無線電導(dǎo)航基本原理(1-2)第2章

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1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,第二章無線電導(dǎo)航基本原理,2.1,角測(cè)量原理,2.2,距離測(cè)量原理,2.3,定位原理,2.4,時(shí)間同步,2.5,無線電導(dǎo)航系統(tǒng)工作區(qū),無線電導(dǎo)航,通過測(cè)量電磁波在空間傳播時(shí)的電信號(hào)參量（如電波的,幅度、頻率及相位,等）進(jìn)行。,構(gòu)建機(jī)制,使得實(shí)際中測(cè)量的無線電,電參量,與幾何上的角度（電臺(tái)方位角、載體姿態(tài)角）、距離（距離、距離差、和）等,幾何參量,建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，這些參量稱為,導(dǎo)航幾何參量,。,常用的導(dǎo)航幾何參量,角度,距離,導(dǎo)航通常是相對(duì)于某一具體目的地而言的，因此用空間,極坐標(biāo),（角度和距離）是,方便和合理

2、,的，也是,便于,無線電,測(cè)量,的。主要介紹上述兩類基本,幾何參量,的,電測(cè)量原理,及,導(dǎo)航定位,方法。,2.1,角測(cè)量原理,導(dǎo)航中的角參量可以分為兩類：,一類是用于描述,載體與導(dǎo)航臺(tái)站,之間的,相對(duì)角度,關(guān)系的，如電臺(tái)方位，跑道方位等；,另一類用于描述載體的,飛行狀態(tài),，如航向、俯仰、橫滾等。,角度測(cè)量?jī)煞N方法：,振幅法和相位法,振幅法主要用于,第一類角,的測(cè)量,相位法根據(jù)系統(tǒng)構(gòu)制不同可以進(jìn)行兩類角的測(cè)量。,2.1.1,、振幅法,利用天線的,方向性圖,實(shí)現(xiàn)振輻與導(dǎo)引角的對(duì)應(yīng)關(guān)系，有,兩種實(shí)現(xiàn)體制,。,站臺(tái)主動(dòng)式,導(dǎo)航站臺(tái)采用方向性天線發(fā)射信號(hào)，用戶采用無方向性天線接收；,用戶主動(dòng)式,導(dǎo)航臺(tái)站

3、采用無方向性天線發(fā)射信號(hào)，用戶端采用方向性天線接收,一、站臺(tái)主動(dòng)式,注意：,1,、基準(zhǔn)線的方向,可以是地理,北向,，也可以是某一特定方向（如飛機(jī)的,跑道方向,）。,2,、僅僅依靠上面測(cè)量的角度是無法單獨(dú)完成載體的出航和歸航的，必須,結(jié)合,載體上的,航向測(cè)量設(shè)備,進(jìn)行角度的比對(duì)。,二、用戶主動(dòng)式,載體的測(cè)向器可以利用載波信號(hào)的,振幅變化,或者載波信號(hào)的,調(diào)制深度,的變化來測(cè)定角參量,前者稱之為,E,型,工作方式，,后者稱之為,M,型,工作方式。,利用具有方向性函數(shù)的接收天線，對(duì)地面導(dǎo)航臺(tái)的無方向性調(diào)幅波信號(hào)進(jìn)行接收，接收到的信號(hào)為：,可見，在,E,型工作方式中，調(diào)制深度保持不變，載波信號(hào)的幅度,

4、E,與導(dǎo)航角參量建立一定的映射關(guān)系,E,型測(cè)向器,M,型測(cè)向器,要獲得一個(gè)調(diào)制深度與角參量發(fā)生對(duì)應(yīng)關(guān)系的電波信號(hào)，需要用,一個(gè)方向性天線和一個(gè)無方向性天線,（如垂直天線）共同來完成。,假定導(dǎo)航臺(tái)發(fā)射的是等幅非調(diào)制波，垂直天線上收到的信號(hào)相當(dāng)于載波分量，環(huán)狀天線的接收信號(hào)相當(dāng)于傍頻分量，二者在迭加器中合成為一個(gè)調(diào)幅波,：,利用方向性圖測(cè)導(dǎo)引角，有三種方法：,1,、最大值法,用戶的接收天線采用針狀方向性圖的接收天線。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)接收天線使得接收,信號(hào)最強(qiáng),時(shí)，天線轉(zhuǎn)過的角度即為導(dǎo)航臺(tái)站相對(duì)于機(jī)軸的方位。,缺點(diǎn)：,實(shí)際的測(cè)量過程中，方向性圖的最大值在某個(gè)角度范圍內(nèi)無法覺察出方向的偏離，稱為,不靈敏區(qū),為減

