航空电子导航教材

航空电子导航设备北京航空航天大学电子信息工程学院北京航空航天大学电子信息工程学院－航空电子导航设备课件

机载无线电导航设备是航空导航的主要技术手段之一，也是当代电子学及电子工程广泛应用与发展的重要领域。无线电导航是利用载体上的电子设备接收和处理无线电波得到载体的导航参量。它具有不受时间天气的限制、测量精度高、定位时间短、设备简单、可靠等优点，因此得到了广泛的应用和发展。无线电导航的主要缺点式其发射的无线电波易被发现，接收的无线电波易受干扰。北京航空航天大学电子信息工程学院－航空电子导航设备课件主要内容第一章：无线电导航第二章：无线电罗盘第三章：雷达原理第四章：无线电高度表第五章：多普勒雷达第六章：其它电子导航设备北京航空航天大学电子信息工程学院－航空电子导航设备课件参考文献杰里L.伊伏斯,爱德华K.里迪[美]编，卓荣邦等译.现代雷达原理.电子工业出版社,1991.毛士艺,李少洪等.脉冲多普勒雷达.国防工业出版社,1990.G.V.莫里斯[美]等，季节，许伟武译.机载脉冲多普勒雷达.航空工业出版社，1990.曹志刚,钱亚生.现代通信原理.清华大学出版社,1992.以光衢,刘惠彬,关德新,郑玉簋等.航空机载电子系统与设备.北京航空航天大学出版社,1997.马晓岩,向家彬.雷达信号处理.湖南科学技术出版社,1999.王小谟,张光义.雷达与探测—现代战争的火眼金睛.国防工业出版社,2000.向敬成,张明友.雷达系统.电子工业出版社,2001.魏光顺,郑玉簋,张欲敏.无线电导航原理.东南大学出版社,1989.北京航空航天大学电子信息工程学院－航空电子导航设备课件第一章无线电导航

无线电导航的基本概念无线电导航技术的发展简史无线电导航系统的分类常用无线电导航系统电磁波的传播北京航空航天大学电子信息工程学院－航空电子导航设备课件无线电导航的基本概念

早期的飞行器在空中飞行仅依靠地标导航--飞行中盯着公路、铁路、河流等线状地标；山峰、灯塔、公路交汇点等点状地标；湖泊、城镇等面状地标。后来，空勤人员利用航空地图、磁罗盘、计算尺、时钟等工具和他们的天文、地理、数学知识，根据风速、风向计算航线角，结合地标修正航线偏差，这种工作叫做“空中领航”。这种方法虽然“原始”，但航空先驱林伯当年就是依靠这些东西驾驶一架活塞式单发动机飞机“圣路易斯精神号”独自由美国西海岸起程，直接飞越大西洋到达巴黎的，他飞越茫茫大西洋时还通过观察海上的洋流、夜空中的星座来辨别方向、确定位置。空中领航学是飞行员的一门必修课，其核心是用矢量合成原理修正风对飞行航迹的影响。

随着无线电技术的发展，各式各样的电子设备为飞行器提供精确的导航信息：有用于洲际导航的奥米加导航系统（OMEGA）、适用于广阔海面的罗兰系统（LORAN-A，LORAN-C）、用于近距导航的甚高频全向无线电信标导航系统（VORTAC），另外还有一些专为军事用途开发的导航信标和雷达系统。现在，利用同步卫星工作的全球定位系统（GPS）已开始广泛使用。北京航空航天大学电子信息工程学院－航空电子导航设备课件

一、定义和任务

导航－－引导运载体（船舶、飞机、车辆等）以给定的精度，按计划航线从始发地安全、可靠地航行到目的地的过程。现代导航－－满足高精度、全天候、全球复盖、连续实时定位、自动驾驶、自动引导进出港、交通管理以及一些特殊应用（营救、识别、侦察等）方面使用要求的新型导航。

无线电导航－－利用无线电技术对飞机的航行过程实现的导航。可在复杂的气象条件及能见度不良情况下一种有效的导航方法。

导航技术－－应用于导航的信息产生、传输、接收处理及终端显示等有关技术。北京航空航天大学电子信息工程学院－航空电子导航设备课件无线电导航系统－－能够完成一定的无线电导航任务的技术装置组合。无线电导航的任务包括：

导引运动载体沿既定航线航行；确定运动载体的当前位置及其航行参数；导引运动载体在夜间和复杂气象条件下安全着陆北京航空航天大学电子信息工程学院－航空电子导航设备课件

二、基本原理

1、无线电定位物理基础

测向测距探测2.无线电定位的几何原理及方法

2）无线电定位分类基于无线电波传播的三个基本特性（1）在理想均匀媒质中，直线传播（2）在理想均匀媒质中，C=constant（3）在两种媒质界面上产生反射1）几何原理：飞机定位是通过运用无线电技术测量某些已知地理位置的导航点的几何参数来实现的。（1）测向法用无线电方法测定空间方向的过程，称无线电测向。测本机到两个导航台方位

