无线电导航系统讲义.doc

航空无线电导航系统第一章绪论1.1.1 导航与导航系统的基本概念 1.导航 导航的基本含义是引导运行体从一地到另一地安全航行的过程。 导航强调的是“身在何处，去向哪里”是对继续运动的指示。导航之 所以定义为一个过程，是因为它贯穿于运动体行动的始终，遍历各个 阶段，直至确保运行达成目的。应当说大部分运行体都是由人来操纵 的，而对那些无人驾驶的的运行体来说，控制是由仪器或设备来完成 的，这时的导航就成为了制导。近年来人们将定位于导航并列提出。 事实上定位提供的位置参量是一个标量， 只有将其与方向数据联合起 来成为矢量，才能服务于运行体的航行。因此定位与测角、测距一样 是导航的技术之一，通过定位可以实现导航。也可以说 定位是静态 用户要求的；但对动态用户而言要求的是导航。 2.导航系统 导航系统是用于对运行体实施导航的专用设备组合或设备的统称。 导航系统是侧重于实现特定导航功能的设备组合体， 组合体内的各部 分必须按约定的协调方式工作才能实现系统功能， 而导航设备一般是 指导航系统中某一相对独立部分或产品，或实现某一导航功能的单 机。 1.1.3 导航及无线电导航系统的分类 导航是一门基于“声、光、电、磁、力”的综合性的应用科学，实现导航的技术手段很多，按其工作原理或主要应用技术可分为下述类 别： （1） 天文导航利用观测自然天体（空中的星体）相对于运行体 所在坐标系中的某些参量实现的导航称为天文导航。 （2） 惯性导航利用牛顿力学中的惯性原理及相应技术实现的导 航称为惯性导航。 （3） 无线电导航利用无线电技术实现的导航称为无线电导航。 （4） 地磁导航利用地球磁场的特性和磁敏器件实现的导航称为 地磁导航。 （5） 红外线导航利用红外线技术实现的导航称为红外线导航。 （6） 激光导航利用激光技术实现的导航称为激光导航。 （7） 声纳导航利用声波或超声波在水中的传播特性和水声技术 实现的导航（用于对水下运行体的导航）称为声纳导航。 （8） 地标或灯标导航利用观测（借助光学仪器或目视）已知位 置的地标或灯标实现的导航称为地标或灯标导航。 2.无线电导航系统的分类 无线电导航是导航中的一大分支，是当今应用最广、发展最快、在导 航家族中站主导地位的一类导航技术。 下面介绍几种常用的无线电导 航系统分类： （1） 按用户使用时相对依从关系分类 1 自备式（或自主式）导航系统。这类导航系统仅依靠装在运行体 上的导航设备就能独立自主地为该运行体提供导航服务。2 他备式（非自主式）导航系统。这类导航系统必须有运行体以外 且安装位置已知的导航设备相配合才能实现对该运行体的导航。 这些 居于运行体之外的配合实现导航功能的导航设备及其附属设备通常 称为导航台站， 而装在运行体上的导航设备通常称为该导航系统的用 户设备或载体设备。可见、他备式（非自主式）导航系统是由台站和 用户设备共同组成的，所以它的用户设备必须依赖于台站，这与自备 式导航系统明显不同。 （2） 按无线电导航台站安装地点分类 1 这种导航系统的导航台站安装在地球表面 地基无线电导航系统。 的某一确知位置上。 2 这种导航系统的导航台站安装在空中某一特 空基无线电导航系统。 定载体上。 3 这种导航系统的导航台站安装在人造地球卫 星基无线电导航系统。 星或自然星体上。 （3） 按无线电导航系统最大作用距离分类（参考数据以航空导航为 主） 1 近程导航系统。作用距离在 500km 以内。 2 远程导航系统。作用距离在 500km 以上，活在地球上任何地点都 是该系统的有效作用范围。 （4） 按系统提供的导航参量（或位置线形状）分类 1 。 无线电测角导航系统（直线位置线）2 。 