航空電子導(dǎo)航

1概述航空電子學(xué)是研究電子技術(shù)在航空工程中應(yīng)用的學(xué)科。它是在航空技術(shù)和電子技術(shù)發(fā)展過程中逐漸形成的。電子技術(shù)的主要成果都很快被應(yīng)用到航空方面。由各種電子設(shè)備組成了航空電子系統(tǒng)，主要有航空通信、導(dǎo)航、雷達(dá)、自動(dòng)飛行控制等。航空電子導(dǎo)航是指利用無線電引導(dǎo)飛行器沿規(guī)定航線、在規(guī)定時(shí)間達(dá)到目的地的航行技術(shù)。亦稱無線電導(dǎo)航。導(dǎo)航和定位密切相關(guān)，連續(xù)定位實(shí)質(zhì)上就是導(dǎo)航。利用無線電波的傳播特性可測(cè)定飛行器的導(dǎo)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(dòng)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(jī)主要靠目視導(dǎo)航。20世紀(jì)20年代開始發(fā)展儀表導(dǎo)航。飛機(jī)上有了簡(jiǎn)單的儀表，靠人工計(jì)算得出飛機(jī)當(dāng)時(shí)的位置。30年代出現(xiàn)無線電導(dǎo)航，首先使用的是中波四航道無線電信標(biāo)和無線電羅盤。40年代初開始研制超短波的伏爾導(dǎo)航系統(tǒng)和儀表著陸系統(tǒng)。50年代初慣性導(dǎo)航系統(tǒng)用于飛機(jī)導(dǎo)航。50年代末出現(xiàn)多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)。60年代開始使用遠(yuǎn)程無線電羅蘭C導(dǎo)航系統(tǒng)，作用距離達(dá)到2000公里。為滿足軍事上的需要還研制出塔康導(dǎo)航系統(tǒng)，后又出現(xiàn)伏爾塔克導(dǎo)航系統(tǒng)及超遠(yuǎn)程的奧米加導(dǎo)航系統(tǒng)，作用距離已達(dá)到10000公里。1963年出現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航,70年代以后發(fā)展全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)。

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導(dǎo)航方法導(dǎo)航的關(guān)鍵在于確定飛機(jī)的瞬時(shí)位置。確定飛機(jī)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(biāo)志來判定飛機(jī)的位置，這在起飛和著陸過程中特別需要。

②航位推算：根據(jù)已知的前一時(shí)刻飛機(jī)位置和測(cè)得的導(dǎo)航參數(shù)推算當(dāng)時(shí)飛機(jī)的位置。例如根據(jù)測(cè)出的真實(shí)空速和飛機(jī)的航向，在給定風(fēng)速和風(fēng)向條件下利用航行速度三角形計(jì)算出地速，再把地速對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，代入起始條件──前一時(shí)刻的位置，即可得到當(dāng)時(shí)的飛機(jī)位置。多普勒雷達(dá)能直接測(cè)出地速和偏流角，經(jīng)過積分也可得到飛機(jī)的位置。慣性導(dǎo)航實(shí)質(zhì)上也是進(jìn)行航位推算,由慣性元件測(cè)得加速度,經(jīng)過兩次積分得到位置信息。航位推算是近代導(dǎo)航的主要方法，利用這種方法的導(dǎo)航系統(tǒng)只依靠飛機(jī)上的儀器而與外界無關(guān)，且不易受無線電干擾，可進(jìn)行全球?qū)Ш健?/p>

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

導(dǎo)航系統(tǒng)

飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)依工作原理的不同可分為多種。

①儀表導(dǎo)航系統(tǒng)：利用飛機(jī)上簡(jiǎn)單儀表所提供的數(shù)據(jù)通過人工計(jì)算得出各種導(dǎo)航參數(shù)。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(jì)算發(fā)展為自動(dòng)計(jì)算而有了自動(dòng)領(lǐng)航儀。各種簡(jiǎn)單儀表也逐漸發(fā)展成為航向姿態(tài)系統(tǒng)和大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)等。

