第四讲-无线电振幅导航系统

1、上海海事大学上海海事大学应士君应士君2022年年1月月14日星期五日星期五2022-1-14第四讲第四讲2022-1-14 一战时，被用于引导船只的一战时，被用于引导船只的归航和出航归航和出航，并很快，并很快发展到对发展到对飞机的导航飞机的导航。 振幅导航系统的缺点：测向（测角）精度不高振幅导航系统的缺点：测向（测角）精度不高 振幅导航系统的发展：振幅系统还会振幅导航系统的发展：振幅系统还会继续使用继续使用，但未来的发展将更多地采取但未来的发展将更多地采取组合方式组合方式，如与，如与GPS卫星定位系统结合；仪表着陆系统和微波着陆系卫星定位系统结合；仪表着陆系统和微波着陆系统、卫星着陆系统等组成

2、的多模式接收机（统、卫星着陆系统等组成的多模式接收机（MMR）。）。2022-1-14 一般概念一般概念 无线电振幅导航系统：信号振幅无线电振幅导航系统：信号振幅导航参导航参数（一般是数（一般是角坐标角坐标）。）。 振幅导航系统振幅导航系统一般用于一般用于运载体的运载体的测向测向，通过，通过自动测向仪引导飞机、船只朝向或离开导航自动测向仪引导飞机、船只朝向或离开导航台，并可利用两个或两个以上的导航台台，并可利用两个或两个以上的导航台实现实现定位定位；或者通过仪表着陆系统实现飞机的；或者通过仪表着陆系统实现飞机的下下滑着陆功能。滑着陆功能。 2022-1-14无线电振幅导航系统无线电振幅导航系统

3、地面导航台地面导航台（信标台、航向（下滑）台）（信标台、航向（下滑）台）运载体上的测向器运载体上的测向器（无线电罗盘或定向接收机）（无线电罗盘或定向接收机）工作波段为长波、中波或短波，覆盖范围可达几百千米工作波段为长波、中波或短波，覆盖范围可达几百千米发射有一发射有一定方向或定方向或全向无线全向无线电信号电信号接收信号和接收信号和实施定向实施定向2022-1-14 运载体需要事先知道信标台的准确的地理坐运载体需要事先知道信标台的准确的地理坐标、发射频率、发射形式、台站识别码、工标、发射频率、发射形式、台站识别码、工作时间等参数作时间等参数导航台站的发射信号导航台站的发射信号识别信号识别信号工作

4、信号工作信号辅助信号辅助信号识别地面导航台识别地面导航台测量导航参量测量导航参量传送某些辅助信息传送某些辅助信息角度测量的精度为角度测量的精度为 1 1 5 5 。2022-1-14利用载波信号振幅的调制深度变化进行测向利用载波信号振幅的调制深度变化进行测向利用载波信号振幅本身的变化来实现测向利用载波信号振幅本身的变化来实现测向测角方法测角方法最大值法最大值法最小值法最小值法等信号比较法等信号比较法获取角参获取角参量的方式量的方式E E型型M M型型2022-1-14方位方位的无线电测量法的无线电测量法 在在E型方式中，无线电信号的调制深度保持型方式中，无线电信号的调制深度保持不变，载波信号的

5、幅度不变，载波信号的幅度E与导航角参量与导航角参量建立建立起起EE（）的依从关系；而的依从关系；而M型工作方式型工作方式则在其工作区内保持载波信号幅度大于规定则在其工作区内保持载波信号幅度大于规定的数值，用信号的调制深度的数值，用信号的调制深度m和和建立起建立起mm（）的关系。的关系。 2022-1-14一、最大值法一、最大值法 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围U，所对应的角度区域称为不灵敏区，要求天线的方，所对应的角度区域称为不灵敏区，要求天线的方向性图足够尖锐，并且输入信噪比尽可能高。向性图足够尖锐，并且输入信噪比尽可

6、能高。 2022-1-14二、最小值法二、最小值法 最小值法在零值点附近也存在不灵敏区最小值法在零值点附近也存在不灵敏区N，但该法的不灵敏，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。判断出导航台偏离最小值点轴线的方向。 2022-1-14三、等信号法（比较信号）三、等信号法（比较信号） 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，即采用部分重合的双针状方向性图天线

