无线电导航 第二次课

无线电导航原理与系统NavigationPrinciplesandSystems黄恒一

第1章无线电导航基本理论1.1无线电导航的定义与任务1.2无线电导航的发展简史和发展趋势1.3常见陆基无线电导航的简介1.4无线电导航系统的布局NavigationPrinciplesandSystems1.5无线电导航实现的基础1.6无线电导航信号的传播方式1.1无线电导航的定义与任务一、导航与无线电导航的定义在各种复杂的气象条件下，采用最有效的方法并以规定的RNP（所需导航性能）引导航行体（飞机、导弹、宇宙飞船、船舶、车辆等）以及个人从出发点到目的地的过程称为导航。

无线电导航指利用无线电技术实现的对航行体的导航。用以实现无线电导航的装置即为无线电导航系统。二、无线电导航的任务1）引导航行体飞离航线起点，进入并沿预定航线航行；2）引导航行体在夜间和各种复杂气象条件下安全着陆或进港；3）为航行体准确、安全完成航行任务提供所需的其他导引及情报咨询服务；4）确定航行体当前所处的位置及其航行参数（速度、加速度等）。1.1无线电导航的定义与任务1.2无线电导航的发展简史和发展趋势一、第一阶段（从20世纪初至二战前）自动定向机（ADF）－无方向信标（NDB）仪表着陆系统（ILS）无线电高度表（LRRA）四航道信标扇形无线电信标二、第二阶段（从二战至20世纪60年代初）（1）1.台卡系统（DECCA）主要用于航海；英国台卡导航仪公司研制；1937年提出，1944年研制成功；1954年开始普及（在欧洲应用最为广泛）；随着罗兰－C的建设和发展，台卡用户逐渐减少。1.2无线电导航的发展简史和发展趋势1.2无线电导航的发展简史和发展趋势二、第二阶段（从二战至20世纪60年代初）（2）2.罗兰系统（LORAN）主要用于航海，美国研制；罗兰－A，罗兰-C；罗兰－A1945年投入使用，上世纪80年代停用；罗兰－C1957年建成，1960年以后得到大力发展；罗兰－C目前还在使用。1.2无线电导航的发展简史和发展趋势二、第二阶段（从二战至20世纪60年代初）（3）3.奥米伽系统（OMEGA）用于航空与航海，美国研制；1947年设计，1975年在部分区域开始工作，1982年完成全部的建台工作；1997年奥米伽系统宣布关闭。1.2无线电导航的发展简史和发展趋势二、第二阶段（从二战至20世纪60年代初）（4）4.多普勒导航雷达自主式航空导航系统；1945年开始发展；20世纪50～70年代得到了广泛的应用。1.2无线电导航的发展简史和发展趋势二、第二阶段（从二战至20世纪60年代初）（5）5.甚高频全向信标（VOR）非常重要的民航测角导航系统，美国研制；1946年VOR成为美国标准航空导航系统；1949年被ICAO批准为国际标准航空导航系统；20世纪60年代，联邦德国研制成功多普勒VOR（DVOR）。1.2无线电导航的发展简史和发展趋势二、第二阶段（从二战至20世纪60年代初）（6）6.测距机（DME）非常重要的民航测距导航系统，英国研制；DME是在二战中随着雷达的发展而出现的；1949年被ICAO批准为国际标准航空导航系统；精密DME（DME/P）是微波着陆系统（MLS）的组成设备。对于民用航空，DME/P可与下滑台（GS）合装在一起，为飞机提供精确的距离信息。1.2无线电导航的发展简史和发展趋势二、第二阶段（从二战至20世纪60年代初）（7）7.战术空中导航系统－塔康（TACAN）军用测距测角系统，美国海军1955年研制；TACAN在功能上相当于民航的VOR和DME；TACAN台安装在航母或地面上，可为飞机同时提供距地面台（航母）的方位和距离信息；TACAN系统体积小，便于机动，在军事上得到了广泛应用。1.2无线电导航的发展简史和发展趋势三、第三阶段（从20世纪60年代中期至今）

