第2章自动定向机

1、导航原理与系统导航原理与系统Navigation Principles and Systems第第2章章 自动定向机自动定向机2.1 2.1 概述概述2.2 2.2 环形天线环形天线特性分析特性分析2.4 2.4 无方向信标无方向信标 2.5 2.5 自动定向机工作原理自动定向机工作原理 Navigation Principles and Systems2.3 2.3 振幅导航系统的信号特征及其形成振幅导航系统的信号特征及其形成中国民航大学 CAUC2.1 2.1 概概 述述 20世纪世纪20年代用于航空导航，是航空使用的年代用于航空导航，是航空使用的最早导航系统；最早导航系统； 目前世界上仍

2、有大量的目前世界上仍有大量的NDB； 最先进的飞机仍加装最先进的飞机仍加装ADF； NDB的装备量在世界范围内呈下降趋势。的装备量在世界范围内呈下降趋势。 ADF-NDB是近程振幅测角导航系统，只能是近程振幅测角导航系统，只能用于辅助导航。用于辅助导航。中国民航大学 CAUC2.1 2.1 概概 述述 体积小，重量轻，价格便宜，使用方便；体积小，重量轻，价格便宜，使用方便； 可以使用无方向信标（可以使用无方向信标（NDB）、）、海岸信标、民用无线海岸信标、民用无线电调幅广播台辐射的信号；电调幅广播台辐射的信号； 受天波干扰大，测角误差大（受天波干扰大，测角误差大（ 5 ）。）。ADF-NDB只

3、能用于辅助导航只能用于辅助导航中国民航大学 CAUC2.1 2.1 概概 述述中国民航大学 CAUC2.1 2.1 概概 述述1. 定位定位NNNDB-ANDB-B B AMLALB中国民航大学 CAUC2.1 2.1 概概 述述2. 导航导航 能连续自动地对准地面导航台，对飞机进行导航，能连续自动地对准地面导航台，对飞机进行导航，使飞机沿给定的航路飞行；使飞机沿给定的航路飞行； 作为作为ILS的的“引进系统引进系统”，将飞机引至，将飞机引至ILS提供的提供的下滑线。下滑线。中国民航大学 CAUC2.1 2.1 概概 述述1. 振幅测向系统的定义振幅测向系统的定义 振幅测向系统是指将电信号的振

4、幅（或调制度）与方位信振幅测向系统是指将电信号的振幅（或调制度）与方位信息建立依从关系，从而完成对方位角测量的一种导航系统息建立依从关系，从而完成对方位角测量的一种导航系统。2. 振幅测向系统的分类振幅测向系统的分类 E型型：e(t)=Em( )(1+mcos t)cos ct M型型：e(t)=Em 1+ m( )cos tcos ct 不论是电信号的振幅不论是电信号的振幅Em还是其调制度还是其调制度m ，它们与方位信息，它们与方位信息建立依从关系是靠方向性天线来实现的建立依从关系是靠方向性天线来实现的。中国民航大学 CAUC3. 振幅测向系统测角的方法（振幅测向系统测角的方法（1） 最大值

5、法最大值法 抗干扰性好抗干扰性好； 不灵敏区大（不灵敏区大（ N大）大）； 导航台偏离的方向不导航台偏离的方向不可知。可知。2.1 2.1 概概 述述中国民航大学 CAUC2.1 2.1 概概 述述3. 振幅测向系统测角的方法（振幅测向系统测角的方法（2） 最小值法最小值法 抗干扰性较差抗干扰性较差； 不灵敏区小（不灵敏区小（ N小）小）； 导航台偏离的方向可知。导航台偏离的方向可知。中国民航大学 CAUC2.1 2.1 概概 述述3. 振幅测向系统测角的方法（振幅测向系统测角的方法（3） 等信号法（比较信号法）等信号法（比较信号法） 抗干扰性较好抗干扰性较好； 不灵敏区较小（不灵敏区较小（

