1 無線電導(dǎo)航基礎(chǔ)

第1章緒論1.1導(dǎo)航的發(fā)展簡史1.1.1導(dǎo)航的基本概念導(dǎo)航是一門研究導(dǎo)航原理和導(dǎo)航技術(shù)裝置的學(xué)科。導(dǎo)航系統(tǒng)是確定航行體的位置方向，并引導(dǎo)其按預(yù)定航線航行的整套設(shè)備（包括航行體上的、空間的、地面上的設(shè)備）。一架飛機從一個機場起飛，希望準(zhǔn)確的飛到另外一個機場就必須依靠導(dǎo)航、制導(dǎo)技術(shù)。導(dǎo)航，即引導(dǎo)航行的意思，也就是正確的引導(dǎo)航行體沿預(yù)定的航線，以要求的精度，在指定的時間內(nèi)將航行體引導(dǎo)至目的地。由此可知除了知道起始點和目標(biāo)位置之外，還要知道航向體的位置、速度、姿態(tài)等導(dǎo)航參數(shù)。其中最主要的是知道航行體的位置。1.1.2導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展在古代，我們的祖先一直利用天上的星星進行導(dǎo)航，在古石器時代，為了狩獵方便，人們利用簡單的恒星導(dǎo)航方法，這就是最早的天文導(dǎo)航方法。后來，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和人們對事物認知的發(fā)展，人們利用導(dǎo)航傳感器來導(dǎo)航，最早是我們祖先發(fā)明的指南針。現(xiàn)有的導(dǎo)航傳感器包括六分儀、磁羅盤、無線電羅盤、空速表、氣壓高度表、慣性傳感器、雷達、星體跟蹤器、信號接收機等。以航空領(lǐng)域為例，從20世紀(jì)20年代開始飛機出現(xiàn)了儀表導(dǎo)航系統(tǒng)。30年代出現(xiàn)了無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，即依靠飛機上的信標(biāo)接收機和無線電羅盤來獲得地面導(dǎo)航臺的信息已進行導(dǎo)航。40年代開始研制甚高頻導(dǎo)航系統(tǒng)。1954年，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在飛機上試飛成功，從而開創(chuàng)了慣導(dǎo)時代。50年代出現(xiàn)了天文導(dǎo)航系統(tǒng)和多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)。1957年世界上第一顆衛(wèi)星發(fā)射成功以后，利用衛(wèi)星進行導(dǎo)航、定位的研究工作被提上了議事日程，并著手建立海事衛(wèi)星系統(tǒng)用于導(dǎo)航定位。隨著1967年海事衛(wèi)星系統(tǒng)經(jīng)美國政府批準(zhǔn)對其廣播星歷解密并提供民用，由此顯示出衛(wèi)星定位的巨大潛力。60年代開始使用遠程無線電羅蘭-C導(dǎo)航系統(tǒng)，同時還有塔康導(dǎo)航系統(tǒng)、遠程奧米伽導(dǎo)航系統(tǒng)以及自動天文導(dǎo)航系統(tǒng)。60年代后，無線電導(dǎo)航得到進一步發(fā)展，并與人造衛(wèi)星導(dǎo)航相結(jié)合。70年代以后，全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)得到進一步發(fā)展和應(yīng)用。在此過程中，為了發(fā)揮不同導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)點，互為補充，出現(xiàn)了各種組合導(dǎo)航系統(tǒng)，它們主要以慣性導(dǎo)航系統(tǒng)為基準(zhǔn)。80年代以后，導(dǎo)航系統(tǒng)主要朝著以慣性導(dǎo)航系統(tǒng)為基礎(chǔ)的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，可組合的傳感器除了GPS外還有星光、地形和各種無線電導(dǎo)航裝置。1.1.3導(dǎo)航系統(tǒng)的任務(wù)導(dǎo)航系統(tǒng)的任務(wù)是確定載體的位置，并把載體由目前所在的地點按照給定的時間和航線引導(dǎo)到目的地，為此導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)該能夠提供以下導(dǎo)航信號：1）載體質(zhì)量中心所在地的“定位信號”；2）載體的“定向信號”；3）載體的“速度信號”。根據(jù)以上導(dǎo)航信號，需要調(diào)整載體的航行方向和速度，保證載體按照給定的時間和航線到達目的地。1.2導(dǎo)航系統(tǒng)簡介1.2.1無線電導(dǎo)航系統(tǒng)無線電導(dǎo)航系統(tǒng)是利用無線電技術(shù)測量導(dǎo)航參數(shù)，包括多普勒效應(yīng)測速、利用雷達原理測量距離和方位、用導(dǎo)航臺來定位等，它是一種廣泛使用的導(dǎo)航系統(tǒng)。此系統(tǒng)的優(yōu)點是：不受使用時間和氣候條件的限制，設(shè)備較簡單，可靠度較高等。但它輸出的信息主要是載體位置且工作范圍受地面臺覆蓋區(qū)域的限制，這種系統(tǒng)的工作與無線電波傳播條件有關(guān)，在某種程度上受人工干擾的影響。1.2.2衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是天文導(dǎo)航和無線電導(dǎo)航結(jié)合的一大產(chǎn)物，不過是把無線電導(dǎo)航臺放在人造衛(wèi)星上罷了。當(dāng)然，這種導(dǎo)航方法只有在航天技術(shù)充分發(fā)展的今天才有實現(xiàn)的可能。20世紀(jì)60年代初，旨在服務(wù)于美國海軍艦只的子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)出現(xiàn)了，70年代提供給民用，利用裝在航行體上的接收機，接收導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)出的無線電信號，并測量因衛(wèi)星相對衛(wèi)星接收機用戶不斷運動而產(chǎn)生的多普勒頻移，由此確定航行體在地球上的位置等導(dǎo)航參數(shù)。GPS是美國國防部研制的第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。在過去的幾年，使全球航行系統(tǒng)和空中交通管制系統(tǒng)發(fā)生深刻變革的根源是衛(wèi)星導(dǎo)航。ICAO將其命名為GNSS，其中可能包括各國或組織的空間衛(wèi)星系統(tǒng)。GNSS=GPS+GLONASS+INMARSAT-III+MTSAT+GIT……。目前，已經(jīng)達到完全運行狀態(tài)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)只有美國研制的全球定位系統(tǒng)（GPS）。1.2.3天文導(dǎo)航系統(tǒng)天文導(dǎo)航系統(tǒng)是利用天文方法觀測星辰日月等天體來確定航行體的位置，以引導(dǎo)航行體沿預(yù)定航線到達目的地的一種導(dǎo)航方法。天文導(dǎo)航最早在航海方面發(fā)展起來，利用六分儀人工觀測星體高度角來確定航行體的位置，現(xiàn)在發(fā)展為星體跟蹤器測高度角及方位角來推算航行體在地球上的位置及航向。它是利用光學(xué)或射電望遠鏡接收星體發(fā)射來的電磁波去跟蹤星體，在地球附近導(dǎo)航將受到云層及氣象條件的限制，在空氣稀薄的高空和宇宙航行，則是比較理想的。它也是一種自主式的導(dǎo)航系統(tǒng)，不需要地面設(shè)備支持，不受人工或自然形成的電磁干擾，不向外輻射電磁波，隱蔽性好，且誤差不隨時間積累。1.2.4慣性導(dǎo)航系統(tǒng)慣性導(dǎo)航是一種自主式的導(dǎo)航方法，它完全依靠自主的機載設(shè)備完成導(dǎo)航任務(wù)，和外界不發(fā)生任何光、電聯(lián)系，因此隱蔽性好，工作不受氣象條件的限制。慣性導(dǎo)航的基礎(chǔ)理論乃是牛頓力學(xué)基本定律，其中主要技術(shù)手段是用加速計測量載體的運動加速度，用陀螺裝置提供一個基準(zhǔn)坐標(biāo)系，再從中推算出所需要的導(dǎo)航參數(shù)。但是隨著計算的時間的推移，容易產(chǎn)生積累誤差。