8第八讲：通信和导航设备(下).ppt

1、第八讲：通信和导航设备导航辅助设备陆基无线电导航系统,西北工业大学自动化学院 2011年5月,一.概述,陆基无线电导航系统是以设置在陆地上（或舰上）的导航台为基础，通过无线电信号向飞机或船只（或车辆或其他用户）提供导航信息的系统。 20世纪3040年代，在世界主要区域无线电信标、指点信标普及使用。二者都是连续波信号，前者为中波，后者用75MHz. 无线电信标：发射台全向发射，载体接收机的环状天线取不同方向时，接收到的信号强度不同，船只或飞机以此确定相对信标台的航向或位置； 指点信标：在地面上发射台以窄波束向顶空辐射信号，当飞机飞过波束照射区时，便接收到信号，以此确定飞机的位置。,一.概述(续）

2、,1941年出现了ILS，解决了飞机由于气象和能见度限制在进场和着陆过程易发安全事故问题。ILS发射连续波信号，航向台工作在VHF频段，下滑台工作在UHF频段； 1948年，ICAO决定采用VOR作为国际民用航空的标准航路导航系统，VOR可提供飞机相对地面台位置矢量偏离地面台磁北方向的角度，工作在VHF频段； 1956年塔康（TACAN）研制成功，用以为海军飞机提供相对于军舰的位置。TACAN的工作是由测方位和测距两部分组成，测方位的原理同VOR，测距采用脉冲应答方式。 鉴于VOR、DME和TACAN都工作在VHF以上的频段，电波沿视距传播，因此一个地面台的信号覆盖范围有限（对1万米高度的飞机

3、，其作用半径为200nm），需毗邻布置。,一.概述(续）,1957年，罗兰C投入运行，它工作在100kHz左右频段，既利用脉冲前沿又利用载波相位以测量时间差，工作原理：双曲线导航方法。作用距离远，精度较高。 鉴于上述系统都不能覆盖全球，20世纪6070年代研制了OMEGA系统，该系统工作在10kHz，采用连续波信号，8各发射台，大功率信号通过由电离层与地球表面之间形成的波导传播覆盖了全球。7080年代，OMEGA曾经是越洋航空和航海导航的重要系统（也是双曲线导航）。定位精度24nm（95）。1997年关闭。,一.概述(续）,今天仍然在大量使用的陆基无线电导航系统主要是：TACAN、VOR、DM

4、E、LORAN-C、NDB（无线电信标）、MB（指点信标）以及为飞机提供精密进近引导的ILS、MLS和PAR（精密进近雷达）。 尽管陆基无线电导航有被卫星导航取代的趋势，但仍有以下方面存在和使用下去的理由： 已建有成熟的基础设施，覆盖了世界交通运输的主要航路，是人们熟悉且已建立了高度信任的导航手段； 陆基无线电导航系统是由各国分头建立和运行，并按国际协议和标准建设的系统，因而在国家主权和国际通航方面实现了良好的平衡； 陆基无线电导航系统由于信号功率大，作用距离近，不易受到干扰。,一.概述(续）,所以现在美国、欧洲和世界许多国家都把无线电导航政策修改为：逐步过渡到以卫星导航作为主导航系统，而以陆

5、基无线电导航作为冗余和备份系统，以备万一卫星导航系统失效时能提供最基本的导航服务。,二.定向机/无方向信标（DF/NDB）,DF/NDB是20世纪2040年代主要的无线电导航系统，ICAO附件10至今仍有其相关内容，说明它仍是ICAO的标准系统。 DF/NDB系统的功用：使装在飞机上的定向机为飞机提供指向NDB的方位（飞机纵轴与指向NDB方向间的夹角），以引导飞机飞向NDB或飞离NDB，帮助飞机在终端区找到初始近进点，在设备较差的机场引导飞机非精密进近。 系统工作时，地面NDB台全向发射连续波信号（发射频率190kHz1750kHz），机载DF（或ADF）接收信号。 NDB的发射功率在20W以

6、上，作用半径取决于发射功率，范围为25nm150nm。 NDB天线为塔式，垂直极化，方向图水平为圆形，垂直面顶空有一盲区。,二.定向机/无方向信标（DF/NDB）（续）,二.定向机/无方向信标（DF/NDB）（续）,DF工作原理：转动环状天线，使其输出为0，便说明NDB台处于与环形天线平面相垂直的方向。 特点： DF（ADF）/NDB系统依靠地波工作，当地形起伏大，尤其靠近山区时，对精度影响较大，NDB误差为3 10，要达到3必须事先对ADF进行仔细校正。 DF（ADF）工作不一定必须依靠NDB，只要有DF能调谐到的其他发射台，均可以将它们作为航向基准进行导航。 由它导航的飞机，在有侧风时，飞

7、行路径是弯曲的。,三.伏尔（VOR）,VOR是甚高频全向信标的缩写。1949年由ICAO确定为标准系统，它由地面台和机载设备组成，地面台发射信号，记载设备只接收信号，为飞机提供相对于地面台的磁北方位角。 VOR是到目前为止民用航空最为普及的系统，用作航路导航，也作非精密进近引导。 VOR工作频段为108MHz117.95MHz，频道间隔50kHz，信号为水平极化，一个地面台可覆盖200nm半径范围（飞机高度10000m时）。 VOR分为二种：常规VOR和多普勒VOR（DVOR），DVOR改善了VOR的精度，两者只是地面台不同，机载接收机通用。,三.伏尔（VOR）（续）,VOR/DVOR有相当完

