第四講-無(wú)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06二月20232023/2/6第四講無(wú)線電振幅導(dǎo)航系統(tǒng)2023/2/6一戰(zhàn)時(shí)，被用于引導(dǎo)船只的歸航和出航，并很快發(fā)展到對(duì)飛機(jī)的導(dǎo)航。振幅導(dǎo)航系統(tǒng)的缺點(diǎn)：測(cè)向（測(cè)角）精度不高振幅導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展：振幅系統(tǒng)還會(huì)繼續(xù)使用，但未來(lái)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）。2023/2/6

一般概念無(wú)線電振幅導(dǎo)航系統(tǒng)：信號(hào)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(cè)向，通過(guò)自動(dòng)測(cè)向儀引導(dǎo)飛機(jī)、船只朝向或離開導(dǎo)航臺(tái)，并可利用兩個(gè)或兩個(gè)以上的導(dǎo)航臺(tái)實(shí)現(xiàn)定位；或者通過(guò)儀表著陸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的下滑著陸功能。

2023/2/6無(wú)線電振幅導(dǎo)航系統(tǒng)地面導(dǎo)航臺(tái)（信標(biāo)臺(tái)、航向（下滑）臺(tái)）運(yùn)載體上的測(cè)向器（無(wú)線電羅盤或定向接收機(jī)）工作波段為長(zhǎng)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(wú)線電信號(hào)接收信號(hào)和實(shí)施定向2023/2/6運(yùn)載體需要事先知道信標(biāo)臺(tái)的準(zhǔn)確的地理坐標(biāo)、發(fā)射頻率、發(fā)射形式、臺(tái)站識(shí)別碼、工作時(shí)間等參數(shù)導(dǎo)航臺(tái)站的發(fā)射信號(hào)識(shí)別信號(hào)工作信號(hào)輔助信號(hào)識(shí)別地面導(dǎo)航臺(tái)測(cè)量導(dǎo)航參量傳送某些輔助信息角度測(cè)量的精度為±1°~±5°。2023/2/6利用載波信號(hào)振幅的調(diào)制深度變化進(jìn)行測(cè)向利用載波信號(hào)振幅本身的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)向測(cè)角方法最大值法最小值法等信號(hào)比較法獲取角參量的方式E型M型2023/2/6方位θ的無(wú)線電測(cè)量法在E型方式中，無(wú)線電信號(hào)的調(diào)制深度保持不變，載波信號(hào)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(hào)幅度大于規(guī)定的數(shù)值，用信號(hào)的調(diào)制深度m和θ建立起m＝m（θ）的關(guān)系。2023/2/6一、最大值法方向性圖的最大值處有一個(gè)機(jī)載測(cè)向器無(wú)法分辨的幅值范圍ΔU，所對(duì)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。2023/2/6二、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(duì)較小，其測(cè)向精度也比最大值法要高。另外當(dāng)天線方向性圖的兩個(gè)波束采用不同的調(diào)制頻率時(shí)，可以比較容易地判斷出導(dǎo)航臺(tái)偏離最小值點(diǎn)軸線的方向。2023/2/6三、等信號(hào)法（比較信號(hào)）采用部分重合的雙針狀方向性圖天線，當(dāng)兩個(gè)波束的接收信號(hào)相等時(shí)，即可獲得一條等信號(hào)線的方向。轉(zhuǎn)動(dòng)天線，使天線兩個(gè)波束的接收信號(hào)強(qiáng)度相等，即可確定出導(dǎo)航臺(tái)的方位。其不靈敏區(qū)φN和測(cè)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(cè)導(dǎo)航臺(tái)偏離等信號(hào)線的方向。2023/2/6最小值法——測(cè)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(hào)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(chǎng)合較多。2023/2/6振幅導(dǎo)航系統(tǒng)的天線特性和信號(hào)特征一、環(huán)形天線的特性分析二、對(duì)方向性天線的要求在工作過(guò)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(hào)測(cè)量處的幅度變化率有要求；最后制作要簡(jiǎn)單。2023/2/6設(shè)原點(diǎn)O處的電場(chǎng)強(qiáng)度為E=E0sinωt。整個(gè)環(huán)形天線的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)等于AB和CD邊內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(chǎng)理論，與Sk垂直的是電場(chǎng)E與磁場(chǎng)H。2023/2/6e=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(gè)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(dòng)勢(shì)的關(guān)系。矩形環(huán)形天線的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（e＝Em·cosωt）超前于電場(chǎng)（E=E0sinωt）90°，并且當(dāng)θ在-90°~+90°之間時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為正值；θ在90°~270°時(shí)，電動(dòng)勢(shì)為負(fù)值。2023/2/6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(cè)向，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(cè)向系統(tǒng)中。分集天線的方向性圖與環(huán)形天線基本一致。2023/2/6E型測(cè)向信號(hào)的形成及其特征設(shè)地面導(dǎo)航信標(biāo)臺(tái)---→全向信號(hào)，而無(wú)線電測(cè)向器天線的方向性函數(shù)為F(θ)