②無線電導(dǎo)航系統(tǒng)：利用地面無線電導(dǎo)航臺(tái)和飛機(jī)上的無線電導(dǎo)航設(shè)備對(duì)飛機(jī)進(jìn)行定位和引導(dǎo)。無線電導(dǎo)航系統(tǒng)按所測(cè)定的導(dǎo)航參數(shù)分為5類：測(cè)角系統(tǒng),如無線電羅盤和伏爾導(dǎo)航系統(tǒng)；測(cè)距系統(tǒng)，如無線電高度表和測(cè)距器(DME);測(cè)距差系統(tǒng),即雙曲線無線電導(dǎo)航系統(tǒng),如羅蘭C導(dǎo)航系統(tǒng)和奧米加導(dǎo)航系統(tǒng)；測(cè)角測(cè)距系統(tǒng),如塔康導(dǎo)航系統(tǒng)和伏爾-DME系統(tǒng)；測(cè)速系統(tǒng)，如多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)。作用距離在400公里以內(nèi)的為近程無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，達(dá)到數(shù)千公里的為遠(yuǎn)程無線電導(dǎo)航系統(tǒng),1萬公里以上的為超遠(yuǎn)程無線電導(dǎo)航系統(tǒng)和全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)。全球定位導(dǎo)航則借助于導(dǎo)航衛(wèi)星。此外，利用定向和下滑無線電信標(biāo)可組成儀表著陸系統(tǒng)。

6③慣性導(dǎo)航系統(tǒng)：利用安裝在慣性平臺(tái)上的,3個(gè)加速度計(jì)測(cè)出飛機(jī)沿互相垂直的3個(gè)方向上的加速度,由計(jì)算機(jī)將加速度信號(hào)對(duì)時(shí)間進(jìn)行一次和二次積分，得出飛機(jī)沿3個(gè)方向的速度和位移,從而能連續(xù)地給出飛機(jī)的空間位置。測(cè)量加速度也可不采用慣性平臺(tái)，而把加速度計(jì)直接裝在機(jī)體上，再把航向系統(tǒng)和姿態(tài)系統(tǒng)提供的信號(hào)一并輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算出飛機(jī)的速度和位移，這就是捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。

④天文導(dǎo)航系統(tǒng)：以天體（如星體）為基準(zhǔn)，利用星體跟蹤器測(cè)定水平面與對(duì)此星體視線間的夾角（稱為星體高度角）。高度角相等點(diǎn)構(gòu)成的位置線是地球上的一個(gè)大圓。測(cè)定兩個(gè)星體的高度角可得到兩個(gè)大圓，它們的交點(diǎn)就是飛機(jī)的位置。

⑤組合導(dǎo)航系統(tǒng)：由以上幾種導(dǎo)航系統(tǒng)組合起來所構(gòu)成的性能更為完善的導(dǎo)航系統(tǒng)。7無線電導(dǎo)航同其他定位、導(dǎo)航方法相比的優(yōu)點(diǎn)是：全天候，定位精度和可靠性較高，作用距離較遠(yuǎn)，因而在導(dǎo)航技術(shù)中愈來愈占重要地位。但是無線電導(dǎo)航必須依靠導(dǎo)航臺(tái)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(biāo)定位和天文定位等基本方法。

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導(dǎo)航設(shè)備或系統(tǒng)

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

無線電信號(hào)中包含4個(gè)電氣參數(shù):振幅、頻率、時(shí)間和相位。無線電波在傳播過程中，某一參數(shù)可能發(fā)生與某導(dǎo)航參量有關(guān)的變化。通過測(cè)量這一電氣參數(shù)就可得到相應(yīng)的導(dǎo)航參量。根據(jù)所測(cè)電氣參數(shù)的不同，無線電導(dǎo)航系統(tǒng)可分為振幅式、頻率式、時(shí)間式（脈沖式）和相位式4種。也可根據(jù)要測(cè)定的導(dǎo)航參量將無線電導(dǎo)航系統(tǒng)分為測(cè)角（方位角或高低角）、測(cè)距、測(cè)距差和測(cè)速4種。現(xiàn)代還根據(jù)無線電導(dǎo)航設(shè)備的主要安裝基地分為地基（設(shè)備主要安裝在地面或海面）、空基（設(shè)備主要安裝在飛行的飛機(jī)上）和衛(wèi)星基（設(shè)備主要裝在導(dǎo)航衛(wèi)星上）3種。根據(jù)作用距離分為近程、遠(yuǎn)程、超遠(yuǎn)程和全球定位4種。