1.广泛采用数字技术和计算机技术，提高已有的性能优良的导航系统的数字化程度，提高其导航性能，并使系统具备故障诊断能力。

2.发展组合导航系统，如INS/GNSS组合系统。

3.研制新的更先进的导航系统，如MLS、GPS、GLONASS、GALILEO、北斗卫星导航系统。

4.卫星导航系统的增强技术，如陆基增强系统（GBAS）、星基增强系统（SBAS）、飞机增强系统（ABAS）。14

机载无线电导航设备接收和处理导航台所发射的无线电波，从而获得导航参量，确定出飞机位置及飞往预定点的航向、时间，从而引导飞机沿选定航线安全、经济地完成规定的飞行任务。1.3常见陆基无线电导航简介优点：不受时间、天气限制；精度高；定位时间短，可以连续地、适时地定位；设备简单、可靠。15测角系统位置线为直线,如自动定向系统（ADF）、全向信标系统（VOR）。1.3常见陆基无线电导航简介16测距系统位置线为圆，如测距机（DME）。DME1.3常见陆基无线电导航简介

17测高系统位置线为等高线，如无线电高度表。1.3常见陆基无线电导航简介自动定向机（ADF)1819ADF概述自动定向机（ADF）是一种具有广泛用途的无线电导航设备，1925年开始试验，1927年首次使用。自动定向机（ADF）系统是一种导航辅助系统。ADF接收机使用来自地面站的调幅（AM）信号来计算ADF地面站相对于飞机纵轴的方位。ADF系统也接收标准调幅无线电广播。自动定向机的功用：

1.测量飞机到选择地面台的相对方位角（主要的），进行向台（TO）或背台（FROM）飞行。

2.收听气象报告和中波广播。20ADF系统组成地面发射台地面电台有两种：

NDB（或称为归航台），190～550kHz

标准中波广播电台，550～1750kHz机载设备定向接收机、控制盒、方位指示器、环形大线和垂直天线。选用中长波的原因

ADF定向主要使用地面波（天波，由于电离层变化，不稳定），中长波地波衰减少。21NDB地面台按用途分，地面导航台分为两种：航线导航台：装在航路上某些检查点上，供飞机在航线上定向和定位用。发射功率大：400W～1000W

工作距离远：≮150Km双归航台着陆系统：装在跑道中心延长线上，供飞机进近着陆用。（因需两个导航台，故称双归航台）通常，与外指点信标台安装在一起的，叫远台，一般兼做航线导航台用，发射功率大；与中指点信标台安装在一起的，叫近台。发射功率约100W，工作距离约50Km。22NDB地面台发射信号的方向性图：全向发射，故叫无方向信标（NDB）电波极化方向：垂直极化波台识别码发射：莫尔斯电码，由2～3个字母组成，发射速率20～30个字母/分；等幅报发射：键控等幅信号，莫尔斯电码点或划期间发射等幅载波。调幅报发射：载波连续发射，莫尔斯电码点或划期间键控1020Hz调幅。一般归航台以调幅方式发射识别码，防止载波中断引起ADF指针摆动。NDB地面台23ADF定向24机载ADF自动定向接收机、控制盒、方位指示器、环形天线/垂直天线25ADF机载设备26ADF机载设备安装位置27ADF控制面板28自动定向机的调谐和显示NmQDM210°MH170°HDGNDB导航台QDM210°29甚高频全向信标（VOR）30甚高频全向信标（VOR）VOR系统概念地面台与机载设备配合提供飞机相对地面台及地面台相对飞机的方位角的系统。磁航向、飞机的磁方位、VOR方位、相对方位31VOR的功用：测量飞机磁方位QDR。VOR系统的组成甚高频全向信标（VOR）地面设备机载VOR设备：控制盒、天线、接收机和指示器航路VOR台（A类）终端VOR台（B类）32航路VOR台（A类）频率112.00——118.00MHZ(频率间隔50KHZ)，功率200W，工作距离200NM。终端VOR台（B类）频率108.00——112.00MHZ(频率间隔50KHZ，小数点后第一位为偶数)，功率50W，工作距离25NM。注：VOR台的识别码都是三个英文字母甚高频全向信标（VOR）33甚高频全向信标（VOR）原理测量基准相位信号和可变相位信号的差。34VOR系统原理

