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1、地面与空中导航设备的导航性能第一章 导航设备的发展历史1.2 无线电罗盘用于导航指南针（也叫罗盘）作为中国的中华民族的四大发明之一，在古代以其先进的导航性能为世界文明的发展做出卓越的贡献。随着科学技术的发展，人们开始利用无线电波来确定船只在大海中的航向，这就是无线电测向仪，由于它起到了罗盘的作用，所以称为“无线电罗盘”。无线电导航的出现，使导航系统成为航行中真正可以依赖的工具，因此具有划时代的意义。无线电导航是所有导航手段中最重要的一种，它是根据电磁波在理想均匀媒质中按直线传播，且速度为常数，并在任何两种媒质介面上一定产生反射，入射波和反射波在同一铅垂面内的特性，进行导航定位。近一个世纪以来，
2、无线电罗盘与信标系统在世界航空史上谱写了光辉的一页，但是由于科学技术的不断发展和新的导航系统的出现，无线电罗盘和信标系统在不久的将来也会逐步退出历史舞台。1.2 无线电导航设备出现随着无线电导航的应用越来越成熟，导航设备也越来越多样化。其技术性能也越来越完善，具体上已经出现了陆基导航系统和进场着陆系统两个分类。陆基导航系统中的甚高频全向信标，测距器和精密测距器，塔康系统，高度表，罗兰C 系统与进场着陆系统中的仪表着陆系统，雷达着陆系统，微波着陆系统成为航空导航中最重要的设备。这些导航设备或者单独使用，或者与其他导航设备组合使用，为航空事业的发展起着不可替代的作用。1.3 自备式导航设备问世陆基
3、无线电导航系统的优点是把整个导航系统的复杂性集中在导航台上，使机载用户设备比较简单，价格低廉。然而，从作战使用的角度来看，由于它要有导航台并依赖电波在空间的传播，对系统的生存能力、抗干扰、抗欺骗能力都不大有利。于是自备式导航系统被研究出来，它使用机载的测速和测向仪来推算出飞机的位置，因此就没有上面的问题，由于它不依赖地面导航台，所以称之为自备式导航系统。在这期间出现的自备式导航系统主要有多普勒导航仪，惯性导航系统，地形辅助导航系统。地形辅助导航系统由于其配置过于昂贵并且维护复杂的主要用于军用。而多普勒导航仪，惯性导航系统则成为现在大部分飞机的必备导航系统1.4 组合导航系统迅速发展随着航空事业
4、的快速发展，航空安全越来越受到重视，而一套单一的导航系统如果出问题，那么飞机的飞行安全就会受到严重威胁，在此基础上，人们研制出了组合导航系统。所谓组合导航系统，是指把两种或两种以上不同的导航设备以适当的方式组合在一起，利用其性能上的互补特性，以获得比单独使用任一系统时更高的导航性能。在高科技现代化战争中，任何单一的导航系统往往难于满足各种导航要求。组合导航技术是一种崭新的导航技术，它综合两个或两个以上导航传感器的信息，使它们优势互补，以期提高整个系统的导航性能，来满足各类用户的多种需求。组合导航系统可分为重调式和滤波处理式两大类。若从设备类型分，组合导航系统又可分为无线电导航系统间的组合和惯性
5、导航系统与无线电导航系统(或天文导航)之问组合两大类。在此期间出现的典型组合导航系统有惯性多普勒导航系统组合系统，惯性，天文组合系统。1.5 GPS 导航系统投入使用太空一直是人类梦想涉足的一个领域，随着各种卫星被一颗颗的送入太空，用太空中的卫星来导航成为一种现实中与技术上的可能，于是卫星导航系统出现了。卫星导航系统是以人造卫星作为导航台的星基无线电导航系统，能为全球陆、海、空、天的各类军民载体，全天候、24小时连续提供高精度的三维位置、速度和精密时间信息。从无线电导航到卫星导航是导航史上的一次飞跃。卫星导航以其卓越的性能当之无愧的将成为下一代导航设备的主流。目前备受世人瞩目的是美国的GPS系
