无线电导航原理与系统4-11

1、无线电导航原理与系统第四章无线电振幅导航系统 一.无线电振幅导航系统基本概念无线电振幅导航系统基本概念 无线电振幅导航系统 :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。地面信标台和机载测向器构成的无线电振幅导航系统 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。 一.无线电振幅导航系统基本概念无线电振幅导航系统基本概念从原理上讲，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

2、参量角坐标测量方法最大值法最小值法等信号比较法获取角参量的方式：E型：利用载波信号振幅本身的变化来实现测向。M型：利用载波信号振幅的调制深度变化进行测向。一.无线电振幅导航系统基本概念无线电振幅导航系统基本概念方位的无线电测量法 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：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与导航角参量建立起EE()的依从关系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和建立起m=m() 的关系。 最大值法最大值法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

3、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，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，为减小不灵敏区的值，要求天线的方向性图足够尖锐，并且输入信噪比尽可能高。 按接收信号最大值测定方向 最小值法最小值法 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。

4、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，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。 按接收信号最小值确定方向 等信号法（或称比较信号法等信号法（或称比较信号法 ）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。 利用比较接收信号确定方向 一.无线电振幅导航系统基本概念无线电振幅导航系统基本概念三种测量方法比较：最小值法： 灵敏度和精度

5、较高，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。 最大值法：接收信号的信噪比最大，天线制作最难；等信号法：性能表现都是居中。一.无线电振幅导航系统基本概念无线电振幅导航系统基本概念无线电振幅导航系统的现状和发展趋势 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，如无法达到类、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。一.无线电振幅导航系统基本概念无线电振幅导航系统基本概念无线电振幅导航系统的现状和发展趋势 从目前的发展趋势看，振幅系统将逐渐

6、被淘汰或被赋予新的功能，但还会继续使用至少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；仪表着陆系统和微波着陆系统、卫星着陆系统等组成的多模式接收机。二二. 无线电罗盘测向系统无线电罗盘测向系统 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（Radio

7、 Compass）；地面导航台也称无方向性信标（NDB） 系统工作频率一般在150kHzl800kHz范围内，作用距离典型为250350km。 二二. 无线电罗盘测向系统无线电罗盘测向系统无线电罗盘测向系统的基本功能包括： 可以连续自动地对准地面导航台，引导飞机沿给定航线飞行，在给定方向上完成从一个台站至另一个台站的飞行。 通过测出飞机对两个以上地面导航台的方位角数值，利用所得到的直线位置线的交点，实现对飞机的水平位置定位。 引导飞机进入空中走廊的出、入口。二二. 无线电罗盘测向系统无线电罗盘测向系统无线电罗盘测向系统的基本功能包括：引导飞机完成着陆前的进场机动飞行和下降飞行，使飞机对准跑道中

8、心线，配合仪表着陆系统，引导飞机着陆。 在航海应用中，引导船舶在不良视距下通过狭窄海道和进出港，并且可用来确定发出SOS呼救信号的遇难船舶的方位。二二. 无线电罗盘测向系统无线电罗盘测向系统机载无线电自动定向仪 （ADF）机载ADF的种类和型号较多，以旋转调制式和伺服指针式最为普遍。现以旋转调制式为例说明。自动定向仪包括三种主要工作状态：ADF（自动测向）由垂直天线和环形天线联合接收信号进行自动测向；ANT（天线）由垂直天线接收信号作为普通接收机使用；TEST（测试）定向仪自检，按下测试按钮时，指示器应指示一规定的数值（一般为90），以确定定向仪的工作是否正常。 二二. 无线电罗盘测向系统无线

9、电罗盘测向系统ADF 组成天线系统：包括垂直天线、环形天线和测角器。 罗盘接收机：一般多为普通的超外差式报话两用接收机，用于将接收的高频信号进行放大、变频、检波等处理，变换为带有方位信息的低频信号 控制盒：由表头及各种旋钮组成，用来控制各种工作状态的转换、波段转换、电台选择和调谐等 指示器：通过同步电机与测角器相连，用指针指示出所测方位角度的数值。二二. 无线电罗盘测向系统无线电罗盘测向系统无线电罗盘的工作原理 无线电罗盘工作原理方框图 二二. 无线电罗盘测向系统无线电罗盘测向系统要获得导航台相对于飞机的方位，还必须知道飞机的航向角，因此需要与磁罗盘等航向测量设备相结合。另外，为了获取读数的方

10、便，飞机上常把磁罗盘与ADF的指示部分合在一起，称为无线电磁指示器 无线电磁指示器指示方位原理 二二. 无线电罗盘测向系统无线电罗盘测向系统关键技术和解决方法关键技术和解决方法环形天线的转动和双值性的消除：在ADF中，环形天线的“8”字形方向性图最小值方向有两个（=90o和270），二者相差180，即具有“双值性” 。采用如图所示的天线可以消除双值性。当90o270o时，导体2上的感应电动势e2超前于导体1上的感应电动势e1。此时若通过伺服电机使环形天线顺时针旋转，将逐渐减小，当减小到90时，环形天线感应的合成电动势e合=0，天线停止转动，=90o的方向即为导航台方向。反之，若-90o90o，

11、则e1超前于e2，通过伺服电机使环形天线逆时针旋转，将逐渐增大，直至=90o时为止 消除双值的环形天线二二. 无线电罗盘测向系统无线电罗盘测向系统用测角器代替环形天线的转动天线不动、方向性图转动的机理 ：在测向过程中，环形天线的转动是个关键 ，一般采用间接法即天线固定不动，通过测角器实现方向性图的转动。 固定的环形天线及其方向性图 测角器的作用原理 二二. 无线电罗盘测向系统无线电罗盘测向系统环形天线的安装与伺服电机的转动在飞机上安装环形天线时，要求将稳定的零值点朝向机头方向，即“8”字形方向性图的纵轴与飞机纵轴方向严格保持一致。具体实现方法是：使电波从机头沿机身轴线射入，转动测角器搜索线圈使

