第四講-無線電振幅導航系統(tǒng)

綜合導航技術上海海事大學應士君01二月20232023/2/1第四講無線電振幅導航系統(tǒng)2023/2/1一戰(zhàn)時，被用于引導船只的歸航和出航，并很快發(fā)展到對飛機的導航。振幅導航系統(tǒng)的缺點：測向（測角）精度不高振幅導航系統(tǒng)的發(fā)展：振幅系統(tǒng)還會繼續(xù)使用，但未來的發(fā)展將更多地采取組合方式，如與GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)結合；儀表著陸系統(tǒng)和微波著陸系統(tǒng)、衛(wèi)星著陸系統(tǒng)等組成的多模式接收機（MMR）。2023/2/1

一般概念無線電振幅導航系統(tǒng)：信號振幅←→導航參數（一般是角坐標）。振幅導航系統(tǒng)一般用于運載體的測向，通過自動測向儀引導飛機、船只朝向或離開導航臺，并可利用兩個或兩個以上的導航臺實現定位；或者通過儀表著陸系統(tǒng)實現飛機的下滑著陸功能。

2023/2/1無線電振幅導航系統(tǒng)地面導航臺（信標臺、航向（下滑）臺）運載體上的測向器（無線電羅盤或定向接收機）工作波段為長波、中波或短波，覆蓋范圍可達幾百千米發(fā)射有一定方向或全向無線電信號接收信號和實施定向2023/2/1運載體需要事先知道信標臺的準確的地理坐標、發(fā)射頻率、發(fā)射形式、臺站識別碼、工作時間等參數導航臺站的發(fā)射信號識別信號工作信號輔助信號識別地面導航臺測量導航參量傳送某些輔助信息角度測量的精度為±1°~±5°。2023/2/1利用載波信號振幅的調制深度變化進行測向利用載波信號振幅本身的變化來實現測向測角方法最大值法最小值法等信號比較法獲取角參量的方式E型M型2023/2/1方位θ的無線電測量法在E型方式中，無線電信號的調制深度保持不變，載波信號的幅度E與導航角參量θ建立起E＝E（θ）的依從關系；而M型工作方式則在其工作區(qū)內保持載波信號幅度大于規(guī)定的數值，用信號的調制深度m和θ建立起m＝m（θ）的關系。2023/2/1一、最大值法方向性圖的最大值處有一個機載測向器無法分辨的幅值范圍ΔU，所對應的角度區(qū)域稱為不靈敏區(qū)，要求天線的方向性圖足夠尖銳，并且輸入信噪比盡可能高。2023/2/1二、最小值法最小值法在零值點附近也存在不靈敏區(qū)φN，但該法的不靈敏區(qū)相對較小，其測向精度也比最大值法要高。另外當天線方向性圖的兩個波束采用不同的調制頻率時，可以比較容易地判斷出導航臺偏離最小值點軸線的方向。2023/2/1三、等信號法（比較信號）采用部分重合的雙針狀方向性圖天線，當兩個波束的接收信號相等時，即可獲得一條等信號線的方向。轉動天線，使天線兩個波束的接收信號強度相等，即可確定出導航臺的方位。其不靈敏區(qū)φN和測向精度均介于最大值法和最小值法之間，并且也能判斷出被測導航臺偏離等信號線的方向。2023/2/1最小值法——測量靈敏度和精度較高最大值法——信噪比最大，而天線制作的難易程度是最大值法較難等信號法——性能表現都是居中由于最小值法不靈敏區(qū)較小，在高頻、超高頻、甚高頻以及微波頻段，均可獲得所要求的方向性圖，因此應用場合較多。2023/2/1振幅導航系統(tǒng)的天線特性和信號特征一、環(huán)形天線的特性分析二、對方向性天線的要求在工作過程中方向性圖的形狀穩(wěn)定；靈敏度要高，不靈敏區(qū)間要小；天線的方向性圖在信號測量處的幅度變化率有要求；最后制作要簡單。2023/2/1設原點O處的電場強度為E=E0sinωt。整個環(huán)形天線的感應電動勢等于AB和CD邊內的感應電動勢之和，即e=eAB+eCD而eAB=E0hsin(ωt+πbcosθ/λ)eCD=-E0hsin(ωt-πbcosθ/λ)所以e=2E0hsin[(πbcosθ)/λ]?cosωt設沿地球表面?zhèn)鞑サ碾姴ǚ较騍k與環(huán)形天線平面的夾角為θ，根據電磁場理論，與Sk垂直的是電場E與磁場H。2023/2/1e=2E0hsin[(πbcosθ)/λ]?cosωt令Em=2E0hsin[(πbcosθ)/λ]則e＝Em?cosωt若b/λ<<1→Em=2E0