6、N较小）较小）； 导航台偏离的方向可知。导航台偏离的方向可知。中国民航大学 CAUC2.2 2.2 环形天线环形天线特性分析特性分析xOzyO,O,ABDbFEhCSk 天线的感应电动势：天线的感应电动势： (t)= AB(t)+ CD(t)设设O点的电场强度为：点的电场强度为：e0(t)=Em0sin ct行程差：行程差：cos2bOF 相位差：相位差：cosbhbtEtcmoAB)cossin()(hbtEtcmoCD)cossin()(中国民航大学 CAUC2.2 2.2 环形天线环形天线特性分析特性分析xOzyO,O,ABDbFEhCSk (t)= AB(t)+ CD(t)=hbtEc

7、mo)cossin( hbtEcmo)cossin(=tbhEcmocoscossin2天线在水平面的方向性函数天线在水平面的方向性函数中国民航大学 CAUC2.2 2.2 环形天线环形天线特性分析特性分析xOzyO,O,ABDbFEhCSk e0(t)=Em0sin cttbhEtcmocoscossin2)( 天线在水平面具有方向性天线在水平面具有方向性； e0(t)与与 (t)存在存在90 相位差。相位差。中国民航大学 CAUC2.2 2.2 环形天线环形天线特性分析特性分析tbhEtcmocoscossin2)(cossin2)(bhEFmo令coscos2)( 1mmoFhbEFb

8、时，当中国民航大学 CAUC2.2 2.2 环形天线环形天线特性分析特性分析cos)(mFFFmFm =0 =90 =180 =270 xoy面面 环形天线在环形天线在水平面水平面具有具有“8”字形方向性图，而在垂字形方向性图，而在垂直面则没有方向性直面则没有方向性； 在水平面的在水平面的90 、 270 方向具有最小值（方向具有最小值（0），）， 0 、 180 方向具有最大值。方向具有最大值。xoz面面中国民航大学 CAUC2.3 2.3 振幅导航系统的信号特征及其形成振幅导航系统的信号特征及其形成 c c c+ Em( )0.5mEm( )0.5mEm( )调幅调幅电路电路调制信号调制信

9、号发生器发生器载波载波振荡器振荡器Um1 cos te(t)Umc sin ctUmc (1+mcos t) sin ctF( )e(t)=Em( )(1+mcos t)cos cte(t)=UmcF( )(1+mcos t)cos ct =Em( )(1+mcos t)cos ctEm( )中国民航大学 CAUC2.3 2.3 振幅导航系统的信号特征及其形成振幅导航系统的信号特征及其形成e(t)=Em 1+ m( )cos tcos ct = Em cos ct+ Em m( )cos tcos ct由无方向性天线形成由无方向性天线形成由方向性天线形成由方向性天线形成.水平面水平面垂直面垂直

10、面盲区盲区中国民航大学 CAUC2.3 2.3 振幅导航系统的信号特征及其形成振幅导航系统的信号特征及其形成e(t)=Em1+m( )cos tcos ct=Emcos ct+Emm( )cos tcos ct载波振荡器载波振荡器Um1 sin ctUm2 cos t sin ct90 移相器移相器平衡调制器平衡调制器调制信号发生器调制信号发生器Um cos t Um1 cos ctUm1 sin cte1 (t)e2 (t)F( )e1(t)=Em1cos cte2(t)=Em2F( )cos tcos cte(t)=e1(t)+e2(t)ttFEEEcmmmcoscos)(1121Emm(

11、 )信标信标中国民航大学 CAUC2.3 2.3 振幅导航系统的信号特征及其形成振幅导航系统的信号特征及其形成e(t)=Um1+m( )cos tcos ct=Umcos ct+Umm( )cos tcos ctADFUm1 cos ct90 移相器移相器平衡调制器平衡调制器调制信号发生器调制信号发生器Um cos t u3(t)e(t)e(t)F( )Um2 F( )cos ctUm2 F( )sin ct叠加器叠加器u(t)NDB的辐射场：的辐射场：e(t)=Emcos ctu1(t)=Um1cos ctu2(t)=Um2F( )sin ctu(t)=u1(t)+e3(t)ttFUUUcm

12、mmcoscos)(1131Umm( )u3(t)=Um3F( )cos tcos ct中国民航大学 CAUC2.4 2.4 无方向信标无方向信标 中国民航大学 CAUC2.4 2.4 无方向信标无方向信标 NDB是专为是专为ADF提供导航信号的导航台；提供导航信号的导航台； 工作种类有：工作种类有： 调幅报调幅报 等幅报等幅报 调幅话调幅话 辐射功率与作用距离辐射功率与作用距离 航路航路NDB：P=100W， R=200nm； 终端终端NDB：P=50W， R=25nm；中国民航大学 CAUC2.4 2.4 无方向信标无方向信标 工作频段与波道工作频段与波道 f =190.00535.00k