5、小不靈敏區(qū)，要求天線的方向性圖足夠尖銳,2,、最小值法,將接收天線的最小值對(duì)準(zhǔn)來波方向，天線中心所轉(zhuǎn)過的角度也就是導(dǎo)航臺(tái)站相對(duì)于機(jī)軸方向的方位。,零值點(diǎn)附近也存在一個(gè)不靈敏區(qū)。,與最大值法相比，一般最小值法的不靈敏區(qū)較小，故其測(cè)角靈敏度要比最大值法高。,3,、比較信號(hào)法,如果將構(gòu)成天線方向性圖的兩個(gè)波束，部分的重疊起來，則可以獲得一條,等訊號(hào)線,，如圖所示。,轉(zhuǎn)動(dòng)天線,到兩個(gè)波束的接收訊號(hào)強(qiáng)度相等的方向，即可確定出被測(cè)導(dǎo)航臺(tái)的方位。,靈敏度介于最大值法和最小值法之間。,三、常用天線,天線是,振幅式,無線電導(dǎo)航系統(tǒng)的,關(guān)鍵部件,之一，正是依靠它才建立起接收信號(hào)幅度與導(dǎo)航角參量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。,天

6、線需要有,一定特性,的,方向性圖,。,常用天線？,1,、垂直天線,垂直天線是最簡(jiǎn)單的一類天線，也就是我們常說的,線狀天線,。,假設(shè)天線的長(zhǎng)度為,l,電波的,磁場(chǎng),方向始終在,水平,面內(nèi)，則由圖可以容易得到接受天線所,感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)為,：,2,、環(huán)狀天線,矩形環(huán)狀天線,ABCD,如圖所示,天線高度為,h,，寬為,b,處于正常極化的電磁場(chǎng)內(nèi)，,假定電波磁場(chǎng)方向在水平面內(nèi),3,、分集天線,如圖所示，分集天線由兩個(gè)垂直天線構(gòu)成,可以把天線,A,B,看作環(huán)狀天線的兩個(gè)垂直邊，水平面方向性圖仍是,8,字型。,分集天線比環(huán)狀天線省去了水平邊，對(duì),消除極化誤差,很有利。,一、方位測(cè)量,無線電波傳播時(shí)，相位與方位

7、角之間沒有直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系。,一般多采用,旋轉(zhuǎn)天線方向性圖,和,旋轉(zhuǎn)無方向性天線,兩種方法。,2.1.2,、相位法,1,、旋轉(zhuǎn)天線方向性圖,假若發(fā)射,心型方向性圖,，在水平面內(nèi)順時(shí)針,旋轉(zhuǎn),；空間任意一點(diǎn)接收到的場(chǎng)強(qiáng)將是包絡(luò)調(diào)制信號(hào)。包絡(luò)相位與接收點(diǎn)的方位相關(guān)，稱為,可變相位信號(hào),。,在方向性圖最大值為某一,事先確定,的方位（航路,VOR,通常采用地磁北向方位，終端,VOR,通常采用跑道方位）時(shí)通過,全向天線輻射基準(zhǔn)相位,信號(hào)。,通過測(cè)出包絡(luò)相位和基準(zhǔn)相位之間的相位差就可得到載體相對(duì)于基準(zhǔn)方向的方位角。,2,、旋轉(zhuǎn)無方向性天線,無方向性天線在輻射或接收電磁波時(shí)，,本身是不含角坐標(biāo)信息,的。,如果

8、在一個(gè)平面內(nèi)以一個(gè)固定的角頻率旋轉(zhuǎn)，則無論發(fā)射臺(tái)（信標(biāo)）還是接收臺(tái)（測(cè)向器），其輻射或接收信號(hào)的,相位,，都將,被,天線的,轉(zhuǎn)動(dòng)所調(diào)制,。所調(diào)制的,相位與觀測(cè)點(diǎn)的角坐標(biāo),有著,一一對(duì)應(yīng),的關(guān)系，這就是旋轉(zhuǎn)無方向性天線進(jìn)行測(cè)角的依據(jù)（,DVOR,）。,在,O,點(diǎn)設(shè)置,一等幅發(fā)射機(jī),，同時(shí)將高頻信號(hào)饋送到在水平面內(nèi)沿半徑為,R,的,圓周運(yùn)動(dòng)的無方向性天線,A,。,3,、基線方式,如圖，沿確定的,基準(zhǔn)方向,AB,并以一定的距離,D,放置兩個(gè)無方向性天線,A,、,B,，它們,發(fā)射同相的電磁波,。,用戶處于遠(yuǎn)場(chǎng),U,點(diǎn)，通過接收,A,、,B,的信號(hào)并比較它們的相位，則可得到,SU,相對(duì)于基準(zhǔn)軸,AB,的

