第3章 无线电频率导航系统

.,第3章无线电频率导航系统,.,可与导航参量相联系的频率有：载波频率调制频率脉冲重复频率信号的差拍频率多普勒频率可与这些频率相联系的导航参量：距离、距离差速度、角度等参量,电信号的频率,导航参量,无线电频率导航系统,.,目前应用比较广泛的频率导航系统,3.1频率式无线电高度表3.2多普勒导航系统,无线电频率导航系统,.,高度表,气压式高度表,无线电高度表,低高度表,高高度表,3.1频率式无线电高度表,无线电频率导航系统频率式无线电高度表,.,3.1.1频率测高（距）原理3.1.2直接调频式高度表3.1.3跟踪式高度表,3.1频率式无线电高度表,无线电频率导航系统频率式无线电高度表,.,3.1.1频率测高（距）原理,频率测高通常利用调频发射信号与反射信号之间的差拍频率进行距离测量,无线电频率导航系统频率式无线电高度表频率测高（距）原理,频率测距设备的工作示意图,.,调频式测距原理示意图,差频fb=f2-f1与传播时间=b-a有关,无线电频率导航系统频率式无线电高度表频率测高（距）原理,.,3.1.1频率测高（距）原理3.1.2直接调频式高度表3.1.3跟踪式高度表,3.1频率式无线电高度表,无线电频率导航系统频率式无线电高度表直接调频式高度表,.,一、工作原理,无线电频率导航系统频率式无线电高度表直接调频式高度表工作原理,调制信号：V=Vmcost被调制信号：V0=Vmcos0t,比直达信号在时间上滞后2H/c,.,直达与反射信号的合成信号,V=VlV2Vmcos（0t+）,无线电频率导航系统频率式无线电高度表直接调频式高度表工作原理,合成信号的包络和相位均受反射信号中2的影响，即都隐含有高度信息。,.,无线电频率导航系统频率式无线电高度表直接调频式高度表工作原理,将包络表达式写为,.,无线电频率导航系统频率式无线电高度表直接调频式高度表工作原理,令,Vm是合成信号的包络，将合成信号V=Vmcos(0t+)送入接收机中的差拍检波器,最大相对频偏,.,Vm是合成信号的包络，将合成信号V=Vmcos(0t+)送入接收机中的差拍检波器,无线电频率导航系统频率式无线电高度表直接调频式高度表工作原理,最大相对频偏,.,无线电频率导航系统频率式无线电高度表直接调频式高度表工作原理,高度一定时，初相不影响信号的变化,.,若假设奇数过零点为脉冲的开始，偶数过零点为脉冲的结束。在一个调制周期Tm内，m引起的相位变化范围是2m,无线电频率导航系统频率式无线电高度表直接调频式高度表工作原理,又已知：,因为：,.,二、性能分析,1.临界高度与阶梯误差2.最小可测高度3.最大可测高度,无线电频率导航系统频率式无线电高度表直接调频式高度表性能分析,.,无线电频率导航系统频率式无线电高度表直接调频式高度表性能分析,所以脉冲计数测量高度的方法，决定了高度的显示是阶梯式的。,若运载体的高度变化不超过hc时，高度表的显示不变化,由此引入的测量误差称为阶梯误差，其值为hc，同时称hc为临界高度。,1.临界高度与阶梯误差,因为,.,1.临界高度与阶梯误差,减小阶梯误差可以采取两种措施：其一，尽可能提高工作频率，即降低工作波长0；其二，尽可能增加最大频率偏移fm。减小阶梯误差是以使线路复杂化为代价的，且受到各种条件的制约，并且这种误差是由高度测量方法引入的原理性误差，因而只能减小，无法彻底消除。,无线电频率导航系统频率式无线电高度表直接调频式高度表性能分析,.,2.最小可测高度,由于测量飞行高度的准确度不会超过hc，即在02hc的高度范围内，不可能准确给出飞行的高度，因此最小可测高度为2hc。,无线电频率导航系统频率式无线电高度表直接调频式高度表性能分析,.,3.