7、，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。其不灵敏区相等，即可确定出导航台的方位。其不灵敏区N和测向精度均介于最大和测向精度均介于最大值法和最小值法之间，并且也能判断出被测导航台偏离等信号线的方向。值法和最小值法之间，并且也能判断出被测导航台偏离等信号线的方向。2022-1-14 最小值法最小值法测量灵敏度和精度较高测量灵敏度和精度较高 最大值法最大值法信噪比最大，而天线制作的难信噪比最大，而天线制作的难易程度是最大值法较难易程度是最大值法较难 等

8、信号法等信号法性能表现都是居中性能表现都是居中 由于由于最小值法最小值法不灵敏区较小，在高频、超高不灵敏区较小，在高频、超高频、甚高频以及微波频段，均可获得所要求频、甚高频以及微波频段，均可获得所要求的方向性图，因此的方向性图，因此应用场合较多应用场合较多。2022-1-14振幅导航系统的天线特性和信号特征振幅导航系统的天线特性和信号特征 一、环形天线的特性分析一、环形天线的特性分析 二、对方向性天线的要求二、对方向性天线的要求在工作过程中方向性图的形状稳定；在工作过程中方向性图的形状稳定；灵敏度要高，不灵敏区间要小；灵敏度要高，不灵敏区间要小；天线的方向性图在信号测量处的幅度变化率有天线的方

9、向性图在信号测量处的幅度变化率有要求；要求； 最后制作要简单。最后制作要简单。2022-1-14 设原点设原点O处的电场强度为处的电场强度为E=E0sint。 整个环形天线的感应电动势等整个环形天线的感应电动势等于于AB和和CD边内的感应电动势边内的感应电动势之和，即之和，即e=eAB+eCD 而而eAB=E0hsin(t+bcos/) eCD=-E0hsin(t-bcos/) 所以所以e=2E0hsin(bcos)/cost 设沿地球表面传播的电波方向设沿地球表面传播的电波方向S Sk k与环形天线平面的夹角为与环形天线平面的夹角为 ，根据电磁场理论，与根据电磁场理论，与S Sk k垂直的是

10、电场垂直的是电场E E与磁场与磁场H H。2022-1-14e=2E0hsin (bcos)/ cost 令令Em=2E0hsin (bcos)/ 则则eEmcost 若若b/1Em=2E0 h(b/) cos，令，令Em max(2bh/) E0，是个固定常数是个固定常数 所以所以 Em= Em maxcos。 该式反映了环形天线平面和电波传播方向之间的夹角该式反映了环形天线平面和电波传播方向之间的夹角与感与感应电动势的关系。应电动势的关系。 矩形环形天线的感应电动势（矩形环形天线的感应电动势（eEmcost）超前于电场）超前于电场（E=E0sint）90 ，并且当，并且当在在-90 +90

11、 之间时，感应电之间时，感应电动势为正值；动势为正值；在在90 270 时，电动势为负值。时，电动势为负值。 2022-1-14 环形天线的环形天线的“8”字形方向性图有最小值，可采用最小值法测字形方向性图有最小值，可采用最小值法测向，并且结构简单、容易制作、体积小、质量轻，适宜于在向，并且结构简单、容易制作、体积小、质量轻，适宜于在运载体上安放，一般工作于中、短波段的测向系统中。分集运载体上安放，一般工作于中、短波段的测向系统中。分集天线的方向性图与环形天线基本一致。天线的方向性图与环形天线基本一致。 2022-1-14E型测向信号的形成及其特征型测向信号的形成及其特征 设地面导航信标台设地

12、面导航信标台-全向信号，而无线电测向全向信号，而无线电测向器天线的方向性函数为器天线的方向性函数为F() ： 导航台发射等幅波，则导航台发射等幅波，则E型测向器接收到的信号为型测向器接收到的信号为e= Em maxF()cost=Em()cost 导航台发射调幅波，则测向器接收的信号应为导航台发射调幅波，则测向器接收的信号应为 e= Em()1+mcost cost E型测向信号的特点是接收信号的载波幅值均与角型测向信号的特点是接收信号的载波幅值均与角度度有关，将随角度有关，将随角度的改变而变化；而信号的调的改变而变化；而信号的调制系数制系数m保持不变，与保持不变，与无关。无关。 2022-1