无线电测距导航系统（圆位置线） 无线电测距差导航系统（双曲线位置线） 3 。 复合式（测角/测距、测距/测距差）无线电导航系统 4 （5） 按系统中主要观测的电信号参量分类 1 振幅式无线电导航系统。 2 频率式无线电导航系统。 相位式无线电导航系统。 3 脉冲式无线电导航系统。 4 5 复合式无线电导航系统。第二章中波导航系统2.3 系统技术实现 2.3.1 地面设备 中波导航机是一种连续波发射器，通过直立天线全向发射中频信号， 以地波形式传播， 其天线水平面方向图为圆形垂直面方向图为半 8 字 形。 中波导航机主要有无方向性天线、 功率放大器、 调幅器、 激励器、 识别信号键等组成。其中激励器产生频率为 1501700kHz 的信号， 经调幅和功率放大器放大，通过无方向性天线辐射到空间去；音频振 荡器产生频率一定且收识别点马键控制的音频信号， 对高频信号的幅 度进行调制，用于实现台识别；识别信号键产生的识别键控制信号， 还可以直接控制激励器工作，产生等幅报信号。中波导航机天线通常 采用“T 型”或“T 宠型”天线，辐射信号以地波形式传播。中波导航机为了给无限电罗盘提供测向信号，它只需全向发射连 续等幅波中频信号即可。但为了给飞行人员提供台识别信息，就需要 在发射的连续等幅波信号中调制识别信号。 这个识别信号是一组莫尔 斯码它由码元“点”“划”组成， 、 “点”是宽约为 125ms 的脉冲， “划” 脉冲的宽度是“点”脉冲的三倍。为了能在“点”“划”期间产生音 、 频信号以便飞行员的耳机中出现音响，需要用这些“点”“划”脉冲 、 控制一个音频振荡器工作， 所以所产生的键控音频信号再去调制中频 中频连续波信号，这样中波导航机发射的信号就成为了键控调幅波， 即在发“点”“划”期间，导航台发射调幅信号，在“点”“划”之 、 、 间发射等幅信号，信号始终连续发出，测向不会中断。 中波导航机除主要为无线电罗盘提供测向信号外，还可作为应急 通信电台使用，实施单向对空联络，这时他可发等幅电报（直接键控 激励器） 、调幅电报进行地空通话。进行地空通话是，只需要将语音 信号对高频信号直接调频，经天线辐射出去即可。第四章 伏尔系统4.1 概述 伏尔是甚高频全方位测向（Very High Frequency Omni directional Range）英文缩写 VOR 的汉语译音名称。伏尔系统是一种由机载设备 直接导出导航参量近程无线电导航测角系统， 属于他备式主动导航系 统，导出的导航参量是飞机相对于伏尔信标台的磁方位角（即飞机磁方位角） 。目前已是空中交通管制不可分割的一部分，是陆地上无线 电近程导航和飞精密进近的国际标准系统。 4.1.1 系统组成、功用和配置 伏尔系统由地面设备和机载设备两大部分组成。地面设备是伏尔信 标，工作在 108-118MHz 甚高频波段，在 360范围内发射方位信号， 故又称为全向信标；与之配套的机上设备称为伏尔接受机，采用无方 向性接受天线，测量的角度信息用表头予以指示或传送给机上计算 机。 伏尔系统的功用是通过机载伏尔接收机接受地面伏尔信标发射的 信号，经处理获得飞机相对于伏尔信标台的磁方位角，在空中给飞机 提示飞机方向，以引导飞机沿着预定的航线飞行， ，在现代飞机上， 可以预先吧沿着航线的各个 VOR 地面台的位置、发射频率、应飞的航 线等 逐项输入飞机管理系统或自动飞行系统，在计算机的控制下， 飞机就按输入的数据自动飞行，并最终到达目的地。该系统通常用于 航路导航，也可在机场用于引导飞机归航和非精密进近。 伏尔信标通常架设在某航路点或机场终端区域。伏尔信标从用途 上可分为航路伏尔和终端伏尔。航路伏尔（VOR-C）台址通常选在附 近区域无障碍物的航路点上，如山的顶部，以尽量减少因地形效应引 起的测角误差。