13、Hz， f =1kHz，共共345个频道。个频道。 波的传播与极化方式波的传播与极化方式 地波传播地波传播； 垂直极化。垂直极化。中国民航大学 CAUC2.4 2.4 无方向信标无方向信标 天线天线.水平面水平面垂直面垂直面盲区盲区中国民航大学 CAUC2.4 2.4 无方向信标无方向信标 每个每个NDB台都必须辐射台站识别码，台都必须辐射台站识别码，否则其辐射的否则其辐射的场无效场无效； 一个一个NDB台的台站识别码一般是本地地名的台的台站识别码一般是本地地名的23个个英文字母缩写的英文字母缩写的Morse电报码；电报码； ICAO规定：规定： “点点”的持续时间为的持续时间为0.10.16

14、0 s ，“划划”的持续时的持续时间为间为“点点”的的3倍，倍，即即0.30.480s ； 一个码字的一个码字的“传号传号”之间的间隔为之间的间隔为“点点”的持续时的持续时间，码字与码字之间的间隔为间，码字与码字之间的间隔为“划划”的持续时间的持续时间 。中国民航大学 CAUC2.4 2.4 无方向信标无方向信标 字母字母Morse码码字母字母Morse码码字母字母Morse码码A点划点划J点划划划点划划划S点点点点点点B划点点点划点点点K划点划划点划T划划C划点划划点划L点划点点点划点点U点点划点点划D划点点划点点M划划划划V点点点划点点点划E点点N划点划点W点划划点划划F点点划点点点划点O

15、划划划划划划X划点点划划点点划G划划点划划点P点划划点点划划点Y划点划划划点划划H点点点点点点点点Q划划点划划划点划Z划划点点划划点点I点点点点R点划点点划点中国民航大学 CAUC2.4 2.4 无方向信标无方向信标 第第1次辐射识别码到第次辐射识别码到第2次辐射识别码的时间次辐射识别码的时间T为识别为识别码的辐射周期；码的辐射周期；. . .0.10.16sT0.30.48s0.30.48s0.10.16s F=1/T，F为识别码的重复率；为识别码的重复率； 识别音频的频率为识别音频的频率为1020Hz 50Hz中国民航大学 CAUC2.4 2.4 无方向信标无方向信标 NDB应完成的任务：

16、应完成的任务： 辐射导航信号，供辐射导航信号，供ADF定向；定向； 辐射台站识别信号；辐射台站识别信号； 辐射话音信号（辐射话音信号（中国民航不使用话音功能中国民航不使用话音功能）。）。中国民航大学 CAUC2.4 2.4 无方向信标无方向信标 AB发发射射机机工工作作方方式式控控制制模模拟拟开开关关Morse码码发发生生器器1020Hz正正弦弦信信号号产产生生器器放放大大器器.Ce(t)中国民航大学 CAUC2.4 2.4 无方向信标无方向信标 等幅报等幅报 发射效率较高，作用距离较远；发射效率较高，作用距离较远； 在在“空号空号”期间期间NDB无信号辐射，会造成方位指示无信号辐射，会造成方

17、位指示器抖动；器抖动； 航路航路NDB可以工作在可以工作在“等幅报等幅报”状态状态。Ae(t)中国民航大学 CAUC2.4 2.4 无方向信标无方向信标 调幅报调幅报Ae(t)BC中国民航大学 CAUC2.4 2.4 无方向信标无方向信标 调幅报调幅报 发射效率较低，作用距离较近；发射效率较低，作用距离较近； 在在“空号空号”期间及不辐射识别码期间，期间及不辐射识别码期间，NDB发射等发射等幅载波，在幅载波，在“传号传号”期间，发射调幅波；期间，发射调幅波； 终端终端NDB必须工作在必须工作在“调幅报调幅报”状态状态。e(t)=Emcos ctNDB中国民航大学 CAUC2.5 2.5 自动定