13、-14M型测向信号的形成及其特征型测向信号的形成及其特征 M型测向信号的特点是载波信号的幅值保持不变；而调制系数仍随角度型测向信号的特点是载波信号的幅值保持不变；而调制系数仍随角度的变化而改变，即调幅信号包络的大小，随测向器相对信标台的方位不同的变化而改变，即调幅信号包络的大小，随测向器相对信标台的方位不同而变化。而变化。=E=E1m1mcost cost e e2 2=E=E2m2m F()cost F()cost e e2 2=E=E2m2m F()cos(t F()cos(t9090 ) ) e e2 2=E=E2m2m F()costcost F()costcost 叠加电路的信号输出

14、为一调幅波：叠加电路的信号输出为一调幅波：e e1 1+e+e2 2=E=E1m 1m 1+m() cost cost1+m() cost cost 式中式中m()= F() Em()= F() E2m2m/E/E1m1m 2022-1-142.2 无线电罗盘测向系统无线电罗盘测向系统 2.2.1 系统简介系统简介 2.2.2 无方向无线电信标无方向无线电信标 2.2.3 机载无线电自动定向仪机载无线电自动定向仪 2.2.4 无线电罗盘在航空导航中的应用无线电罗盘在航空导航中的应用 2.2.5 无线电振幅导航系统的测向误差无线电振幅导航系统的测向误差 2.2.6 系统简单评价系统简单评价202

15、2-1-142.2.1 系统简介系统简介 工作频率一般在工作频率一般在1501 800 kHz范围内，属于中波、范围内，属于中波、长波或短波波段，功率在长波或短波波段，功率在500W左右。左右。 作用距离一般可达几百千米，典型为作用距离一般可达几百千米，典型为250350 km。 系统的测向精度可达到系统的测向精度可达到2左右。左右。 系统组成系统组成无线电罗盘（无线电罗盘（Radio CompassRadio Compass）机载无线电自动定向仪（机载无线电自动定向仪（ADFADF）地面导航台地面导航台无方向性信标（无方向性信标（NDBNDB）M型最小值法台站识别信号采用1 020 Hz调制

16、的两个英文字符的莫尔斯码格式2022-1-142.2.2 无方向无线电信标 利用无方向性天线发射信号，用测向仪接收指示信号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线电测向信标无方向信标定向性指向标航路信标台仪表着陆系统信标台2022-1-14无无方方向向无无线线电电信信标标方方框框图图 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。 三种基本工作状态：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。 2022-1-14无方向信标的调幅波信号无方向信标的调幅波信号

17、无方向信标的等幅波信号无方向信标的等幅波信号 2022-1-142.2.3 机载无线电自动定向仪机载无线电自动定向仪 1. 基本组成及工作状态基本组成及工作状态 自动定向仪包括三种主要工作状态：自动定向仪包括三种主要工作状态： ADF（自动测向）（自动测向）由垂直天线和环形天线由垂直天线和环形天线联合接收信号进行自动测向；联合接收信号进行自动测向； ANT（天线）（天线）由垂直天线接收信号作为普由垂直天线接收信号作为普通接收机使用；通接收机使用； TEST（测试）（测试）定向仪自检，按下测试按钮定向仪自检，按下测试按钮时，指示器应指示一规定的数值（一般为时，指示器应指示一规定的数值（一般为90

18、），以确定定向仪的工作是否正常。），以确定定向仪的工作是否正常。2022-1-14组合天线（环形垂直）机身下部前缓冲支柱后直九（武）直升机1.接收机；2.控制盒；3.组合天线；2.指示器。2022-1-14 机载机载ADF所指示的角度是以飞机纵所指示的角度是以飞机纵轴为基准，顺时针转到飞机与导航轴为基准，顺时针转到飞机与导航台连线所形成的夹角，如图所示（台连线所形成的夹角，如图所示（为为60的夹角）。要获得导航台相的夹角）。要获得导航台相对于飞机的方位，还必须知道飞机对于飞机的方位，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，为了获向测量设