1.2.5多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)是一種自主式遠程導(dǎo)航定位系統(tǒng)，它不需要導(dǎo)航臺，又稱多普勒雷達，它的工作頻率為8800MHZ。多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)的主要用途是測定飛機的地速、偏流，進而計算飛機的位置、航程、待飛時間等導(dǎo)航參量。其測速精度約為航行精度的1/100-1/1000，并且抗干擾能力強。多普勒雷達是利用多普勒頻移效應(yīng)來測量飛機的地速的。民航飛機應(yīng)用的多為調(diào)頻連續(xù)波多普勒雷達，雷達天線向下方發(fā)射4個錐形波束，以獲取地速偏流信息。工作性能與反射面的形狀有關(guān)，如在水面或沙漠上空工作時，由于反射性不好就會降低性能。多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)的絕對定位精度不是很高，在現(xiàn)代跨洋遠程飛機上逐漸被其他導(dǎo)航系統(tǒng)取代。1.2.6組合導(dǎo)航及其他導(dǎo)航系統(tǒng)飛行器的發(fā)展對于導(dǎo)航系統(tǒng)在精度、可靠性等方面都提出了越來越高的要求。民航飛機上應(yīng)用的組合式導(dǎo)航系統(tǒng)一般有慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和無線電導(dǎo)航系統(tǒng)組成的組合導(dǎo)航系統(tǒng)。也有慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和無線電導(dǎo)航系統(tǒng)組成的組合導(dǎo)航系統(tǒng)。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以提供全球三維位置、速度和時間，它與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)有很強的互補性。這樣的組合導(dǎo)航系統(tǒng)可以有許多優(yōu)點：限制了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的漂移，提高了GPS接收機的抗干擾能力和快速捕獲能力，提高整個系統(tǒng)的容錯能力。也可以在某些條件不具備時單獨使用無線電導(dǎo)航系統(tǒng)、GPS、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。除了上述幾類導(dǎo)航系統(tǒng)外，還有磁羅盤、陀螺羅盤、空速表等一般普通導(dǎo)航儀表。這些儀表雖然提供的航向及速度不夠精確，但作為導(dǎo)航應(yīng)急使用往往是十分必要的。1.3導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展方向?qū)Ш较到y(tǒng)的發(fā)展趨勢是慣性/多傳感器組合導(dǎo)航系統(tǒng)，它具有高精度、高可靠性、高自主性、高動態(tài)性、高抗干擾性等自身性能，并根據(jù)實時情況、傳感器信息的可靠程度動態(tài)的、智能的選擇導(dǎo)航傳感器信息源，提供一個容錯的融合導(dǎo)航信息來滿足航行任務(wù)需求。當(dāng)然，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的地位是任何導(dǎo)航系統(tǒng)都無法替代的，組合導(dǎo)航系統(tǒng)都是以慣性導(dǎo)航系統(tǒng)為主的。以慣性導(dǎo)航系統(tǒng)為主的組合式導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展從比較簡單的慣性/多普勒、慣性/大氣數(shù)據(jù)、慣性/天文、慣性/無線電導(dǎo)航等組合方式開始，發(fā)展到慣性/無線電/GPS、慣性/地形匹配、慣性/GPS/慣性圖像匹配，以及多種系統(tǒng)和傳感器組合的慣性/地形加景象匹配/GPS則合式導(dǎo)航系統(tǒng)，甚至有什么信息源就有利用什么信息源的多傳感器組合系統(tǒng)。目前民航上先進的導(dǎo)航系統(tǒng)就是慣導(dǎo)/大氣數(shù)據(jù)/無線電導(dǎo)航/GPS/地形加景象匹配式的組合導(dǎo)航系統(tǒng)。

第2章無線電導(dǎo)航簡介2.1無線電導(dǎo)航原理簡介2.1.1無線電導(dǎo)航的基本原理一、對理想通用定位和導(dǎo)航系統(tǒng)的要求理想的導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)能滿足下列要求：1）全球覆蓋：系統(tǒng)必須在地球表面下或表面上、空中任何位置上工作。2）絕對準(zhǔn)確度和相對準(zhǔn)確度都必須很高：準(zhǔn)確度要求，無論是絕對的和相對的，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用情況在2-4000米之內(nèi)。3）準(zhǔn)確度應(yīng)不受環(huán)境影響：不管用戶的位置、速度和加速度如何，系統(tǒng)的準(zhǔn)確度都應(yīng)能達到；應(yīng)該不存在多路徑誤差或信號傳播通過大氣層、電離層產(chǎn)生的誤差，如果產(chǎn)生了這些誤差，應(yīng)能從數(shù)據(jù)中適當(dāng)除去。4）有效的實時反應(yīng)：定位數(shù)據(jù)的更新率可隨運動而連續(xù)變動。5）無多值解：如果存在解的多值性，設(shè)備應(yīng)能自動地或由操作員很快地進行分辨。6）容量無限：系統(tǒng)應(yīng)能容納無數(shù)用戶，且不會降低性能。7）敵人不能使用：未經(jīng)準(zhǔn)許的用戶不能使用系統(tǒng)導(dǎo)航，以達到他所要求到達的目的。8）有抗電子戰(zhàn)能力：敵人不能偵察、干擾或蒙蔽系統(tǒng)的正常工作。9）沒有頻率分配問題：系統(tǒng)必須在現(xiàn)已分配的頻譜帶寬之內(nèi)工作而不干擾別的系統(tǒng)。10）全體用戶共用一個坐標(biāo)格網(wǎng)。11）高的平均無故障間隔。12）體積、重量、價格、平均修復(fù)時間、部署時間和電源消耗都要小。13）適當(dāng)擴大用戶：設(shè)備應(yīng)具有機載式、艦載式、車載式和背負式等多種形式。14）通信能力強。很顯然，上述各種要求之間是存在著許多矛盾的，雖然導(dǎo)航經(jīng)過了漫長的發(fā)展史，直到科學(xué)技術(shù)已經(jīng)大大發(fā)展的今天，仍然不能在一個系統(tǒng)里把這些要求完善地統(tǒng)一起來。因此，各類、各種導(dǎo)航系統(tǒng)都因它能滿足一種或一些特定的要求而存在、而發(fā)展著，從而導(dǎo)致了許多導(dǎo)航類別的產(chǎn)生；同時，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，各類導(dǎo)航中的各種導(dǎo)航系統(tǒng)，為更好地滿足上述各種要求，又不斷地完善、不斷地改進著。在空間領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的開發(fā)和利用的基礎(chǔ)上，一種具有多種新技術(shù)、能同時適應(yīng)多種導(dǎo)航要求的嶄新系統(tǒng)必將隨之而來，這就是把天體導(dǎo)航和無線電導(dǎo)航合為一體的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。二、采用無線電導(dǎo)航手段的可能性無線電導(dǎo)航的過程，就是通過無線電波的發(fā)射和接收，測量飛機相對于導(dǎo)航臺的方向、距離等導(dǎo)航參量的過程，而測量和運用這些導(dǎo)航參量的可能性則基于電波的以下傳播特性：1）無線電波在理想均勻介質(zhì)中，按直線（或最短路徑）傳播；2）無線電波經(jīng)電離層發(fā)射后，入射波和發(fā)射波在同一鉛垂面內(nèi)；3）無線電波在傳播路徑中，若遇不連續(xù)介質(zhì)時發(fā)生反射；4）在理想均勻介質(zhì)中，無線電波傳播速度為常數(shù)。根據(jù)1）、2）兩個特性，可以測定無線電波的傳播方向，從而確定飛機相對于導(dǎo)航臺的方向，實現(xiàn)角坐標(biāo)測量。根據(jù)1）、4）兩個特性，可以測定無線電波在導(dǎo)航臺和飛機之間的傳播時間，從而確定飛機到導(dǎo)航臺的斜距。