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1、第二章 无线电导航根本原理2.1 角丈量原理2.2 间隔丈量原理2.3 定位原理2.4 时间同步2.5 无线电导航系统任务区无线电导航经过丈量电磁波在空间传播时的电信号参量如电波的幅度、频率及相位等进展。 构建机制使得实践中丈量的无线电电参量与几何上的角度电台方位角、载体姿态角、间隔间隔、间隔差、和等几何参量建立对应关系，这些参量称为导航几何参量。常用的导航几何参量角度间隔导航通常是相对于某一详细目的地而言的，因此用空间极坐标角度和间隔是方便和合理的，也是便于无线电丈量的。主要引见上述两类根本几何参量的电丈量原理及导航定位方法。2.1 角丈量原理角丈量原理 导航中的角参量可以分为两类：一类是用
2、于描画载体与导航台站之间的相对角度关系的，如电台方位，跑道方位等；另一类用于描画载体的飞行形状，如航向、俯仰、横滚等。角度丈量两种方法：振幅法和相位法振幅法主要用于第一类角的丈量相位法根据系统构制不同可以进展两类角的丈量。2.1.1、振幅法、振幅法 利用天线的方向性图实现振辐与导引角的对应关系，有两种实现体制。站台自动式导航站台采用方向性天线发射信号，用户采用无方向性天线接纳；用户自动式导航台站采用无方向性天线发射信号，用户端采用方向性天线接纳一、一、 站台自站台自动式式留意：留意：1、基准、基准线的方向可以的方向可以是地理北向，也可以是是地理北向，也可以是某一特定方向如某一特定方向如飞机机的
3、跑道方向。的跑道方向。2、仅仅依托上面丈量依托上面丈量的角度是无法的角度是无法单独完成独完成载体的出航和体的出航和归航的，航的，必需必需结合合载体上的航向体上的航向丈量丈量设备进展角度的比展角度的比对。二、二、 用用户自自动式式 载体的测向器可以利用载波信号的振幅变化或者载波信号的调制深度的变化来测定角参量前者称之为E型任务方式，后者称之为M型任务方式。利器具有方向性函数的接纳天线，对地面导航台的无方向性调幅波信号进展接纳，接纳到的信号为 ：可见，在E型任务方式中，调制深度坚持不变，载波信号的幅度E与导航角参量建立一定的映射关系 E型测向器M型测向器要获得一个调制深度与角参量发生对应关系的电波
4、信号，需求用一个方向性天线和一个无方向性天线如垂直天线共同来完成。假定导航台发射的是等幅非调制波，垂直天线上收到的信号相当于载波分量，环状天线的接纳信号相当于傍频分量，二者在迭加器中合成为一个调幅波 ：利用方向性图测导引角，有三种方法：1、最大值法用户的接纳天线采用针状方向性图的接纳天线。当转动接纳天线使得接纳信号最强时，天线转过的角度即为导航台站相对于机轴的方位。 缺陷：实践的丈量过程中，方向性图的最大值在某个角度范围内无法觉察出方向的偏离，称为不灵敏区为减小不灵敏区，要求天线的方向性图足够锋利2、最小值法将接纳天线的最小值对准来波方向，天线中心所转过的角度也就是导航台站相对于机轴方向的方位
5、。零值点附近也存在一个不灵敏区。 与最大值法相比，普通最小值法的不灵敏区较小，故其测角灵敏度要比最大值法高。3、比较信号法假设将构成天线方向性图的两个波束，部分的重叠起来，那么可以获得一条等讯号线，如下图。转动天线到两个波束的接纳讯号强度相等的方向，即可确定出被测导航台的方位。灵敏度介于最大值法和最小值法之间。三、常用天线 天线是振幅式无线电导航系统的关键部件之一，正是依托它才建立起接纳信号幅度与导航角参量之间的对应关系。天线需求有一定特性的方向性图。常用天线？1、垂直天、垂直天线线垂直天线是最简单的一类天线，也就是我们常说的线状天线。假设天线的长度为l,电波的磁场方向一直在程度面内，那么由图