机载接收机接收到两种信号后比较其相位差；

两种信号的相位差即为当时的飞机磁方位QDR.35VOR地面导航台36机载VOR设备天线、控制盒、VOR接收机、显示设备37VOR机载接收系统38机载VOR系统39VOR系统电路40VOR显示41仪表着陆系统(ILS)42仪表着陆系统---ILS作用：使用地面台和机载设备，能够对飞机进近到跑道提供水平、垂直和距离引导。系统组成：地面设备

机载设备

LOC水平引导VHFNAV接收机

G/S垂直引导

MB距离引导ILS系统类别43仪表着陆系统---ILSⅠ类设施的运用性能：在跑道视距不小于800m的条件下，以高的进场成功概率，能将飞机引导至60m的决断高度。Ⅱ类设施的运用性能：在跑道视距不小于400m的条件下，以高的进场成功概率，能将飞机引导至30m的决断高度。ⅢA类设施的运用性能：没有决断高度限制，在跑道视距不小于200m的条件下，着陆的最后阶段凭外界目视参考，引导飞机至跑道表面。因此目叫“看着着陆”（seetoland）。ⅢB类设施运用性能：没有决断高度限制和不依赖外界目视参考，一直运用到跑道表面，接着在跑道视距50m的条件下，凭外界目视参考滑行，因此目叫“看着滑行”（seetoxi）。ⅢC类设施的运用性能：无决断高度限制，不依靠外界目视参考，能沿着跑道表面着陆和滑行。44ILS系统组成由三部分组成：①航向信标（LOC）；②下滑信标（GS）；③指点标（MB）。LOC频率为108.1~111.95MHz，十分位奇数，以50KHz为增量；GS频率和LOC频率配套使用；MB频率为75MHz。MB为飞机提供距离跑道头的距离信息，OM常和远台安装在一起，MM常和近台安装在一起。45ILS地面台配置46ILS系统组成47仪表着陆系统原理48仪表着陆系统---ILS航向信标工作频率为108.10～111.95MHz范围中1/10MHz为奇数的频率，频率间隔50kHz，共有40个波道。下滑信标工作频率为329.15～335MHz的UHF波段，频率间隔150kHz，共有40个波道。指点信标工作频率为固定的75MHz。航向信标和下滑信标工作频率是配对工作的。495051无线电高度表（LRRA)52用来测量飞机离开地面的实际高度，提供预定高度和决断高度的声音和灯光信号。它是在进近着陆过程中保证飞行安全的重要设备。配合ILS完成着陆任务。系统的范围是－20到2500英尺。低高度无线电高度表LRRA--LowRangeRadioAltimeter无线电高度表（LRRA)功用53

无线电高度表是一种测距导航设备，利用普通雷达工作原理，以地面为反射体在飞机上发射电波，并接受回波以测定飞机到地面的高度。按测量范围分大高度表〉30000FT

小高度表LRRA

按测量方法分脉冲测距原理频率测距原理无线电高度表（LRRA)分类54无线电高度表原理无线电高度表的测高基础：测高原理：LRRA天线向地面发射无线电波，经地面反射后，再返回飞机。测高是测量电波往返传播的时间Δt。式中：H——飞机离地高度

c——电波传播速度因此，测高利用无线电的两个特性：无线电从地面的反射特性

电波传播速度是常数（3×108米/秒）55无线电高度表工作原理56无线电高度表工作原理57无线电高度表工作原理58无线电高度表工作原理59无线电高度表工作原理60无线电高度表工作原理61无线电高度表系统概况无线电高度表的类型根据测量电波传播时间Δt的方法不同，可分为：普通FMCW高度表属于频率无线电测距系统等差频FMCW高度表