最大可测高度,无线电频率导航系统频率式无线电高度表直接调频式高度表性能分析,近似运算在/2较小的情况下成立的。如果高度很高，那么这个假设将不再成立,最大可测理论高度为,最大可测高度一般取（0.050.1）Hmax,.,3.1.1频率测高（距）原理3.1.2直接调频式高度表3.1.3跟踪式高度表,3.1频率式无线电高度表,无线电频率导航系统频率式无线电高度表跟踪式高度表,.,3.1.3跟踪式高度表,直接式调频高频度表以差拍频率fb作为因变量的工作原理当高度由hmin变化到hmax时fb将变化几万或几十万倍要求接收通道必须有足够的带宽容许fbminfbmax及其附近的频谱成分通过将给大高度时微弱信号的检测带来很大困难,无线电频率导航系统频率式无线电高度表跟踪式高度表,.,探索改变因变量的高度测量方法,思路：把h变化引起的fb变化，转嫁到其他参量的变化上去,Tmfm,fm取决于调制信号的幅度，因此就要求调制器有足够大的动态范围，加大了调频振荡器的制作难度，也大大扩展了信号频谱，使系统的实现难度及复杂程度明显增加。,Tm是发送系统中的参量，而高度信息是蕴含在接收系统所接收的信号中，这就必须使接收信号中表征高度信息的参量去控制调制信号的周期Tm，使其随高度的变化而变化。显然，这就要求整个系统必须是一闭环的跟踪、控制系统,无线电频率导航系统频率式无线电高度表跟踪式高度表,.,一、工作原理,无线电频率导航系统频率式无线电高度表跟踪式高度表工作原理,发射信号与接收信号的差拍频率为：,跟踪调频式高度表，fb和fm保持不变，唯一与高度成比例变化的参量是Tm,.,跟踪调频式高度表，fb和fm保持不变，唯一与高度成比例变化的参量是Tm,无线电频率导航系统频率式无线电高度表跟踪式高度表工作原理,.,二、跟踪环路,无线电频率导航系统频率式无线电高度表跟踪式高度表跟踪环路,.,作业：,分析直接调频方式高度表的特点。为什么其有不可克服的原理性误差？试根据式来分析如何减小直接调频测高的阶梯误差。跟踪式高度表为何也称为固定差拍频率的高度表，其工作原理是什么？其高度值最终由哪个信号参量反映出来？,无线电频率导航系统频率式无线电高度表作业,.,目前应用比较广泛的频率导航系统,3.1频率式无线电高度表3.2多普勒导航系统,无线电频率导航系统多普勒导航系统,.,3.2多普勒导航系统,3.2.1一般概念3.2.2理论基础3.2.3工作原理3.2.4导航精度分析,无线电频率导航系统多普勒导航系统,.,3.2.1一般概念,多普勒导航系统为频率测速推航系统，是一种基于多普勒效应的自主式导航设备。系统的基本测量部件是多普勒导航雷达（DopplerNavigationRadar），通过测量载体在运动过程中发射到地面并反射回来的信号频率偏移或变化，计算出地速和偏流角，并在航姿系统的辅助下完成载体位置的推算功能。多普勒雷达是许多军用、民用飞机自主远程导航的必选设备之一。,无线电频率导航系统多普勒导航系统一般概念,.,多普勒导航系统的优点：系统基本上可以全天候工作；飞机自备导航设备，不需要设置地面站；可以提供全球导航，不受地区及国际协议的限制；能够连续提供飞机的速度、角度和位置信息。推航位置的精度约为航程的2%，测速精度高达0.1%0.3%，偏流角测量精度为1%。,无线电频率导航系统多普勒导航系统一般概念,.,多普勒导航系统的缺点：需要罗盘、航姿系统等的姿态信息才能完成位置定位；随着距离增加，定位精度随之下降；系统测量的瞬时速度不如平均速度准确；由于反射体的运动（如对于水面上的应用），精度会有所下降。