测姿等)测量得到,而用户的位置参量则需要较复杂的导航解算,主要有两种方法:通过测量的几何参量与几何位置之间的数学关系进行定位,通常称为位置线法;通过测量的物理参量(如速度、加速度等)与几何位置之间的运动学关系确定位置,一般称为推航定位法。无线电导航定位原理END
本文标题:无线电导航系统
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