：導(dǎo)航臺(tái)發(fā)射等幅波，則E型測(cè)向器接收到的信號(hào)為e=EmmaxF(θ)cosωt=Em(θ)cosωt導(dǎo)航臺(tái)發(fā)射調(diào)幅波，則測(cè)向器接收的信號(hào)應(yīng)為

e=Em(θ)[1+mcosΩt]cosωtE型測(cè)向信號(hào)的特點(diǎn)是接收信號(hào)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(hào)的調(diào)制系數(shù)m保持不變，與θ無(wú)關(guān)。2023/2/6M型測(cè)向信號(hào)的形成及其特征M型測(cè)向信號(hào)的特點(diǎn)是載波信號(hào)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(hào)包絡(luò)的大小，隨測(cè)向器相對(duì)信標(biāo)臺(tái)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(hào)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

2023/2/62.2無(wú)線電羅盤測(cè)向系統(tǒng)2.2.1系統(tǒng)簡(jiǎn)介2.2.2無(wú)方向無(wú)線電信標(biāo)2.2.3機(jī)載無(wú)線電自動(dòng)定向儀2.2.4無(wú)線電羅盤在航空導(dǎo)航中的應(yīng)用2.2.5無(wú)線電振幅導(dǎo)航系統(tǒng)的測(cè)向誤差2.2.6系統(tǒng)簡(jiǎn)單評(píng)價(jià)2023/2/62.2.1系統(tǒng)簡(jiǎn)介工作頻率一般在150～1800kHz范圍內(nèi)，屬于中波、長(zhǎng)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(cè)向精度可達(dá)到2°左右。系統(tǒng)組成無(wú)線電羅盤（RadioCompass）機(jī)載無(wú)線電自動(dòng)定向儀（ADF）地面導(dǎo)航臺(tái)無(wú)方向性信標(biāo)（NDB）M型最小值法臺(tái)站識(shí)別信號(hào)采用1020Hz調(diào)制的兩個(gè)英文字符的莫爾斯碼格式2023/2/62.2.2無(wú)方向無(wú)線電信標(biāo)利用無(wú)方向性天線發(fā)射信號(hào)，用測(cè)向儀接收指示信號(hào)利用有一定方向性的天線發(fā)射信號(hào)，可用一般收音機(jī)或?qū)Ｓ媒邮罩甘酒鹘邮詹y(cè)定方向無(wú)線電測(cè)向信標(biāo)無(wú)方向信標(biāo)定向性指向標(biāo)航路信標(biāo)臺(tái)儀表著陸系統(tǒng)信標(biāo)臺(tái)2023/2/6無(wú)方向無(wú)線電信標(biāo)方框圖無(wú)方向無(wú)線電信標(biāo)臺(tái)具有準(zhǔn)確的地理坐標(biāo)位置，定期發(fā)射無(wú)線電信號(hào)，包括測(cè)向、識(shí)別和語(yǔ)音信號(hào)。三種基本工作狀態(tài)：等幅波方式——用于測(cè)向；調(diào)幅波方式——用于測(cè)向和臺(tái)站識(shí)別；語(yǔ)音方式——用于測(cè)向和通話。由控制臺(tái)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。2023/2/6無(wú)方向信標(biāo)的調(diào)幅波信號(hào)無(wú)方向信標(biāo)的等幅波信號(hào)2023/2/62.2.3機(jī)載無(wú)線電自動(dòng)定向儀1.基本組成及工作狀態(tài)自動(dòng)定向儀包括三種主要工作狀態(tài)：ADF（自動(dòng)測(cè)向）——由垂直天線和環(huán)形天線聯(lián)合接收信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)向；ANT（天線）——由垂直天線接收信號(hào)作為普通接收機(jī)使用；TEST（測(cè)試）——定向儀自檢，按下測(cè)試按鈕時(shí)，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。2023/2/6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。2023/2/6機(jī)載ADF所指示的角度是以飛機(jī)縱軸為基準(zhǔn)，順時(shí)針轉(zhuǎn)到飛機(jī)與導(dǎo)航臺(tái)連線所形成的夾角，如圖所示（為60°的夾角）。要獲得導(dǎo)航臺(tái)相對(duì)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(cè)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(wú)線電磁指示器RMI（RadioMagneticIndicator）。2023/2/6二、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(hào)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＝cosΩt2023/2/6三、關(guān)鍵技術(shù)和解決方法——雙值性的消除要確定信號(hào)e1和e2的相對(duì)相位，需要一個(gè)基準(zhǔn)信號(hào)，利用無(wú)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(guò)伺服電機(jī)使環(huán)形天線逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，θ將逐漸增大，直至θ=90°時(shí)為止。