19、备相结合。另外，为了获取读数的方便，飞机上常把磁罗盘取读数的方便，飞机上常把磁罗盘与与ADF的指示部分合在一起，称为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RMI（Radio Magnetic Indicator）。）。 2022-1-14二、基本原理二、基本原理 =U=U1m1mcost cost u u2 2=U=U2m2m F()cost F()cost u u1 1=U=U2m2m F()cos(t F()cos(t9090 ) ) u u5 5=U=U2m2m F()costcost F()costcost costcost叠加电路的信号输出为一调幅波：叠加电路的信号输出

20、为一调幅波：e e1 1+e+e2 2=E=E1m 1m 1+m() cost cost1+m() cost cost 式中式中m()= F() Em()= F() E2m2m/E/E1m1m =m() cost=m() costcostcost2022-1-14三、关键技术和解决方法三、关键技术和解决方法双值性的消除双值性的消除 要确定信号要确定信号e1和和e2的相对相位，需要的相对相位，需要一个基准信号，利用无方向垂直天线一个基准信号，利用无方向垂直天线（又称判读天线）。（又称判读天线）。环形天线方向形图环形天线方向形图 若若-90-90 9090 ，则，则e e1 1超前于超前于e e2

21、 2，通过，通过伺服电机使环形天线逆时针旋转，伺服电机使环形天线逆时针旋转， 将逐渐增大，直至将逐渐增大，直至=90=90 时为止。时为止。 若若9090 270270时，情况相反。时，情况相反。2022-1-142. 用测角器代替环形天线的转动用测角器代替环形天线的转动 在飞机上安装两个环形天线，相互垂直放置并且在飞机上安装两个环形天线，相互垂直放置并且固定不动，可分别取与飞机的纵轴平行和垂直的固定不动，可分别取与飞机的纵轴平行和垂直的方向，两天线同时接收地面信标台的信号。方向，两天线同时接收地面信标台的信号。固定的环形天线及其方向性图固定的环形天线及其方向性图 2022-1-14 因此合成

22、磁场即为两环形天线合成电因此合成磁场即为两环形天线合成电动势的影射，其方向代表了无线电波动势的影射，其方向代表了无线电波的来波方向，并与基准方向即环形天的来波方向，并与基准方向即环形天线线1的夹角为的夹角为。1122cos cossincoshHthHt 在测角器内产生互相垂直的两个感应磁场1122coscossincosmmeEteEt 两环形天线的感应电动势1122mmEHEH 测角器内两场线圈的参数是按相同比例设计2222221212cossincoshhhHHt 两个磁场形成一个合成磁场2022-1-14 测角器内的转子在合成磁场的作用下测角器内的转子在合成磁场的作用下转动。搜索线圈产

23、生的感应电动势转动。搜索线圈产生的感应电动势e=EmsinLcost 即活动线圈转动时，即活动线圈转动时，L变化导致变化导致e的的变化规律与环型天线完全一样，相当变化规律与环型天线完全一样，相当于环形天线在转动。于环形天线在转动。 通过搜索活动线圈的转动，代替了环通过搜索活动线圈的转动，代替了环形天线的转动，实现了天线不动、方形天线的转动，实现了天线不动、方向性图转动的目的。向性图转动的目的。 2022-1-143. 环形天线的安装与伺服电机的转动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，即值点朝向机头方向，即

24、“8”字形方向性图的字形方向性图的纵轴与飞机纵轴方向严格保持一致。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其感应电势消射入，转动测角器搜索线圈使其感应电势消失，指示器指示零度，这样即确定了机身轴失，指示器指示零度，这样即确定了机身轴线方向为基准方向。线方向为基准方向。2022-1-14135 Hz的本振信号接收机输出的135 Hz合成信号伺服电机伺服电机激磁线圈控制线圈基准信号控制信号电机的转动电机的转动由这两个信由这两个信号的相对相号的相对相位控制位控制2022-1-142.2.4 无线电罗盘在航