h(πb/λ)?cosθ，令Emmax＝(2πbh/λ)?E0，是個固定常數所以Em=Emmaxcosθ。該式反映了環(huán)形天線平面和電波傳播方向之間的夾角θ與感應電動勢的關系。矩形環(huán)形天線的感應電動勢（e＝Em·cosωt）超前于電場（E=E0sinωt）90°，并且當θ在-90°~+90°之間時，感應電動勢為正值；θ在90°~270°時，電動勢為負值。2023/2/1環(huán)形天線的“8”字形方向性圖有最小值，可采用最小值法測向，并且結構簡單、容易制作、體積小、質量輕，適宜于在運載體上安放，一般工作于中、短波段的測向系統(tǒng)中。分集天線的方向性圖與環(huán)形天線基本一致。2023/2/1E型測向信號的形成及其特征設地面導航信標臺---→全向信號，而無線電測向器天線的方向性函數為F(θ)

：導航臺發(fā)射等幅波，則E型測向器接收到的信號為e=EmmaxF(θ)cosωt=Em(θ)cosωt導航臺發(fā)射調幅波，則測向器接收的信號應為

e=Em(θ)[1+mcosΩt]cosωtE型測向信號的特點是接收信號的載波幅值均與角度θ有關，將隨角度θ的改變而變化；而信號的調制系數m保持不變，與θ無關。2023/2/1M型測向信號的形成及其特征M型測向信號的特點是載波信號的幅值保持不變；而調制系數仍隨角度θ的變化而改變，即調幅信號包絡的大小，隨測向器相對信標臺的方位不同而變化。=E1mcosωte2=E2mF(θ)cosωte2=E2mF(θ)cos(ωt＋90°)

e′2=E2mF(θ)cosΩtcosωt疊加電路的信號輸出為一調幅波：e1+e′2=E1m[1+m(θ)cosΩt]cosωt

式中m(θ)=F(θ)?E2m/E1m

2023/2/12.2無線電羅盤測向系統(tǒng)2.2.1系統(tǒng)簡介2.2.2無方向無線電信標2.2.3機載無線電自動定向儀2.2.4無線電羅盤在航空導航中的應用2.2.5無線電振幅導航系統(tǒng)的測向誤差2.2.6系統(tǒng)簡單評價2023/2/12.2.1系統(tǒng)簡介工作頻率一般在150～1800kHz范圍內，屬于中波、長波或短波波段，功率在500W左右。作用距離一般可達幾百千米，典型為250～350km。系統(tǒng)的測向精度可達到2°左右。系統(tǒng)組成無線電羅盤（RadioCompass）機載無線電自動定向儀（ADF）地面導航臺無方向性信標（NDB）M型最小值法臺站識別信號采用1020Hz調制的兩個英文字符的莫爾斯碼格式2023/2/12.2.2無方向無線電信標利用無方向性天線發(fā)射信號，用測向儀接收指示信號利用有一定方向性的天線發(fā)射信號，可用一般收音機或專用接收指示器接收并測定方向無線電測向信標無方向信標定向性指向標航路信標臺儀表著陸系統(tǒng)信標臺2023/2/1無方向無線電信標方框圖無方向無線電信標臺具有準確的地理坐標位置，定期發(fā)射無線電信號，包括測向、識別和語音信號。三種基本工作狀態(tài)：等幅波方式——用于測向；調幅波方式——用于測向和臺站識別；語音方式——用于測向和通話。由控制臺實現狀態(tài)之間的轉換。2023/2/1無方向信標的調幅波信號無方向信標的等幅波信號2023/2/12.2.3機載無線電自動定向儀1.基本組成及工作狀態(tài)自動定向儀包括三種主要工作狀態(tài)：ADF（自動測向）——由垂直天線和環(huán)形天線聯(lián)合接收信號進行自動測向；ANT（天線）——由垂直天線接收信號作為普通接收機使用；TEST（測試）——定向儀自檢，按下測試按鈕時，指示器應指示一規(guī)定的數值（一般為90°），以確定定向儀的工作是否正常。2023/2/1組合天線（環(huán)形＋垂直）機身下部前緩沖支柱后直九（武）直升機1.接收機；2.控制盒；3.組合天線；2.指示器。2023/2/1機載ADF所指示的角度是以飛機縱軸為基準，順時針轉到飛機與導航臺連線所形成的夾角，如圖所示（為60°的夾角）。要獲得導航臺相對于飛機的方位，還必須知道飛機的航向角，因此需要與磁羅盤等航向測量設備相結合。另外，為了獲取讀數的方便，飛機上常把磁羅盤與ADF的指示部分合在一起，稱為無線電磁指示器RMI（RadioMagneticIndicator）。2023/2/1二、基本原理=U1mcosωtu2=U2mF(θ)cosωtu1=U2mF(θ)cos(ωt＋90°)

u5=U2mF(θ)cosΩtcosωt＝cosΩt疊加電路的信號輸出為一調幅波：e1+e′2=E1m[1+m(θ)cosΩt]cosωt

式中m(θ)=F(θ)?E2m/E1m

=m(θ)cosΩt＝cosΩt2023/2/1三、關鍵技術和解決方法——雙值性的消除要確定信號e1和e2的相對相位，需要一個基準信號，利用無方向垂直天線（又稱判讀天線）。環(huán)形天線方向形圖若-90°<θ<90°，則e1超前于e2，通過伺服電機使環(huán)形天線逆時針旋轉，θ將逐漸增大，直至θ=90°時為止。