6、可以容易得到接受天线所感应的电动势为： 2、环状天线 矩形环状天线ABCD如下图天线高度为h，宽为b处于正常极化的电磁场内，假定电波磁场方向在程度面内3、分集天、分集天线线如下图，分集天线由两个垂直天线构成可以把天线A,B看作环状天线的两个垂直边，程度面方向性图仍是8字型。分集天线比环状天线省去了程度边，对消除极化误差很有利。一、方位丈量无线电波传播时，相位与方位角之间没有直接的对应关系。普通多采用旋转天线方向性图和旋转无方向性天线两种方法。 2.1.2、相位法1、旋转天线方向性图 假假设发射心型方向性图，在程度面内顺时针旋转；空间恣意一点接纳到的场强将是包络调制信号。包络相位与接纳点的方位相
7、关，称为可变相位信号。在方向性图最大值为某一事先确定的方位航路VOR通常采用地磁北向方位，终端VOR通常采用跑道方位时经过全向天线辐射基准相位信号。经过测出包络相位和基准相位之间的相位差就可得到载体相对于基准方向的方位角。2、旋、旋转转无方向性天无方向性天线线 无方向性天线在辐射或接纳电磁波时，本身是不含角坐标信息的。假设在一个平面内以一个固定的角频率旋转，那么无论发射台信标还是接纳台测向器，其辐射或接纳信号的相位，都将被天线的转动所调制。所调制的相位与观测点的角坐标有着一一对应的关系，这就是旋转无方向性天线进展测角的根据DVOR。 在O点设置一等幅发射机，同时将高频信号馈送到在程度面内沿半径
8、为R的圆周运动的无方向性天线A。3、基、基线线方式方式 如图，沿确定的基准方向AB并以一定的间隔D放置两个无方向性天线A、B，它们发射同相的电磁波。用户处于远场U点，经过接纳A、B的信号并比较它们的相位，那么可得到SU相对于基准轴AB的角度，其关系如下 ：1、相位法并不要求天线有锋利的方向性，用无方向性天线即可。2、相位差的范围那么能够超越360度D，存在测相的模糊性多值性当D时，那么不存在多值问题二、姿二、姿态丈量丈量与基线方式相反，假设将基线固定在载体上，那么就可以实现姿态的丈量。由于 姿态的三个角度：航向yaw、俯仰(pitch、p)、横滚(roll、r)是相互独立的，因此为了论述的方便
9、，以航向和俯仰为主引见其丈量方法。2.2 间间隔丈量原理隔丈量原理 无论是间隔，还是间隔差、间隔和的丈无论是间隔，还是间隔差、间隔和的丈量，它们的都是利用电磁波在均匀介质量，它们的都是利用电磁波在均匀介质空间中传播式的直线性和等速性。空间中传播式的直线性和等速性。间隔主要有相位、频率和脉冲时间间隔主要有相位、频率和脉冲时间三种丈量方法。三种丈量方法。 2.2.1相位法相位法经过丈量电磁波在运载体和电台之间信号相位的变化来确定间隔差。A、B两点电波的相位差是: 在三维空间中，以运载体或导航台为基准，画出等相位的曲线，那么是一组以基准点为球心、半径为r的球位置面。假设普通只思索二维程度面的情况，那
10、么r常数时，相当于以基准点为圆心、r为半径的圆弧，即为圆位置线。 相位法丈量间隔差丈量导航台站A、B发射电波的相位差。导航台站之间是严厉同步的由于两个台站或载体与用户之间的间隔较大，相位法测距中存在多值性问题影响到准确度与作用间隔的提高，为此需求采取相应祛除多值模糊的措施。1、延续丈量、计算并记录完好相位循环数。根据计数器的指示，可确定出相位巷道的序号；根据相位计的指示，可确定出小于的相位读数。该方法的运用必需保证首先是容易得到相位巷道的初始值，其次保证高的可靠性，由于一旦丧失接纳信号将使相位巷道的序号记录丧失或产生混乱，导致更大的定位误差。 2、消除相位多值性的另一种方法是宽、窄相位巷道配合
