航空電子導航

1概述航空電子學是研究電子技術在航空工程中應用的學科。它是在航空技術和電子技術發(fā)展過程中逐漸形成的。電子技術的主要成果都很快被應用到航空方面。由各種電子設備組成了航空電子系統(tǒng)，主要有航空通信、導航、雷達、自動飛行控制等。航空電子導航是指利用無線電引導飛行器沿規(guī)定航線、在規(guī)定時間達到目的地的航行技術。亦稱無線電導航。導航和定位密切相關，連續(xù)定位實質上就是導航。利用無線電波的傳播特性可測定飛行器的導航參量（方位、距離和速度），算出與規(guī)定航線的偏差，由駕駛員或自動駕駛儀操縱飛行器消除偏差以保持正確航線。2

發(fā)展概況

早期的飛機主要靠目視導航。20世紀20年代開始發(fā)展儀表導航。飛機上有了簡單的儀表，靠人工計算得出飛機當時的位置。30年代出現無線電導航，首先使用的是中波四航道無線電信標和無線電羅盤。40年代初開始研制超短波的伏爾導航系統(tǒng)和儀表著陸系統(tǒng)。50年代初慣性導航系統(tǒng)用于飛機導航。50年代末出現多普勒導航系統(tǒng)。60年代開始使用遠程無線電羅蘭C導航系統(tǒng)，作用距離達到2000公里。為滿足軍事上的需要還研制出塔康導航系統(tǒng)，后又出現伏爾塔克導航系統(tǒng)及超遠程的奧米加導航系統(tǒng)，作用距離已達到10000公里。1963年出現衛(wèi)星導航,70年代以后發(fā)展全球定位導航系統(tǒng)。

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導航方法導航的關鍵在于確定飛機的瞬時位置。確定飛機位置有目視定位、航位推算和幾何定位三種方法。

①目視定位：由駕駛員觀察地面標志來判定飛機的位置，這在起飛和著陸過程中特別需要。

②航位推算：根據已知的前一時刻飛機位置和測得的導航參數推算當時飛機的位置。例如根據測出的真實空速和飛機的航向，在給定風速和風向條件下利用航行速度三角形計算出地速，再把地速對時間進行積分，代入起始條件──前一時刻的位置，即可得到當時的飛機位置。多普勒雷達能直接測出地速和偏流角，經過積分也可得到飛機的位置。慣性導航實質上也是進行航位推算,由慣性元件測得加速度,經過兩次積分得到位置信息。航位推算是近代導航的主要方法，利用這種方法的導航系統(tǒng)只依靠飛機上的儀器而與外界無關，且不易受無線電干擾，可進行全球導航。

4③幾何定位：以某導航點為基準確定飛機相對于導航點的位置，從而定出飛機的位置線（即某些幾何參數如距離、角度保持不變的航跡）。再確定飛機相對于另一導航點的位置，定出另一條位置線。兩條位置線的交點就是飛機所在的位置。圖中示出三種位置線：相對方位角為恒值的位置線是一條通過導航點的直線；距離為恒值的位置線是以導航點為中心的圓周；到兩個導航點的距離差為恒值的位置線是雙曲線。也可用雷達來確定飛機的位置。5

導航系統(tǒng)

飛機導航系統(tǒng)依工作原理的不同可分為多種。

①儀表導航系統(tǒng)：利用飛機上簡單儀表所提供的數據通過人工計算得出各種導航參數。這些儀表是空速表、磁羅盤、航向陀螺儀和高度表等。后來由人工計算發(fā)展為自動計算而有了自動領航儀。各種簡單儀表也逐漸發(fā)展成為航向姿態(tài)系統(tǒng)和大氣數據計算機等。

②無線電導航系統(tǒng)：利用地面無線電導航臺和飛機上的無線電導航設備對飛機進行定位和引導。無線電導航系統(tǒng)按所測定的導航參數分為5類：測角系統(tǒng),如無線電羅盤和伏爾導航系統(tǒng)；測距系統(tǒng)，如無線電高度表和測距器(DME);測距差系統(tǒng),即雙曲線無線電導航系統(tǒng),如羅蘭C導航系統(tǒng)和奧米加導航系統(tǒng)；測角測距系統(tǒng),如塔康導航系統(tǒng)和伏爾-DME系統(tǒng)；測速系統(tǒng)，如多普勒導航系統(tǒng)。作用距離在400公里以內的為近程無線電導航系統(tǒng)，達到數千公里的為遠程無線電導航系統(tǒng),1萬公里以上的為超遠程無線電導航系統(tǒng)和全球定位導航系統(tǒng)。全球定位導航則借助于導航衛(wèi)星。此外，利用定向和下滑無線電信標可組成儀表著陸系統(tǒng)。

