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1、,导航原理与系统,Navigation Principles and Systems,倪育德,中国民航大学,中国民航大学 CAUC,第七章 无线电高度表,7.1 组成与概况 7.2 测高原理 7.3 典型无线电高度表,中国民航大学 CAUC,1. 概述 无线电高度表是一种测距导航设备，利用普通雷达工作原理，以地面为反射体在飞机上发射电波，并接收回波以测定飞机到地面的高度。 按测量范围分 大高度表 30000FT 小高度表 LRRA 按测量方法分 脉冲测距原理 频率测距原理,7.1 组成与概况,中国民航大学 CAUC,用来测量飞机离开地面的实际高度，提供预定高度和决断高度的声音和灯光信号。它是在
2、进近着陆过程中保证飞行安全的重要设备。配合ILS完成着陆任务。系统的范围是20到2500英尺 。,低高度无线电高度表LRRA-Low Range Radio Altimeter,7.1 组成与概况,中国民航大学 CAUC,民航上应用的是 LRRA，配合ILS完成着陆任务。 指示随地形而变，与地面的覆盖层大气条件无关。 几个高度概念,7.1 组成与概况,中国民航大学 CAUC,2.功用 测量飞机相对地面的真实高度或叫垂直高度 测高范围为-202500英尺，属于低高度无线高度表 主要用于飞机和起飞阶段。,7.1 组成与概况,中国民航大学 CAUC,3、地面对电波的反射的类型： 镜面反射 散射（漫反
3、射） 漫反射的条件： 地面不平度波长 因此，无线电高度表应使地面 成漫反射，而不是用镜面反 射。若地面为镜面反射时，飞 机倾斜或俯仰时，接收不到地 面反射信号,7.1 组成与概况,中国民航大学 CAUC,4.工作频率： 4300MHz（c波段） 使用较高频率，使地面成漫反射。 5. 类型 根据测量电波传播时间t的方法不同，可分为 普通FMCW高度表 频率无线电测距系统 等差频FMCW高度表 频率无线电测距系统 脉冲式高度表 脉冲测距系统,7.1 组成与概况,中国民航大学 CAUC,6. 无线电高度表的组成 发射天线 宽波束（2040）方向性天线 接收天线 收/发机组件 高度指示器,7.1 组成
4、与概况,中国民航大学 CAUC,7.1 组成与概况,中国民航大学 CAUC,无线电高度表的测高基础： 测高原理：LRRA天线向地面发射无线电波，经地面反射后，再返回飞机。测高是测量电波往返传播的时间t。 式中：H 飞机离地高度 c 电波传播速度 测高利用无线电的两个特性： 无线电从地面的反射特性 电波传播速度是常数 （3108米/秒）,7.2 测高原理,中国民航大学 CAUC,7.1 组成与概况,中国民航大学 CAUC,一、调频连续波（FMCW）高度表,调制器产生一个对称的三角波线性调制电压，对发射机进行调频，发射波是三角波线性调频的连续波 普通FMCW高度表原理块图,7.3 典型无线电高度表
5、,中国民航大学 CAUC,设：中心频率为4300MHz，调制频率FM为100Hz，频 移F为100MHz 普通FMCW高度发射信号,7.3 典型无线电高度表,中国民航大学 CAUC,测高原理 发射机发射信号一路经宽方向性天线发射到地面，取样部分发射信号 直接加到接收机信号混频器（直达信号），与反射信号相混频。 t1时刻，发射频率为f1，经反射在t2时刻被接收。 t =t2-t1就是电波往返传播的时间 t2时刻，发射频率为f2, 即在t2-t1时间内，发射频率从f1到f2,从而可 用Fb= f2-f1来测量高度,7.3 典型无线电高度表,中国民航大学 CAUC,差频与高度的关系 若发射频率为 ，