18、向机工作原理自动定向机工作原理 工作频段与波道工作频段与波道 f =190.00535.00kHz， f =1kHz，共共345个频道。个频道。 波的传播与极化方式波的传播与极化方式 地波传播地波传播； 垂直极化。垂直极化。 工作体制工作体制 M型最小值测向系统型最小值测向系统中国民航大学 CAUC2.5 2.5 自动定向机工作原理自动定向机工作原理 所测角度所测角度 ADF形成的形成的M型信号中，调制度型信号中，调制度m( )蕴含了相蕴含了相对方位角对方位角 信息。信息。NN电台电台 1 2 3 4相对方位线相对方位线 1：飞机（磁）方位（角）飞机（磁）方位（角） 2：电台（磁）方位（角）电

19、台（磁）方位（角） 3：电台（磁）航向（角）电台（磁）航向（角）/相对方位角相对方位角 4：飞机（磁）航向（角）飞机（磁）航向（角）中国民航大学 CAUC2.5 2.5 自动定向机工作原理自动定向机工作原理 天线系统：包括垂直天线、环型天线与天线系统：包括垂直天线、环型天线与测角器测角器。 接收机：超外差式；形成接收机：超外差式；形成M型调幅信号，并将型调幅信号，并将RF调幅信号处理成低频信号。调幅信号处理成低频信号。 控制盒：控制工作状态的转换，选频，调谐。控制盒：控制工作状态的转换，选频，调谐。 方位指示器：电磁指示器（方位指示器：电磁指示器（RMI）/电距离磁指示电距离磁指示器（器（RD

20、MI），能指示出飞机方位、电台方位、飞机），能指示出飞机方位、电台方位、飞机航向及相对方位角。航向及相对方位角。中国民航大学 CAUC2.5 2.5 自动定向机工作原理自动定向机工作原理 700700型自动定向机系统的组成：型自动定向机系统的组成：1.ADF-7OO1.ADF-7OO接收机；接收机；2.2.控制盒控制盒FP-7O2FP-7O2；3.3.指示器指示器RDMI-743RDMI-743；4.4.组合式环形垂直天线组合式环形垂直天线DFA-701DFA-701。中国民航大学 CAUC2.5 2.5 自动定向机工作原理自动定向机工作原理 天线与接收机连接及布线的比较天线与接收机连接及布线

21、的比较(a)以前的；以前的；(b)现在的。现在的。中国民航大学 CAUC2.5 2.5 自动定向机工作原理自动定向机工作原理 中国民航大学 CAUC2.5 2.5 自动定向机工作原理自动定向机工作原理 1. 方向性天线的旋转方向性天线的旋转M型测向系统的信号格式：型测向系统的信号格式：u(t)=Um1+m( )cos tcos ctm( )=kF( )环型天线环型天线方向性函数方向性函数 m( ) 与与F( )具有相同的方向性，也即只要旋转具有相同的方向性，也即只要旋转F( )，就达到了旋转就达到了旋转m( )的目的，从而利用旋转的目的，从而利用旋转m( )确定确定NDB台台的方位。的方位。旋

22、转旋转F( )机械旋转：存在测向的惯性误差，且天线部分需更多机械旋转：存在测向的惯性误差，且天线部分需更多部分露在机体之外部分露在机体之外电旋转：天线固定不动，通过电旋转：天线固定不动，通过“测角器测角器”实现实现F( )的旋转的旋转中国民航大学 CAUC2.5 2.5 自动定向机工作原理自动定向机工作原理 2. 测角器（测角器（1）三个组成部分：三个组成部分： 第第1部分：两个相互垂直的环部分：两个相互垂直的环形天线形天线 第第2部分：两个相互垂直的装部分：两个相互垂直的装在一个共用轴上的固定线圈在一个共用轴上的固定线圈 第第3部分：搜索线圈（可绕轴部分：搜索线圈（可绕轴转动）转动）中国民航

23、大学 CAUC2.5 2.5 自动定向机工作原理自动定向机工作原理 2. 测角器（测角器（2）中国民航大学 CAUC2.5 2.5 自动定向机工作原理自动定向机工作原理 2. 测角器（测角器（3）环形天线结构环形天线结构中国民航大学 CAUC2.5 2.5 自动定向机工作原理自动定向机工作原理 2. 测角器（测角器（4）设设NDB的辐射场传至的辐射场传至O处为：处为：e0(t)=Em0sin t天线天线A-A1的感应电动势：的感应电动势：ua(t)=Umcos cos t天线天线B-B1的感应电动势：的感应电动势： ub(t)=Umsin cos t流过线圈流过线圈A-A1的电流：的电流： i