6③慣性導航系統(tǒng)：利用安裝在慣性平臺上的,3個加速度計測出飛機沿互相垂直的3個方向上的加速度,由計算機將加速度信號對時間進行一次和二次積分，得出飛機沿3個方向的速度和位移,從而能連續(xù)地給出飛機的空間位置。測量加速度也可不采用慣性平臺，而把加速度計直接裝在機體上，再把航向系統(tǒng)和姿態(tài)系統(tǒng)提供的信號一并輸入計算機，計算出飛機的速度和位移，這就是捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)。

④天文導航系統(tǒng)：以天體（如星體）為基準，利用星體跟蹤器測定水平面與對此星體視線間的夾角（稱為星體高度角）。高度角相等點構成的位置線是地球上的一個大圓。測定兩個星體的高度角可得到兩個大圓，它們的交點就是飛機的位置。

⑤組合導航系統(tǒng)：由以上幾種導航系統(tǒng)組合起來所構成的性能更為完善的導航系統(tǒng)。7無線電導航同其他定位、導航方法相比的優(yōu)點是：全天候，定位精度和可靠性較高，作用距離較遠，因而在導航技術中愈來愈占重要地位。但是無線電導航必須依靠導航臺的信息，易受自然或人為干擾，并且難免發(fā)生故障，因此不能完全代替航跡推算、陸標定位和天文定位等基本方法。

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導航設備或系統(tǒng)

無線電導航所使用的設備或系統(tǒng)有無線電羅盤、伏爾導航系統(tǒng)、塔康導航系統(tǒng)、羅蘭C導航系統(tǒng)、奧米加導航系統(tǒng)、多普勒導航系統(tǒng)、全球衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)等。

無線電信號中包含4個電氣參數:振幅、頻率、時間和相位。無線電波在傳播過程中，某一參數可能發(fā)生與某導航參量有關的變化。通過測量這一電氣參數就可得到相應的導航參量。根據所測電氣參數的不同，無線電導航系統(tǒng)可分為振幅式、頻率式、時間式（脈沖式）和相位式4種。也可根據要測定的導航參量將無線電導航系統(tǒng)分為測角（方位角或高低角）、測距、測距差和測速4種?，F代還根據無線電導航設備的主要安裝基地分為地基（設備主要安裝在地面或海面）、空基（設備主要安裝在飛行的飛機上）和衛(wèi)星基（設備主要裝在導航衛(wèi)星上）3種。根據作用距離分為近程、遠程、超遠程和全球定位4種。

9無線電導航測角系統(tǒng)

利用無線電波直線傳播的特性，將飛機上的環(huán)形方向性天線轉到使接收的信號幅值為最小的位置，從而測出電臺航向(見無線電羅盤)，這屬于振幅式導航系統(tǒng)。同樣，也可利用地面導航臺發(fā)射迅速旋轉的方向圖，根據飛機不同位置接收到的無線電信號的不同相位來判定地面導航臺相對飛機的方位角（見伏爾導航系統(tǒng)），這屬于相位式導航系統(tǒng)。測角系統(tǒng)可用于飛機返航（保持某導航參量不變，例如保持電臺航向為零，引導飛機飛向導航臺)。幾何參數（角度、距離等）相等點的軌跡稱為位置線。測角系統(tǒng)的位置線是直線(角度參量保持恒值的飛機所在錐面與地平面的交線)。測出兩個電臺的航向就可得到兩條直線位置線的交點，這交點就是飛機的位置（圖1）。1011無線電導航測距系統(tǒng)利用無線電波恒速直線傳播的特性。在飛機和地面導航臺上各安裝一套接收、發(fā)射機。飛機向地面導航臺發(fā)射詢問信號，地面導航臺接收并向飛機轉發(fā)回答信號。飛機接收機收到的回答信號比詢問信號滯后一定時間。測出滯后時間就可算出飛機與導航臺的距離。利用電波的反射特性，測定由地面導航臺或飛機的反射信號的滯后時間也可求出距離。無線電導航測距系統(tǒng)的位置線是一個圓周，它由地面導航臺等距的圓球位置面與飛機所在高度的地心球面相交而成。利用測距系統(tǒng)可引導飛機在航空港作等待飛行，或由兩條圓位置線的交點確定飛機的位置（圖2）。定位的雙值性（有兩個交點）可用第三條圓位置線來消除。測距系統(tǒng)可以是脈沖式的、相位式的或頻率式的。1213

無線電導航測距差系統(tǒng)在飛機上安裝一臺接收機，地面設置2～4個導航臺。各導航臺同步地（時間同步或相位同步）發(fā)射無線電信號，各信號到達飛機接收機的時間滯后與導航臺到飛機的距離成比例。測出它們到達的時間差就可求得距離差。與兩個定點保持等距離差的點的軌跡是球面雙曲面，因此這種系統(tǒng)的位置線是球面雙曲面與飛機所在高度的地心球面相交而成的雙曲線。利用3或4個地面導航臺可求得兩條雙曲線。根據兩條雙曲線的交點即可定出飛機的位置（圖3）。定位的雙值可用第三條雙曲線來消除?，F代使用的測距差系統(tǒng)大多是脈沖式或相位式的。1415

