第3章-经典无线电导航系统(1-3)

1航空航天无线电导航刘磊电子科技大学航空航天学院23.1无线电罗盘(ADF)3.2甚高频全向信标系统（VOR）3.3无线电高度表3.4测距器(DME)3.5塔康系统（TACAN）3.6多普勒导航系统(Doppler)3.7罗兰-C系统第三章经典无线电导航系统33.1无线电罗盘(ADF)概述组成及功能基本工作原理系统误差分析及改进措施43.1.1概述无线电罗盘（radiocompass）是一种最小值测量来波向的振幅式测角无线电导航设备，又称无线电自动侧向仪（automaticdirectionfinding），配套地面设备是无方向信标（Non-directionbeacon）。系统的工作频率在100khz～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，系统精度为2度左右。5早在1912年，人们就开始研制世界上第一个无线电导航系统无线电信标台一般安装在机场附近，使飞机能够沿精确的航线向信标台飞行，然后执行向跑道的非精密进场。在第一次世界大战期间，开始使用该系统引导船只的出航与归航，后来很快发展到航空导航。无线电罗盘有半自动和全自动之分，采用前者测向时，必须人工旋转环状天线或搜索线，采用后者时，无论是测向还是归航，都完全有罗盘本身自动完成。6全自动无线电罗盘也称为自动定向机，它的发展大致又可分为三个阶段：（1）20世纪四五十年代采用电子管电路，对地面无线电台频率采用机械软轴进行调谐，定向天线为单个的旋转式环形天线，其典型设备为R5/ARN7和APK—5型定向机；（2）20世纪六七十年代采用晶体管电路，频率选择采用粗、细同步器调谐，有些设备使用晶体频率网采用“五中取二”方法调谐，定向天线采用两个正交的旋转式或固定式环形天线，如APK—11，WL—7—6A型定向机等7（3）到20世纪80年代左右采用集成电路或大规模集成电路，并使用频率合成器、二—十进制编码数字选频及微处理器天线系统有了较大的改进，如在APK—15M，DF—206型等自动定向机的天线系统中采用旋转测角器来代替环形天线的旋转，而最新式的700型自动定向机则采用组合式环形垂直天线，从而在天线系统中取消了任何机械传动部件。8无线电罗盘指示的角度是以载体纵轴为基准顺时针转向飞机到导航台连线的夹角。因此，若要得到飞机相对于导航台的方位，必须知道飞机的航向，所以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自动测向仪的指示部分结合在一起，构成无线电磁指示器（RMI,RadioMagneticIndicator）。如下图所示，虚指示线给出了飞机的航向，而实箭头指示了飞机相对于导航台的方位：9103.1.2系统功能及组成无线电罗盘是利用无线电技术进行导航测向的设备，属于M型最小值法测向系统。利用无线电罗盘和地面导航台组成的导航系统，可以引导飞机飞向导航台或飞离导航台，以及提供某些导航计算所需要的参数。11规定航线：能够连续自动地对准地面导航台，提供飞行航线相对于地面导航台的相对方位角，使飞机沿给定的航线飞行；定位：能依次测出两个以上地面导航台的航向角(即飞机纵轴与电台和飞机联机之间的夹角)，利用所得到的直线位置线交点，可以实现对飞机的定位；压点飞行控制：判断飞机飞越导航台的时间；着陆引导：配合仪表着陆系统引导飞机着陆。识别通信和监听：接收导航台站发出的音频识别信号及其它信息，接收机输出的音频信号通过音频选择系统供飞行员监听。遇险救助：可接收民用广播电台的信号，并可用于定向；还可收听500千赫的遇险信号，并确定遇险方位。无线电罗盘主要有六种功能：12整个系统包括地面设备（无方向信标）和机载设备（无线电罗盘）。机载设备通常由以下几部分组成：天线：包括垂直天线、环状天线及测角器。接收机：一般多为超外差式，用来将高频信号处理成低频信号。