25、空导航中的应用无线电罗盘在航空导航中的应用 引导飞机出航，归航和沿线飞行；引导飞机出航，归航和沿线飞行； 和磁罗盘复合使用，利用双信标定位；和磁罗盘复合使用，利用双信标定位； 和磁罗盘复合引导飞机辅助着陆；和磁罗盘复合引导飞机辅助着陆； 在紧急情况下，借助同频段的已知广播电台在紧急情况下，借助同频段的已知广播电台进行导航引导。进行导航引导。 2022-1-14一、出航、归航和沿线飞行一、出航、归航和沿线飞行 在无侧风影响情况下，出航背台飞行时，罗盘指示为在无侧风影响情况下，出航背台飞行时，罗盘指示为1800，归航向台飞行时，罗盘指示为，归航向台飞行时，罗盘指示为00。沿线飞行一般都是沿。沿线飞

26、行一般都是沿折线航线飞行，每个主要拐弯点不是机场就是航路信标点折线航线飞行，每个主要拐弯点不是机场就是航路信标点，所以沿线飞行多数也是背、向台飞行，所以沿线飞行多数也是背、向台飞行 。 在有侧风影响时，航迹方向（或地速方向）和飞机纵轴方在有侧风影响时，航迹方向（或地速方向）和飞机纵轴方向（航向）不一致，存在偏流角，这是在向台飞行时特别向（航向）不一致，存在偏流角，这是在向台飞行时特别要注意的，否则即使保持无线电罗盘要注意的，否则即使保持无线电罗盘00飞行，由于侧风影飞行，由于侧风影响也会发生偏航。响也会发生偏航。2022-1-14二、二、 与磁罗盘复合应用与磁罗盘复合应用 2022-1-14与

27、磁罗盘复合实现双信标定位与磁罗盘复合实现双信标定位 无线电罗盘与磁罗盘复合无线电罗盘与磁罗盘复合可直接测得电台磁方位角可直接测得电台磁方位角，可以建立一条直线位置，可以建立一条直线位置线，如果分别（短时间内线，如果分别（短时间内）测得两个已知地理位置）测得两个已知地理位置的信标台磁方位角（或利的信标台磁方位角（或利用双罗盘同时测得），便用双罗盘同时测得），便可以两个已知点为基点建可以两个已知点为基点建立两条位置线，它们的交立两条位置线，它们的交点便是飞机的位置。点便是飞机的位置。2022-1-14三、与磁罗盘复合引导飞机辅助着陆三、与磁罗盘复合引导飞机辅助着陆 2022-1-14四、无线电罗盘

28、的应急使用四、无线电罗盘的应急使用 战时当导航台被破坏时，可以借助同频段的、台战时当导航台被破坏时，可以借助同频段的、台址确知的无线电广播电台信号进行应急引导和定址确知的无线电广播电台信号进行应急引导和定位；位； 当对空通信发生问题时，可通过无方向信标台的当对空通信发生问题时，可通过无方向信标台的话或报工作方式向飞机发送应急指挥（单向）信话或报工作方式向飞机发送应急指挥（单向）信息。息。2022-1-142.2.5 系统简单评价系统简单评价 优点优点 可连续自动工作，飞行员处于主动地位；可连续自动工作，飞行员处于主动地位； 只收不发，便于隐蔽；只收不发，便于隐蔽； 容量不受限制；容量不受限制；

29、 设备简单，可供各类飞机使用。设备简单，可供各类飞机使用。 缺点缺点 精度不高精度不高 导航台还有被敌人利用或假冒的危险导航台还有被敌人利用或假冒的危险 对眼睛观察依赖较大，即其着陆保障能力较低。对眼睛观察依赖较大，即其着陆保障能力较低。 2022-1-142.4 测向误差测向误差 进行角度测量时，都不可避免地带有一定的误差进行角度测量时，都不可避免地带有一定的误差，它是所测量角度值，它是所测量角度值A与其真值与其真值A之差，即之差，即=AA。 2022-1-14 测向误差测向误差 系统测向误差产生的原因系统测向误差产生的原因 随机测向误差产生的原因随机测向误差产生的原因 盲区盲区2022-1-14（一）、系统定向误差产生的原因（一）、系统定向误差产生的原因 设备误差：系统本身不完善所产生的误差