無線電導航測速系統(tǒng)這種系統(tǒng)大多是利用多普勒效應工作的。安裝在飛機上的多普勒導航雷達以窄波束向地面發(fā)射厘米波段的無線電信號。由于存在多普勒效應，飛機接收到由地面反射回來的信號頻率與發(fā)射信號頻率不同，存在一個多普勒頻移，測出多普勒頻移就可求出飛行器相對于地面的速度（見多普勒導航系統(tǒng)）。再利用飛機上垂直基準和航向基準給出的俯仰角和航向角，將徑向速度分解出東向速度和北向速度，分別對時間求積分即可得出飛機當時的位置。多普勒測速系統(tǒng)的位置線也是雙曲線，它是由等多普勒頻移的錐面與飛機所在高度的地心球面相交而成的。多普勒導航測速系統(tǒng)屬于頻率式。

16基礎知識無線電導航主要利用電磁波傳播的3個基本特性：①電磁波在自由空間的直線傳播。②電磁波在自由空間的傳播速度是恒定的。③電磁波在傳播路線上遇到障礙物時會發(fā)生反射。通過測量無線電導航臺發(fā)射信號(無線電電磁波)的時間、相位、幅度、頻率參量，可確定運動載體相對于導航臺的方位、距離和距離差等幾何參量，從而確定運動載體與導航臺之間的相對位置關系，據此實現對運動載體的定位和導航。17電磁波的傳播

頻率從幾十Hz（甚至更低）到3000GHz左右（波長從幾十Mm到0.1mm左右)頻段范圍內的電磁波，稱為無線電波。發(fā)射天線或自然輻射源所輻射的無線電波，通過自然條件下的媒質到達接收天線的過程，就稱為無線電波的傳播。在傳播過程中，無線電波有可能受到反射、折射、繞射、散射和吸收，并可能引起無線電信號的畸變。為了確定無線電導航系統(tǒng)的頻率、功率、增益、靈敏度、信號噪聲比、導航精度等指標，就需要對無線電波的傳播特性有所了解。無線電波的頻率，根據它們的特點可以劃分為下列幾個波段，不同波段無線電波的傳播特性有很大差別。18無線電波頻段劃分序號頻段名稱頻段范圍波段名稱123456789101112極低頻超低頻特低頻甚低頻（VLF）低頻（LF）中頻（MF）高頻（HF）甚高頻（VHF）特高頻（UHF）超高頻（SHF）極高頻（EHF）超極高頻3～30Hz30～300Hz300～3000Hz3～30KHz30～300KHz300～3000KHz3～30MHz30～300MHz300～3000MHz3～30GHz30～300GHz300～3000GHz極長波超長波特長波甚長波長波中波短波米波分米波

微厘米波毫米波亞毫米波波19無線電波在自由空間內的傳播所謂自由空間，通常是指充滿均勻，無耗媒介的無限空間。這種空間具有各向同性、電導率為零、相對介電系數和相對磁導率恒為一的特點。設一點源天線（無方向性天線）置于自由空間中，若天線輻射功率Pr（W），均勻地分布在以點源天線為中心的球面上。離開天線r處的球面面積為，則此球面上的功率流密度（坡印廷矢量值）為

在離開天線為r處的電場強度的值可由電磁場的基本方程（即麥克斯韋方程組）解得為對于方向性天線，若以表示天線的方向系數，其作用相當于在天線的最大輻射方向上把輻射功率提高到倍。因此20傳播媒介對電波傳播的影響

在電波傳播空間中存在的媒介將對所傳播的信號產生各種影響。使得通過它傳輸的電信號也隨之產生附加的相應變化。（1）傳輸損耗電波傳播過程中，由于媒質對電波的吸收式散射，或是存在障礙物時造成的繞射影響，都會使接收點場強小于自由空間時的場強。（2）衰落現象一般是指信號電平（或傳輸損耗）由于傳輸媒介的隨機變化所造成的隨時間的隨機起伏。造成衰落的一個原因可以是由于傳輸媒介電參數的變化使之對電波能量的吸收作用不同而產生的吸收型衰落，也可以是由于兩點之間信號有若干條傳輸路徑產生的隨機多經干涉現象造成的干涉型衰落。信號的衰落現象對導航系統(tǒng)獲取信息的可靠性會產生嚴重的影響。21（3）傳輸失真無線電波通過媒介傳輸時，由于媒介的等效相對介電系數可以是頻率的函數，因此，不同頻率無線電波的傳輸速度將不同，也將不能保持發(fā)射時的相位關系，從而引起波形失真。這種失真稱為色散效應。此外，當存在多徑傳輸時信號波形將產生明顯的畸變。（4）傳播方向的變化電波在自由空間內傳播時，是沿直線傳播的。但在實際傳播路徑中，電波可能通過不同的媒介，即