二条位置线，相交即机位。北京航空航天大学电子信息工程学院－航空电子导航设备课件（2）测距法（3）测距差法距离差为常数的点轨迹是以两个导航台为焦点的双曲线位置线－－双曲线北京航空航天大学电子信息工程学院－航空电子导航设备课件无线电导航技术的发展简史

从本世纪二十年代初，无线电技术开始用于导航到现在，与惯性导航、天文导航等相比具有受外界条件限制较小、测量导航参数的精度高、速度快、可靠性高等。因此，无线电技术得到了迅速的发展，广泛用于航空、航海及航天领域中。无线电导航技术的发展过程大致经历了三个阶段：二次世界大战的早期阶段，首先出现的时给运动在体提供无线电台方位的无线电罗盘。接着又出现了定向器、四航道信标、扇形无线电信标（多区无线电信标）等无线电测向设备，这些设备主要来引导运动载体的出航、归航和按既定航线航行，而不是直接用于定位。二次大战开始至六十年代初是无线电导航技术的发展阶段。在这一阶段里，世界各国研制了名目繁多的各种无线电导航系统。其中迄今为止仍然得到广泛应用的有四十年代出现的甚高频全向信标(VOR)，距离测试设备(DME)，这两者的结合，构成了近程导航的极坐标定位系统(VOR/DME)，它能同时向运动载体提供相对地面导航台的方位和距离信息。另一种双曲线定位的近程导航系统台卡(DECCA)也得到了广泛的应用。为了在夜间和复杂气象条件下，保证飞机的安全着陆，研制生产了仪表着陆系统(ILS)和调频无线电高度表。北京航空航天大学电子信息工程学院－航空电子导航设备课件五十年代，美国为空军研制出用同一设备同时完成测向和测距功能的战术空中导航系统，简称为“太康”(TACAN)系统。随着飞机与航船航程的增加，相应出现了远程导航系统。其中广泛得到使用的有“劳兰（LORAN）”系统和“奥米加（OMEGA）”系统。此外，多普勒导航雷达也作为自主式远航程导航系统得到应用。六十年代出现了第一代卫星导航系统—“子午仪”系统，可在全球范围内对舰船进行定位导航，目前正在布置的全球定位系统(GPS)，可以对包括航天飞机在内的各种航行体提供全球范围的精密导航定位。随着交通运输量的加大，在机场（港口）区域的交通管制任务日趋繁重，飞机、舰船的引进着陆或进港的定位精度要求越来越高。为了满足这些要求，相应的出现了各种自动化的航管系统和微波着陆系统。随着电子技术的发展，运动载体上电子设备的数量急剧增加。为了减小设备数量，避免相互间的电磁干扰，出现了多功能（通信、导航、识别等）电子系统。新阶段的另一特点是广泛采用数字技术和计算及技术，使原有的导航系统的测量精度与自动化程度显著提高。北京航空航天大学电子信息工程学院－航空电子导航设备课件无线电导航系统的分类按有效作用距离划分近程导航系统，其有效作用距离在500公里之内；远程导航系统，共有效作用距离大于500公里。按所测量的电气参量划分振幅式无线电导航系统；相位式无线电导航系统；频率式无线电导航系统；脉冲(时间)式无线电导航系统。按所测量的几何参量或位置线的几何形状划分测角无线电导航系统(直线无线电导航系统)；测距无线电导航系统(圆周无线电导航系统)；测距差无线电导航系统(双曲线无线电导航系统)。北京航空航天大学电子信息工程学院－航空电子导航设备课件按无线电导航系统的组成情况划分自主式(自备式)无线电导航系统，它仅包括运动载体上的无线电导航设备；非自主式(他备式)无线电导航系统，它的组成包括运动载体上的无线电导航设备和运动载体外的无线电导航台(站)。按无线电导航台(站)的安装地点划分陆基无线电导航系统：导航合(站)安装在地面(包括海上)的无线电导航系统；空基无线电导航系统：导航台(站)安装在飞机上的无线电导航系统；星基无线电导航系统：导航台(站)安装在人造卫星上的无线屯导航系统。北京航空航天大学电子信息工程学院－航空电子导航设备课件常用无线电导航系统罗兰(LORAN)系统；奥米加(Omega)系统；自动测向器(ADF)；甚高频全相信标(VOR)；测距器(DME)；塔康(TACAN)系统；多普勒(DOP)导航系统；空中交通管理(ATC)系统；仪表着陆系统(ILS)；微波着陆系统(MLS)；精密进近雷达(PAR)；无线电高度表；气象雷达；全球定位系统(GPS)；北京航空航天大学电子信息工程学院－航空电子导航设备课件电磁波的传播频率从几十Hz（甚至更低）到3000GHz左右（波长从几十Mm到0.1mm左右)频段范围内的电磁波，称为无线电波。发射天线或自然辐射源所辐射的无线电波，通过自然条件下的媒质到达接收天线的过程，就称为无线电波的传播。在传播过程中，无线电波有可能受到反射、折射、绕射、散射和吸收，并可能引起无线电信号的畸变。为了确定无线电导航系统的频率、功率、增益、灵敏度、信号噪声比、导航精度等指标，就需要对无线电波的传播特性有所了解。无线电波的频率，根据它们的特点可以划分为下列几个波段，不同波段无线电波的传播特性有很大差别。北京航空航天大学电子信息工程学院－航空电子导航设备课件无线电波频段划分序号频段名称频段范围波段名称123456789101112极低频超低频特低频甚低频（VLF）低频（LF）中频（MF）高频（HF）甚高频（VHF）特高频（UHF）超高频（SHF）极高频（EHF）超极高频3～30Hz30～300Hz300～3000Hz3～30KHz30～300KHz300～3000KHz3～30MHz30～300MHz300～3000MHz3～30GHz30～300GHz300～3000GHz极长波超长波特长波甚长波长波中波短波米波分米波