若90°<θ<270°時(shí)，情況相反。θ2023/2/62.用測(cè)角器代替環(huán)形天線的轉(zhuǎn)動(dòng)在飛機(jī)上安裝兩個(gè)環(huán)形天線，相互垂直放置并且固定不動(dòng)，可分別取與飛機(jī)的縱軸平行和垂直的方向，兩天線同時(shí)接收地面信標(biāo)臺(tái)的信號(hào)。固定的環(huán)形天線及其方向性圖2023/2/6因此合成磁場(chǎng)即為兩環(huán)形天線合成電動(dòng)勢(shì)的影射，其方向代表了無(wú)線電波的來(lái)波方向，并與基準(zhǔn)方向即環(huán)形天線1的夾角為θ。在測(cè)角器內(nèi)產(chǎn)生互相垂直的兩個(gè)感應(yīng)磁場(chǎng)兩環(huán)形天線的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)測(cè)角器內(nèi)兩場(chǎng)線圈的參數(shù)是按相同比例設(shè)計(jì)兩個(gè)磁場(chǎng)形成一個(gè)合成磁場(chǎng)2023/2/6測(cè)角器內(nèi)的轉(zhuǎn)子在合成磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)。搜索線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e=EmsinφLcosωt即活動(dòng)線圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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(dòng)。通過(guò)搜索活動(dòng)線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)，代替了環(huán)形天線的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了天線不動(dòng)、方向性圖轉(zhuǎn)動(dòng)的目的。2023/2/63.環(huán)形天線的安裝與伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)在飛機(jī)上安裝環(huán)形天線時(shí)，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(dòng)測(cè)角器搜索線圈使其感應(yīng)電勢(shì)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。2023/2/6135Hz的本振信號(hào)接收機(jī)輸出的135Hz合成信號(hào)伺服電機(jī)激磁線圈控制線圈基準(zhǔn)信號(hào)控制信號(hào)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)由這兩個(gè)信號(hào)的相對(duì)相位控制2023/2/62.2.4無(wú)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(tái)進(jìn)行導(dǎo)航引導(dǎo)。2023/2/6一、出航、歸航和沿線飛行在無(wú)側(cè)風(fēng)影響情況下，出航背臺(tái)飛行時(shí)，羅盤指示為1800，歸航向臺(tái)飛行時(shí)，羅盤指示為00。沿線飛行一般都是沿折線航線飛行，每個(gè)主要拐彎點(diǎn)不是機(jī)場(chǎng)就是航路信標(biāo)點(diǎn)，所以沿線飛行多數(shù)也是背、向臺(tái)飛行。在有側(cè)風(fēng)影響時(shí)，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(tái)飛行時(shí)特別要注意的，否則即使保持無(wú)線電羅盤00飛行，由于側(cè)風(fēng)影響也會(huì)發(fā)生偏航。2023/2/6二、與磁羅盤復(fù)合應(yīng)用2023/2/6與磁羅盤復(fù)合實(shí)現(xiàn)雙信標(biāo)定位

無(wú)線電羅盤與磁羅盤復(fù)合可直接測(cè)得電臺(tái)磁方位角，可以建立一條直線位置線，如果分別（短時(shí)間內(nèi)）測(cè)得兩個(gè)已知地理位置的信標(biāo)臺(tái)磁方位角（或利用雙羅盤同時(shí)測(cè)得），便可以兩個(gè)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。2023/2/6三、與磁羅盤復(fù)合引導(dǎo)飛機(jī)輔助著陸2023/2/6四、無(wú)線電羅盤的應(yīng)急使用戰(zhàn)時(shí)當(dāng)導(dǎo)航臺(tái)被破壞時(shí)，可以借助同頻段的、臺(tái)址確知的無(wú)線電廣播電臺(tái)信號(hào)進(jìn)行應(yīng)急引導(dǎo)和定位；當(dāng)對(duì)空通信發(fā)生問(wèn)題時(shí)，可通過(guò)無(wú)方向信標(biāo)臺(tái)的話或報(bào)工作方式向飛機(jī)發(fā)送應(yīng)急指揮（單向）信息。2023/2/62.2.5系統(tǒng)簡(jiǎn)單評(píng)價(jià)優(yōu)點(diǎn)可連續(xù)自動(dòng)工作，飛行員處于主動(dòng)地位；只收不發(fā)，便于隱蔽；容量不受限制；設(shè)備簡(jiǎn)單，可供各類飛機(jī)使用。缺點(diǎn)精度不高導(dǎo)航臺(tái)還有被敵人利用或假冒的危險(xiǎn)對(duì)眼睛觀察依賴較大，即其著陸保障能力較低。2023/2/62.4測(cè)向誤差進(jìn)行角度測(cè)量時(shí)，都不可避免地帶有一定的誤差Δθ，它是所測(cè)量角度值θA′與其真值θA之差，即Δθ=θA′－θA。2023/2/6測(cè)向誤差系統(tǒng)測(cè)向誤差產(chǎn)生的原因隨機(jī)測(cè)向誤差產(chǎn)生的原因盲區(qū)2023/2/6（一）、系統(tǒng)定向誤