24、a(t)=Imcos cos t流过线圈流过线圈B-B1的电流：的电流： ib(t)=Imsin cos t中国民航大学 CAUC2.5 2.5 自动定向机工作原理自动定向机工作原理 2. 测角器（测角器（5）ia(t)产生的磁场：产生的磁场：Ha=Hmcos cos t 0 ib(t)产生的磁场：产生的磁场：Hb=Hmsin cos t 90 H=Ha+Hb=Hmcos t 1sintgcosmmHH其中：H1=Hmsin( )cos t=Hmsin()cos t搜索线圈搜索线圈C-C1产生的感应电动势：产生的感应电动势：uc(t)=Umcsin()cos t中国民航大学 CAUC2.5 2

25、.5 自动定向机工作原理自动定向机工作原理 搜索线圈搜索线圈C-C1产生的感应电动势：产生的感应电动势：uc(t)=Umcsin()cos t2. 测角器（测角器（6）令令Uc( )=Umcsin() 搜索线圈搜索线圈C-C1产生的感应电动势即产生的感应电动势即作为作为“测角器测角器”的输出，该的输出，该“误差信号误差信号”将使将使“伺服电机伺服电机”带动搜索线圈转动带动搜索线圈转动，一直到最小值方向对准导航台为止。，一直到最小值方向对准导航台为止。 当当uc(t)=0，即，即 = （Uc( )的最小值的最小值方方向对准了向对准了NDB台）台）时，时，搜索线圈停止转搜索线圈停止转动。动。 搜索

26、线圈的转动通过电磁指示器（搜索线圈的转动通过电磁指示器（RMI）的）的“同步发送器同步发送器”，使，使RMI的指的指针与搜索线圈同步转动。针与搜索线圈同步转动。中国民航大学 CAUC2.5 2.5 自动定向机工作原理自动定向机工作原理 3. RMI的组成及对方位的指示（的组成及对方位的指示（1）三个组成部分：三个组成部分： 第第1部分：部分： ，固定不动，与机头方固定不动，与机头方向一致向一致 第第2部分：指针，总是指向部分：指针，总是指向NDB/VOR台台 第第3部分：罗牌，随地磁而转动部分：罗牌，随地磁而转动中国民航大学 CAUC2.5 2.5 自动定向机工作原理自动定向机工作原理 3.

27、RMI的组成及对方位的指示（的组成及对方位的指示（2）NDB中国民航大学 CAUC2.5 2.5 自动定向机工作原理自动定向机工作原理 3. RMI的组成及对方位的指示（的组成及对方位的指示（3）指针尾部所指的为飞机的磁方位角指针尾部所指的为飞机的磁方位角 1指针头部所指的为指针头部所指的为NDB台的磁方位角台的磁方位角 2 对应的读数为飞机的磁航向对应的读数为飞机的磁航向 4 与指针头部之间的顺时针夹角为相对方位角与指针头部之间的顺时针夹角为相对方位角 3中国民航大学 CAUC2.5 2.5 自动定向机工作原理自动定向机工作原理 4. RDMI的组成及对方位的指示的组成及对方位的指示中国民航

28、大学 CAUC2.5 2.5 自动定向机工作原理自动定向机工作原理 5. ADF的方位信息在的方位信息在EFIS上的显示画面上的显示画面EFIS:电子飞行仪表系统电子飞行仪表系统中国民航大学 CAUC2.5 2.5 自动定向机工作原理自动定向机工作原理 6. 接收机的工作过程（接收机的工作过程（1）u1(t)=Um1sin()cos tu2(t)=Um2sin()sin tu3(t)=Um3cos tu4(t)=Um4sin()cos tsin tu5(t)=Um5sin t645455( )( )( ) =1sin()cossinmmmu tu tu tUUttUM型测型测向信号向信号中国民航大学 CAUC2.5 2.5 自动定向机工作原理自动定向机工作原理 6. 接收机