微厘米波毫米波亚毫米波波北京航空航天大学电子信息工程学院－航空电子导航设备课件无线电波在自由空间内的传播所谓自由空间，通常是指充满均匀，无耗媒介的无限空间。这种空间具有各向同性、电导率为零、相对介电系数和相对磁导率恒为一的特点。设一点源天线（无方向性天线）置于自由空间中，若天线辐射功率Pr（W），均匀地分布在以点源天线为中心的球面上。离开天线r处的球面面积为，则此球面上的功率流密度（坡印廷矢量值）为

在离开天线为r处的电场强度的值可由电磁场的基本方程（即麦克斯韦方程组）解得为对于方向性天线，若以表示天线的方向系数，其作用相当于在天线的最大辐射方向上把辐射功率提高到倍。因此北京航空航天大学电子信息工程学院－航空电子导航设备课件传播媒介对电波传播的影响在电波传播空间中存在的媒介将对所传播的信号产生各种影响。使得通过它传输的电信号也随之产生附加的相应变化。（1）传输损耗电波传播过程中，由于媒质对电波的吸收式散射，或是存在障碍物时造成的绕射影响，都会使接收点场强小于自由空间时的场强。（2）衰落现象一般是指信号电平（或传输损耗）由于传输媒介的随机变化所造成的随时间的随机起伏。造成衰落的一个原因可以是由于传输媒介电参数的变化使之对电波能量的吸收作用不同而产生的吸收型衰落，也可以是由于两点之间信号有若干条传输路径产生的随机多经干涉现象造成的干涉型衰落。信号的衰落现象对导航系统获取信息的可靠性会产生严重的影响。（3）传输失真无线电波通过媒介传输时，由于媒介的等效相对介电系数可以是频率的函数，因此，不同频率无线电波的传输速度将不同，也将不能保持发射时的相位关系，从而引起波形失真。这种失真称为色散效应。此外，当存在多径传输时信号波形将产生明显的畸变。（4）传播方向的变化电波在自由空间内传播时，是沿直线传播的。但在实际传播路径中，电波可能通过不同的媒介，即使在同一媒介中传播，媒介也可以是不均匀的。因此由于电波的折射、散射和绕射将使接收到的电波方向发生变化。（5）干扰与噪声的影响热噪声（导体中带电粒子在一定温度下的随机运动引起），串噪声（调制信号通过非线性元件所引起），干扰噪声。北京航空航天大学电子信息工程学院－航空电子导航设备课件电波传播的方式地面波传播对于频率低于几MHz的无线电波，当天线架于地面，且最大辐射方向沿地面时，无线电波主要沿地表面传播的方式。这种传播方式，信号稳定，没有多径效应，基本上不受气象条件的影响，但随着电波频率的增高传输损耗迅速加大。因此特别适宜于长波或超长波的传播。天波传播通常是指发射天线发出的电波在高空被电离层反射后到达接收点的传播方式，有时也称为电离层电波传播。长、中、短波都可以利用天波通讯。天波传播的主要特点是传输损耗小，但由于电离层是一种随机、色散，各向异性的媒介，电波在其中传播时会产生各种效应，例如多径传输、多普勒频移、极化面旋转，非相干散射等，都会对信号传输特别是对短波信号有较大的影响，有时还会因电离层暴等异常情况造成通讯中断。视距传播是指在发射天线和接收天线间能“看见”的距离内的传播方式。又称为直接波或空间波传播。在微波波段，由于频率很高，电波沿地面传播时衰减很大，遇到障碍时绕射能力很弱，投射到高空电离层时又不能反射回地面，因此视距传播是其主要传播方式。卫星导航卫星导航原理与组成全球卫星导航系统GPSGLONASSGalileo应用北京航空航天大学电子信息工程学院－航空电子导航设备课件导航卫星的优势采用同步卫星（间谍卫星）能够达到几百米的定位精度前提条件是：天气晴朗采用导航卫星能够达到5～10米的定位精度而且不依赖气象环境采用高精度测量定位技术可以完成对静止物体几厘米的定位精度北京航空航天大学电子信息工程学院－航空电子导航设备课件伪距测量原理一个卫星距离的测量一维空间两个点二维空间一个圆三维空间一个球伪距测量原理两个卫星距离的测量一维空间？？？二维空间两个点三维空间一个圆伪距测量原理三个卫星距离的测量一维空间？？？二维空间？？？三维空间两个点伪距测量原理唯一确定的定位结果一个定位结果在地球上一个定位结果在太空中因此只有一个定位结果是