11、任务的方法。在加宽的巷道中，获得相位低精度读数，获得原相位巷道的序号；在窄相位巷道中读取相位高精度读数，获得间隔或间隔差。相位巷道的数目取决于间隔，即：假设将频率减小K倍，其波长加大K倍，那么相位巷道将相应加宽K倍。这时，地面台除了辐射频率f0的信号外，同时还要辐射频率f1的信号：这时相位接纳机在f0-f1的频率上进展粗测，在f0对应的巷道里进展精测。既可以消除多值性，又能同时获得必要的丈量精度。2.2.2 频率法频率测距通常是利用发射信号与反射信号的差频来进展丈量的。作为频率测距系统，必需求有一定的反射面，频率测距通常用来进展高度的丈量。频率测高的原理表示图如下所示：设发射机在t1时辰向地面
12、发射信号的频率为f1，经时间后由地面反射回来。假设不思索多普勒效应，那么反射回来的信号频率不变，而此时发射机发射的频率变为f2，那么在接纳检波的中直达信号与反射信号的差频为fb=f2-f1。差频的大小与传播延迟相关，即取决于高度。线性调频比较直观的表达了频率和间隔之间的关系普通说来频率调制信号可以是恣意周期的时间函数。 2.2.3 脉冲法脉冲法测距，本质上是用锋利的脉冲对时间轴进展标定，然后经过脉冲间隔读取时间，进而丈量间隔。脉冲测距有两种方式：有源方式无源方式1、有源、有源测测距距 所谓的有源测距指的是信号在用户和导航台站之间阅历了往、返两个传播过程，然后经过丈量信号的往返时间计算出用户和导
13、航台站之间的间隔。 通常测距讯问脉冲由用户发出，该讯问脉冲需求经过特殊的编码以区别是哪个用户的讯问脉冲，导航台站收到该脉冲后，延迟一定的时间 后向用户发射应对脉冲由用户接纳并丈量讯问脉冲和应对脉冲之间的时间间隔 ，便可以丈量载体和导航台站之间的间隔，即： 需求留意的是，在上述的丈量中，没有对用户和导航台站的时钟同步提出要求，也没有要求用很高精度的用户时钟。但并不是任何时钟都是允许的，需求根据间隔的丈量精度目的安装符合要求的时钟。譬如，假设要求间隔的丈量精度不大于30米，系统的任务半径为300公里，那么时钟的稳定度不能低于 。较好的石英晶体根本上都可以满足。因此，有源测距对时钟性能要求比较低2、
14、无源、无源测测距距 无源测距指的是用户仅仅接纳导航台站发射的脉冲信号来测得传播延迟。要求用户的时钟与导航台站的时钟基准严厉同步，它们的时钟震荡源之间既同频又同相，既无频差又无钟差。严厉意义的无源测距往往需求在测距之前曾经在用户和导航台站之间进展了大量的时钟同步任务。在用户和导航台站的时钟同步之后，导航台站发射测距脉冲，同时在测距脉冲中对发射时辰以电文的方式传输。用户收到测距脉冲后，测定脉冲的到达时间TOA，利用电文中所解码的脉冲发射时辰，就可以得到用户与导航台之间间隔：实践中，很难坚持用户与导航台站之间时钟的同频同相，因此人们提出了伪间隔丈量技术，即“伪距。所谓“伪距，顾名思义指非真实的间隔，实践中指用户接纳信号时间和导航台站发出信号之间的时间差，代表了包含真实间隔和两地钟差在内的时间折合量。其推行的含义还包括电波在传播和丈量过程中得其他误差。 伪距的丈量不需求测距之前进展时钟的同步任务，大大简化了系统的工程实现。