9無線電導(dǎo)航測(cè)角系統(tǒng)

利用無線電波直線傳播的特性，將飛機(jī)上的環(huán)形方向性天線轉(zhuǎn)到使接收的信號(hào)幅值為最小的位置，從而測(cè)出電臺(tái)航向(見無線電羅盤)，這屬于振幅式導(dǎo)航系統(tǒng)。同樣，也可利用地面導(dǎo)航臺(tái)發(fā)射迅速旋轉(zhuǎn)的方向圖，根據(jù)飛機(jī)不同位置接收到的無線電信號(hào)的不同相位來判定地面導(dǎo)航臺(tái)相對(duì)飛機(jī)的方位角（見伏爾導(dǎo)航系統(tǒng)），這屬于相位式導(dǎo)航系統(tǒng)。測(cè)角系統(tǒng)可用于飛機(jī)返航（保持某導(dǎo)航參量不變，例如保持電臺(tái)航向?yàn)榱?，引?dǎo)飛機(jī)飛向?qū)Ш脚_(tái))。幾何參數(shù)（角度、距離等）相等點(diǎn)的軌跡稱為位置線。測(cè)角系統(tǒng)的位置線是直線(角度參量保持恒值的飛機(jī)所在錐面與地平面的交線)。測(cè)出兩個(gè)電臺(tái)的航向就可得到兩條直線位置線的交點(diǎn)，這交點(diǎn)就是飛機(jī)的位置（圖1）。1011無線電導(dǎo)航測(cè)距系統(tǒng)利用無線電波恒速直線傳播的特性。在飛機(jī)和地面導(dǎo)航臺(tái)上各安裝一套接收、發(fā)射機(jī)。飛機(jī)向地面導(dǎo)航臺(tái)發(fā)射詢問信號(hào)，地面導(dǎo)航臺(tái)接收并向飛機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)回答信號(hào)。飛機(jī)接收機(jī)收到的回答信號(hào)比詢問信號(hào)滯后一定時(shí)間。測(cè)出滯后時(shí)間就可算出飛機(jī)與導(dǎo)航臺(tái)的距離。利用電波的反射特性，測(cè)定由地面導(dǎo)航臺(tái)或飛機(jī)的反射信號(hào)的滯后時(shí)間也可求出距離。無線電導(dǎo)航測(cè)距系統(tǒng)的位置線是一個(gè)圓周，它由地面導(dǎo)航臺(tái)等距的圓球位置面與飛機(jī)所在高度的地心球面相交而成。利用測(cè)距系統(tǒng)可引導(dǎo)飛機(jī)在航空港作等待飛行，或由兩條圓位置線的交點(diǎn)確定飛機(jī)的位置（圖2）。定位的雙值性（有兩個(gè)交點(diǎn)）可用第三條圓位置線來消除。測(cè)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(dǎo)航測(cè)距差系統(tǒng)在飛機(jī)上安裝一臺(tái)接收機(jī)，地面設(shè)置2～4個(gè)導(dǎo)航臺(tái)。各導(dǎo)航臺(tái)同步地（時(shí)間同步或相位同步）發(fā)射無線電信號(hào)，各信號(hào)到達(dá)飛機(jī)接收機(jī)的時(shí)間滯后與導(dǎo)航臺(tái)到飛機(jī)的距離成比例。測(cè)出它們到達(dá)的時(shí)間差就可求得距離差。與兩個(gè)定點(diǎn)保持等距離差的點(diǎn)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(jī)所在高度的地心球面相交而成的雙曲線。利用3或4個(gè)地面導(dǎo)航臺(tái)可求得兩條雙曲線。根據(jù)兩條雙曲線的交點(diǎn)即可定出飛機(jī)的位置（圖3）。定位的雙值可用第三條雙曲線來消除?，F(xiàn)代使用的測(cè)距差系統(tǒng)大多是脈沖式或相位式的。1415