6、电波从地面返回到接收天线时，相对发射信 号延时t，但接收信号频率 = （不变）。这时经t时间 后，发射频率变为 因为在调频发射信号中，F、FM是常数，差频Fb与飞机真实高 度H成正比。高度越高，差频越大，因此可用差频的大小来测量 高度。,7.3 典型无线电高度表,中国民航大学 CAUC,例如，发射信号的调制频率为100Hz，频移为100MHz，则： (Hz/米) 频率刻度为133Hz/米，也就是说高度变1米，差频变化 133Hz。 因为1米=3.28英尺，所以频率刻度为40.5Hz/英尺。在整 个测高范围02500尺内，差频范围是0101KHz。,7.3 典型无线电高度表,中国民航大学 CAU
7、C,普通FMCW高度表阶梯误差 测高的实质是测量单位时间内差频信号电压所形成的脉冲个数，再将 脉冲数转换成直流高度电压或高度信息。但当飞机高度连续变化时，差 频信号电压所形成的脉冲个数只能一个一个跳变（脉冲个数不能为小 数），因而出现测高误差。 阶梯误差：一个调制周期内，一个脉冲（差频）所代表的高度,7.3 典型无线电高度表,中国民航大学 CAUC,放大器：宽带放大器，增益随差频频率增加而增大，补 偿由于高度增加而引起的接收信号幅度减小。 限幅器：差频信号电压上下限幅形成技术脉冲,7.3 典型无线电高度表,中国民航大学 CAUC,二、等差频FMCW高度表,1、测高原理 在等差频FMCW高度表中
8、，保持差频Fb和频段F不变，而调制周期TM是随飞机高度变化的。由于发射信号是调频连续波，而且差频保持不变，故叫等差频FMCW高度表。 由于当飞机高度增加时电波往返传播时间t增加，因此需增大调频波的调制周期TM才能保持差频Fb不变。反之，当飞机高度减小时，电波往返传播时间t也减小，因此需减小调频波的调制周期。所以这种高度表实际上是用调制周期TM的大小来测量高度的。,7.3 典型无线电高度表,中国民航大学 CAUC,2、发射信号特性 发射频率是线性锯齿波调频的连续波，发射信号的中心频率是4300MHz，频移是123MHz，发射信号的调制周期随飞机高度变化（250us50ms）。高度越高，调制周期越
9、长，保持差频等于25KHz不变（选定差频为25KHz） 高度H（t）与调制周期TM的关系,7.3 典型无线电高度表,中国民航大学 CAUC,7.3 典型无线电高度表,中国民航大学 CAUC,工作状态 1、搜索状态 当收发机所测得的差频偏离25KHz较远时，系统处 于搜索状态。此时积分器输出一个变化的电压，经指数 变换器变换后，使调制锯齿波的周期由小到大变化着 。 由于调制锯齿波的周期由小到大变化，调频发射信号的 频率由快到慢变化，所测差频频率也随之改变，当差频 接近25KHz时，系统就进入跟踪状态。,7.3 典型无线电高度表,中国民航大学 CAUC,7.3 典型无线电高度表,中国民航大学 CA
10、UC,2、跟踪状态 当飞机保持一定高度飞行时，收发机所测得的差频保持25KHz，跟踪鉴别器输出的误差信号为零。积分器输出不变，调制锯齿波周期不变，高度处理器输出的高度电压不变。 当飞机高度升高时，电波往返传播时间t增大，差 频频率Fb( )高于25KHz，此时跟踪鉴别器输出一 个正的误差电压，加到积分器，使锯齿波控制电压增 加，调制锯齿波周期增长，调频波的频率变化率 （ ）减小，差频频率减小。直到差频加到25KHz。 这时高度处理器输出的高度电压也增加。同理，当飞机高度下降时，调制锯齿波的周期减小，高度电压也减小。,7.3 典型无线电高度表,中国民航大学 CAUC,跟踪鉴别器工作特性,7.3
11、典型无线电高度表,中国民航大学 CAUC,三、影响LRRA性能的因素,1、飞机安装延时（AID）校正 飞机停在地面上时，地面反射信号相对发射信号令产生传播延时，这个延时所产生的高度叫安装延时高度，它决定于收发电缆长度，收发天线之间距离和飞机停在地面上天线离地高度。安装延时产生的高度 P当飞机在地面上时，发射天线和接收天线到地面的总的最小长度。,7.3 典型无线电高度表,中国民航大学 CAUC,2、发射机对接收机泄漏信号的影响 因此，发射功率不能太大，通常小于0.5瓦，接收机灵敏度不能太高，这就限制了无线高度表的测高范围 收发天线分离安装,7.3 典型无线电高度表,中国民航大学 CAUC,3、多