控制台：用来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。指示器：通过同步电机与测角器相连，用指针的偏转来表示所测角度的数值系统组成13基本技术指标有效作用距离250～350km工作频率范围100～1799.3kHz，共分四个波段Ι100—199.5kHzⅡ200～399.5kHzⅢ400—899.5kHzⅣ900～1799.5kHz14500系列无线电罗盘性能指标频率选择：工作频率范围为190～1750kHz；频率间隔为0.5kHz；频率转换时间小于4s，BCD码选频。定向准确性：场强为50～100000uv/m，定向准确性为±2o，场强小于25uv/m时，定向准确性不超过±3o。定向摆动：小于±1o灵敏度：场强为35uv/m，1000Hz，调幅度为3％。天线有效高度天线输入电容量的平方根为1，信噪比为6dB。153.1.3基本工作原理161、方向性图的转动无线电罗盘在测向过程中，需要随时转动环状天线的8字形方向性图，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，通过测角器实现方向性图转动。前者已少用，目前多采用后者，现将其原理加以介绍。17将两个环状天线垂直安放，并固定不动，两个天线的线圈分别接到测角器的两个固定线圈(称为场线圈)上，如图所示。tEetEemmsinsinsincos21tHHtHHcossincoscos21tEeLmsinsin18测角器中形成一个合成磁场,测角器的活动线圈(亦称搜索线圈)，在合成磁场作用下所产生的感应电势为：搜索线圈通过同步发送器与指示器相连，转动搜索线圈使其平面与合成磁场平行，感应电势消失，相当于8字形方向性图的零值点对准了地面导航台，此时指示器指针所示的角度即搜索线圈转过的角度就是所测之导航台航向。搜索线圈的转动代替了环状天线的转动，达到了方向性图旋转的目的。tEeLmsinsin192、90度移相tEehppcossin203、平衡调制与迭加环状天线信号移相90°后，经放大与倒相加给平衡调制器两个幅度相等而相位相反的信号。平衡调制器，在135HZ低频信号控制下工作，得到两个旁频（边频）信号。旁频信号在迭加电路中与垂直天线接收来的载频信号进行迭加。ttmEttEptEeeehAhApAcos)cossin1(coscossincos21调幅波的调制度m决定于环状天线信号与垂直天线信号之幅度比。接收机将此调幅信号经混频，中放和检波处理成低频信号，一路送至耳机进行人工定向；另一路经135Hz选频电路将135Hz信号从检波后的低频信号中分离出来，作为误差信号加到伺服电机的控制线圈中去，同时在伺服电机的激磁线圈中，还有从135Hz振荡器直接加来的135Hz基准信号，在它们的共同作用下伺服电机转动测角器搜索线圈。当测角器搜索线圈转动到环状天线信号为零时就停止转动，指示器指针就指示出导航台的航向角，此时罗盘中只有垂直天线的信号。ttmEttEptEeeehAhApAcos)cossin1(coscossincos224、伺服电机的转动加到伺服电机控制线圈中的135Hz信号，是一个可变相位信号。它的起始相位决定于地面导航台处在8字形方向性图最小值的哪一边(左边还是右边)。加到伺服电机激磁线圈中的135Hz信号，却是一个相位固定的基准信号。当导航台在飞机右侧时，可变相位信号的起始相位为正，超前于固定相位信号90°，使伺服电机带动测角器搜索线圈向右(顺时针)转动；当导航台在飞机左侧时，可变相位信号之起始相位为负，滞后于固定相位信号90°，使伺服电机向左(逆时针)转动。23245、双值性的消除八字形方向性图具有两个零值点，相差180度。如果两个零值点都是稳定的，则会影响到测向的准确性。采取措施使一个零值点稳定，另一个零值点不稳定。