第四講-無線電振幅導(dǎo)航系統(tǒng)

綜合導(dǎo)航技術(shù)上海海事大學(xué)應(yīng)士君01二月20232023/2/1第四講無線電振幅導(dǎo)航系統(tǒng)2023/2/1一戰(zhàn)時，被用于引導(dǎo)船只的歸航和出航，并很快發(fā)展到對飛機(jī)的導(dǎo)航。振幅導(dǎo)航系統(tǒng)的缺點(diǎn)：測向（測角）精度不高振幅導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展：振幅系統(tǒng)還會繼續(xù)使用，但未來的發(fā)展將更多地采取組合方式，如與GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)結(jié)合；儀表著陸系統(tǒng)和微波著陸系統(tǒng)、衛(wèi)星著陸系統(tǒng)等組成的多模式接收機(jī)（MMR）。2023/2/1

一般概念無線電振幅導(dǎo)航系統(tǒng)：信號振幅←→導(dǎo)航參數(shù)（一般是角坐標(biāo)）。振幅導(dǎo)航系統(tǒng)一般用于運(yùn)載體的測向，通過自動測向儀引導(dǎo)飛機(jī)、船只朝向或離開導(dǎo)航臺，并可利用兩個或兩個以上的導(dǎo)航臺實(shí)現(xiàn)定位；或者通過儀表著陸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的下滑著陸功能。

2023/2/1無線電振幅導(dǎo)航系統(tǒng)地面導(dǎo)航臺（信標(biāo)臺、航向（下滑）臺）運(yùn)載體上的測向器（無線電羅盤或定向接收機(jī)）工作波段為長波、中波或短波，覆蓋范圍可達(dá)幾百千米發(fā)射有一定方向或全向無線電信號接收信號和實(shí)施定向2023/2/1運(yùn)載體需要事先知道信標(biāo)臺的準(zhǔn)確的地理坐標(biāo)、發(fā)射頻率、發(fā)射形式、臺站識別碼、工作時間等參數(shù)導(dǎo)航臺站的發(fā)射信號識別信號工作信號輔助信號識別地面導(dǎo)航臺測量導(dǎo)航參量傳送某些輔助信息角度測量的精度為±1°~±5°。2023/2/1利用載波信號振幅的調(diào)制深度變化進(jìn)行測向利用載波信號振幅本身的變化來實(shí)現(xiàn)測向測角方法最大值法最小值法等信號比較法獲取角參量的方式E型M型2023/2/1方位θ的無線電測量法在E型方式中，無線電信號的調(diào)制深度保持不變，載波信號的幅度E與導(dǎo)航角參量θ建立起E＝E（θ）的依從關(guān)系；而M型工作方式則在其工作區(qū)內(nèi)保持載波信號幅度大于規(guī)定的數(shù)值，用信號的調(diào)制深度m和θ建立起m＝m（θ）的關(guān)系。2023/2/1一、最大值法方向性圖的最大值處有一個機(jī)載測向器無法分辨的幅值范圍ΔU，所對應(yīng)的角度區(qū)域稱為不靈敏區(qū)，要求天線的方向性圖足夠尖銳，并且輸入信噪比盡可能高。2023/2/1二、最小值法最小值法在零值點(diǎn)附近也存在不靈敏區(qū)φN，但該法的不靈敏區(qū)相對較小，其測向精度也比最大值法要高。另外當(dāng)天線方向性圖的兩個波束采用不同的調(diào)制頻率時，可以比較容易地判斷出導(dǎo)航臺偏離最小值點(diǎn)軸線的方向。2023/2/1三、等信號法（比較信號）采用部分重合的雙針狀方向性圖天線，當(dāng)兩個波束的接收信號相等時，即可獲得一條等信號線的方向。轉(zhuǎn)動天線，使天線兩個波束的接收信號強(qiáng)度相等，即可確定出導(dǎo)航臺的方位。其不靈敏區(qū)φN和測向精度均介于最大值法和最小值法之間，并且也能判斷出被測導(dǎo)航臺偏離等信號線的方向。2023/2/1最小值法——測量靈敏度和精度較高最大值法——信噪比最大，而天線制作的難易程度是最大值法較難等信號法——性能表現(xiàn)都是居中由于最小值法不靈敏區(qū)較小，在高頻、超高頻、甚高頻以及微波頻段，均可獲得所要求的方向性圖，因此應(yīng)用場合較多。2023/2/1振幅導(dǎo)航系統(tǒng)的天線特性和信號特征一、環(huán)形天線的特性分析二、對方向性天線的要求在工作過程中方向性圖的形狀穩(wěn)定；靈敏度要高，不靈敏區(qū)間要??；天線的方向性圖在信號測量處的幅度變化率有要求；最后制作要簡單。2023/2/1設(shè)原點(diǎn)O處的電場強(qiáng)度為E=E0sinωt。整個環(huán)形天線的感應(yīng)電動勢等于AB和CD邊內(nèi)的感應(yīng)電動勢之和，即e=eAB+eCD而eAB=E0hsin(ωt+πbcosθ/λ)eCD=-E0hsin(ωt-πbcosθ/λ)所以e=2E0hsin[(πbcosθ)/λ]?cosωt設(shè)沿地球表面?zhèn)鞑サ碾姴ǚ较騍k與環(huán)形天線平面的夾角為θ，根據(jù)電磁場理論，與Sk垂直的是電場E與磁場H。2023/2/1e=2E0hsin[(πbcosθ)/λ]?cosωt令Em=2E0hsin[(πbcosθ)/λ]則e＝Em?cosωt若b/λ<<1→Em=2E0