12、路径发射干扰 多路径反射的弱信号也会被放大，而产生虚假的高度指示 减小多路干扰的方法是： 等差频FMCW高度表，搜索要从零高度向高高度搜索，保证跟踪 最先到的一次反射信号，就锁定到这个正确高度上（最短距离）。 在普通FMCW高度表中，使用跟踪滤波器（频谱滤波器），跟踪最 低差频，可滤除多路径反射信号产生的差频。,7.3 典型无线电高度表,中国民航大学 CAUC,4、多设备安装 干扰： 系统1可能接到系统2的信号（泄漏信 号、地面反射信号） 系统2可能接到系统1的信号 解决：天线对之间有间隔 使用不同的调制频率 调制信号频率相位相反,7.3 典型无线电高度表,中国民航大学 CAUC,5、飞机在倾
13、斜、俯仰时能测到真实高度,7.3 典型无线电高度表,中国民航大学 CAUC,三、系统组成,1、收发机 2、收发天线 3、指示器,7.3 典型无线电高度表,中国民航大学 CAUC,7.3 典型无线电高度表,中国民航大学 CAUC,1、收发机 用于产生发射信号（中心频率为4300MHZ的调频连续波）、接收机接收由地面返回的信号，接收机通过比较发射与接收的信号频率，计算出实际的离地高度。并把数据输送到相应显示装置和飞机其他系统。高度信号的处理由收发机内部两个微处理器完成，一个进行高度信号的处理并输出模拟和数字是高度数据；另一个完成监控功能，监视送到显示电路的高度信息的有效性和准确性。,7.3 典型无
14、线电高度表,中国民航大学 CAUC,TEST通过 显示情况： EADI 先显 示40英尺， 接着显示 RA故障旗。,7.3 典型无线电高度表,中国民航大学 CAUC,非EFIS飞机上，安装有专门的高度表指器,7.3 典型无线电高度表,2.高度显示,飞行员选择确定的DH转动DH旋钮时，DH指针沿刻度盘滑动，当RADH 时，DH灯亮,自检，按下TEST，警告旗出现，高度指针指示规定高度，若实验高度小于DH，DH灯亮，系统工作正常着陆式，截获到LOC和GS时，FCC输出抑制信号，防止实验高度注入,中国民航大学 CAUC,7.3 典型无线电高度表,EADI上高度显示,跑道升起标志：飞机在起飞和着陆阶段
15、向驾驶员提供代表飞机同跑道中心线二者空间位置的关系。 水平：，垂直：,中国民航大学 CAUC,7.3 典型无线电高度表,中国民航大学 CAUC,EADI 在进近着陆阶段显示RA和DH。 主要显示内容： 上升的跑道符号 VHF NAV 系统波道上工作，LOC频率，飞机高度在200FT时有效升起。2500FT 显示 空白,7.3 典型无线电高度表,中国民航大学 CAUC,决断高度显示DH 显示在RA上方 显示特点： 选择范围-20-999ft,显示范围 0-999ft,绿色 DH 为负无显示； 决断高度警戒： RADH 两个黄色DH字母闪亮3S，RA值为黄色 决断高度警戒结束： 自动结束：飞机从比
16、决断高度高75FT高度下降通过DH时： 飞机落地后自动复位。 人工复位：按压EFIS控制板上的RST键人工复位； 复位后：RA白色，DH绿色,7.3 典型无线电高度表,中国民航大学 CAUC,3、收发天线 收、发天线可互换 工作频段 4300MHZ， 工作在微波波段，因此对电缆长度要求严格。 4、EFIS 控制板 用于选择所要求显示的信息，显示在EADI、EHSI上。,7.3 典型无线电高度表,中国民航大学 CAUC,5、无线电高度和决断高度原理图,7.3 典型无线电高度表,中国民航大学 CAUC,6、装机情况及使用,两套或三套 天线成90度 调制频率不同,7.3 典型无线电高度表,中国民航大学 CAUC,使用,1、飞行高度低于2500英尺时，高度表开始 高度
