南理工导航2-2014

1、1 导航技术基础（导航技术基础（2） 教师：李 胜 E-mail: 2 上次课内容复习上次课内容复习 n导航系统的作用：导航系统的作用： 为运载器操作人员提供运载器当前状态信息；为运载器操作人员提供运载器当前状态信息； n导航信息主要包括：导航信息主要包括： 运载器的运动方向信息运载器的运动方向信息 运载器的运动距离信息运载器的运动距离信息 n最终目标是：为运载器提供当前位置信息；最终目标是：为运载器提供当前位置信息； 3 导航设备的功能导航设备的功能 n测向设备：测向设备： 罗盘、指南针、指南车、无线电测向仪、陀螺罗盘、指南针、指南车、无线电测向仪、陀螺 仪；仪； n测距设备：测距设备： 记

2、里鼓车、六分仪、牵星板、加速度计、记里鼓车、六分仪、牵星板、加速度计、DME、 直角仪直角仪 4 上次课内容复习上次课内容复习 n导航系统的分类：导航系统的分类： n根据导航系统对外界信息的依赖，可以将根据导航系统对外界信息的依赖，可以将 导航系统分为：导航系统分为： 自主导航系统：惯性导航系统自主导航系统：惯性导航系统 非自主导航系统：无线电导航系统非自主导航系统：无线电导航系统 半自主导航系统：天文导航系统半自主导航系统：天文导航系统 5 无线电导航无线电导航 n利用无线电引导运载器沿规定航线、在规利用无线电引导运载器沿规定航线、在规 定时间达到目的地的技术。定时间达到目的地的技术。 n包

3、括以下任务：包括以下任务： 确定运载体当前所处的位置及航行参数；确定运载体当前所处的位置及航行参数； 引导运载体沿设定航线航行；引导运载体沿设定航线航行； 引导运载体在夜间和复杂气象条件下安全着陆；引导运载体在夜间和复杂气象条件下安全着陆； 为运载体安全准确地完成航行任务所需要的其为运载体安全准确地完成航行任务所需要的其 他引导任务；他引导任务； 6 无线电导航特点无线电导航特点 n受外界条件限制较小受外界条件限制较小 n测量参数的精度较高，测量速度较快；测量参数的精度较高，测量速度较快； n可靠性高，经济效益好。可靠性高，经济效益好。 n主要利用了无线电波的三个特性：主要利用了无线电波的三个

4、特性： 电磁波在自由空间的直线传播。电磁波在自由空间的直线传播。 电磁波在自由空间的传播速度是恒定的。电磁波在自由空间的传播速度是恒定的。 电磁波在传播路线上遇到障碍物时会发生反射电磁波在传播路线上遇到障碍物时会发生反射. 7 无线电导航系统的发展无线电导航系统的发展 n无线电导航系统的早期阶段无线电导航系统的早期阶段 定向为主，定向器、四航道信标、多区无线电定向为主，定向器、四航道信标、多区无线电 信标；信标； n无线电导航系统的发展阶段无线电导航系统的发展阶段 定位为主定位为主，VOR/DME、DECCA、LORAN、 OMEGA系统；系统； n无线电导航系统的成熟阶段无线电导航系统的成熟

5、阶段 星基定位导航系统的出现，子午仪系统、星基定位导航系统的出现，子午仪系统、GPS、 GLONASS等卫星导航系统；等卫星导航系统； 8 无线电导航系统的分类（一）无线电导航系统的分类（一） n按作用距离分：按作用距离分： 近程、远程、超远程、全球定位近程、远程、超远程、全球定位 n按定位用几何参数来分：按定位用几何参数来分： 测角、测距、测距差、测角距；测角、测距、测距差、测角距； n按导航台安装位置来分：按导航台安装位置来分： 陆基、空基、星基；陆基、空基、星基； 9 无线电波的分类（一）无线电波的分类（一） n无线电波可以根据其频率分为：无线电波可以根据其频率分为： n甚低频（甚低频（

6、VLF）：）：330kHz，甚长波；，甚长波； n低频（低频（LF）：）：30300kHz，长波；，长波； n中频（中频（MF）：）：3003000kHz，中波；，中波； n高频（高频（HF）：）：330MHz，短波；，短波； n甚高频（甚高频（VHF）：）：30300MHz，超短波；，超短波； n超高频（超高频（UHF）：）：3003000MHz，分米波，分米波 10 无线电波的分类（二）无线电波的分类（二） n按照无线电波在大气空间中的传播方式可按照无线电波在大气空间中的传播方式可 以分为：以分为： n地波地波 无线电波沿着地球表面的传播称为地波传播无线电波沿着地球表面的传播称为地波传播