如測定電波有兩個導(dǎo)航臺到飛機的時間差，則可確定飛機到這兩個導(dǎo)航臺的距離差。特性3）是雷達導(dǎo)航的基礎(chǔ)，正是由于這個特性，才能通過無線電波發(fā)現(xiàn)飛機并確定飛機相對于雷達所在位置的角坐標(biāo)和距離。20世紀(jì)20～30年代，無線電測向是航海和航空僅有的一種導(dǎo)航手段，而且一直沿用至今。不過它后來已成為一種輔助手段。第二次世界大戰(zhàn)期間，無線電導(dǎo)航技術(shù)迅速發(fā)展，出現(xiàn)了各種導(dǎo)航系統(tǒng)。雷達也開始在艦船和飛機上用作導(dǎo)航手段。飛機著陸開始使用雷達和儀表著陸系統(tǒng)。60年代出現(xiàn)子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。70年代微波著陸引導(dǎo)系統(tǒng)研制成功。80年代，同步測距全球定位系統(tǒng)研制成功。無線電導(dǎo)航在軍事和民用方面有著廣闊的應(yīng)用前景。三、位置線、位置面和定位方法無線電導(dǎo)航，盡管它千差萬別，但都是通過接收和處理無線電信號來實現(xiàn)的。在導(dǎo)航臺位置精確已知的情況下，接收并測量無線電信號的電參量（如振幅、頻率、相位或延遲時間等），根據(jù)有關(guān)的電波傳播特性，轉(zhuǎn)換成導(dǎo)航需要的、接收點相對于該導(dǎo)航臺坐標(biāo)的導(dǎo)航參量——位置、方向、距離、距離差等，這就是無線電導(dǎo)航的實質(zhì)所在。處于某一特定位置上的接收機，在某一時刻接收并測得的無線電信號的電參量當(dāng)然是個確定的值，由它轉(zhuǎn)換過來的導(dǎo)航參量也將是個確定的值。根據(jù)一個（注意：不是兩個或兩個以上）導(dǎo)航參量，是不能唯一地確定該接收點位置的。由一個導(dǎo)航參量只能確定接收點的可能位置是在與該導(dǎo)航參量相對應(yīng)的軌跡線（如果發(fā)射臺和接收機都在地平面上的話）上，或是在一個軌跡面（如果發(fā)射臺和接收機中一個在地面另一個在空中的話）上。前者稱為位置線，后者稱為位置面。由此可見，要單值地定位，測得一個導(dǎo)航參量，即獲得一條位置線（或一個位置面）是不夠的，至少是兩個（平面定位）或兩個以上（空間定位）。這種用幾何線（或幾何面）相交來完成定位的方法是普遍采用的，它是無線電導(dǎo)航原理的一個重要組成部分，通常稱之為“幾何原理”。導(dǎo)航系統(tǒng)可能的位置線有直線、圓、雙曲線等，相應(yīng)地，可以把導(dǎo)航系統(tǒng)劃分為測向系統(tǒng)、測距系統(tǒng)和測距差系統(tǒng)。測向系統(tǒng)，例如甚高頻全向信標(biāo)、自動定向機的位置線是直線，參見圖2-1（a）。測距系統(tǒng)，例如無線電高度表、測距機的位置線是平面上的圓，參見圖2-1（b）、（c）。測距差系統(tǒng)，例如利用測距差原理工作的奧米伽導(dǎo)航系統(tǒng)、羅蘭系統(tǒng)等，其位置線為雙曲線，參見圖2-1（d）。這類系統(tǒng)又可以叫做雙曲導(dǎo)航系統(tǒng)。航空導(dǎo)航，除了飛機高度較低而又遠離導(dǎo)航臺，因而可以近似地看作平面導(dǎo)航外，嚴(yán)格的講都是空間導(dǎo)航的問題。因此，要用位置面相交來定位，在進行換算來得到飛機的地面位置。但實際上，在遠距離導(dǎo)航中，飛機的高度同它到最近的導(dǎo)航臺的距離相比較是很小的，作為平面導(dǎo)航來考慮不會引起明顯的誤差；即便是近距離導(dǎo)航，在飛機上裝有數(shù)據(jù)計算機和有高度數(shù)據(jù)輸入的情況下，也可以通過計算校正來測得飛機的地平面位置。由以上討論可知，在研究平面導(dǎo)航問題時，必須利用平面中的兩條或兩條以上的位置線相交，才能確定飛機的具體位置點。r距離導(dǎo)航臺（a）圓位置線Nr距離導(dǎo)航臺（a）圓位置線N導(dǎo)航臺飛機（b）直線位置線磁方位θ飛機高度h地球半徑R（d）雙曲線（c）等高線圖2-1位置線按照所利用的位置線的形狀，可以把導(dǎo)航定位分為ρ-θ定位系統(tǒng)、ρ-ρ定位或ρ-ρ-ρ定位系統(tǒng)、θ-θ定位系統(tǒng)和雙曲定位系統(tǒng)。這里的ρ表示距離，θ代表角度或方位。ρ-θ定位系統(tǒng)利用測距系統(tǒng)的圓形位置線與測向系統(tǒng)的直線位置線相交的方法，可以確定接收點（飛機）的具體位置M，這種定位方法也稱為極坐標(biāo)定位，參見圖2-2（a）。在實用中，利用同臺安裝的全向信標(biāo)臺和測距臺即可實現(xiàn)上述ρ-θ定位。機載氣象雷達也是用ρ-θ定位來確定危險氣象目標(biāo)的位置的。有的氣象雷達顯示器中所采用的電子束掃描方式，就是這種極坐標(biāo)掃描。θ-θ定位系統(tǒng)通過測定對于兩個導(dǎo)航臺（例如兩個VOR臺）的方位，可以獲得兩條徑向直線，從而通過這兩條直線的交點M確定飛機的位置，如圖2-2（b）所示。ρ-ρ定位系統(tǒng)測定到兩個導(dǎo)航臺的距離以獲得兩個圓形位置線，通過這兩個圓的交點即可確定飛機的位置，見圖2-2（c）。但兩個圓可以有兩個交點M1和M2，因此在這樣的系統(tǒng)中還需設(shè)法解決這一位置的模糊問題。如果同時測量到3個分離的導(dǎo)航臺的距離而獲得三條圓形位置線，則三個圓就只可能有一個公共交點M1了，因而也就不再存在位置模糊問題，這就是ρ-ρ-ρ定位系統(tǒng)，參見圖2-2（d）。利用2個或3個測距臺，即可進行上述ρ-ρ或ρ-ρ-ρ定位。θθrNMMNBAθBθAABrArBM（a）ρ-θ定位（b）θ-θ定位（c）ρ-ρ定位CrCM1M2ArABrB（d）ρ-ρ-ρ定位圖2-2定位方法雙曲定位系統(tǒng)通過測量到一組導(dǎo)航臺的距離差，可以得到一組雙曲線；同時測量到另一組導(dǎo)航臺的距離差，又可以得到另一組雙曲線。利用這兩組雙曲線的交點，即可確定飛機的位置。奧米伽導(dǎo)航系統(tǒng)既可以應(yīng)用ρ-ρ和ρ-ρ-ρ定位方法，又可應(yīng)用雙曲定位方法。四、無線電導(dǎo)航基本結(jié)構(gòu)綜上所述，無線電導(dǎo)航的本質(zhì)及其過程可概括成如圖2-3所示的結(jié)構(gòu)圖。這個無線電導(dǎo)航結(jié)構(gòu)圖，可以說是無線電導(dǎo)航的“綱”，因為它概括了所有無線電系統(tǒng)的基本內(nèi)容，這些基本內(nèi)容的要點如下：1）一個或若干個精確地知道其地理位置的發(fā)射臺及由它發(fā)射的無線電信號；2）無線電信號的電參量（如振幅A、頻率ω、相位φ、時間t）中的一個或多個攜帶著導(dǎo)航信息，經(jīng)過電波傳播到達接收機；3）接收機接收和處理無線電信號，測出所需要的電參量，再根據(jù)電波傳播特性，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的導(dǎo)航參量（如距離R、距離差ΔR、方位θ、飛機高度h及航向、航速等）；4）根據(jù)得到的導(dǎo)航參量及精確的發(fā)射臺的地理位置，就可以在地圖上獲得一條相對于該發(fā)射臺的位置線（或位置面）；5）兩條位置線或三個位置面相交，就可以得到飛機的平面（或空間）位置。發(fā)發(fā)射臺發(fā)射無線電信號電波傳播接收機接收處理電參量導(dǎo)航參量位置線1位置線2飛機位置電參量導(dǎo)航參量傳播特性A、ω、φ、th、θ、R、ΔR導(dǎo)航參量1導(dǎo)航參量2發(fā)射臺地理坐標(biāo)（已知）發(fā)射臺地理坐標(biāo)（已知）圖2-3無線電導(dǎo)航結(jié)構(gòu)圖從這個結(jié)構(gòu)圖中，不僅可以較好地理解無線電導(dǎo)航的基本過程，而且還可以清楚地看出各種無線電導(dǎo)航系統(tǒng)的區(qū)別之所在：幾十年的無線電導(dǎo)航發(fā)展史，盡管形成了多種多樣的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，但它們沒有根本的區(qū)別，它們的區(qū)別正如圖2-3所示，只在于發(fā)射臺放置的位置不同（地面上、飛機上或衛(wèi)星上）、所利用的電波電參量不同（振幅A、頻率ω、相位φ、時間t）以及采用位置線或位置面的形式不同（直線或平面、雙曲線或雙曲面、圓或球面），僅此而已。2.1.2區(qū)域?qū)Ш浇榻B空中交通史上的首批航路是沿地面臺點設(shè)計的，在作出向、背臺飛行的區(qū)別和臺點的頻率、航路寬度、飛行高度的規(guī)定后，飛機按設(shè)計的航路飛行，管制員按該航路計劃實施管制。