9、角度，其關(guān)系如下：,1,、相位法并不要求天線有尖銳的方向性，用無方向性天線即可。,2,、相位差的范圍則可能超過,360,度（,D,），存在測(cè)相的模糊性（,多值性,）,當(dāng),D,時(shí)，則不存在多值問題,二、姿態(tài)測(cè)量,與基線方式相反，如果將基線,固定在載體,上，那么就可以實(shí)現(xiàn)姿態(tài)的測(cè)量。,由于 姿態(tài)的三個(gè)角度：航向（,yaw,、,）、俯仰,(pitch,、,p),、橫滾,(roll,、,r),是互相獨(dú)立的，因此為了闡述的方便，以航向和俯仰為主介紹其測(cè)量方法。,2.2,距離測(cè)量原理,無論是距離，還是距離差、距離和的測(cè)量，它們的都是利用電磁波在均勻介質(zhì)空間中傳播式的,直線性和等速性,。,距離主要有,相位,

10、、,頻率,和,脈沖,（時(shí)間）三種測(cè)量方法。,2.2.1,相位法,通過測(cè)量電磁波在運(yùn)載體和電臺(tái)之間信號(hào)相位的變化來確定距離（差）。,A,、,B,兩點(diǎn)電波的相位差是,:,在三維空間中，以運(yùn)載體或?qū)Ш脚_(tái)為基準(zhǔn)，畫出等相位的曲線，則是一組以基準(zhǔn)點(diǎn)為球心、半徑為,r,的,球位置面,。,若一般只考慮二維水平面的情況，則,r,常數(shù)時(shí)，相當(dāng)于以基準(zhǔn)點(diǎn)為圓心、,r,為半徑的圓弧，即為,圓位置線,。,相位法測(cè)量距離差測(cè)量導(dǎo)航臺(tái)站,A,、,B,發(fā)射電波的相位差。,導(dǎo)航臺(tái)站之間是,嚴(yán)格同步,的,由于兩個(gè)臺(tái)站（或載體與用戶）之間的距離較大，相位法測(cè)距中存在,多值性,問題影響到準(zhǔn)確度與作用距離的提高，為此需要采取相應(yīng)祛除

11、多值模糊的措施。,1,、連續(xù)測(cè)量、計(jì)算并記錄完整相位循環(huán)數(shù)。,根據(jù)計(jì)數(shù)器的指示，可確定出,相位巷道,的序號(hào)；根據(jù)相位計(jì)的指示，可確定出小于的相位讀數(shù)。,該方法的應(yīng)用必須保證,首先是容易得到相位巷道的初始值，,其次保證高的可靠性，因?yàn)橐坏﹣G失接收信號(hào)將使相位巷道的序號(hào)記錄丟失或產(chǎn)生混亂，導(dǎo)致更大的定位誤差。,2,、消除相位多值性的另一種方法是寬、窄相位巷道配合工作的方法。,在加寬的巷道中，取得相位低精度讀數(shù)，獲得原相位巷道的序號(hào)；,在窄相位巷道中讀取相位高精度讀數(shù)，獲得距離或距離差。,相位巷道的數(shù)目取決于距離，即：,若將頻率減小,K,倍，其波長(zhǎng)加大,K,倍，則相位巷道將相應(yīng)加寬,K,倍。這時(shí)，地

12、面臺(tái)除了輻射頻率,f,0,的信號(hào)外，同時(shí)還要輻射頻率,f,1,的信號(hào)：,這時(shí)相位接收機(jī)在,f,0,-f,1,的頻率上進(jìn)行,粗測(cè),，在,f,0,對(duì)應(yīng)的巷道里進(jìn)行,精測(cè),。既可以消除多值性，又能同時(shí)獲得必要的測(cè)量精度。,2.2.2,頻率法,頻率測(cè)距通常是利用發(fā)射信號(hào)與反射信號(hào)的,差頻,來進(jìn)行測(cè)量的。,作為頻率測(cè)距系統(tǒng)，必須要有一定的反射面，頻率測(cè)距通常用來進(jìn)行,高度的測(cè)量,。,頻率測(cè)高的原理示意圖如下所示：,設(shè)發(fā)射機(jī)在,t1,時(shí)刻向地面發(fā)射信號(hào)的頻率為,f1,，經(jīng)時(shí)間后由地面反射回來。,如果不考慮多普勒效應(yīng),，則反射回來的信號(hào)頻率不變，而此時(shí)發(fā)射機(jī)發(fā)射的頻率變?yōu)?f2,，則在接收檢波的中直達(dá)信號(hào)與