在一条“空中航路”上，根据航路的长短，规定的航 路宽度和伏尔系统的精度可以设置多个 VOR-C 台， 每个 VOR-C 台可辐 射无限多的方位线或径向线作为预选航道， 飞机沿着预选的航道可以 飞向或飞离 VOR-C 台， 并指出飞机偏离航道的方向 （左或右） 和角度，实现飞机安全巡航。VOR-C 台还可以作为航路检查点，为实行交通管 制服务。终端伏尔（VOR-T）安装在机场跑道附近或跑道次着陆端中 线延长线上，引导飞机归航和进场着陆。第五章 地美仪系统5.1 概述 地美仪是测距器（Distance Measuring Equipment, DME）英文缩写 的汉语译音名称。DME 系统是一种无线电测距导航系统，是目前民用 航空广泛运用的一种近程航空无线电导航系统。 5.1.1 系统组成、功用与配置 DME 系统是询问-回答式脉冲测距系统，主要由设置在地面的应 答器和机上的询问其构成。DME 系统的功能是采用询问-回答式脉冲 测距方式，测量飞机相对于地面应答器所在位置的距离（斜距） ，用 于飞机提供距离导航信息。 DME 系统的地面应答器架设在航路点或机场的已知地理位置，为 DME 机载设备提供测距应答信号，既可用于航路导航，也可以用于机 场终端区域的导航，为了某些特殊用途，DME 应答设备还可以安装在 大型军舰或大型飞机上。第六章 塔康系统6.1 概述 塔康是战术空中导航（Tactical Air Navigation）引文缩写 TACAN 的汉语译音名称。由于该系统的有效作用距离在近程范围内，且只用 于航空导航，所以又称为航空近程导航系统。 6.1.1 系统组成、功用与配置 塔康系统组成一般包括两大基本设备，即塔康信标和机载设备。完善 的塔康系统配置除信标和机载设备外，还配有信标监测器，信标模拟 器和塔康指示控制设备等。 塔康信标以旋转天线方向性图的形式向作 用空域发射无线电信号， 为安装塔康机载设备的飞机提供方位测量信 息， 同时作为测距应答机， 接受并回答机载设备发来的测距询问信号。 塔康机载设备接受塔康信标发射的方位信号，实现方位角的测量，同 时作为测距询问机发射和接受测距信号，实现距离数据测量，所测得 的距离和方位数据既可以通过机载设备指示器直观显示， 也可以通过 导航计算机计算获得位置坐标数据，供显示或助航。 塔康信标监测器是用于监视和测量塔康信标主要性能指标的配 套设施，是保证信标可靠工作的重要专用仪器组合；塔康信标模拟器 是检查、测试和校准塔康机载设备主要性能指标的专用设备，它模拟 产生塔康信标发射的方位信号和距离回答信号等， 并准确提供方位距 离射频信号电平等数据，方位和距离变化率，具有完善的测试和控制 功能；塔康指示控制设备，有时也称为塔康机载设备测试仪，它是测试塔康机载设备收/发主机的必备配套设备，能为测试塔康机载设备 提供指示控制等全套从属部件及适当的接口， 可以方便与塔康信标模 拟器配合，对机载设备主机进行全面测试。 塔康系统的功能是为飞机提供方位角和距离导航信息实现为飞 机指向极坐标定位，可用于建立航线、归航、空中战术机动和作为位 置坐标传感器。 塔康信标通常架设在机场或航路点的已知地理位置，为塔康机载 设备提供方位信号及测距应答信号。 ，所以常称为塔康地面信标（或 塔康地面设备） 。为了某些特殊用途塔康信标还可装在大型军舰、大 型飞机上，称为舰载塔康信标、机载塔康信标。第七章俄制近程导航系统7.1 概述 俄制近程导航系统勒斯波恩系统的重要组成部分， 该系统除具有塔康 系统的极坐标定位功能外，还有地面监视和进场着陆引导以及空/空 相对导航等功能，是一个多功能综合导航系统。 