h(πb/λ)?cosθ，令Emmax＝(2πbh/λ)?E0，是個固定常數(shù)所以Em=Emmaxcosθ。該式反映了環(huán)形天線平面和電波傳播方向之間的夾角θ與感應(yīng)電動勢的關(guān)系。矩形環(huán)形天線的感應(yīng)電動勢（e＝Em·cosωt）超前于電場（E=E0sinωt）90°，并且當(dāng)θ在-90°~+90°之間時，感應(yīng)電動勢為正值；θ在90°~270°時，電動勢為負(fù)值。2023/2/1環(huán)形天線的“8”字形方向性圖有最小值，可采用最小值法測向，并且結(jié)構(gòu)簡單、容易制作、體積小、質(zhì)量輕，適宜于在運(yùn)載體上安放，一般工作于中、短波段的測向系統(tǒng)中。分集天線的方向性圖與環(huán)形天線基本一致。2023/2/1E型測向信號的形成及其特征設(shè)地面導(dǎo)航信標(biāo)臺---→全向信號，而無線電測向器天線的方向性函數(shù)為F(θ)

：導(dǎo)航臺發(fā)射等幅波，則E型測向器接收到的信號為e=EmmaxF(θ)cosωt=Em(θ)cosωt導(dǎo)航臺發(fā)射調(diào)幅波，則測向器接收的信號應(yīng)為

e=Em(θ)[1+mcosΩt]cosωtE型測向信號的特點(diǎn)是接收信號的載波幅值均與角度θ有關(guān)，將隨角度θ的改變而變化；而信號的調(diào)制系數(shù)m保持不變，與θ無關(guān)。2023/2/1M型測向信號的形成及其特征M型測向信號的特點(diǎn)是載波信號的幅值保持不變；而調(diào)制系數(shù)仍隨角度θ的變化而改變，即調(diào)幅信號包絡(luò)的大小，隨測向器相對信標(biāo)臺的方位不同而變化。=E1mcosωte2=E2mF(θ)cosωte2=E2mF(θ)cos(ωt＋90°)