,无线电频率导航系统多普勒导航系统一般概念,.,3.2多普勒导航系统,3.2.1一般概念3.2.2理论基础3.2.3工作原理3.2.4导航精度分析,无线电频率导航系统多普勒导航系统理论基础,.,3.2.2理论基础,多普勒效应的实质是：当两个物体如辐射源和接收机之间存在相对运动时，接收机收到的信号频率，将与辐射源所发射的信号频率不同，两者之间相差一个多普勒频移fd，而频移量fd的大小与辐射源和接收机之间的相对径向运动速度成正比。,无线电频率导航系统多普勒导航系统理论基础,奥地利物理学家多普勒（18031853）,.,1.辐射源朝向接收点作径向运动,无线电频率导航系统多普勒导航系统理论基础辐射源朝向接收点作径向运动,d,d,发A,发A,收A,t,T1,t,A,B,A,t1,t2,T1,T2,Tl=t1+d/c,t=t2-t1,.,无线电频率导航系统多普勒导航系统理论基础辐射源朝向接收点作径向运动,在t的时间间隔内，发射机辐射出去的振荡波的周期数目为nt，并令t0表示振荡信号的周期,置于B点的接收机在T=T2T1的时间间隔内接收了这nt个振荡周期的信号，因此接收机所接收到的振荡信号的频率f应为,B点的接收机接收到的信号频率，与发射机的振荡信号频率f0不同，二者信号频率之差，即为多普勒频率fd,.,2.辐射源朝着偏离于接收点的方向上运动,无线电频率导航系统多普勒导航系统理论基础辐射源朝着偏离于接收点的方向上运动,径向速度vr与辐射源运动速度v：,用的余角来表示：,带入多普勒频率fd：,当运动速度、工作波长不变时，多普勒频移fd随方位角成正弦函数关系变化。测量出多普勒频移量fd，就能确定出接收机相对于辐射源运动方向的方位角（或偏流角），这即是利用多普勒效应进行测角（偏流角）的基本原理。,.,无线电频率导航系统多普勒导航系统理论基础辐射源朝着偏离于接收点的方向上运动,fd随方位角变化曲线示意图,多普勒频移的圆锥形位置面示意图,.,3.B点为反射点、辐射源与接收点皆处于A点并沿AB连线径向运动,无线电频率导航系统多普勒导航系统理论基础收发在同处对反射点有径向运动,发射机发射的信号频率为f0，则到达地面反射点B处的信号振荡频率为fb,把B看作频率为fb的辐射源，其辐射的信号被置于接收机（A点）所接收，运载体是向着B点运动，在A点接收到的信号频率为,泰勒级数展开,.,4.运载体的地速及偏流角测量,无线电频率导航系统多普勒导航系统理论基础地速及偏流角测量,径向速度vr,在运载体运动速度方向与其轴向重合的情况下，角度实际上是运载体轴向与天线射束中心方向的夹角，所以为已知数。在测得fd之后，就可容易地计算出地速v了，即运载体相对于地面的航行速度。,.,角度a是ACB平面内运动速度矢量v和天线射束中心线之间的夹角。上式表明，多普勒频率是地速v和偏流角的函数。利用这一函数关系，通过测量fd，在已知地速或测量出地速的条件下，即可求出偏流角。,无线电频率导航系统多普勒导航系统理论基础地速及偏流角测量,由于风力的影响，运载体的轴线方向与航行方向不可能再保持一致，即出现了偏流角,cosa=coscos,.,3.2多普勒导航系统,3.2.1一般概念3.2.2理论基础3.2.3工作原理3.2.4导航精度分析,无线电频率导航系统多普勒导航系统,.,3.2.3工作原理,无线电频率导航系统多普勒导航系统工作原理,.,一、双波束系统：1.前后型,无线电频率导航系统多普勒导航系统工作原理双波束系统,前后两个波束多普勒频率之差为,.,前后两个波束多普勒频率之差为,若天线安装平台采用垂向基准进行稳定，则很小的，可以忽略,若天线固定在飞机上，则此时的角实际上是飞机的俯仰角p，它不能忽略，将得到飞机在纵轴方向的速度，即,多普勒雷达实际是在飞机载体坐标系中测量和工作的，因此需要航姿系统进行辅助。,无线电频率导航系统多普勒导航系统工作原理双波束系统,.,2.