脉冲式高度表属于脉冲测距系统62无线电高度表的组成LRRA系统包括：发射天线宽波束（20～40°）方向性天线接收天线收/发机组件高度指示器无线电高度表63、典型无线电高度表的组成64无线电高度表指示65高度在EADI上的显示66机载无线电高度表67测距机(DME)68系统概述系统功用:测量飞机与地面测距信标台之间的斜距。斜距信息在飞机导航中用途定位航路间隔近进到机场避开保护空域在指定位置等待计算地速和到台时间69系统组成机载----询问器地面----应答机70DME系统概述DME工作频率：962-1213MHz252个波道波道间隔1MHz

测距信标台的发射频率比询问频率高或低63MHz。DME机载询问器---询问频率：1025-1150MHz

波道间隔1MHZ—126个波道采用频率复用技术---即相同X、Y波道：载频相同，脉冲对中脉冲间隔不同。询问信号格式：脉冲对间隔（脉冲对重复频率）是随机抖动的（在一个中心值附近随机变化）。71DME系统概述DME地面应答器---应答频率：

962-1213MHZ，波道间隔1MHZ126个X波道

126个Y波道共有252个波道询问应答波道配合工作应答信号格式：72询问应答信号频率关系询问频率与应答频率的关系无论询问还是应答信道频率间隔都是1MHz，任何一个信道的发送与接收频率均差为63MHz。73频率配对74频率配对表75DME系统的工作原理机载询问器—发射询问信号地面应答器---接收询问信号、延时、处理地面应答器---发射应答信号机载询问器---接收应答信号机载询问器---处理、计算、输出76DME距离显示1.4无线电导航系统的布局利用运动体上的电子设备接收和处理无线电波来获得导航参数，确定航行体的位置，引导运动体沿规划航线、在规定时间到达目的地的航行技术现代航空中，最基本、核心的导航手段是无线电导航。没有无线电导航，就没有现代航空！一、地面无线电导航系统的布局（1）1.

航路上的导航系统（导航台）1.4无线电导航系统的布局

NDB，VOR，DME地理坐标（经度，纬度）工作频率识别码（没有识别码，就没有地面信标！）工作时间1.4无线电导航系统的布局一、地面无线电导航系统的布局（2）2.

终端区导航系统引进系统：ADF-NDB，VOR，DME着陆系统：ILS，MLS，GBAS1.4无线电导航系统的布局二、机载无线电导航系统的布局（1）1.4无线电导航系统的布局二、机载无线电导航系统的布局（2）1.5无线电导航实现的基础一、无线电导航的依据无线电导航的基本任务是：测距和测向1）在同一介质中，无线电波按直线传播；2）在同一介质中，无线电波的传播速度为常数；3）无线电波具有反射性。无线电波的上述3个基本特性为测距和测角奠定了基础。1.5无线电导航实现的基础二、无线电导航的定位方法（1）1.

定位NNAB

B

AMLALB飞机离导航台的距离越远，由测角误差导致的飞机位置误差将迅速增大。1.5无线电导航实现的基础二、无线电导航的定位方法（2）2.

定位NABMCrArBrCLALBLC飞机离导航台的距离越远，由测距误差导致的飞机位置误差的增大比

定位法的小。1.5无线电导航实现的基础二、无线电导航的定位方法（3）3.

定位N

MLALBVOR/DME

定位误差介于

定位法与

定位法之间。1.5无线电导航实现的基础三、机载导航系统的基本结构确定位置推算位置无线电导航传感器惯性导航传感器最佳位置估算位置速度下一航路点计算机距离，方位控制信号至显示器至自动驾驶仪1.6无线电导航信号的传播方式一、无线电频段划分及导航信号所占频谱序号频段名称甚低频（VLF）波段名称3～30kHz12346785频率范围低频（LF）中频（MF）高频（HF）甚高频（VHF）超高频（UHF）特高频（SHF）极高频（EHF）30～300kHz300kHz～3MHz3MHz～30MHz30MHz～300MHz300MHz～3GHz3～30GHz30～300GHz甚长波长波中波短波超短波分米波