無線電導(dǎo)航測(cè)速系統(tǒng)這種系統(tǒng)大多是利用多普勒效應(yīng)工作的。安裝在飛機(jī)上的多普勒導(dǎo)航雷達(dá)以窄波束向地面發(fā)射厘米波段的無線電信號(hào)。由于存在多普勒效應(yīng)，飛機(jī)接收到由地面反射回來的信號(hào)頻率與發(fā)射信號(hào)頻率不同，存在一個(gè)多普勒頻移，測(cè)出多普勒頻移就可求出飛行器相對(duì)于地面的速度（見多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)）。再利用飛機(jī)上垂直基準(zhǔn)和航向基準(zhǔn)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(duì)時(shí)間求積分即可得出飛機(jī)當(dāng)時(shí)的位置。多普勒測(cè)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(jī)所在高度的地心球面相交而成的。多普勒導(dǎo)航測(cè)速系統(tǒng)屬于頻率式。

16基礎(chǔ)知識(shí)無線電導(dǎo)航主要利用電磁波傳播的3個(gè)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(shí)會(huì)發(fā)生反射。通過測(cè)量無線電導(dǎo)航臺(tái)發(fā)射信號(hào)(無線電電磁波)的時(shí)間、相位、幅度、頻率參量，可確定運(yùn)動(dòng)載體相對(duì)于導(dǎo)航臺(tái)的方位、距離和距離差等幾何參量，從而確定運(yùn)動(dòng)載體與導(dǎo)航臺(tái)之間的相對(duì)位置關(guān)系，據(jù)此實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)載體的定位和導(dǎo)航。17電磁波的傳播

頻率從幾十Hz（甚至更低）到3000GHz左右（波長(zhǎng)從幾十Mm到0.1mm左右)頻段范圍內(nèi)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(zhì)到達(dá)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(hào)的畸變。為了確定無線電導(dǎo)航系統(tǒng)的頻率、功率、增益、靈敏度、信號(hào)噪聲比、導(dǎo)航精度等指標(biāo)，就需要對(duì)無線電波的傳播特性有所了解。無線電波的頻率，根據(jù)它們的特點(diǎn)可以劃分為下列幾個(gè)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(hào)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(zhǎng)波超長(zhǎng)波特長(zhǎng)波甚長(zhǎng)波長(zhǎng)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(nèi)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(dǎo)率為零、相對(duì)介電系數(shù)和相對(duì)磁導(dǎo)率恒為一的特點(diǎn)。設(shè)一點(diǎn)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(diǎn)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(chǎng)強(qiáng)度的值可由電磁場(chǎng)的基本方程（即麥克斯韋方程組）解得為對(duì)于方向性天線，若以表示天線的方向系數(shù)，其作用相當(dāng)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(duì)電波傳播的影響

在電波傳播空間中存在的媒介將對(duì)所傳播的信號(hào)產(chǎn)生各種影響。使得通過它傳輸?shù)碾娦盘?hào)也隨之產(chǎn)生附加的相應(yīng)變化。（1）傳輸損耗電波傳播過程中，由于媒質(zhì)對(duì)電波的吸收式散射，或是存在障礙物時(shí)造成的繞射影響，都會(huì)使接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)小于自由空間時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)。（2）衰落現(xiàn)象一般是指信號(hào)電平（或傳輸損耗）由于傳輸媒介的隨機(jī)變化所造成的隨時(shí)間的隨機(jī)起伏。造成衰落的一個(gè)原因可以是由于傳輸媒介電參數(shù)的變化使之對(duì)電波能量的吸收作用不同而產(chǎn)生的吸收型衰落，也可以是由于兩點(diǎn)之間信號(hào)有若干條傳輸路徑產(chǎn)生的隨機(jī)多經(jīng)干涉現(xiàn)象造成的干涉型衰落。信號(hào)的衰落現(xiàn)象對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)獲取信息的可靠性會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。21（3）傳輸失真無線電波通過媒介傳輸時(shí)，由于媒介的等效相對(duì)介電系數(shù)可以是頻率的函數(shù)，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(shí)的相位關(guān)系，從而引起波形失真。這種失真稱為色散效應(yīng)。此外，當(dāng)存在多徑傳輸時(shí)信號(hào)波形將產(chǎn)生明顯的畸變。（4）傳播方向的變化電波在自由空間內(nèi)傳播時(shí)，是沿直線傳播的。但在實(shí)際傳播路徑中，電波可能通過不同的媒介，即