6、统和俄罗斯的GLONASS系统：此外还有国际移动卫星组织构想和规划的全球导航卫星系统(GNSS)。GPS系统是由美国国防部负责研制，主要满足军事需求，用于地球表面及近地空间用户(载体)的精确定位、测速和作为一种公共时间基准的全天候星基无线电导航定位系统。但由于政治和军方的原因，民用的GPS导航精度受到美国人为的限制，为此国际移动卫星组织构想和规划的全球导航卫星系统(GNSS)正在大力发展，GNSS将为提供比GPS更先进更精确的控制导航。1.6 以 GPS 为主的组合导航系统快速发展随着卫星导航系统的发展，出现了卫星与各类导航设备相结合的组合导航系统，其中有INS与GPS的组合系统、多普勒导航系
7、统(DNS)与GPS的组合系统、罗兰C与GPS的组合系统及由两种以上导航设备相组合的多传感器组合导航系统等。而INS与GPS的组合系统又备受世界瞩目，这不仅因为两者都是全球、全天候、全时间的导航设备，而且它们都能提供十分完全的导航数据。两者优势互补并能消除各自的缺点，使GPS/INS的应用越来越广泛。第二章 重要导航设备简介2.1 无方向性信标(NDB) 无方向性信标是所能获得的最基本的助航方式.其传输的频率范围为190-535 千赫兹,NDB 发射一个全向信号,其发射范围可至 185.31 公里以上,这依赖于其功率的大小:飞机上自动定向机(ADF)的接收机通过接收 NDB 的信号,在经过计算
8、处理后即可决定飞机相对于地面台的方位.NDB 相对来说比较便宜,简单,容易安装,而且非常可靠.他们的主要缺陷是其在雷雨等特殊大气时性能的不稳定.NDB 在二十世纪三十年代开始使用,由此组成了最基本的航路结构.在过去的儿十年里,NDB 已逐渐地被 VOR 台所替代,现在,大多数的 NDB 只用作进近定位信标和在小的机场支持非精密进近系统。2.2 甚高频全向信标(VOR)与测距机(DME)VOR 导航现在己成为一种最为广泛的导航方式,现在世界上大多数国家的空域都在 VOR 台的覆盖范围之内.其作频率范围在 108-118MHZ, VOR 在向台和背台方式可提供精度达到土 3 度的方位信号,其覆盖范
9、围可达 150 海里以上,.绝大多数的 VOR 台都与 DME 配对安装,当 DME 与 VOR 配对安装时,则将其称之为 VOR /DME。VOR 已证明了它是一种杰出的可靠的助航方式,且基本上不受特殊天气的影响.当其与 VOR 配对使用时,己能作为一种单一的助航方式.另一个优点是,其频率范围与 ILS 的频率相近,因而可以将 VOR 和工 LS 接收机做在一个单一组件中,因此其在驾驶舱中的显示也可在一个仪表中实现. VOR 唯一的缺点是它的视距信号限制,其性能将受到地理环境的影响,特别是在群山区域影响更大。VOR 工作原理VOR 台站发射机发送的信号有两个：一个是相位固定的基准信号；另一个
10、信号的相位是变化的，同时像灯塔的旋转探照灯一样向 360 度的每一个角度发射，而向各个角度发射的信号的相位都是不同的，它们与基准信号的相位差自然就互不相同。向 360 度发射的信号（指向磁北极）与基准信号是同相的，而向 180 度发射的信号（指向磁南极）与基准信号相位差 180 度。飞机上的 VOR接收机根据所收到的两个信号的相位差就可判断飞机处于台站向哪一个角度发射的信号上。测距机(DME)不像其他一些地面助航台连续发送信号, DME 实际上是一种应答机系统, DME 地面台在接收到一个从 DME 询问机发出的信号之后再发射信号,飞机上的 DME 询问机在接收到从地面来的响应信号之后,通过计
11、算信号来回的时间,即可计算出飞机与地面台所相隔的距离.其频率范围为 950 到 1215 兆赫,DME 与 VOR 一样,也是一种视距信号,其典型的定位精度在 600 到 1000 米.在大部分时候，VOR 与DME 是装在一起，VOR 测量飞机磁方位角；DME 测量飞机与地面 DME 台间的斜距。DME 作用距离为 300500 公里，最远 700 公里，测距误差为 0.10.74 公里。VOR/DME 组成近距无线电导航系统，在其信号覆盖区内还可与惯导组合，以提高飞机区域导航或进场着陆前所需导航信息的精度。2.3 自动定向机(ADF)自动定向机 ADF 也称无线电罗盘，是一种利用无线电技术