由于當(dāng)時還沒有機載計算組件，飛機按逐臺導(dǎo)航方法飛行。隨著VOR/DME成功地運用于導(dǎo)航和機載計算設(shè)備，出現(xiàn)了RNAV概念并得以初步應(yīng)用。RNAV被確認為一種導(dǎo)航方法，即允許飛機在相關(guān)導(dǎo)航設(shè)施的信號覆蓋范圍內(nèi)，或在機載自主導(dǎo)航設(shè)備能力限度內(nèi)，或在兩者配合下沿所需的航路飛行。這也正是目前陸基航行系統(tǒng)條件下RNAV航路設(shè)計的特點。雖然可依靠機載計算組件作用，在導(dǎo)航臺的覆蓋范圍內(nèi)設(shè)計一條比較短捷航路，但仍按地面是否有導(dǎo)航臺來設(shè)計航路。陸基系統(tǒng)的RNAV航路可縮短航線距離，但飛行航路仍受到地面導(dǎo)航臺的限制。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用，從根本上解決了由于地面建臺困難而導(dǎo)致空域不能充分利用的問題。星基系統(tǒng)以其實時、高精度等特性使飛機在飛行過程中能夠連續(xù)準(zhǔn)確地定位。在空域允許情況下，依靠星基系統(tǒng)的多功能性，或與FMC的配合，飛機容易實現(xiàn)任意兩點間的直線飛行，或者最大限度地選擇一條便捷航路。一般來說利用衛(wèi)星導(dǎo)航，飛行航路不再受地面建臺與否的限制，實現(xiàn)了真正意義上航路設(shè)計的任意性。因而衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用使RNAV充分體現(xiàn)了隨機導(dǎo)航的思想。一、區(qū)域?qū)Ш降幕靖拍钏^區(qū)域?qū)Ш剑≧NAV），就是指那些能夠在一個廣闊的區(qū)域內(nèi)（而非限制在定點之間）提供導(dǎo)航能力的導(dǎo)航系統(tǒng)。顯然，具有RNAV能力的導(dǎo)航系統(tǒng)是很多的，諸如早期的臺卡系統(tǒng)、他備式羅蘭和奧米伽導(dǎo)航系統(tǒng)、自備是多普勒和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等等?，F(xiàn)代民用飛機已普遍使用以VOR/DME為基礎(chǔ)的RNAV系統(tǒng)，即VOR/DMERNAV系統(tǒng)。它是一種利用VOR的方位角、DME的斜距以及氣壓高度作為基本輸入信號，來計算飛機到某個航路點的航向和距離的導(dǎo)航和引導(dǎo)系統(tǒng)。圖2-4為VOR/DMERNAV系統(tǒng)示意圖。信標(biāo)臺航路點信標(biāo)臺航路點提供的導(dǎo)航信號氣壓高度VOR/DME信息計算的位置圖2-4VOR/DMERNAV系統(tǒng)二、區(qū)域?qū)Ш降幕驹鞻OR/DMERNAV的基本原理是：通過連續(xù)地測得飛機到VOR/DME地面信標(biāo)臺的方位和距離信息，從而獲得飛往某個確定的航路點的航向和距離。這一基本原理可歸結(jié)為連續(xù)地求解一個RNAV三角形問題。參看圖2-5的RNAV三角形，圖中A代表飛機在地面上投影點的位置，B是VOR/DME地面信標(biāo)臺的位置，C為某個航路點的位置?！鰽BC就叫做RNAV三角形。航路點航路點CANN地面臺Bθ1θ2θ3ρ1ρ3ρ2圖2-5RNAV三角形假定以磁北（N）方向作為角度關(guān)系的基準(zhǔn)方向，則RNAV三角形的各邊與角度關(guān)系如下：AB=ρ1——VOR/DME地面信標(biāo)臺與飛機之間的距離；θ1——從VOR/DME地面信標(biāo)臺到飛機的磁方位，即飛機方位；BC=ρ2——VOR/DME地面信標(biāo)臺與航路點之間的距離；θ2——從VOR/DME地面信標(biāo)臺到航路點的磁方位；AC=ρ3——飛機與航路點之間的距離；θ3——從飛機到航路點的磁方位。其中ρ1、θ1可通過VOR/DME地面信標(biāo)測得，為已知量；且對某個特定的航路點來說，ρ2、θ2為確定量，可由駕駛員輸入導(dǎo)航計算機或從導(dǎo)航計算機數(shù)據(jù)庫中調(diào)用。這樣，RNAV三角形的兩邊（ρ1、ρ2）及其夾角（θ2-θ1）為已知，故可求得ρ3和θ3，即飛機到航路點的距離和磁方位（航跡角）。RNAV三角形可用模擬方法來求解。為此，可將它畫成如圖2-6所示的矢量三角形。把RNAV三角形的每個元素用一個矢量來表示，矢量的大小和方向分別代表距離和角度。例如：可用正弦波或者矩形波的振幅和相位來分別代表距離（ρ1、ρ2）和角度（θ1、θ2）。--ρ1∠θ1ρ3∠θ3ρ1∠θ1ρ2∠θ2圖2-6RNAV三角形的矢量解由圖2-6所示的RNAV三角形的矢量解中可見，矢量ρ3∠θ3為二個矢量-ρ1∠θ1和ρ2∠θ2之和，即式中，負號表示ρ2∠θ2與ρ1∠θ1的矢量差。-θ1表示飛機到VOR/DME地面信標(biāo)臺的方位，即電臺方位。實際上，現(xiàn)代民用飛機的RNAV系統(tǒng)均利用計算機來求解RNAV三角形。為此，先要將RNAV三角形表示在直角坐標(biāo)系內(nèi)，然后再根據(jù)直角坐標(biāo)與極坐標(biāo)的關(guān)系寫出ρ3、θ3的表達式，并將解RNAV三角形的有關(guān)公式編成程序，連同三角函數(shù)數(shù)值表均存儲在導(dǎo)航計算機的只讀存儲器（ROM）中備用。θθx=ρsinθy=ρcosθX（東）Y（北）NWSWNESE圖2-7直角坐標(biāo)（X、Y）和極坐標(biāo)（ρ、θ）的關(guān)系圖2-7表示直角坐標(biāo)與極坐標(biāo)的關(guān)系，即因此式中如果1）（y2-y1）/（x2-x1）＞0，則θ3在第一、三象限內(nèi)，或在東北（NE）、西南（SW）象限內(nèi)；2）（y2-y1）/（x2-x1）＜0，則θ3在第二、四象限內(nèi)，或在西北（NW）、東南（SE）象限內(nèi)；3）y2-y1=0，則θ3=0°，180°；4）x2-x1=0，則θ3=90°，270°。由此可見，計算出現(xiàn)了多值性，但應(yīng)指出，由于θ3的計算是連續(xù)進行的，每次只變化一個很小的增量，所以不會引起多值性問題。利用RNAV系統(tǒng)進行導(dǎo)航時，往往還需要計算航線偏差，這是需要解圖2-8的航線偏差三角形。磁北（磁北（N）磁北（N）航線偏差距離OBS選擇的航線θc-θ3航路點RNAV矢量θ3ρθcρ3圖2-8航線偏差三角形航線偏差通常以距離而不是以角度給出，這是因為駕駛員總想知道的是究竟飛機偏離預(yù)定航線有多遠。在航線偏差三角形中，由于其中一邊（ρ3）和所有角度均為已知量，故可用余弦定理求得航線偏差距離（ρ）：得如果ρ為負值，那么飛機向左偏離預(yù)定航線。例如，在圖2-8中，若，，海里，那么海里；若，，那么海里，即表示飛機向左偏離航線30海里。對于精確導(dǎo)航來說，上述的RNAV三角形必須是在水平面內(nèi)的投影。遺憾的是飛機到DME地面信標(biāo)臺的距離是按斜距給出的。為了得到水平距離，必須解圖2-9所示的斜距三角形。信標(biāo)海拔高度必須從飛行數(shù)據(jù)存儲組件、自動數(shù)據(jù)輸入組件或通過鍵盤饋送進入設(shè)備，而飛機高度可從編碼高度計算得到。DME/VORDME/VOREGsA海平面圖2-9斜距三角形由圖2-9可知：式中G為水平距離，s為飛機到地面信標(biāo)臺的斜距，A是飛機的海拔高度，E是信標(biāo)臺天線的海拔高度。三、區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)方框圖VORVOR接收機DME詢問器導(dǎo)航計算機導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫控制顯示單元水平姿態(tài)指示器（HSI）自動駕駛測滾通道方位斜距高度導(dǎo)航信息飛行計劃航線偏差橫向操縱指令中央大氣數(shù)據(jù)計算機圖2-10典型的RNAV系統(tǒng)圖2-10為典型的RNAV系統(tǒng)方框圖。它由導(dǎo)航計算機、VOR接收機、DME詢問器、中央大氣數(shù)據(jù)計算機、控制顯示單元、水平狀態(tài)指示器和自動駕駛側(cè)滾通道所組成。導(dǎo)航計算機是RNAV系統(tǒng)的核心，其基本任務(wù)是接收導(dǎo)航傳感器送來的導(dǎo)航信息，包括來自VOR接收機的方位和DME詢問器的斜距，以及來自中央大氣數(shù)據(jù)計算機的氣壓高度；并按預(yù)編的程序連續(xù)地求解RNAV三角形，得到飛往某個航路點的軌跡，包括距離和磁方位。