12、其感应电势消失，指示器指示零度，这样即确定了机身轴线方向为基准方向。二二. 无线电罗盘测向系统无线电罗盘测向系统无方向无线电信标 无线电测向信标可分为两类，即全向性和定向性指向标。前者利用无方向性天线发射信号，用测向仪接收指示信号，也称为无方向信标。后者利用有一定方向性的天线发射信号，可用一般收音机或专用接收指示器接收并测定方向 无方向无线电信标台具有准确的地理坐标位置，定期发射无线电信号，包括测向、识别和语音信号。有三种基本的工作状态：等幅波方式用于测向调幅波方式用于测向和台站识别语音方式 用于测向和通话。由控制台实现状态之间的转换。 二二. 无线电罗盘测向系统无线电罗盘测向系统无方向信标的

13、组成 话音放大器传送语音信号，音频振荡器产生调幅波信号，等幅波信号直接输出到高频信号发生器。然后通过幅度调制加到高频载波上，并由放大器产生大功率信号，通过天线辐射到空间去 二二. 无线电罗盘测向系统无线电罗盘测向系统无方向信标发射信号当信标台发射调幅波识别信号时，自动信号键的电码控制一个音频振荡器，按电码组合规律产生频率一定的音频信号 无方向信标的调幅波信号 二二. 无线电罗盘测向系统无线电罗盘测向系统当发射等幅波识别信号时，自动键电码直接控制高频信号发生器，因此在发“点”和“划”期间有输出信号，其它时间没有信号，如图4.28所示，因此测向会有中断，指示器指针会发生抖动 无方向信标的等幅波信号

14、 三.仪表着陆系统系统简介 为了保证飞机能在不良气候条件下或夜间安全着陆，必须使用无线电导航系统向飞机提供高精度的定位引导信息 。仪表着陆系统的地面设备包括航向台（LOC）、下滑台（GS）和信标台（MB）三大部分。航向台和下滑台都是利用在空间相交的双针状方向性图天线（见图4.14），以等信号区的形式分别提供与水平面成一定角度的下滑面引导、与水平面垂直的航向面引导。下滑面和航向面相交形成一条位于跑道中心线上方、与跑道面有一定角度的固定下滑航道。信标台为2或3个，在跑道中心线的延长线上，向天空辐射方向性图为窄圆锥形的无线电波束，提供飞机距离跑道入口的位置坐标信息。 仪表着陆系统工作示意图 由工作示

15、意图中可以看出仪表着陆系统的主要组成部分为：下滑台 航向台指点信标三.仪表着陆系统下滑台下滑台利用两组在不同高度的天线，同时辐射方向性图互相交叠的上下两个波束，在与水平面成一定角度的方向上形成等信号区。两组天线的信号可通过载波频率、调制频率或调制方式的不同而加以区别 下滑台基本方块图 下滑台接收机基本方块图 三.仪表着陆系统航向台 航向台安装在跑道中心线的延长线上，提供与跑道平面垂直的航向面信号 。与下滑台原理类似，航向台的地面信标沿跑道中心线两侧发射两束水平交叉的辐射波瓣，分别被90Hz和150Hz低频信号调幅。 航向信标台方框图 三.仪表着陆系统指点信标 指点信标配合仪表着陆系统使用，架设

16、在飞机进近方向的跑道中心线延长线上，在距跑道始端的几个特定位置点上垂直向上发射锥形波束，为飞机提供距离信息。 指点信标的发射波束 三.仪表着陆系统仪表着陆系统的优缺点 优点：仪表着陆系统设备简单、使用方便、可靠性高，应用广泛 缺点：滑道单一，下滑角固定不变对飞机限制大，系统对场地的平整度要求高，易受季节温度的影响，工作频率低，波段少，易受广播电台的干扰。四.无线电振幅导航系统的测向误差角度测量的准确度，是衡量无线电振幅测向系统质量的主要指标之一。每次进行角度测量时，都不可避免地带有一定的误差，它是所测量角度值与其真值之差。 测量角参量的误差 四.无线电振幅导航系统的测向误差引起角度测量误差的因

17、素：设备误差：设备误差：是指系统本身不完善所产生的误差，可分为机械与电气两方面的误差。机械方面如天线、测角器等安装和制造上的不准确等。电气误差主要指天线效应与修正不够，电气耦合不到位，屏蔽不良，对称天线电路在电特性上不对称等，以及接收指示设备的惯性等。极化误差（夜间效应极化误差（夜间效应）：无线电测向仪出现极化误差主要有两种原因，一是信标台天线设备本身辐射的不是单纯的垂直极化波；二是电波传播过程中，垂直极化波受电离层反射影响，极化方式有所改变，形成一定倾斜的椭圆极化波。四.无线电振幅导航系统的测向误差引起角度测量误差的因素：二次辐射误差和反射误差二次辐射误差和反射误差：二次辐射误差主要是指在无线电测向器周围的金属物体，在入射电波到来时受到激励产生二次辐射场，使测向产生的误差，其大小与入射波和反射波射线间的角度有关。 无线电波传播方向变化和地形误差：无线电波传播方向变化和地形误差：电波在传播过程中，若遇到地形变化，如山峰、海岸、障碍物等，会产生绕射、折射等使传播方向发生改变的现象，从而使测向产生误差。四.无线电振幅导航系统的测向误差引起角度测量误差的