12、进行测向的设备，它与地面无线电台配合，可测量无线电波的来波方向。这种设备通常装在飞机上。它的主要功用有（1）测量飞机纵轴方向到地面导航台的相对方位角（2）对于飞机进行地位测量（3）判断飞机飞越导航台时间（4）当飞机飞越导航台以后，可利用自动定向机的方位指示保持沿预定航线飞行，即向台/背台飞行。ADF 是飞机上最简单的导航设备。2.4 惯性导航系统(INS)惯性导航系统INS 是利用惯性设备测量航空器运动的速度和坐标从而形成指令信息来导引航空器的系统，其基本原理是应用惯性加速度计在三个互相垂直轴的方向上测量出导弹重心运动的加速度分量然后用相应的积分装置得到速度分量和坐标分量导弹发射点的坐标和初速
13、度已知可以计算出导弹在每一时刻的速度值和坐标值并把这些值与程序值比较得出偏差量进行修正使导弹沿着预定的运动程序飞向目标INS 由一个惯性组合加速度计和陀螺仪及一台导航计算机组成计算机除了计算传感器的测量值和地心引力之外主要输出导弹随时间变化的位置速度和姿态角现代常用的INS 有两种类型平台式惯性导航系统和捷联式惯性导航系统平台式INS 是把加速度计安放在陀螺稳定平台上利用此平台提供一个空间稳定不变的加速度测量基准陀螺稳定平台通过减震装置安装在导弹上主要用于战略导弹捷联式INS 是直接把陀螺仪和加速度计与导弹弹体连接用大容量高速度运算的计算机来处理导弹姿态角变化对加速度计输出的影响主要用于战术导
14、弹与平台式INS 相比其优点是体积小成本低可靠性高惯性导航的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础的，即在载体内部测量载体运动加速度，经积分运算后得到载体的速度和位置等导航信息。惯性导航是一种完全自主的导航方法，其主要缺点是导航定位误差随时间增长，因而难以长时间独立工作。解决这一问题的途径有两个：一是提高惯导系统本身的精度，一是采用组合导航技术。而实践证明，主要通过软件技术来提高导航精度的组合导航，是一种行之有效的方法。目前在飞机上的通常作法是，在一种中等精度惯导仪基础上，通过卡尔曼滤波器结合进一个或多个辅助传感器，这些传感器将为惯导提供有界信息，从而最终构成一种对短期和长期稳定性以及系统精度都是
15、最佳的组合2.5 全球卫星定位系统(GPS)GPS是英文Navigation Satellite Timing and Ranging / Global Positioning System的缩写,意为利用卫星导航进行测时和测距,以构成全球卫星定位系统。GPS系统向有适当接收设备的全球范围用户提供精确、连续的三维位置和速度信息，同时也广播一种形式的世界协调时(UTC)。系统包括三大组成部分:空间部分GPS卫星星座;地面控制部分地面监控系统;用户设备部分GPS信号接收机。GPS系统卫星星座由安排在6个轨道平面上的24颗卫星组成。每个平面上4颗，卫星以高精度的星载原子频率标准做基准进行发射，而星载
16、原子频率是与内在的GPS系统时基准同步的。卫星码分多址的技术在两个频率 (L,=1575.42MHZ,Lz=1227.6MHZ )上广播测距码和导航数据。导航数据提供给接收机，以确定卫星在发射信号时的位置，而测距码使用户接收机能够确定信号的传输延时，从而确定卫星到用户的距离。GPS 工作原理GPS 是以三角测量定位原理来进行定位的。它采用多星高轨测距体制，以接收机至 GPS 卫星之间的距离作为基本观测量。当地面用户的 GPS 接收机同时接收到 3 颗以上卫星的信号后，通过使用伪距测量或载波相位测量，测算出卫星信号到接收机所需要的时间、距离，再结合各卫星所处的位置信息，将卫星至用户的多个等距离球面相交后，即可确定用户的三维（经度、纬度、高度）坐标位置以及速度、时间等相关参数第三章 导航设备主要性能研究3.1 导航信号覆盖范围导航设备的信号覆盖范围是其很重要的一个性能指标，导航设备据此可分为远程导航设备和近程导航设备。如 VORDME 系统只用于近距离导航，INS系统则多用于远距离导航，当然有些导航系统近距离远距离都