e′2=E2mF(θ)cosΩtcosωt疊加電路的信號輸出為一調(diào)幅波：e1+e′2=E1m[1+m(θ)cosΩt]cosωt

式中m(θ)=F(θ)?E2m/E1m

2023/2/12.2無線電羅盤測向系統(tǒng)2.2.1系統(tǒng)簡介2.2.2無方向無線電信標(biāo)2.2.3機(jī)載無線電自動定向儀2.2.4無線電羅盤在航空導(dǎo)航中的應(yīng)用2.2.5無線電振幅導(dǎo)航系統(tǒng)的測向誤差2.2.6系統(tǒng)簡單評價2023/2/12.2.1系統(tǒng)簡介工作頻率一般在150～1800kHz范圍內(nèi)，屬于中波、長波或短波波段，功率在500W左右。作用距離一般可達(dá)幾百千米，典型為250～350km。系統(tǒng)的測向精度可達(dá)到2°左右。系統(tǒng)組成無線電羅盤（RadioCompass）機(jī)載無線電自動定向儀（ADF）地面導(dǎo)航臺無方向性信標(biāo)（NDB）M型最小值法臺站識別信號采用1020Hz調(diào)制的兩個英文字符的莫爾斯碼格式2023/2/12.2.2無方向無線電信標(biāo)利用無方向性天線發(fā)射信號，用測向儀接收指示信號利用有一定方向性的天線發(fā)射信號，可用一般收音機(jī)或?qū)Ｓ媒邮罩甘酒鹘邮詹y定方向無線電測向信標(biāo)無方向信標(biāo)定向性指向標(biāo)航路信標(biāo)臺儀表著陸系統(tǒng)信標(biāo)臺2023/2/1無方向無線電信標(biāo)方框圖無方向無線電信標(biāo)臺具有準(zhǔn)確的地理坐標(biāo)位置，定期發(fā)射無線電信號，包括測向、識別和語音信號。三種基本工作狀態(tài)：等幅波方式——用于測向；調(diào)幅波方式——用于測向和臺站識別；語音方式——用于測向和通話。由控制臺實(shí)現(xiàn)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。2023/2/1無方向信標(biāo)的調(diào)幅波信號無方向信標(biāo)的等幅波信號2023/2/12.2.3機(jī)載無線電自動定向儀1.基本組成及工作狀態(tài)自動定向儀包括三種主要工作狀態(tài)：ADF（自動測向）——由垂直天線和環(huán)形天線聯(lián)合接收信號進(jìn)行自動測向；ANT（天線）——由垂直天線接收信號作為普通接收機(jī)使用；TEST（測試）——定向儀自檢，按下測試按鈕時，指示器應(yīng)指示一規(guī)定的數(shù)值（一般為90°），以確定定向儀的工作是否正常。2023/2/1組合天線（環(huán)形＋垂直）機(jī)身下部前緩沖支柱后直九（武）直升機(jī)1.接收機(jī)；2.控制盒；3.組合天線；2.指示器。2023/2/1機(jī)載ADF所指示的角度是以飛機(jī)縱軸為基準(zhǔn)，順時針轉(zhuǎn)到飛機(jī)與導(dǎo)航臺連線所形成的夾角，如圖所示（為60°的夾角）。要獲得導(dǎo)航臺相對于飛機(jī)的方位，還必須知道飛機(jī)的航向角，因此需要與磁羅盤等航向測量設(shè)備相結(jié)合。另外，為了獲取讀數(shù)的方便，飛機(jī)上常把磁羅盤與ADF的指示部分合在一起，稱為無線電磁指示器RMI（RadioMagneticIndicator）。2023/2/1二、基本原理=U1mcosωtu2=U2mF(θ)cosωtu1=U2mF(θ)cos(ωt＋90°)

u5=U2mF(θ)cosΩtcosωt＝cosΩt疊加電路的信號輸出為一調(diào)幅波：e1+e′2=E1m[1+m(θ)cosΩt]cosωt

式中m(θ)=F(θ)?E2m/E1m

=m(θ)cosΩt＝cosΩt2023/2/1三、關(guān)鍵技術(shù)和解決方法——雙值性的消除要確定信號e1和e2的相對相位，需要一個基準(zhǔn)信號，利用無方向垂直天線（又稱判讀天線）。環(huán)形天線方向形圖若-90°<θ<90°，則e1超前于e2，通過伺服電機(jī)使環(huán)形天線逆時針旋轉(zhuǎn)，θ將逐漸增大，直至θ=90°時為止。