8、备的台网，仍是世界民用航空中本土航路飞行的主要导航系统。 VOR对划定空中航路有很大影响，如美国的空中航路和宽度便是按VOR及其使用误差来划定的。在VOR台51nm以内航路宽度为4nm，此后按4.5扩张，到距离130nm处，航路宽度达到10nm，这是因VOR的系统误差为4.5。 （故美国两个VOR台间的距离小于260nm）,表 ：VOR系统误差分配表,四.测距器（DME）,1.DME的由来 DME是ICAO的标准导航系统，由地面台和机载设备组成，为飞机提供相对于地面台的斜距。 1956年美国军方研制成功TACAN系统，1959年ICAO决定采用TACAN的测距部分作为标准系统，这就是现今的DM

9、E系统。 DME分为DME/N（窄频带）（简称DME）和DME/P（精密）。 当DME/N地面台和VOR地面台装在一起时，形成ICAO的标准（距离方位）系统，用于航路和终端区域导航，DME/N还可以和ILS或MLS相配，用于飞机精密进近； 新的趋向是将DME/N单独使用，利用多个DME/N地面台，形成 （距离距离）区域导航系统。 DME/P只与MLS相配，用作飞机的精密进近，是在1978年MLS出现后才发展的。,四.测距器（DME）（续）,2.DME系统工作原理 DME工作频段为960MHz1215MHz,采用脉冲信号体制。作航路导航时，一个地面台可覆盖200nm的半径范围；在终端区和作精密进

10、近时，覆盖25nm半径。 一个地面台可服务的飞机数为100至110架。按ICAO的规定，DME的系统精度为370m(95%),其中地面台的误差不大于75m. 工作原理：机载设备（又称询问器）发出成对的询问脉冲，地面台（又称应答器或地面信标）接收到之后，经过一定的时延（一般为50s）发出成对应答脉冲。机载设备接收到应答信号后，将发出询问信号和收到应答信号所经历的时间减去地面台的时延，便可计算出飞机与地面台的距离。,四.测距器（DME）（续）,测距主要误差源： 地面应答机50s的时延误差，按规定允许0.5s（实际控制到0.2s以下）； 脉冲半幅度点检测误差； 多径反射引起脉冲波形畸变带来的检测误差

11、。 双DME定位误差： 定位精度与定位时飞机和地面台的几何分布位置有关。,四.测距器（DME）（续）,3.DME/P MLS的方位台和仰角台为实施精密进近中的飞机提供方位角和下滑角引导，为了提供第三维位置坐标，即飞机距接地点的距离，还要用DME/P。 DME/P在飞机着陆阶段提供比DME/N高得多的测距精度（12m) 机载DME设备把DME/P作为一种工作模式，只在着陆时使用，航路上以DME/N模式工作，在与MLS相配实施着陆时转换到DME/P模式。 DME/P机载设备有初始进近（IA）和最后进近（FA）两种模式。初始进近从距跑道22nm开始，到8nm结束；87nm为过渡区；在7nm内按FA模

12、式工作。 DME/P地面应答器是专门的（其发射功率小），与MLS方位台一起架设在跑道端头。,五.塔康（TACAN）,1.TACAN系统的由来 TACAN（战术空中导航）是由美国海军在1956年研制的，是世界上第一个同时为飞机提供方位和距离信息的系统。为实现舰空配合，海军需要为航母舰载飞机提供相对于军舰的方位和距离信息。 TACAN系统由台站和机载设备组成，工作在960MHz1215MHz的脉冲信号体制（同DME）。,五.塔康（TACAN）（续）,2.TACAN地面台 TACAN测方位的原理类似VOR。为改善方位测量精度，TACAN天线方向图为九瓣心脏形，理想情况下方位测量误差可下降为1/9。

13、3.TACAN机载设备 TACAN机载设备由DME询问器加方位测量电路构成。对于测位功能，机载设备只接收不发射，因此系统用户数无限。 TACAN与DME机载设备的天线完全一样，广泛使用一种1/4波长扁平刀形天线。 TACAN机载设备还有空/空测距工作模式。在这种工作模式下，机载设备既可以做询问器，又可做应答器。此模式用于空中加油、空中集合和编队飞行。,五.塔康（TACAN）（续）,4.TACAN的性能 测距精度同DME，为370m； 方位测量精度：优于2（2）。 TACAN系统测位精度比VOR高，一是因为采用了多瓣天线方向图，二是因为脉冲系统与连续系统相比对多径的敏感度低。,六.罗兰C,罗兰C

14、是一种中远程无线电导航系统，它属于陆基、低频（工作频率100kHz)、脉冲相位导航体制。 其基本组成分为四部分：地面设施、用户设备、传播媒介和应用方法。 地面设施包括形成台链的一组发射台、工作区监测站和台链控制中心。一个台链由若干个发射台组成，对于双曲线定位体制的台链，它至少应包括三个发射台；对于园园定位体制的台链，至少两个发射台。发射台提供无线电导航信号，监测站和台链控制中心用于监视和控制信号，使信号满足系统的要求。,六.罗兰C（续）,用户设备（接收机）：接收来自发射台的导航信号。 传播媒介：指无线电导航信号由发射台到用户接收机之间所经过的地球表面和大气条件，包括可能受到的各种自然和人为干扰。使用罗兰C系统必须要考虑传播媒介的影响。 应用方法：发射台的几何体制、信号形式及接收机的信号处理技术等。不同的应用方法会产生不同的导航效果。例如，使用圆圆定位体制就要求用户接收机具有高质量的时间基准设备；使用天波定位相比使用地波定位，应用工作区大，但定位精度降低。,六.罗兰C（续）,罗兰C是双曲线无线电导航系统，其基本工作原理：接收机接收同一台链两个发射台的信号到达的时间差（可转换为距离差），具有相同距离差的点的轨迹是以发射台为焦点的一条双曲线，如能获取两条相交的双曲线，则其交点就是要确定的位置。 台链的配置有三角形、Y形和星形。 罗兰C定