導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫或者是存儲在導(dǎo)航計算機內(nèi)，或者是在外部存儲器中。它包括：實現(xiàn)RNAV導(dǎo)航所需要的城市之間的航線、導(dǎo)航設(shè)備（VOR/DME信標(biāo)）及航路點的全部信息。每個航路點的參數(shù)包括：經(jīng)度和緯度、高度、導(dǎo)航設(shè)備的頻率、航路點到VOR/DME地面信標(biāo)臺的距離和磁方位?？刂骑@示組件的作用是：將有關(guān)信息（如飛行計劃裝入信息）輸入導(dǎo)航計算機；顯示導(dǎo)航信息。在某些RNAV系統(tǒng)中，導(dǎo)航計算機還可給航線偏差指示器（在HSI上）發(fā)送航線偏差信號，同時給自動駕駛儀發(fā)送橫向操縱指令。2.1.3無線電導(dǎo)航系統(tǒng)的基本指標(biāo)一般來說，航空無線電導(dǎo)航應(yīng)完成以下基本任務(wù)：1）引導(dǎo)飛機沿預(yù)定航線飛行；2）能隨時給飛行員提供準(zhǔn)確的位置指示，如航向、高度、方位、距離或經(jīng)緯度；3）引導(dǎo)飛機安全起飛、復(fù)飛、進近、著陸、滑行；4）對機場區(qū)域和航路上的飛機實施空中交通管制。民用航空一般只要求沿著已經(jīng)建立起來的航線，“點”到“點”地導(dǎo)航；在遠距離越洋或沙漠航線上飛行的飛機，因為沒有地面設(shè)備，要求有自備式導(dǎo)航系統(tǒng)，或遠程、超遠程導(dǎo)航系統(tǒng)；著陸階段，要求有進近和著陸引導(dǎo)系統(tǒng)。所采用的導(dǎo)航系統(tǒng)和設(shè)備應(yīng)有以下特點：1）保證航行計劃能得到安全、有效地執(zhí)行；2）購買、安裝導(dǎo)航設(shè)備的起始成本和維護成本要低；3）導(dǎo)航設(shè)備的可靠性、可維修性要好；4）操作使用簡單，以節(jié)省機組人員。不同的航空無線電系統(tǒng)和設(shè)備，由于所賦予它的任務(wù)和用途不同，對它提出的戰(zhàn)術(shù)、技術(shù)指標(biāo)也不會一樣，但是有些基本指標(biāo)則是共同的。通常，航空無線電導(dǎo)航系統(tǒng)和設(shè)備的基本指標(biāo)有：可靠性和可維修性、可預(yù)測性和再現(xiàn)性、準(zhǔn)確度、作用距離、工作容量、隱蔽性和抗干擾性等。一、可靠性和可維修性1、可靠性可靠性是指系統(tǒng)和設(shè)備在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。可靠性的度量通常用下面三個量：1）可靠度：一個系統(tǒng)或設(shè)備，用于規(guī)定的條件時，在規(guī)定的時間內(nèi)無故障地工作的概率；2）平均故障間隔（MTBF）：系統(tǒng)或設(shè)備在長期的工作中（嚴(yán)格地說，在無限長時間內(nèi)），所有兩次相鄰故障間隔的平均；3）停機時間（DWT）：系統(tǒng)和設(shè)備在一個給定的工作時間內(nèi)，不能工作的時間。它通常用百分數(shù)表示，例如一個系統(tǒng)在2000小時的工作時間內(nèi)若中斷30分鐘，那么它的停機時間就是30/（2000×60）=0.025%。2、可維修性可維修性是指系統(tǒng)或設(shè)備按預(yù)先規(guī)定的程序和方法進行維護和修理時，在一定的時間內(nèi)，使之滿足規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)、正常工作的概率。根據(jù)這個定義可知，修復(fù)時間是可維修性的最重要的因素?？删S修性的度量通常用平均維修時間MTTR，它是系統(tǒng)或設(shè)備在長期工作中，對各次發(fā)生的故障進行修復(fù)所需的時間的平均值。人們常常把可靠性和可維修性聯(lián)合起來考慮，這時，最常用到的一個指標(biāo)就是穩(wěn)態(tài)可利用性A，它的含義是系統(tǒng)長期工作時，在工作期間內(nèi)任意時刻上正常工作的概率。在數(shù)學(xué)上，A的定義如下式所示：二、再現(xiàn)性和可預(yù)測性再現(xiàn)性是指系統(tǒng)再現(xiàn)一個位置的能力。換句話說，對于地球表面或空間的一個給定位置，系統(tǒng)可以得到它確定的導(dǎo)航坐標(biāo)參考值；在另外的時候，該系統(tǒng)又得到這個同樣數(shù)值的導(dǎo)航坐標(biāo)參量時，它的位置與先前那個位置接近的程度。這個指標(biāo)在實際導(dǎo)航工作中是很有用的，它與系統(tǒng)精度有關(guān)，但不同于系統(tǒng)精度?？深A(yù)測性是指指定位置的地理坐標(biāo)與預(yù)定的導(dǎo)航參量坐標(biāo)之間的符合程度?？深A(yù)測性與下列條件有關(guān)：1）大氣、電離層條件及信號傳播特性的預(yù)測；2）發(fā)射臺位置的大地測量精度。因為發(fā)射臺天線位置的很小偏移都會引起工作區(qū)內(nèi)位置預(yù)測的很大誤差；3）大地測量方法及地球球體等效；4）坐標(biāo)變換及其所用數(shù)學(xué)的嚴(yán)密性。三、準(zhǔn)確度無線電導(dǎo)航系統(tǒng)的準(zhǔn)確度是指在規(guī)定的使用條件下，導(dǎo)航參量誤差不超過給定值的能力。這里的誤差是指不可校準(zhǔn)的隨機誤差，完整的準(zhǔn)確度的含義應(yīng)該包括兩個不可分割的內(nèi)容：一個是給定的誤差范圍，即誤差的數(shù)量上的大??；另一個是系統(tǒng)獲得的導(dǎo)航參量落在這個范圍的能力，通常用概率表示。四、作用距離作用距離是指在保證導(dǎo)航系統(tǒng)的準(zhǔn)確度的前提下，飛機和無線電導(dǎo)航臺間的最大距離。很多無線電導(dǎo)航系統(tǒng)的準(zhǔn)確度與方向有關(guān)，為了完整地反映最大作用距離對方向的依賴性，常用工作區(qū)的概念。工作區(qū)內(nèi)，最大作用距離的方向，稱為無線電導(dǎo)航系統(tǒng)的主方向。五、工作容量工作容量是指一個導(dǎo)航系統(tǒng)同時可供多少飛機（或艦船）使用。這個指標(biāo)是指那些有源用戶，它們要發(fā)射信號，與地面導(dǎo)航臺進行“詢問”和“應(yīng)答”。而對那些無源用戶，只接收導(dǎo)航臺發(fā)射的信號進行導(dǎo)航，則工作容量是無限的。六、隱蔽性和抗干擾性隱蔽性是指無線電導(dǎo)航系統(tǒng)工作時不被敵人發(fā)現(xiàn)的可能性。對系統(tǒng)的地面設(shè)備來說，要隱蔽在山洞；對系統(tǒng)的機上設(shè)備來說，最好是無源的，不發(fā)射信號。另外，隱蔽性還包括導(dǎo)航系統(tǒng)傳輸?shù)男畔⒁Ｃ堋榇?，通常采用?fù)雜的編碼。抗干擾性是指在有人為干擾和天然干擾時，無線電導(dǎo)航系統(tǒng)保持給定性能指標(biāo)的能力。它是實用中一個重要指標(biāo)，特別是在軍事航空導(dǎo)航中，更是如此。因此，在設(shè)計和使用無線電導(dǎo)航系統(tǒng)時，必須要采取技術(shù)上和管理上的措施。2.2無線電導(dǎo)航系統(tǒng)簡介2.2.1無線電導(dǎo)航系統(tǒng)的分類一、自備式和他備式系統(tǒng)從機載設(shè)備能否獨立實現(xiàn)系統(tǒng)功能的角度上劃分，可將無線電導(dǎo)航系統(tǒng)分為自備式和他備式系統(tǒng)。有的飛機無線電系統(tǒng)不需要依賴于任何地面設(shè)備，便可實現(xiàn)系統(tǒng)的既定功能，這樣的系統(tǒng)稱為自備式（自主式）系統(tǒng)，例如：無線電高度表、氣象雷達和多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)；相應(yīng)的那些需要和地面設(shè)施配合才能實現(xiàn)系統(tǒng)的既定功能的叫他備式導(dǎo)航系統(tǒng)，如測距機、應(yīng)答機、定向機、全向信標(biāo)等。二、按功能分類按系統(tǒng)實現(xiàn)的功能劃分為：導(dǎo)航定位、環(huán)境監(jiān)測、著陸引導(dǎo)。比如：全向信標(biāo)、自動定向機、測距機、無線電高度表等用來導(dǎo)航定位；近地警告系統(tǒng)、機載防撞系統(tǒng)、氣象雷達系統(tǒng)用于環(huán)境監(jiān)測；儀表著陸系統(tǒng)、指點信標(biāo)系統(tǒng)等用于著陸引導(dǎo)。