若90°<θ<270°時，情況相反。θ2023/2/12.用測角器代替環(huán)形天線的轉動在飛機上安裝兩個環(huán)形天線，相互垂直放置并且固定不動，可分別取與飛機的縱軸平行和垂直的方向，兩天線同時接收地面信標臺的信號。固定的環(huán)形天線及其方向性圖2023/2/1因此合成磁場即為兩環(huán)形天線合成電動勢的影射，其方向代表了無線電波的來波方向，并與基準方向即環(huán)形天線1的夾角為θ。在測角器內產生互相垂直的兩個感應磁場兩環(huán)形天線的感應電動勢測角器內兩場線圈的參數是按相同比例設計兩個磁場形成一個合成磁場2023/2/1測角器內的轉子在合成磁場的作用下轉動。搜索線圈產生的感應電動勢e=EmsinφLcosωt即活動線圈轉動時，φL變化導致e的變化規(guī)律與環(huán)型天線完全一樣，相當于環(huán)形天線在轉動。通過搜索活動線圈的轉動，代替了環(huán)形天線的轉動，實現了天線不動、方向性圖轉動的目的。2023/2/13.環(huán)形天線的安裝與伺服電機的轉動在飛機上安裝環(huán)形天線時，要求將穩(wěn)定的零值點朝向機頭方向，即“8”字形方向性圖的縱軸與飛機縱軸方向嚴格保持一致。具體實現方法是：使電波從機頭沿機身軸線射入，轉動測角器搜索線圈使其感應電勢消失，指示器指示零度，這樣即確定了機身軸線方向為基準方向。2023/2/1135Hz的本振信號接收機輸出的135Hz合成信號伺服電機激磁線圈控制線圈基準信號控制信號電機的轉動由這兩個信號的相對相位控制2023/2/12.2.4無線電羅盤在航空導航中的應用引導飛機出航，歸航和沿線飛行；和磁羅盤復合使用，利用雙信標定位；和磁羅盤復合引導飛機輔助著陸；在緊急情況下，借助同頻段的已知廣播電臺進行導航引導。2023/2/1一、出航、歸航和沿線飛行在無側風影響情況下，出航背臺飛行時，羅盤指示為1800，歸航向臺飛行時，羅盤指示為00。沿線飛行一般都是沿折線航線飛行，每個主要拐彎點不是機場就是航路信標點，所以沿線飛行多數也是背、向臺飛行。在有側風影響時，航跡方向（或地速方向）和飛機縱軸方向（航向）不一致，存在偏流角，這是在向臺飛行時特別要注意的，否則即使保持無線電羅盤00飛行，由于側風影響也會發(fā)生偏航。2023/2/1二、與磁羅盤復合應用2023/2/1與磁羅盤復合實現雙信標定位

無線電羅盤與磁羅盤復合可直接測得電臺磁方位角，可以建立一條直線位置線，如果分別（短時間內）測得兩個已知地理位置的信標臺磁方位角（或利用雙羅盤同時測得），便可以兩個已知點為基點建立兩條位置線，它們的交點便是飛機的位置。2023/2/1三、與磁羅盤復合引導飛機輔助著陸2023/2/1四、無線電羅盤的應急使用戰(zhàn)時當導航臺被破壞時，可以借助同頻段的、臺址確知的無線電廣播電臺信號進行應急引導和定位；當對空通信發(fā)生問題時，可通過無方向信標臺的話或報工作方式向飛機發(fā)送應急指揮（單向）信息。2023/2/12.2.5系統(tǒng)簡單評價優(yōu)點可連續(xù)自動工作，飛行員處于主動地位；只收不發(fā)，便于隱蔽；容量不受限制；設備簡單，可供各類飛機使用。缺點精度不高導航臺還有被敵人利用或假冒的危險對眼睛觀察依賴較大，即其著陸保障能力較低。2023/2/12.4測向誤差進行角度測量時，都不可避免地帶有一定的誤差Δθ，它是所測量角度值θA′與其真值θA之差，即Δθ=θA′－θA。2023/2/1測向誤差系統(tǒng)測向誤差產生的原因隨機測向誤差產生的原因盲區(qū)2023/2/1（一）、系統(tǒng)定向誤