有效的只需要三个卫星完成

定位？伪距测量原理距离的计算信号在TS从卫星上发射信号在TR时刻被接收机收到传输时间为TS-TR距离为（TS-TR）*光速时钟的误差上述算法必须要求发射机和接收机的时钟相同实际上，两者的时钟误差dT未知伪距测量原理引入第四个卫星未知参数：X，Y，Z，dT已知参数：D1，D2，D3，D4四个参数求解四个未知数29卫星导航系统的组成30空间段卫星星座在L波段上持续广播测距码通过地面天线（GA）更新星历和时钟数据由主控站（MCS）完成对卫星姿态和轨道的调整31用户段面向用户所有期望了解自身位置、方向和目的的用户群接收设备能够实时接收、解码和处理导航卫星信号可以独立工作，或者与其他系统集成工作实现功能种类众多导航精密定位授时姿态测量32控制段－1主控站（MasterControlStation，MCS）监控和管理导航卫星星座监控导航卫星健康状态通过监控站完成对卫星信息的跟踪完成对导航卫星星历和时钟误差的估计和预测通过地面天线定期上传导航电文33控制段－2监控站（MonitorStations，MS）对当前监控站上空的所有导航卫星进行监控接收所有卫星发送的测距码将接收到的数据传送给主控站（MCS）地面天线（GroundAntennas，GA）通过S波段将导航电文传送给导航卫星完全由主控站控制34为什么采用卫星导航？精度高可靠性高全球覆盖可靠性高定位频率高三维定位不受用户数限制平均价格低卫星导航卫星导航原理与组成全球卫星导航系统GPSGLONASSGalileo应用北京航空航天大学电子信息工程学院－航空电子导航设备课件36GNSS的定义GNSS与独立的卫星导航系统的不同在于：一个或者多个卫星导航星座接收机系统系统完好性检测系统为了提高卫星导航系统的精度，必要时可以采用增强系统37GNSS的主要构成核心卫星导航星座GlobalPositioningSystem(GPS)GLObalNAvigationSatelliteSystem(GLONASS)Galileo北斗增强系统空基增强系统(ABAS)星基增强系统(SBAS)地基增强系统(GBAS)卫星导航卫星导航原理与组成全球卫星导航系统GPSGLONASSGalileo应用北京航空航天大学电子信息工程学院－航空电子导航设备课件39GPS的里程碑1973项目开始1978开始发射试验卫星1989开始发射运行卫星1993具备初步作战能力（IOC）1994国际民航组织（ICAO）将GPS作为民用航空导航系统1995具备全面作战能力2000/05/01关闭SA干扰40GPSSPS定位服务41GPS空间段24个卫星等分为6个轨道平面轨道半径：26,561km周期：12小时轨道倾角：55度FreqL1:1575.42MHzFreqL2:1227.60MHzFreqL5:1176.45MHz测距技术：CDMA大地坐标系统：WGS-8442GPS卫星目前上空有36个卫星BlockIIA/IIRBlockIIR-M

目前已经发射20颗BlockIIF

即将发射（2010年5月）BlockIII43GPS控制段卫星导航卫星导航原理与组成全球卫星导航系统GPSGLONASSGalileo应用北京航空航天大学电子信息工程学院－航空电子导航设备课件45GLONASS里程碑1970项目开始1982发射试验卫星1990发射正式卫星1994具备初步作战能力（IOC）1996国际民航组织（ICAO）将GLONASS作为民用航空导航系统2010具备完全作战能力（FOC）46GLONASS特性47GLONASS空间段24个卫星均分在3个轨道平面轨道半径：25,478km周期：11.25小时轨道倾角：64.8FreqL1:1.6GHzFreqL2:1.2GHz测距技术：FDMA大地坐标系统：PZ-9048GLONASS卫星重量：1,30