并将稳定的零值点做上标记，以供用户辨认。稳定零值点对准导航台时，如果在外界干扰影响下发生偏离，则测角器搜索线圈将会产生误差信号控制伺服电机转回到原来的稳定零值点位置；假若非稳定零值点对准了导航台，在干扰作用下只要一旦产生摆动，便会离它而去，转向稳定零值点，不会再回到非稳定点，这样就保证了单值定向。25四、系统误差分析及改进无线电罗盘是依赖于地面导航台发射的无线电波进行定向的无线电波在传播过程中，会受到飞机金属机身的影响，也会受到电离层、大气条件（如温度、湿度）、大地表面的性质、地理环境以及人为干扰等因素的影响，使定向产生误差。误差大致可以分为环形天线附近金属导体的干扰误差、电波传播误差和设备误差。26（1）象限误差也叫罗差，主要是环形天线附近金属导体的干扰误差。当地面电台辐射的无线电波到达飞机机身等金属物体上时，将在金属物体上产生交变的感应电流，该电流又在机身等金属物体周围产生辐射电波，这种现象称为两次辐射。两次辐射电波与原电波叠加后，合成电波作用到环形天线的方向与原电波传播方向相差一个角度，从而改变了定向方向，造成了定向误差，该角度称为象限误差或罗差。27基本措施采用象限误差修正器来修正象限误差，现代飞机通常使用的是电感式罗差补偿器。电感式罗差补偿器是一个平衡电感衰减器，它用于正交固定环形天线式自动定向机，接在环形天线与接收机之间，将正交固定式环形天线的横向线圈或纵向线圈的信号按修正度数要求给以相应的衰减，从而得到适当的罗差补偿。目前新式的无线电罗盘ADF—700中，并不用专门的象限误差修正器，而是在接收机尾部中间插头上的5个插钉由跨接线按不同的连接组合来修正象限误差。28极化误差无线电罗盘工作在中波波段，电离层对电波的吸收白天比夜间强，因此白天接收机只能收到地波信号。而在夜晚，电波受电离层的损耗比白天小，由电离层反射的天波分量加强，所以无线电罗盘可能同时接收到地波与天波信号，这会形成电波衰落。另一方面，由于反射的天波将使垂直极化波变为椭圆极化波，在环形天线的水平部分产生感应电势，不仅会使接收信号减弱，同时使环形天线的最小接收方向模糊不清，而造成定向误差，即极化误差。减小极化误差的根本措施就是避免接收天波信号，并在测定方位时注意读取方位角的平均值。293.2甚高频全向信标系统VOR概述功能及组成工作原理303.2.1概述甚高频全向信标系统VOR（VHFOmnidirectionalRange）是一种相位式近程测角导航系统。通过接收地面VOR导航台的信号，可以直接确定以导航台所在位置北向为基准(也可以航道方向）的飞机方位。伏尔系统于第二次世界大战后期在美国首先开发应用，1946年成为美国标准的航空导航系统，1949年被国际民航组织采纳为国际标准导航系统。伏尔系统通常与测距器配合使用，不仅用于航路导航，而且可以用于飞机进场的引导设备。31发展历程1.1936年由德国SEL公司研制成功；2.1947年国际民航组织将其定为标准近程导航设备；3.1952年英国马尼克公司开始生产；4.1958年美国开始使用；5.1965年DVOR出现，并得到迅速发展；32我国VOR发展民航1964年首次由法国THOMSON公司引进4套l615/2型电子管式的甚高频全向信标，分别安装在大王庄、无锡、昆明和英德等地（现已淘汰）；1973年从法国THOMON公司引进10套TAH510型全晶体管化CVOR；1987年引进13套英国RACAL公司的MK—I型全固态DVOR；1988年从法国THOMSON公司引进12套512D型全固态DVOR；1993年至今又引进了澳大利亚AWA公司的VRB—5lD型DVOR一百多套331、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角；VOR地面导航台站用方向性天线发射，机上采用无方向性天线接收的方法测角。2、VOR可以直接提供飞机的方位角（相对于