13、反射信號(hào)的差頻為,fb=f2-f1,。,差頻的大小與傳播延遲相關(guān)，即取決于高度。,線性調(diào)頻比較直觀的體現(xiàn)了頻率和距離之間的關(guān)系,一般說來頻率調(diào)制信號(hào)可以是任意周期的時(shí)間函數(shù)。,2.2.3,脈沖法,脈沖法測(cè)距，實(shí)質(zhì)上是用尖銳的脈沖對(duì)時(shí)間軸進(jìn)行標(biāo)定，然后通過脈沖間隔讀取時(shí)間，進(jìn)而測(cè)量距離。,脈沖測(cè)距有兩種方式：,有源方式,無源方式,1,、有源測(cè)距,所謂的有源測(cè)距指的是信號(hào)在用戶和導(dǎo)航臺(tái)站之間經(jīng)歷了,往、返兩個(gè)傳播過程,，然后通過測(cè)量信號(hào)的往返時(shí)間計(jì)算出用戶和導(dǎo)航臺(tái)站之間的距離。,通常測(cè)距,詢問脈沖,由,用戶發(fā)出,，該詢問脈沖需要經(jīng)過特殊的,編碼,以區(qū)別是哪個(gè)用戶的詢問脈沖，導(dǎo)航臺(tái)站收到該脈沖后，,

14、延遲,一定的時(shí)間 后向用戶發(fā)射應(yīng)答脈沖,由用戶接收并測(cè)量詢問脈沖和應(yīng)答脈沖之間的時(shí)間間隔 ，便可以測(cè)量載體和導(dǎo)航臺(tái)站之間的距離，即：,需要注意的是，在上述的測(cè)量中，沒有對(duì)用戶和導(dǎo)航臺(tái)站的,時(shí)鐘同步,提出要求，也沒有要求用很高精度的用戶時(shí)鐘。但并不是任何時(shí)鐘都是允許的，需要根據(jù)距離的,測(cè)量精度指標(biāo),安裝符合要求的時(shí)鐘。,譬如，如果要求距離的測(cè)量精度不大于,30,米，系統(tǒng)的工作半徑為,300,公里，則時(shí)鐘的穩(wěn)定度不能低于 。,較好的石英晶體基本上都可以滿足。因此，有源測(cè)距對(duì)時(shí)鐘性能要求比較低,2,、無源測(cè)距,無源測(cè)距指的是用戶僅僅接收導(dǎo)航臺(tái)站發(fā)射的脈沖信號(hào)來測(cè)得傳播延遲。,要求,用戶的時(shí)鐘與導(dǎo)航臺(tái)

15、站的時(shí)鐘基準(zhǔn)嚴(yán)格同步,，它們的時(shí)鐘震蕩源之間既同頻又同相，既無頻差又無鐘差。,嚴(yán)格意義的無源測(cè)距往往需要在測(cè)距之前已經(jīng)在用戶和導(dǎo)航臺(tái)站之間進(jìn)行了大量的,時(shí)鐘同步工作,。,在用戶和導(dǎo)航臺(tái)站的時(shí)鐘同步之后，導(dǎo)航臺(tái)站發(fā)射測(cè)距脈沖，同時(shí)在測(cè)距脈沖中對(duì),發(fā)射時(shí)刻以電文的形式傳輸,。,用戶收到測(cè)距脈沖后，,測(cè)定脈沖的到達(dá)時(shí)間,（,TOA,），利用電文中所解碼的脈沖發(fā)射時(shí)刻，就可以得到用戶與導(dǎo)航臺(tái)之間距離：,實(shí)際中，很難保持用戶與導(dǎo)航臺(tái)站之間時(shí)鐘的同頻同相，因此人們提出了偽距離測(cè)量技術(shù)，即“偽距”。,所謂“,偽距,”，顧名思義指,非真實(shí)的距離,，實(shí)際中指用戶接收信號(hào)時(shí)間和導(dǎo)航臺(tái)站發(fā)出信號(hào)之間的時(shí)間差，代表了包含真實(shí)距離和兩地,鐘差,在內(nèi)的時(shí)間折合量。其推廣的含義還包括電波在,傳播,和測(cè)量過程中得其他,誤差,。,偽距的測(cè)量不需要測(cè)距之前進(jìn)行時(shí)鐘的同步工作，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的工程實(shí)現(xiàn)。,