7.1.1 系统组成、功用和配置 俄制近程导航系统组成与塔康系统类似， 也是由地面设备和机载设备 两大部分构成， 完善的系统配置还包括地面设备模拟器和机载指示控 制设备等。地面设备及其附属设备构成台站，通常称为俄制近程导航 台。 俄制近程导航系统机载设备也是勒斯波恩系统机载设备的重要组成部分。 勒斯波恩系统机载设备是一部极坐标定位功能机载设备和地 面监视功能机载应答器以及俄制仪表着陆功能的机载设备，空/空导 航定位功能的机载设备多合一的综合体， 是一个比较复杂的机载多功 能系统，不仅具有复合显示器，还和其他导航系统有接口关系，可进 行程序控制。机载综合设备的基本功能包括：与俄制近程导航地面 1 2 设备配合实施区域导航；与俄制仪表着陆航向、下滑信标及测距 3 应答器配合引导飞机精密进近着陆；实现飞机之间的相对导航。 可见，这个机载综合设备具有一机多用的能力，是机上电子设备综合 的一个典型应用范例。 俄制近程导航系统主要具有三大功能：一是极坐标定位功能。 该功能类似于塔康正常工作模式的极坐标定位功能， 在这种工作方式 下，飞机利用已知地面台进行主动测距、测向和台识别，实现极坐标 定位。二是地面监视功能。该功能相当于地面监视二次雷达，即俄制 近程导航系统可以再地面通过平面位置显示器（PPI）显示飞机相对 台站的位置，并可识别飞机，这一功能是塔康系统所不具备的。三是 空/空相对导航功能，及飞机与飞机之间能够进行相对导航定位。俄 制近程导航系统地面设备如同塔康信标一样， 一般配置在机场或航路 点。第八章罗兰罗兰-C 系统8.1 概述 罗兰一词是英文“远程导航” （Long Range Navigation，LORAN）词头缩写的译音。罗兰C 系统是由美国最先研制使用的双曲线远程 无线电导航系统，由用户设备直接导出位置等导航参量，属于陆基、 低频、中远程、主动精密无线电导航系统。 8.1.1 系统组成、功用与配置 罗兰C 系统主要由地面设备和用户设备两部分组成。地面设备 包括发射台链、工作区监测站和台链控制中心。发射台链是由一组发 射台形成的网络，用于向用户提供无线电导航信号；工作区监测站和 台链控制中心用于监视和控制系统的工作情况与信号质量， 使其满足 系统的要求。用户设备包括各种类型的接收机，接受来自发射台的导 航信号，进而获取位置和信号与其他导航信息。 罗兰C 系统利用沿地波传播的中长波信号，通过测量来自两个 基台的无线电信号相位差获取两基台的距离差， 从而获得以两基台为 焦点的双曲线，得到两条这样的双曲线就实现了双曲线相交定位。罗 兰C 系统信号覆盖区可深达水下，不仅可用于船舰、飞机、车辆等 导航和定位，也可以用于水下潜艇的导航和定位。 罗兰C 系统同一发射台链中的发射台组具有共同的时间基准并 位于同一地理区域。为了实现用户的定位，一个发射台链至少由三个 发射台组成，其中一个发射台称为主台，其余的各台称为副台。通常 主台都用英文大写字母“M”表示，副台用大写字母“W”“X”“Y” 、 、 、 “Z”等表示，台链中副台的数量一般不超过 5 个。台链中个发射台 之间位置相互关系， 包括发射台之间的距离和方位， 称作台链的配置。 台链配置形状取决于主要感兴趣的服务区域。 为了使得在感兴趣的那些区域具有标胶好的位置先交角和较高的信噪比， 从而得到较高的定 位精度，常见的台链配置有三角形，Y 形和星形三种。第九章卫星导航系统卫星导航系统是以人造卫星作为导航台的天基无线电导航系统， 能为 全球陆、海、空、天的各类军民载体提供的全天候，24 小时连续高 精度的三维位置， 速度和精密时间信息。 与地基无线电导航系统相比， 由于卫星导航系统具有收外界条件限制较小、导航定位精度高等优 点，因而得到了迅速的发展。