现代导航技术第十章

1、南京航空航天大学本科课程现代导航技术十：达程： 07402100主教：南京航空航天大学工程系2015/5/142015/5/14 1：南京航空航天大学工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：概述第一节达是利用概述第一节效应实现无线电导航的一种自备式导航设备。应用该发射的电波在波源与观测者之间存在相对运动时频率发生变化的原理，测量飞机的偏流和地速。达的优点：Ø 能直接测量相对于地球表面的速度；Ø 设备相对便宜且准确，无需地面站，受外界条件限制很少；Ø 无需初始校准，能够测量偏流角；Ø 在低速状态下提确的数据，特别适用于直升机。2015/5

2、/14 2：南京航空航天大学工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：缺点：Ø 在特定环境下，地形对速；反射能量不足，无法有效计算地Ø 当飞行姿态超过限度，就会丢失信号而Ø 需要外部姿态参考源。的正常工作；随着导航技术的发展，导航正在向组合导航发展，-惯性-无线电导航-惯性导航，典型的有2015/5/14 3：南京航空航天大学工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：第二节工作原理一、效应应用程序例子：日常生活中，常会遇到这种情形：一列火车迎面开来时，听到火车汽笛的声调变高，即频率增大；当火车远离而去时，听到火车汽笛的声调变低，即频

3、率减小。效应：波源与观察者有相对运动时，观察者接收到的频率与波源发射频率不相同的现象。(Doppler, Christian Johann)， 奥地利物理学家，数学家和天文学家1803年11月29日出生于奥地利的萨尔茨堡 (Salzburg)。1842年，他在文章 "On the Colored Light of Double Stars" 提出效应”(Doppler Effect)，因而闻名于世。“1853年3月17日，与世长辞。2015/5/14 4：南京航空航天大学工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：V波源的运动速度SV观察者的运动速度Ru波速v

4、0v'波源和观察者相对静止时观察者接收到的波源的频率波源和观察者相对运动时观察者接收到的波源的频率2015/5/14 5：南京航空航天大学工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：S观察者SuR波源1）波源与观察者均相对媒质静止v0波源振动的频率也就是说，波源每秒钟发个完整出波v0v'出个完整波接收的频率，就是接收者时间内接收到的波的个数2015/5/14 6：南京航空航天大学工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：VR2）波源不动，观察者以速度a、观察者朝向波源运动相对媒质运动在1秒的时间内同一波阵面相对于+ u观察者走了VR波速发生了改变2

5、015/5/14 7：南京航空航天大学工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：b、观察者远离波源运动在1秒的时间内同一波阵面相对于观察者走了u -VR波速发生了改变2015/5/14 8：南京航空航天大学工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：3)观察者静止，波源以速率VS 运动a、波源朝向观察者以速度VS 运动接收频率增高了！波长发生了改变2015/5/14 9：南京航空航天大学工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：2015/5/14 10：南京航空航天大学工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：b、波源远离观察者以速

6、度 VS运动接收频率降低了！波长发生了改变2015/5/14 11：南京航空航天大学工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：4）波源及观察者同时运动a、波源与接收者相互靠近接收频率增高了！b、波源与接收者相互远离接收频率降低了！波速、波长均发生了改变2015/5/14 12：南京航空航天大学工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：总结：只要波源与观察者之间存在着相对运动，所接收到的频率都与发射频率不同。如果观察者与波源之间距离缩短时，接收到的频率高于发射频率。其中：波源静止观察者静止二者相互靠近取正值代入二者相互远离取负值代入。注意：2015/5/14 13

7、：南京航空航天大学工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：冲击波（激波)，。2015/5/14 14：南京航空航天大学工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：能量区声障如果波源的速度等大的速度，波源总在波阵面前面ut冲击波=飞行器速度在Ma0.3以下可以认为是低速（可以不考虑空气压缩性影响）；速度在Ma0.8以下的为亚音速；在Ma0.81.2上下为的跨音速；Ma1.25 的为超音速、Ma5.0以上的为高超音速。二、偏流和地速的测量原理如果无线电发射机与之间存在相对运动，接收频率也与发射频率不同。飞机在飞行中发射无线电波，并接收来自地面的反射波。因为飞机向前运

8、动的同时发射电磁波，这相当源运动；此外，飞机上的又接收地面的反射波，这又相当于观测者在运动。设飞机对地面的速度为v，飞机所发射的电磁波束与v成角，则飞机地速的分量vcos。对所发射的电磁波其发射频率为f0 ，则飞机的接收频率f为（如图二者相互靠近）：2015/5/14 16：南京航空航天大学工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：三、频率与等频率曲线频率f）：接收频率与发射频率的差频移（当飞机向前下方发射电磁波束时， f：下方发射电磁波束时， f：当飞机由于电磁波的速度c>>v，故f：2015/5/14 17：南京航空航天大学工程日2期01：5/5/14日期：20

9、15/5/日14期：由上式可知：频移与飞机地速和发射波束与地速的夹角余弦的积成正比。当飞机的地速一定，所发射的电磁波束与飞机速度矢量之间的夹角相同时，频移不变。的波束与频谱特性Ø 发射机所发射的无线电波束是一个圆锥体，照射到地面上是一个椭圆面积；Ø和；Ø 这些小面积上的反射信号其幅值和相位各不相同；Ø 反射信号的特性可用其频谱特性来表示。接收到的反射信号，是射束照射面积上的无数小面积上反射信号的总2015/5/14 18：南京航空航天大学工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：等频率曲线的特性形成：若飞行器地速v和高度h为定值，改变和，