當(dāng)然，這樣劃分也并不是非常全面。三、按導(dǎo)航參量分類按照導(dǎo)航參量不同可以劃分為：測距、測向、測角等系統(tǒng)。例如：無線電高度表和測距機是測量距離；全向信標(biāo)是測角系統(tǒng)；自動定向機是測角系統(tǒng)。2.2.2無線電導(dǎo)航測角系統(tǒng)一、自動定向機自動定向機（AutoDirectionFinder，ADF）又稱無線電羅盤。自1920年開始應(yīng)用。它的功用是測量地面導(dǎo)航臺相對于飛機縱軸的方位，以引導(dǎo)飛機向臺飛行或背臺飛行。它是依靠機上環(huán)形天線的方向特性來測定電臺方位。ADF工作頻率是190至1750KHz，在這個波段，不僅設(shè)置有專供導(dǎo)航的無方向?qū)Ш叫艠?biāo)，還有大量的大功率廣播電臺可供利用。二、甚高頻全向信標(biāo)甚高頻全向信標(biāo)(VHFOmni-directionalRange,以下簡稱VOR),是一種用于航空的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)。其工作頻段為108.00MHz-117.95MHz的甚高頻段，故此得名。VOR發(fā)射機發(fā)送的信號有兩個：一個是相位固定的基準(zhǔn)信號；另一個信號的相位隨著圍繞信標(biāo)臺的圓周角度是連續(xù)變化的，也就是說各個角度發(fā)射的信號的相位都是不同的。向360度(指向磁北極)發(fā)射的與基準(zhǔn)信號是同相的（相位差為0），而向180度(指向磁南極)發(fā)射的信號與基準(zhǔn)信號相位差180度。飛行器上的VOR接收機根據(jù)所收到的兩個信號的相位差就可以計算出自身處于信標(biāo)臺向哪一個角度發(fā)射的信號上。VOR通常與測距儀（DME）同址安裝，在提供給飛行器方向信息的同時，還能提供飛行器到導(dǎo)航臺的距離信息，這樣飛行器的位置就可以唯一的被確定下來。2.2.3著陸引導(dǎo)系統(tǒng)一、儀表著陸系統(tǒng)儀表著陸系統(tǒng)（InstrumentLandingSystem，ILS）用于引導(dǎo)飛機沿正確的航向和下滑線著陸，是保證飛機安全著陸的重要設(shè)備，尤其是在夜間和不良氣象條件下，儀表著陸系統(tǒng)顯得更為重要。由于儀表著陸系統(tǒng)能在能見度很差的情況下引導(dǎo)飛機安全著陸，因此也可稱為盲目著陸設(shè)備。儀表著陸系統(tǒng)由航向信標(biāo)系統(tǒng)、下滑信標(biāo)系統(tǒng)和指點信標(biāo)系統(tǒng)三部分組成。航向系統(tǒng)利用90Hz和150Hz調(diào)幅的甚高頻信號，產(chǎn)生一個垂直于跑道平面并通過跑道中心線的航向引導(dǎo)平面；下滑系統(tǒng)則利用90Hz和150Hz調(diào)幅的甚高頻信號，產(chǎn)生一個與跑道平面成2–4°夾角的下滑引導(dǎo)平面，這兩個引導(dǎo)平面相交，即可得到一條航向下滑線。飛機由儀表著陸系統(tǒng)引導(dǎo)沿此下滑線進近，即可安全著陸。指點信標(biāo)系統(tǒng)是由三個或兩個準(zhǔn)確裝在跑道中心線延長線上的地面指點信標(biāo)臺及相應(yīng)的機載信標(biāo)接收機組成的。利用指點信標(biāo)系統(tǒng)可引導(dǎo)飛機對準(zhǔn)跑道中心線，檢查飛機通過信標(biāo)臺時的高度和速度是否適當(dāng)，以及飛機距跑道的距離。航向系統(tǒng)的工作頻率是108.1–111.95MHz范圍內(nèi)十分位小數(shù)為奇數(shù)的頻率，共有40個波道，波道間隔為50kHz。下滑系統(tǒng)頻率為329.15–335.0MHz，也有40個波道，波道間隔為150kHz，下滑系統(tǒng)波道和航向系統(tǒng)波道按一定規(guī)律配對。指點信標(biāo)工作于固定的75MHz。二、微波著陸系統(tǒng)微波著陸系統(tǒng)（MicrowaveLandingSystem，MLS）用于引導(dǎo)飛機進行精密儀表進近和自動著陸。MLS是國際上正在試用和準(zhǔn)備推廣的新系統(tǒng)，國內(nèi)目前尚未正式使用，但其過渡和實現(xiàn)計劃已在制訂。MLS主要由測角系統(tǒng)和測距系統(tǒng)兩大部分組成，其地面設(shè)備的基本格局由方位制導(dǎo)設(shè)備、仰角制導(dǎo)設(shè)備和精密測距儀（DME/P）以及基本數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)組成。方位制導(dǎo)和仰角制導(dǎo)統(tǒng)稱為角度制導(dǎo)，這是實現(xiàn)MLS功能的主體相當(dāng)于ILS的航向引導(dǎo)和下滑引導(dǎo)。方位制導(dǎo)設(shè)備一般和精密測距儀（DME/P）應(yīng)答器一起安裝在跑道端處的中心延長線上。方位制導(dǎo)設(shè)備的功能與ILS航向臺的功能相同，但它所提供的方位覆蓋范圍相對于掃描中心線通常有±40°（ILS的航向臺為±2°）。仰角制導(dǎo)設(shè)備是MLS系統(tǒng)中另一重要的組成部分，它安裝在跑道的進近端處偏離中心線的某一位置。仰角臺與ILS下滑臺的功能相同，但可提供駕駛員選擇的下滑角范圍寬至15°（ILS的下滑臺為1.4°）。在方位覆蓋區(qū)域內(nèi)，飛機可以在仰角制導(dǎo)的范圍內(nèi)任何下滑道上得到精密的引導(dǎo)。精密測距儀為進近和著陸飛機提供連續(xù)的精密距離信息，從而取代目前配合ILS系統(tǒng)工作的指點信標(biāo)臺。2.2.4無線電測距系統(tǒng)一、無線電高度表無線電高度表是測量飛機到地面垂直距離的機載無線電設(shè)備，是重要的飛行器儀表之一。它由發(fā)射、接收裝置和顯示器組成。飛機向地面發(fā)射無線電波，經(jīng)地面反射后被飛機接收機接收，無線電波經(jīng)歷兩倍飛行高度H的行程所用的時間等于兩倍飛行高度被電波傳播速度所除的商值。電波傳播的速度為恒值，只要測出這段時間便可求出飛行高度。無線電高度表按工作方式分為調(diào)頻式和脈沖式兩種。①調(diào)頻式無線電高度表：從飛機上向地面發(fā)射三角波調(diào)制的連續(xù)調(diào)頻波，經(jīng)地面反射后被接收機接收。把接收到的調(diào)頻波和從發(fā)射機耦合過來的發(fā)射波進行混頻。輸出的差頻與飛行高度有關(guān)。用頻率計數(shù)器測出差頻，通過換算即得到離地高度。這種高度表以連續(xù)波方式工作，必須采用2個天線分別作為發(fā)射天線和接收天線。②脈沖式無線電高度表：它的工作方式與脈沖雷達測量距離的工作方式完全相同。新型脈沖式無線電高度表發(fā)射的脈沖寬度可自動調(diào)整，無論在低高度或高高度均可作精確測量。二、測距機測距機系統(tǒng)（DistanceMeasuringEquipment，DME）是一種能夠測量由詢問器到某個固定應(yīng)答器距離的二次雷達系統(tǒng)。DME系統(tǒng)是詢問---回答式脈沖測距系統(tǒng)。用來測量飛機到所選地面臺的斜距。它工作在L波段，詢問頻率1025-1150MHz，應(yīng)答頻率962-1213MHz，民用測距機共有200個頻道。測距機的頻道是與全向信標(biāo)和儀表著陸系統(tǒng)的頻道配套選擇的，在用甚高頻導(dǎo)航控制盒選定了甚高頻導(dǎo)航（全向信標(biāo)或儀表著陸）頻率后，即確定了與之配對的測距機工作頻率。在甚高頻導(dǎo)航控制盒上設(shè)置有測距機的方式控制開關(guān)與自檢開關(guān)。2.2.5空中交通管制與防撞系統(tǒng)一、空中交通管制空中交通管制應(yīng)答機（AirTrafficControlTransponder，ATCTPR）簡稱應(yīng)答機，與地面二次雷達配合，用以向地面管制中心報告飛機的識別代碼和氣壓高度，并可用于確定飛機的平面位置。工作在L波段，地面詢問頻率1030MHz，機載應(yīng)答機由地面詢問機發(fā)出的詢問信號觸發(fā)而應(yīng)答，應(yīng)答頻率為1090MHz。應(yīng)答的內(nèi)容取決于二次雷達的詢問模式。為克服原有二次雷達系統(tǒng)易于產(chǎn)生同步混淆和異步混淆等固有缺陷，現(xiàn)在離散尋址報告系統(tǒng)在廣泛應(yīng)用，它的機載設(shè)備是S模式應(yīng)答機。