导航学5-2-2012教材

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1、,导 航 学,主 讲：朱 智 勤,(测绘工程专业）,无线电、天文和其它导航系统,无线电导航系统,自动测向器（ADF） 全向信标系统（VOR） 仪表着陆系统（ILS） 测距器（DME） 塔康系统 罗兰-C系统 无线电高度表（RA） 航空无线电导航系统总结,1 自动测向器(ADF)（1）,ADF(Automatic Direction Finding)，又称无线电罗盘，是一种振幅最小值测向无线电导航系统。利用设置在地面的无方向信标（NDB）发射无线电波，在机上用环形方向性天线接收和处理电波信号，获取飞机到地面导航台的相对方位。,相对方位,N,飞机到地面导航台的相对方位,飞机 纵轴 延长线,观测线,

2、1 自动测向器(ADF)（2）,系统的工作频率在150kHz1800kHz范围内，属中长波波段，因此主要依靠地波或直达波传播。 地波的传播距离可以达到几百公里，但易受到天波的污染，特别在夜间。只有当飞机离地面导航台站较近时，方位读数才比较可靠，测向精度可达2左右。,1 自动测向器(ADF)（3）,ADF指示的角度是飞机纵轴方向到地面导航台的相对方位。因此，若要得到飞机相对于导航台的方位，还必须获知飞机的航向，这需要与磁罗盘或其他航向测量设备相结合。 飞机上通常把磁罗盘和ADF的指示部分结合在一起，构成无线电磁指示器（RMI, Radio Magnetic Indicator）。,RMI指示方位

3、原理,相对方位,航向,ADF指示器,1 自动测向器(ADF)（4）,ADF的主要功能： 测量飞机纵轴方向到地面导航台的相对方位角，并显示在方位指示器上； 对飞机进行定位：现代飞机上一般装备两部ADF。两部ADF所测得的相对方位显示于同一指示器上，由这两个方位角可确定飞机对地面导航台的两条相应位置线，根据位置线相交定位原理即可确定飞机的地理位置；,利用两个地面导航台为飞机定位,判断飞机飞越导航台的时间,1 自动测向器(ADF)（5）,判断飞机飞越导航台的时间：当飞机飞向导航台时，根据相对方位角的变化来判断飞越导航台的时间。如方位指示由0 转向180 的瞬间即为飞越导航台的时间； 利用方位指示保持

4、沿预定航路飞行，即向/背台飞行； 由于工作于中长波段，可接收民用广播信号，并可用于定向。,1 自动测向器(ADF)（6）,ADF的组成 地面导航台：由中波发射机、发射天线及辅助设备组成，安装在每个航站和航线的某些检测点上，不断地向空间全方位地发射无线信号，称为无方向信标（NDB)。 机载设备：主要包括自动测向接收机、控制盒、方位指示器、环形天线和垂直天线或组合式环形/垂直天线。,1 自动测向器(ADF)（7）,机载设备 自动测向接收机：一般为超外差式设计； 控制盒：用于控制各种工作状态的转换、频率选择和远、近台的转换等，并可进行调谐； 方位指示器 天线,2 甚高频全向信标系统(VOR)(1),

5、VOR（VHF Omnidirectional Range，伏尔）是一种相位比较测向近程导航系统。机载设备通过接收地面VOR导航台发射的甚高频电波，可直接测量从飞机所在位置的磁北方向到地面导航台的方位（VOR方位），以进一步确定飞机相对于所选航道的偏离状态。 被ICAO（国际民航组织）所采用， 1949年起成为国际标准航线的无线电导航设备，用作航路导航，也用作非精密进近引导。,VOR方位：飞机所在位置的磁北方向顺时针测量到飞机与VOR台连线之间的夹角，是以飞机为基准来观察VOR台在地理上的方位。 飞机磁方位：从VOR台的磁北方向顺时针测量到VOR台与飞机连线之间的夹角，是以VOR台为基准来观察

6、飞机相对VOR台的磁方位。,2 甚高频全向信标系统(VOR)(2),VOR方位、磁航向与相对方位,2 甚高频全向信标系统(VOR)(3),与同样是测向导航导航设备的ADF相比，VOR具有以下特点： ADF采用地面无方向性天线发射，机上采用方向性天线接收的方法测向；VOR则采用地面导航台用方向性天线发射，机上采用无方向性天线接收的方法测向。 VOR可以直接提供飞机的方位角（相对于地面导航台）而无需航向基准，且测向精度高于ADF。,2 甚高频全向信标系统(VOR)(4),工作频率高（108M118MHz)，因此受静电干扰小，指示较稳定。但作用距离受视线距离的影响，与飞行高度有关。 地面导航台站的场