10、但保持f不变，则相应于和的地面反射点的连线，一条等频率线。从几何关系上可以得到：同时：K = cDf cosa cos b = K当频率为定值时：2vf02015/5/14 19：南京航空航天大学工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：r´ y =ry22- x如果K取不同的值，则可以得到一族双曲线，这就= 1KK 2h2 1- K 2r+ h222h是等频率曲线。航迹角：真航向角加上偏流角，即地速的方位角2015/5/14 20：南京航空航天大学工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：当飞机上的设备以固定的入射角向地面发射线电波束时，只有波束向量

11、与地速向量处于同一垂直面内（ =0），频率最大。因此，可以采用转动天线的方法使发射波束绕垂直轴转动，当测得的频率值最大时，所发射电磁波束向量和飞机地速向量在同一垂直面内。但是利用一条旋转波束测量偏流，由于频率的最大值不容易测得准确值，因而不能准确确定航迹方向，也影响到地速 的准确性。因此，在天线设计上往往采用多波束发射的方法。2015/5/14 21：南京航空航天大学工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：双射：当偏流角为零时，两个射束的频率相同，当有偏流角时，两个频率存在频差（见书上P206）：fd，转动天线直到： fd=0，则天线转动的角度即为偏流角。地速v双射只有飞机保

12、持平直飞行时，没有垂直速度的情才能取得准确的数值2015/5/14 22：南京航空航天大学工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：当飞行器不是处于水化。怎么办？解决的办法：使用陀螺垂直稳定器计算补偿方法采用四射，射束的倾角和偏角会发生变2015/5/14 23：南京航空航天大学工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：四射= 2 f0v cos(b - d ) cosa + 2 f0 v sin aDf1vc= 2 f0c2 f0v cos(bd ) cosavv sin af2(3)cc(2)2 f2 f= -(0 v cos(b - d ) cosa +0

13、 v sin a )Df3vc= -( 2 f0cv cos(b + d ) cosa + 2 f0v sin a )Df4vcc(4)(1)vvsin avv飞机垂直方向的速度，在波束方向的投影为号相反。2015/5/14 24：南京航空航天大学工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：各波束的垂直面与飞机纵轴在水平面内的夹角都相等，第(1)、(3)两条波束对称，所接收的频率绝对值相等，符号相反；第(2)、(4)两条波束对称，所接收的频率相等，符= -( 2 f0 v cos(b + a ) cosq + 2 f0 v sinq )Df4vcc4 f0v cos(b - a

14、) cosqDf(1-3)=将飞机垂直方向的速度完全抵消！c= 4 f0v cos(b + a ) cosqDf(2-4)c2015/5/14 25：南京航空航天大学工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：2、用四射测量速度飞行器的三维速度：üï=cfv4 f cosa sin bd (2-1)xï0ï.=cfvd (2-3) ý4 f cosa cos byïï0v = -cfï4 f sin ad (1+3)zþ0用达测定了地速和偏流角后，再从航引来航向信息，则通过导航计算，即可得到

15、飞行器的位置信息。2015/5/14 26：南京航空航天大学工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：以地理坐标系作为导航坐标系，用地理表示飞行器的位置，则方程为：v cos(y + d )dt ütòL = L+ï0R0ý，式中y 为航向角v sin(y + d ) dt ïtòl = l+ïþ0R cos L02015/5/14 27：南京航空航天大学工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：L01/RLcossinv航向系统cosl01/R×2015/5/14 28：

16、南京航空航天大学工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：出发点和目的地，或希望的航向和距离速度当前位置方位距离导航计算机航迹角误差偏航距机轴方向到显示器和自动驾驶仪2015/5/14 29：南京航空航天大学工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：俯仰横滚垂直基准导航系统的主要误差：达测速误差航程误差早期的导航系统其航程误差的标准差为所飞距离的0.25%，横向航迹误差为0.5%。总误差（68%的概率）接近所飞距离的1%。0.14%0.15%2015/5/14 30：南京航空航天大学工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：总结：1、导航系统是一

17、种主动式无线电导航系统；2、它主要用于测飞机的地速；3、在多射下，还可以测偏流角和三维速度；4、可以进行航位推算式导航。2015/5/14 31：南京航空航天大学工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：第三节湍流与风切变检测威胁。20世纪80湍流和风切变对飞机的飞行安全年代湍流检测的出现是当代气象发展史上意义。1995年前后出现了利用机载气象一、湍流的检测原理湍流是根据湍流区域中微粒的速度偏差来定义的，它与微 粒的绝对速度没有关系。平均值相同，标准差越大出现湍流的可能性越大。对风切变的前视检测。湍 流 可 以 分 为 晴 空 湍 流（15%）和湿性湍流（85%），机载气象流。

18、主要是检测湿性湍2015/5/14 32：南京航空航天大学工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：由于湍流区域中雨粒的速度是杂乱的，因而在中所得到的湍流目标的频谱是连续的。雨粒的相对速度偏差越大，信号的频谱的宽度就越大。根据湍流的定义，气象可以通过比较所接收到的信号在频谱的宽度来检测湍流。中，将所接收的信号频谱宽度与规定的门限相比较，如果信号的频谱宽度大于所规定的门限值，即可为湍流。2015/5/14 33：南京航空航天大学工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：二、风切变的检测原理风切变是指风速在水平和垂直方向的突然变化。航空气象 学上，把出现在600米以下空气层中的风切变称为低空风切变。风切变对飞行安全的影响包括：（1） 逆风会突然加大飞机的空速，提高升力，从而使得飞机的运行路线提升并且；（2） 沉气流会增加飞机迎角，并使飞机下沉，改变飞行路线；（3） 顺风气流降低飞机空速，减小升力，恻然使飞机的运行路线偏低并且：南京航空航天大学。2015/5/14 34工程日2期01：5/5/14