7、n天波天波 自发射天线发出的电磁波，在高空被电离层反自发射天线发出的电磁波，在高空被电离层反 射回来到达接收点的传播方式称为天波传播射回来到达接收点的传播方式称为天波传播 n直射波（视距波）直射波（视距波） 电波由发射台到接收台之间沿直线传播电波由发射台到接收台之间沿直线传播 11 导航中无线电波的用途导航中无线电波的用途 n测向：测向： 测量运载体相对于无线电发射台的角度测量运载体相对于无线电发射台的角度 (,theta)； n测距：测距： 测量运载体与无线电发射台之间的距离测量运载体与无线电发射台之间的距离(,rho)； n测距差：测距差： 测量运载体与两个或两个以上不同无线电发射测量运载

8、体与两个或两个以上不同无线电发射 台之间的距离差；台之间的距离差； 12 基于无线电波的定位方法基于无线电波的定位方法 n角度角度角度定位（角度定位（theta-theta定位）定位） VOR n距离距离距离定位（距离定位（rho-rho定位）定位） DME n距离距离角度定位（角度定位（rho-theta定位）定位） TACAN n双曲线定位双曲线定位 LORAN-C 13 无线电波在测向中的应用无线电波在测向中的应用 n利用接收设备测定无线电波幅度变化来确利用接收设备测定无线电波幅度变化来确 定发射源方向。定发射源方向。 n最小值测向法最小值测向法 n最大值测向法最大值测向法 n比较测向法

9、比较测向法 14 无线电测向方法无线电测向方法最小值法最小值法 n当天线平面的法线方向指向发射源时，接当天线平面的法线方向指向发射源时，接 收器接收到的无线电信号最小。当法线方收器接收到的无线电信号最小。当法线方 向指向发射源垂直方向时，接收器接收到向指向发射源垂直方向时，接收器接收到 的无线电信号最大。的无线电信号最大。 15 环形天线示意图环形天线示意图 16 环形天线存在二值性的缺点环形天线存在二值性的缺点 17 复合天线的方向性图复合天线的方向性图 18 Knickebein系统系统 (Crooked leg) 19 Knickebein系统系统 (Crooked leg) 20 n位

10、置线：对运载体测位置线：对运载体测 出的某个几何参数具出的某个几何参数具 有相同数值的点构成有相同数值的点构成 的轨迹；的轨迹； 21 22 23 角度角度角度定位（角度定位（theta-theta定位）定位） n根据信标台与运载体相对方向角来确定运根据信标台与运载体相对方向角来确定运 载体的定位方法称为角度载体的定位方法称为角度角度定位。角度定位。 n在这种方式下，运载体的位置线为一条直在这种方式下，运载体的位置线为一条直 线；线； 24 无线电测向误差对定位精度的影响无线电测向误差对定位精度的影响 25 VOR（VHF Omni-directional Range） n工作频率：工作频率：

11、108117.95MHz； n由地面台和机载设备组成；由地面台和机载设备组成； n工作原理工作原理 地面台向空中发射两个地面台向空中发射两个30Hz的正弦波信号，一的正弦波信号，一 个作为基准信号，另一个则随方向不同而发生个作为基准信号，另一个则随方向不同而发生 变化，机载设备接收到两个正弦波信号后，只变化，机载设备接收到两个正弦波信号后，只 需根据相位差即可判别处所在方向。需根据相位差即可判别处所在方向。 26 VOR系统误差来源系统误差来源 n1.可变相位可变相位30Hz信号，从地面台到达飞机信号，从地面台到达飞机 的多径误差；的多径误差； n2.机载接收机相位检测器误差；机载接收机相位检

12、测器误差； 解决方法：解决方法： n1.架高天线，清除周围障碍物；架高天线，清除周围障碍物； n2.采用采用DVOR（多普勒（多普勒VOR）；）； 采用调频信号提供相位可变的采用调频信号提供相位可变的30Hz信号，采用信号，采用 调幅信号提供调幅信号提供30Hz的基准。的基准。 27 导航台标志导航台标志 28 29 VOR（VHF Omnidirectional Range ） 30 31 VOR测向仪表测向仪表 32 33 34 35 无线电波在测距中的应用无线电波在测距中的应用 n利用接收装置接收到无线电波的时间，利用接收装置接收到无线电波的时间， 计算运载体与无线电发射源之间的距计算运

13、载体与无线电发射源之间的距 离。离。 36 来自雾号角的启发来自雾号角的启发 37 两个雾号角能完全定位吗？两个雾号角能完全定位吗？ 38 三个雾号角的定位原理三个雾号角的定位原理 39 测距误差对定位精度的影响测距误差对定位精度的影响 40 导航台分布情况对定位精度的影响导航台分布情况对定位精度的影响 41 距离距离距离定位（距离定位（rho-rho定位）定位） n根据运载体与多个导航台之间的距离，对根据运载体与多个导航台之间的距离，对 运载体进行定位的方法。运载体进行定位的方法。 n影响其定位精度的原因主要有：影响其定位精度的原因主要有： 运载体及各导航台之间的时钟基准误差；运载体及各导航