7、地要求较高，如果地形起伏较大或有大型建筑物位于附近，则由于反射波的干涉，将引起较大的方位误差。,2 甚高频全向信标系统(VOR)(5),VOR系统的工作频段为108118MHz，频段内共有160个通信频道，频道间隔为50kHz。 用于航路导航的VOR导航台(CVOR) ，使用频率112118MHz，共有120个频道，其作用距离可达100海里以上。 用于引导进近着陆的VOR导航台(TVOR)，使用频率108112MHz，共有80个频段，其作用距离一般为25海里以上。,分类与精度,常规VOR（CVOR）：2,多普勒VOR（DVOR）：1,精密VOR（PVOR）：0.25,2 甚高频全向信标系统(V

8、OR)(6),VOR测定方位的基本原理 VOR台发射被两个低频信号（30Hz）调制的射频信号，这两个低频信号分别为基准相位信号和可变相位信号，机载设备接收VOR台的发射信号，并测量这两个信号的相位差（相位差正比于飞机磁方位），即可得到飞机磁方位及VOR方位。,VOR工作原理说明,2 甚高频全向信标系统(VOR)(7),将VOR台想象为一个灯塔：它向四周发射全方位光线（相当于基准相位信号）的同时，还发射一个自磁北方向顺时针旋转的光束（相当于可变相位信号） 。如果一个远距离观测者记录从开始看到全方位光线到看到旋转光束之间的时间间隔，并已知光束旋转速度，即可计算出观测者的磁方位角：观测者磁方位角,可

9、变相位信号（其相位随VOR台的径向方位而变）,基准相位信号（其相位在VOR台周围各个方位上相同）,2 甚高频全向信标系统(VOR)(8),为了在接收机中能够区分两个30Hz信号，VOR台发射信号采用两种不同的调制方式 基准相位信号：首先用30Hz信号对9960Hz的副载波调频，然后调频副载波再对载波调幅，其相位在VOR台周围360度方位上均相同，由无方向性天线发射。 可变相位信号：用30Hz信号直接对载波（108M118MHz)调幅，其相位随VOR台的径向方位而变，由方向性天线发射。,合成辐射场（旋转的心形方向图）,图片说明：DVOR常与测距机（DME）信标合装在同一台站。图中在圆周上布置的天

10、线为DVOR天线，旁边直立的有一个是DME信标的天线。,DVOR信标的工作过程,天线系统（1）,载波天线： 1个,边带天线： 48个，50个，52个,监视天线： 1个或2个（折叠式偶极子天线 ）,阿尔福特（Alford） 天线,天线系统（2）,（直径约30.5m）,相邻的两个边带天线相距7.5,DVOR信标的工作过程,天线系统（3）,DVOR信标的工作过程,VOR的主要功能： 对飞机进行定位 沿选定航路导航 利用VOR/VOR或VOR/DME实行区域导航 利用VOR/DME实施近进,2 甚高频全向信标系统(VOR)(9),一、定位, 定位,二、沿选定航路导航,沿选定的航路导航：飞机沿预选的航道

11、飞向或飞离VOR台，通过航道偏离指示指出飞机偏离预选航道的方向和角度，以引导飞机沿预选航道飞往目的地。,三、利用VOR/VOR或VOR/DME实行区域导航,四、利用VOR/DME实施近进,航道偏离指示 航道偏离杆（指示飞机偏离跑道中心线的角度）； 向台/背台箭头,航道偏离指示（2）,航道偏离指示（3）,航道偏离杆永远偏向预选航道所在的方向； 航道偏离指示与飞机的磁航向无关。,向/背（To/From）台指示,N,DVOR,OBS= ,A,B,C,D,E,L1,L2,G,F,F,T,T or F？,T,T,T/F 无指示,T/F 无指示,3 仪表着陆系统（ILS）(1),ILS（Instrumen