特别全球定位系统的发展和应用范围不 断扩大，使传统的地基无线电导航系统受到了被替代的威胁。 9.1 全球定位系统 研究人员在对人造卫星所发射的无线电信号进行监听时发现， 当地面 接收站的位置一定时，在卫星通过地面接收站视野的时间内，所接受 的信号的多普勒频移曲线与卫星轨道有一一对应的关系。 这意味着固 定于地面的接收站只要测得卫星通过其视野期间的多普勒频移曲线， 就可以确定卫星的轨道。反过来，若卫星运行轨道是已知的，那么根 据接受站测得的多普勒频移曲线，便能确定接收站在地面的位置。于 是研究人员提出了研制卫星导航系统的建议。 9.1.1 系统组成、功用与配置 全球定位系统（GPS）是至今为止世界最具有代表性的卫星导航系统。 卫星导航系统通常是由卫星组成的空间部分， 监测站和控制站组成的 控制部分及各种类型用户接收机组成的用户部分三大部分构成。1. 空间部分 GPS 星座有 24 颗工作卫星组成， 军分布在 6 个倾角为 55的轨道上， 每个轨道有四颗卫星，此外，四颗有源备份卫星在轨运行。卫星运行 在地球表面以上约 20230km 的近圆轨道，运行周期为 12h。这种由多 颗卫星组成的星座， 可在全天任何时间为地球任何地方提供 4-8 颗仰 角在 15以上的同时可观测卫星。如果将遮蔽仰角（在此角度之上 的卫星才能被用户观测）降到 10,最多颗观测到 10 颗卫星；若将 遮蔽仰角进一步下降到 5，那么最多可同时见到 12 颗卫星。 2. 控制部分 GPS 控制部分由一个主控站、 个全球监测站和三个地面控制站组成， 5 主要任务是跟踪所有的卫星以进行轨道和时钟测定、 预测修正模型参 数、同步卫星时间和为卫星加载数据电文等。 （1） 主控站 主控站从各监测站收集对卫星的跟踪数据，计算卫星的轨道和时钟 参数，然后，将这些结果送到 3 个地面控制站中，以便最终向卫星加 载数据。此外，主控站还担负对卫星的控制和系统运行管理等任务。 （2） 监测站 监测站均配装有精密的绝钟和能够连续测量到所有可见卫星伪距的 接收机。 所测伪距每 1.5s 更新一次， 利用电离层和气象数据， 15min 每 进行一次数据平滑，然后发送给主控站。 （3） 地面控制站 地面控制站有时也称作地面天线(GA)。地面控制站与卫星之间有通信联络，主要有地面天线组成。由主控站传来的卫星星历和时钟参数 以 S 波形射频链上行注入到各个卫星，上行注入每天一次或两次。如 果某地面站发生故障， 那么在各卫星中预存的导航信息还可用一段时 间，但导航精度却会逐渐降低。 3. 用户部分 用户设备用于卫星信号的捕获、信号处理、数据调节、坐标转换、导 航计算、人/机接口等工作。现已为 GPS 的用户研制出多种类型的接 收机，从最简单的单通道便携式接收机到性能完善的多通道接收机。 不同类型和不同结构的接收机适应于不同的精度要求， 不同的载体运 动特性和不同的抗干扰环境。一次定位时间也从几秒钟至几分钟不 等，这取决于接收设备的结构完善程度。尽管各种类型的接收机的结 构复杂程度不同，但必须完成下列基本功能：选择卫星、捕获信号、 跟踪和测量导航信号，校正传播效应，计算导航解，显示及传输定位 信息。第十章自主无线电导航系统自主无线电导航系统是一种不需要运行体之外的设备配合， 由用户自 主完成导航任务而独立配备的无线电设备或与其他设备的组合。 多普 勒导航系统和无线电高度表等都是典型的航空自主无线电导航系统 自主无线电导航系统因其具有的不依赖外部设施、 能够主动完成导航 任务的特性，使其具有了隐蔽导航、远程使用等优越能力，从而在军 事领域有着广泛的应用。10.1 多普勒导航系统 多普勒导航系统作为频率测速推算导航系统， 它能连续地输出飞机相 对于某航路点的位置， 是一种基于