左右型,无线电频率导航系统多普勒导航系统工作原理双波束系统,设双波束所在平面与安装平台面的夹角为，则左右波束上所测得的多普勒频率为,.,二、多波束系统,前后、左右波束配置都可测地速或偏流角，但前后波束测偏流角的精度约为6%，而左右波束可达1%。飞机在垂直方向上有相对运动，要求出地速，就得知道垂直速度分量以消除多普勒频移中这一分量的影响；当飞机姿态变化时，还要求提供机上的本地垂直基准，以补偿波束角度的实际变化，这些都是双波束系统无法解决的。空间是三维的，要确定载体速度的三个分量至少需要三个波束，典型的多普勒系统都是左右侧、前后指向的三波束、四波束等多波束系统。,无线电频率导航系统多普勒导航系统工作原理多波束系统,.,二、多波束系统,扩展的多波束系统不仅能够有效地导出三个速度分量，而且能对飞机的姿态变化进行补偿。,无线电频率导航系统多普勒导航系统工作原理多波束系统,波束的配置型式各种各样，主要有Y、T、X、五种基本配置,.,无线电频率导航系统多普勒导航系统工作原理多波束系统,1)三波束系统波束的配置型式,典型的应用是俯角为6070，侧角20，这样可以得到2836的入射角,.,2.四波束系统,大多数现代多普勒导航仪都使用四波束系统：平面阵列天线可以比较容易地产生出四个相同的波束；四个波束中某一个出现问题时，其他三个波束仍然可以保障系统能够连续工作，提高了系统的可用性；四个波束取三个的组合可以获得两套不相关的速度估值，进行平均就可得到更精确的数值，从而实现冗余观测，提高系统精度；在系统正常工作的条件下，这两套估值之间的差异应该很小，若差异很大，那么可判定系统出现了故障，数据不可用，增加了对系统可靠性的判断。,无线电频率导航系统多普勒导航系统工作原理多波束系统四波束系统,.,每个波束的单位方向矢量,无线电频率导航系统多普勒导航系统工作原理多波束系统四波束系统,I：单位方向矢量,.,无线电频率导航系统多普勒导航系统工作原理多波束系统四波束系统,得到相对载体坐标系的速度之后，需要先绕飞机的纵轴旋转一个横滚角，然后再绕飞机的横轴旋转一个俯仰角，得飞机在水平坐标系（并非东北天的地平坐标系）中的速度为,在雷达接收机的频率跟踪器中滤出上述频率，并在一定时间内计数，则可以得到飞机的三轴向速度,.,对速度积分，得到载体的位置,无线电频率导航系统多普勒导航系统工作原理多波束系统四波束系统,得到载体的地速和偏流角,.,3.2多普勒导航系统,3.2.1一般概念3.2.2理论基础3.2.3工作原理3.2.4导航精度分析,无线电频率导航系统多普勒导航系统,.,3.2.4导航精度分析频率测量精度分析,多普勒系统天线的辐射方向性图,多普勒频移量的变化范围为,无线电频率导航系统多普勒导航系统导航精度分析频率测量精度分析,.,频率测量的相对误差为：,无线电频率导航系统多普勒导航系统导航精度分析频率测量精度分析,多普勒频率测量精度主要取决于类窄带高斯噪声的信号特性。多普勒频率瞬时值的概率分布与能谱分布具有相同的形状，因此多普勒频率瞬时值相对其平均值偏差的均方根值为,设在T内进行了N次统计独立的测量，则测量结果的真实性将提高倍，此时测量误差的均方根值为。,KR为比例常数（12）,在多普勒信号中各个频率分量的相关时间和信号包络的相关时间是相应的,在时间间隔T内，可独立测量的次数N为：,.,频率测量的相对误差为：,设KR=2，R=60，00.03m，3，vT100，则可得到此时多普勒频率测量的精度约为0.3%。,无线电频率导航系统多普勒导航系统导航精度分析频率测量精度分析,.,2.系统定位精度,无线电频率导航系统多普勒导航系统导航精度分析系统定位精度,类高斯噪声，均值特性较好，对积分导航系统影响不大,慢变化的随机漂移，对于积分导航极为不利,.,无线电频率导航系统多普勒导航系统导航精度分析系统定位精度,为