若90°<θ<270°時，情況相反。θ2023/2/12.用測角器代替環(huán)形天線的轉(zhuǎn)動在飛機(jī)上安裝兩個環(huán)形天線，相互垂直放置并且固定不動，可分別取與飛機(jī)的縱軸平行和垂直的方向，兩天線同時接收地面信標(biāo)臺的信號。固定的環(huán)形天線及其方向性圖2023/2/1因此合成磁場即為兩環(huán)形天線合成電動勢的影射，其方向代表了無線電波的來波方向，并與基準(zhǔn)方向即環(huán)形天線1的夾角為θ。在測角器內(nèi)產(chǎn)生互相垂直的兩個感應(yīng)磁場兩環(huán)形天線的感應(yīng)電動勢測角器內(nèi)兩場線圈的參數(shù)是按相同比例設(shè)計兩個磁場形成一個合成磁場2023/2/1測角器內(nèi)的轉(zhuǎn)子在合成磁場的作用下轉(zhuǎn)動。搜索線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢e=EmsinφLcosωt即活動線圈轉(zhuǎn)動時，φL變化導(dǎo)致e的變化規(guī)律與環(huán)型天線完全一樣，相當(dāng)于環(huán)形天線在轉(zhuǎn)動。通過搜索活動線圈的轉(zhuǎn)動，代替了環(huán)形天線的轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)了天線不動、方向性圖轉(zhuǎn)動的目的。2023/2/13.環(huán)形天線的安裝與伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動在飛機(jī)上安裝環(huán)形天線時，要求將穩(wěn)定的零值點(diǎn)朝向機(jī)頭方向，即“8”字形方向性圖的縱軸與飛機(jī)縱軸方向嚴(yán)格保持一致。具體實(shí)現(xiàn)方法是：使電波從機(jī)頭沿機(jī)身軸線射入，轉(zhuǎn)動測角器搜索線圈使其感應(yīng)電勢消失，指示器指示零度，這樣即確定了機(jī)身軸線方向?yàn)榛鶞?zhǔn)方向。2023/2/1135Hz的本振信號接收機(jī)輸出的135Hz合成信號伺服電機(jī)激磁線圈控制線圈基準(zhǔn)信號控制信號電機(jī)的轉(zhuǎn)動由這兩個信號的相對相位控制2023/2/12.2.4無線電羅盤在航空導(dǎo)航中的應(yīng)用引導(dǎo)飛機(jī)出航，歸航和沿線飛行；和磁羅盤復(fù)合使用，利用雙信標(biāo)定位；和磁羅盤復(fù)合引導(dǎo)飛機(jī)輔助著陸；在緊急情況下，借助同頻段的已知廣播電臺進(jìn)行導(dǎo)航引導(dǎo)。2023/2/1一、出航、歸航和沿線飛行在無側(cè)風(fēng)影響情況下，出航背臺飛行時，羅盤指示為1800，歸航向臺飛行時，羅盤指示為00。沿線飛行一般都是沿折線航線飛行，每個主要拐彎點(diǎn)不是機(jī)場就是航路信標(biāo)點(diǎn)，所以沿線飛行多數(shù)也是背、向臺飛行。在有側(cè)風(fēng)影響時，航跡方向（或地速方向）和飛機(jī)縱軸方向（航向）不一致，存在偏流角，這是在向臺飛行時特別要注意的，否則即使保持無線電羅盤00飛行，由于側(cè)風(fēng)影響也會發(fā)生偏航。2023/2/1二、與磁羅盤復(fù)合應(yīng)用2023/2/1與磁羅盤復(fù)合實(shí)現(xiàn)雙信標(biāo)定位

無線電羅盤與磁羅盤復(fù)合可直接測得電臺磁方位角，可以建立一條直線位置線，如果分別（短時間內(nèi)）測得兩個已知地理位置的信標(biāo)臺磁方位角（或利用雙羅盤同時測得），便可以兩個已知點(diǎn)為基點(diǎn)建立兩條位置線，它們的交點(diǎn)便是飛機(jī)的位置。2023/2/1三、與磁羅盤復(fù)合引導(dǎo)飛機(jī)輔助著陸2023/2/1四、無線電羅盤的應(yīng)急使用戰(zhàn)時當(dāng)導(dǎo)航臺被破壞時，可以借助同頻段的、臺址確知的無線電廣播電臺信號進(jìn)行應(yīng)急引導(dǎo)和定位；當(dāng)對空通信發(fā)生問題時，可通過無方向信標(biāo)臺的話或報工作方式向飛機(jī)發(fā)送應(yīng)急指揮（單向）信息。2023/2/12.2.5系統(tǒng)簡單評價優(yōu)點(diǎn)可連續(xù)自動工作，飛行員處于主動地位；只收不發(fā)，便于隱蔽；容量不受限制；設(shè)備簡單，可供各類飛機(jī)使用。缺點(diǎn)精度不高導(dǎo)航臺還有被敵人利用或假冒的危險對眼睛觀察依賴較大，即其著陸保障能力較低。2023/2/12.4測向誤差進(jìn)行角度測量時，都不可避免地帶有一定的誤差Δθ，它是所測量角度值θA′與其真值θA之差，即Δθ=θA′－θA。2023/2/1測向誤差系統(tǒng)測向誤差產(chǎn)生的原因隨機(jī)測向誤差產(chǎn)生的原因盲區(qū)2023/2/1（一）、系統(tǒng)定向誤