12、t Landing System）是在机场终端区引导飞机精密进近着陆的着陆引导设备，基于振幅比较测向原理。ILS提供的引导信号，使飞机沿跑道中心线的垂直面和规定的下滑角，从450m高空引导到跑道入口水平面以上的决断高度（Decision Height），然后由驾驶员看着跑道操纵飞机目视着陆。,工作原理,下滑道的形成,跑道,航向面,下滑面,下滑道,注：实际的下滑道是有 一定的厚度和宽度的。,工作原理,工作原理,跑道,航向面,下滑面,15090,90150,在航道右方或下滑道下方,在航道左方或下滑道上方,DDM=0,十字指针,ILS进场示意图,航向 下滑线,3 仪表着陆系统（ILS）(2),ILS

13、能在气象条件恶劣和能见度差的条件下给驾驶员提供引导信息，保证飞机安全近进和着陆。 1949年，ILS被ICAO定为飞机标准近进和着陆设备。,3 仪表着陆系统（ILS）(3),决断高度（DH）是指驾驶员对飞机着陆或复飞做出判断的最低高度。在决断高度上，驾驶员必须看见跑道才能着陆，否则放弃着陆，进行复飞。 ICAO根据飞机在不同气象条件下的着陆能力，规定3类着陆标准，使用跑道视距和决断高度来表示。 跑道视距是指在跑道表面的水平方向上能在天空背景上看见物体的最大距离。,3 仪表着陆系统（ILS）(4),ILS能满足I和II类着陆标准，而III类着陆则要求更复杂的辅助设备配合。,ICAO规定的着陆标准

14、等级,3 仪表着陆系统（ILS）(5),ILS包括3个分系统 航向信标（Localizer），提供飞机偏离航向面的横向引导信号，工作频段为108.1111.95MHz，频段内共有40个通信波道，波道间隔为50kHz； 下滑信标（Glideslope），提供飞机偏离下滑面的垂直引导信号，工作频段为329.15335.0MHz，频段内也有40个通信波道，波道间隔为150kHz； 指点信标（Marker Beacon），提供距离引导信号，工作频率固定在75MHz 。,航向和下滑信标产生的引导信号,下滑道,3 仪表着陆系统（ILS）(6),航向信标（LOC） 沿跑道中心线两侧辐射两束水平交叉波瓣，分别

15、被90Hz和150Hz信号调幅，在通过跑道中心延长线的垂直面内形成航向引导面。 机载航向接收机 接收航向信标信号，经处理，输出飞机相对于航向面的偏离信号，并显示到水平姿态指示器（HSI）上。当飞机在跑道面上，即对准跑道中心线，则偏离指示为零；若飞机在航向面左侧，航道杆将偏向右，向驾驶员提供“向右飞”的指令；反之亦然。,航向信标台场地保护区,航向信标辐射场与飞机偏离航向面指示,3 仪表着陆系统（ILS）(7),下滑信标（GS） 沿飞机主降方向两侧辐射两束垂直交叉波瓣，分别被90Hz和150Hz信号调幅，形成与跑道水平面成24仰角的下滑引导面，与航向面的交线即为下滑道(线)。 机载下滑接收机 接收

16、下滑信标信号，经处理，输出相对于下滑面的偏离信号，并显示到HIS上。当飞机在下滑面上，下滑指针在中心零位；若飞机在下滑面上方，指针向下指，向驾驶员提供“向下飞”的指令；反之亦然。,下滑信标辐射场与飞机偏离下滑面指示,下滑道偏离指示器 下滑偏离杆（指示飞机偏离下滑道的角度）,3 仪表着陆系统（ILS）(8),指点信标（MB） 将23个指点信标台安装在跑道中心延长线规定距离上，分别称为内/中/外指点信标。每个指点信标台发射垂直向上的扇形波束，信标台之间音频识别码(莫尔斯码)及调制频率互异。 机载指点接收机 只有在飞机飞越指点信号台上空的扇形区域范围时，接收机才能接收到信标信号。接收机收到信号后，分别使驾驶舱仪表板上不同颜色的识别灯亮，同时驾驶员从耳机中能听到不同的音频音响信号，从而可以判断飞机在哪个信标台上空，即到跑道头的距离。,指点信标系统示意,3 仪表着陆系统（ILS）(9),外指点信标：指示下滑道截获点；调制频率400Hz，识别电码为两划/秒（蓝