二、防撞系統(tǒng)空中交通提醒與防撞系統(tǒng)（TrafficCollisionAvoidanceSystem，TCAS）是安裝于中大型飛機的一組系統(tǒng)，用以防止飛機在空中互撞。TCAS的顯示器可以與導(dǎo)航顯示器（NavigationDisplay；ND）整合在一起，也可以與即時垂直速度指示器（InstantaneousVerticalSpeedIndicator；IVSI）整合，這樣上升或下降時可顯示垂直速度。TCAS顯示鄰近飛機與自己飛機的間距與航向，顯示范圍可以由飛行員決定（從2.5海里至30海里），若是與別架飛機的距離或航向有相撞的危險時，TCAS會用聲音及顯示警告飛行員，此稱為ResolutionAdvisory（RA）。并且會用語音指示避撞的動作，例如：“爬升！爬升！爬升！”“下降！下降！下降！”。別架飛機若有裝TCAS，也會有同樣的警告發(fā)出來。在美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）或其它民航管理單位，都會規(guī)范TCAS與ATC的指示沖突時的優(yōu)先次序，因為若是一架飛機遵從TCAS，但另一架遵從ATC，這樣子仍有互撞的危險。最明顯的實際案例，在2002年，兩架飛機在德國南部的烏柏林根上空發(fā)生空中接近，兩機都收到了TCAS的警告，但有一架飛機未遵從TCAS的指示，反而聽從ATC的指示，導(dǎo)致兩機在空中相撞造成重大死傷。2.2.6彩色氣象雷達系統(tǒng)機載氣象雷達是一種工作頻率為9.33GHz的自主式系統(tǒng)。它的主要功用是探測飛機前方扇區(qū)內(nèi)的危險氣象目標(biāo)和其他障礙物；還可以顯示飛機前下方的地形特征。它通過方向性很強的天線，雷達向空間發(fā)射無線電波脈沖信號，大氣中的水氣凝結(jié)物(云、霧和降水)對雷達發(fā)射波產(chǎn)生一定的吸收和散射作用，因而接收其回波不僅可以確定探測目標(biāo)物的空間位置、形狀、尺度、移動、流場分布以及演變過程等宏觀特征；還可以確定云、雨目標(biāo)物的一些微觀特征，例如云中含水量、降水強度、降水雨滴和云滴的尺度分布，以及它們的位相(冰晶或水滴)。常規(guī)氣象雷達裝置由天線系統(tǒng)、發(fā)射機、接收機、天線控制器、顯示器以及與計算機接口的圖形處理設(shè)備等部分組成。氣象雷達用于探測云雨和降水，執(zhí)行降水天氣的警戒和預(yù)報任務(wù)。為了某些特殊的大氣物理現(xiàn)象的觀測，例如冰雹、大氣湍流和大氣邊界層的觀測，近年來還設(shè)計了一些特種形式的氣象雷達。2.2.7近地警告系統(tǒng)近地警告系統(tǒng)（GroundProximityWarningSystem，GPWS）在飛機接近地形時提醒機組一種不安全狀態(tài)，也可提供風(fēng)切變的警告。GPWS利用全球定位系統(tǒng)（GPS）和可裝載軟件數(shù)據(jù)庫的向機組給出改善了的地形覺察。其做法為將飛機周圍區(qū)域的地形信息詳情給予顯示，GPWS也對機組早期下降發(fā)出警告。GPWS利用在駕駛艙內(nèi)的語音信息、燈光和顯示發(fā)出提醒信息。它本身沒有傳感設(shè)備、天線等，他依靠其機載電子設(shè)備來的位置、速度、高度、飛機構(gòu)型等數(shù)據(jù)，通過相關(guān)準(zhǔn)則的判斷從而給出相應(yīng)的報警。2.3無線電導(dǎo)航系統(tǒng)與其他機載電子系統(tǒng)的關(guān)系實際上飛機上的機載電子系統(tǒng)是相互獨立又相互協(xié)調(diào)工作，飛機無線電導(dǎo)航系統(tǒng)是飛機電子系統(tǒng)的傳感子系統(tǒng)，為飛行管理系統(tǒng)提供導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)，同時也為飛機上其他的電子系統(tǒng)提供相關(guān)數(shù)據(jù)，使各系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，完成飛機按照計劃從一地安全、經(jīng)濟的飛向另一地的目的。

第3章無線電導(dǎo)航的物理基礎(chǔ)3.1導(dǎo)航參量3.1.1地理坐標(biāo)參量飛機是相對于地球表面運動的，在導(dǎo)航中通常利用地理坐標(biāo)（大地坐標(biāo)）來表示飛機的位置。一、大圓和大圓航線任何平面與地球表面的相交線都是圓。通過地心的平面與地球表面相交的圓把地球分成兩半，是地球表面上最大的圓，稱為大圓。不通過地心的平面與地球表面相交的圓總是比大圓小，稱為小圓。大圓弧連線是地球表面上任何兩點之間距離最短的連線。因此，在遠程飛行中，總是盡可能沿大圓連線飛行，這樣的航線叫大圓航線。二、赤道和緯度N通過地心且與地軸相垂直的平面把地球分成南北兩個半球，它與地球表面的交線稱為赤道，參見圖3-1。在大地坐標(biāo)中，赤道相當(dāng)于平面直角坐標(biāo)系中的橫坐標(biāo)軸。N緯圈赤道SNS緯圈赤道SNS圖3-1赤道、緯圈和緯度其余與地軸相垂直的平面與地球表面的交線都是小圓，這些小圓稱為緯圈（緯線）。緯圈平面都是和赤道平面相平行的，緯圈與地心的連線與赤道平面之間的夾角，就是這個緯圈的緯度（縮寫為Lat）。用緯度可以表示地球上任何一點的南北位置。赤道的維度為0°；赤道以北為北緯（N）0-90°，北極緯度為90°N；赤道以南為南緯（S），南極的緯度為90°S。三、子午線和經(jīng)度包含地軸的平面與地球表面的交線都是大圓。這些大圓都通過地極，稱為經(jīng)圈。經(jīng)圈總是與緯圈正交的。經(jīng)圈的一半叫做經(jīng)線，又叫子午線。國際上約定，以通過英國倫敦南郊的格林尼治天文臺子午儀中心的經(jīng)線，作為起始經(jīng)線，又叫本初子午線，參見圖3-2。起始經(jīng)線相當(dāng)于平面直角坐標(biāo)系中的縱坐標(biāo)軸。NN起始經(jīng)線起始經(jīng)線北京SNS起始經(jīng)線起始經(jīng)線北京SNS圖3-2經(jīng)線和經(jīng)度以起始子午線（0°子午線）為基準(zhǔn)，可以用經(jīng)度（縮寫為Long）來表示其他經(jīng)線的位置。地球表面上任意一點的經(jīng)度，就是通過該點的子午線平面與起始經(jīng)線平面之間的夾角。起始子午線向東為東經(jīng)（E）0-180°；以西為西經(jīng)（W）0-180°。確定了上述坐標(biāo)參量后，就可以用緯度和經(jīng)度來表示地球上任何一點在大地坐標(biāo)中的地理位置了。例如，北京的位置是Lat39°55′N，Long116°23′E；紐約的位置是Lat40°27′N，Long73°55′W等。3.1.2導(dǎo)航參量一、航向航向（角）是由飛機所在位置的經(jīng)線北端順時針測量到航向線（飛機縱軸前端的延長線在水平面上的投影）的角度，見圖3-3。NN航向線X=330°NN180°S90°E270°W330°40°圖3-3航向圖3-4方位角以磁經(jīng)線為基準(zhǔn)的航向稱為磁航向；以真經(jīng)線為基準(zhǔn)的航向稱為真航向。二、方位角方位角是以經(jīng)線北端為基準(zhǔn)，順時針量到水平面上某方向線的角度。例如在圖3-4中，北、東、南、西的方位角分別是0°，90°，180°，270°；電臺方位角是40°。表示方位時必須明確以哪一點為基準(zhǔn)點。例如，在圖3-5中，當(dāng)從飛機處（圖中的A點）觀察地面電臺S時，從A點處的經(jīng)線北端測量到飛機與電臺的連線AS的角度θS，稱為電臺方位角；如果從電臺S處觀測飛機，從S處的經(jīng)線北端量到電臺與飛機的連線SA的角度θA，則稱為飛機方位角。表示方位時可以用磁經(jīng)線為基準(zhǔn)，也可以用真經(jīng)線為基準(zhǔn)。以磁經(jīng)線為基準(zhǔn)的方位角叫磁方位角；以真經(jīng)線為基準(zhǔn)的方位角叫真方位角。在飛機上觀測地面或空中目標(biāo)，也常以飛機縱軸的前端同觀測線在水平面上的夾角來表示目標(biāo)的方向，這一角度稱為相對方位角θr。例如，圖3-6（a）中電臺的相對方位角為330°；圖3-6（b）中另一架飛機的相對方位角也是330°（-30°）。θSASθSAS330°330°-30-30°圖3-5電臺方位角和飛機方位角（a）（b）圖3-6相對方位角自動定向機所測量的是電臺的相對方位角。三、航跡與航跡角飛機重心在地面的投影點的移動軌跡，稱為航跡線或航跡，見圖3-7。飛機在某一時刻的實際運動方向角就是該時刻飛機的航跡角。航跡角是從經(jīng)線北端順時針測量到航跡去向的角度。