14、台之间的时钟基准误差； 运载体与导航台之间的分布情况；运载体与导航台之间的分布情况； n解决方法：解决方法： 采用振荡频率非常稳定的振荡器，如铯钟。采用振荡频率非常稳定的振荡器，如铯钟。 选择合理分布的导航台；选择合理分布的导航台； 42 DME（Distance Measure Equiment） n工作频段：工作频段：9601215MHz n覆盖区域：覆盖区域：200nm n由机载设备和地面设备组成，当机载设备由机载设备和地面设备组成，当机载设备 发出成对的询问脉冲，地面台收到后，经发出成对的询问脉冲，地面台收到后，经 过一定的时延，发出成对应答脉冲。机载过一定的时延，发出成对应答脉冲。机

15、载 设备接收到应答脉冲后，将发出询问脉冲设备接收到应答脉冲后，将发出询问脉冲 和受到应答信号之间经过的时间减去地面和受到应答信号之间经过的时间减去地面 台的时延，便可算出两者之间的距离。台的时延，便可算出两者之间的距离。 43 DME工作原理示意图工作原理示意图 44 无线电测距差无线电测距差 n利用接收装置接收到两个无线电信标所发利用接收装置接收到两个无线电信标所发 信号的时间间隔，计算运载体与这两个无信号的时间间隔，计算运载体与这两个无 线电发射源之间的距离差。线电发射源之间的距离差。 双曲线定位原理双曲线定位原理 n具有相同距离差的点的轨迹是以发射台为具有相同距离差的点的轨迹是以发射台为

16、 焦点的一条双曲线，如果能获取两条相交焦点的一条双曲线，如果能获取两条相交 的双曲线，则其交点就是运载体当前位置。的双曲线，则其交点就是运载体当前位置。 45 双曲线定位双曲线定位 46 双曲线定位双曲线定位 47 基于双曲线定位的导航系统（罗兰）基于双曲线定位的导航系统（罗兰） nLORAN系统是一种中远程无线电导航系统。系统是一种中远程无线电导航系统。 属于陆基、低频、脉冲相位导航体制。属于陆基、低频、脉冲相位导航体制。 n工作频率：工作频率：100kHz； n工作范围：工作范围：7001200nm； n特点：特点： 位置线精度较高，克服了天波对系统的影响；位置线精度较高，克服了天波对系统

17、的影响； 信号容易识别，主、副台信号数目不同；信号容易识别，主、副台信号数目不同； 操作简便，台组数目合理；操作简便，台组数目合理； 48 49 罗兰系统的台链及其配置罗兰系统的台链及其配置 n罗兰系统台链是指一组发射台形成的网络，罗兰系统台链是指一组发射台形成的网络， 这些发射台形成具有共同的时间基准并位这些发射台形成具有共同的时间基准并位 于同一地理区域。于同一地理区域。 n一个双曲线台链至少需要一个双曲线台链至少需要3个发射台；个发射台； 其中包括一个主台和两个或两个以上副台；其中包括一个主台和两个或两个以上副台； 副台数量一般不超过副台数量一般不超过5个；个； 一个主台和一个副台组成一

18、个台对；一个主台和一个副台组成一个台对； 50 罗兰系统台链中主台与副台的作用罗兰系统台链中主台与副台的作用 n主台主台(M)功能功能 在规定公差容限内，按规定格式发射在规定公差容限内，按规定格式发射9个脉冲个脉冲 信号信号 建立台链的时间基准和脉冲重复周期；建立台链的时间基准和脉冲重复周期； 监测副台信号监测副台信号 n副台副台(X,Y,Z,W)功能功能 在规定公差容限内，按规定格式发射在规定公差容限内，按规定格式发射8个脉冲个脉冲 信号信号 保持规定的发射延迟保持规定的发射延迟 按控制台的要求在系统超差时发射闪烁信号，按控制台的要求在系统超差时发射闪烁信号， 以实现向用户告警以实现向用户告警 51 选择合理的台链分布选择合理的台链分布 1 2 3 4 5 6 7 8 52 选择合理的台链分布选择合理的台链分布 1 5 7 三角型分布三角型分布 Y型分布型分布 星型分布星型分布 53 总结总结 n无线电导航系统分类无线电导航系统分类 按作用距离分按作用距离分 按定位几何参数分按定位几何参数分 按导航台位置分按导航台位置分 n四种基于无线电导航的定位方