N航路點1N航路點1地速航向所需航跡航路點0地速航向所需航跡航路點0圖3-7（a）飛機沿航跡飛行且無偏流角N偏航距離地速距離航跡誤差所需航跡航向航跡風(fēng)向航路點0航路點1N偏航距離地速距離航跡誤差所需航跡航向航跡風(fēng)向航路點0航路點1圖3-7（b）飛機偏航且偏流角不為零四、所需航跡角所需航跡（角）是飛行員所希望的飛機的運動方向。在圖3-7（a）中就是經(jīng)線北端與連接航路點0和航路點1的粗線之間的夾角。有時也可以把所需航跡叫做待飛航跡。五、航跡角誤差航跡角誤差是所需航跡和實際航跡間的夾角，即所需航跡角與地速向量之間的夾角，見圖3-7（b）。航跡角誤差通常標(biāo)明左或右。六、偏流在存在側(cè)風(fēng)時，飛機的實際航跡就會與飛機的航向不一致。航向線與航跡線之間的夾角，稱為偏流角。當(dāng)航跡線偏向航向的右邊時，規(guī)定偏流角為正值，如圖3-7所示；反之，若航跡線偏向左側(cè)，規(guī)定偏流角為負值。七、航路點飛機的飛行目的地、航路上可用于飛機改變航向、高度、速度等或向空中交通管制中心報告的明顯位置，稱為航路點。八、距離指從飛機當(dāng)前位置至飛往目的地或前方航路點之間的距離，即待飛距離。通常，航路是由幾個航路點連成的折線線路，在不加聲明時，距離是指飛機沿指定航路飛往目的地的沿航距離。兩個航路點之間的距離為連接兩個航路點的大圓距離。九、偏航距離指從飛機實際位置到飛行航段兩個航路點連線之間的垂直距離，見圖3-7（b）。十、地速飛機在地面的投影點移動速度叫做地速。地速是飛機相對于地面的水平運動速度。十一、空速空速是飛機相對于周圍空氣的運動速度。十二、風(fēng)速與風(fēng)向風(fēng)速與風(fēng)向指飛機當(dāng)前位置處大氣的運動速度與方向。風(fēng)向風(fēng)速是相對于地面而言的?？账伲L(fēng)速和地速三者的關(guān)系為：當(dāng)風(fēng)速等于零時，飛機的地速等于空速。十三、估計到達時間與待飛時間估計到達時間是從飛機目前位置到飛行目的地（或前方航路點）之間的估計飛行時間。估計到達時間是以格林尼治時間為基準(zhǔn)的。在飛行中，待飛時間是自飛機當(dāng)前位置起，按飛機當(dāng)前的地速值等計算的沿航線飛達目的地的空中飛行時間。3.2電磁輻射和接收3.2.1發(fā)射天線的電磁輻射我們知道，當(dāng)電流通過一根導(dǎo)線時，在這根導(dǎo)線的周圍就要產(chǎn)生磁場。該磁場的磁力線的數(shù)目（磁場強度）是與流過導(dǎo)線的電流成正比的，如圖3-8。如果我們對著電流流動的方向看，圓形的磁力線是反時針方向的。當(dāng)電流交替變化時，也就是說，振幅連續(xù)地變化、方向周期地改變時，那么，磁場也將作同樣的變化。這種場稱為感應(yīng)場。磁場方向與電流方向的關(guān)系，符合右手定則，如圖3-9。I磁力線磁力線I磁力線磁力線圖3-8感應(yīng)場示意圖圖3-9直導(dǎo)線右手定則麥克斯韋爾在1888年已經(jīng)證明過，流過導(dǎo)線的電流在產(chǎn)生感應(yīng)場的同時，還要產(chǎn)生輻射場。輻射場的磁力線同感應(yīng)場一樣，也是圓形的。但是，如果電流減少，最后消失時，感應(yīng)場的磁力線也減少，磁力線的圓半徑也將最后地減到零，而輻射場的磁力線半徑卻繼續(xù)增加。如圖3-10所示，一高頻電流加到直立導(dǎo)線（天線O）上，由于導(dǎo)線上電流快速而連續(xù)地增加、減少和反向，重復(fù)地變化，就會產(chǎn)生輻射場。電流方向變化時，所產(chǎn)生的磁力線的方向也相應(yīng)地變化，兩者方向之間的關(guān)系，如圖中箭頭所示。ABBA距離場強ABBA距離場強圖3-10交變電流流過直立天線時輻射場示意圖圖中，AB間的磁力線是電流變化一周時所產(chǎn)生的，因此AB間的距離為一個波長。一秒內(nèi)，磁力線要傳播300000千米。傳播速度與頻率無關(guān)，所以頻率越高，波長越短。除磁力線外，發(fā)射天線的輻射場總是由電力線相伴隨。電力線的方向與磁力線垂直。磁力線方向、電力線方向和電波傳播方向三者之間的關(guān)系，符合右手螺旋定則，如圖3-11。兩個場的聯(lián)合就叫做電磁輻射場。電波傳播方向HE電波傳播方向HE圖3-11使用右手螺旋定則確定電波傳播方向同輻射場不同，感應(yīng)場隨著離天線距離的增加而迅速衰減；在離天線一個波長的距離上，感應(yīng)場就幾乎可以忽略了。因此，感應(yīng)場在無線電通信和導(dǎo)航中是不起作用的。3.2.2接收天線的電磁接收根據(jù)電學(xué)原理，如果導(dǎo)線與磁力線之間有相對運動而使得導(dǎo)線切割磁力線的話，那么導(dǎo)線上就產(chǎn)生電壓。電壓的方向、磁力線方向及運動方向都相互垂直。如圖3-12所示，磁體向左運動，速度為V，導(dǎo)線、磁場和運動方向相互垂直，產(chǎn)生的電動勢方向指向背面。RIVVNSRIVVNS圖3-12磁力線及其感應(yīng)電壓BA接收天線發(fā)射天線磁力線方向BA接收天線發(fā)射天線磁力線方向圖3-13電磁波的接收根據(jù)同樣原理，若在離發(fā)射天線的某個距離上放置一直立導(dǎo)線A，或環(huán)狀導(dǎo)線B，如圖3-13所示。由發(fā)射天線產(chǎn)生的、交變的、運動著的磁力線同樣要和直立導(dǎo)線相切割，在直立導(dǎo)線上產(chǎn)生交變電動勢；對環(huán)狀導(dǎo)線來說，交變的磁力線在運動過程中，通過環(huán)狀導(dǎo)線的磁力線數(shù)目及方向交替地變化，因而也要在環(huán)狀導(dǎo)線中產(chǎn)生交變電動勢。起著這樣作用的導(dǎo)體稱作接收天線。對于靜止的發(fā)射天線和接收天線來說，在接收天線中產(chǎn)生的電動勢的頻率與感應(yīng)它的場的頻率是一樣的，因而就同發(fā)射天線電流的頻率一樣。3.2.3多普勒效應(yīng)當(dāng)發(fā)射天線和接收天線之間有相對運動時，接收天線上感應(yīng)的電動勢的頻率就不再等于發(fā)射天線電流的頻率了。這種現(xiàn)象就稱之為多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)是奧地利物理學(xué)家C．J．Doppler在1842年首先提出的。他發(fā)現(xiàn)同一個星體向著我們和背著我們運動時，所觀察到的顏色不一樣。后來，在1845年，BuysBallot通過實驗證明：向著觀察者運動的聲源，聽起來聲音的頻率更高。這樣，就更進一步證明了這種現(xiàn)象的存在。存在多普勒效應(yīng)時，頻率的變化可以按如下方法來計算：傳播速度C1、如圖3-14，假設(shè)波源的速度為，波的傳播速度為，波源向著觀察者運動。傳播速度C觀察者波源λ'Xd波源速度Vλ觀察者波源λ'Xd波源速度Vλ圖3-14波源向著觀察者運動時多普勒效應(yīng)示意圖那么在一個震蕩周期時間內(nèi)，波源位移為，。由于波源的這種位移，使得觀察者所接收到的波長縮短為，。這樣，觀察到的頻率由此可見，這種情況下的f'高于f。f的這種變化稱為多普勒頻移。如果波源背著觀察者運動的話，V就是負的。那么：這時，頻率f'就低于f了。傳播速度CV米/秒2、如圖3-15，波的傳播速度為，波源不動，而觀察者迎著波源以速度運動。傳播速度CV米/秒波源觀察者速度觀察者BV米A波源觀察者速度觀察者BV米A圖3-15觀察者向著波源運動的多普勒效應(yīng)示意圖由圖可見，觀察者一秒時間內(nèi)，向著波源移動米的距離（如圖中AB）。這樣，它每秒所接收到的周期數(shù)等于波源每秒所產(chǎn)生的波數(shù)再加上AB線上的波數(shù)。AB線上的波數(shù)，顯然為。因此，觀察者所接收到的頻率為如果觀察者背著波源運動，則作為一種特殊情況，如果波源和觀察者在一條直線上，同時相向運動，那么反之，波源和觀察者在一條直線上同時相背運動，那么3.3發(fā)射與接收的原理3.3.1調(diào)幅發(fā)射原理一、發(fā)射機的基本組成無線電發(fā)射機的基本任務(wù)是向發(fā)射天線提供傳送信息的射頻信號，而射頻信號的頻率、功率又需要滿足系統(tǒng)的整體要求。因此，就必須產(chǎn)生功率足夠的射頻載波，并按系統(tǒng)的要求實現(xiàn)對射頻信號的調(diào)制。盡管無線電發(fā)射機的電路千差萬別，但其基本上是由射頻振蕩、功率放大、調(diào)制器、低頻放大及電源幾部分功能電路組成的，見圖3-16。圖3-16發(fā)射設(shè)備的基本組成1、高電平調(diào)制發(fā)射設(shè)備圖3-17是高電平調(diào)制的調(diào)幅通信發(fā)射機的組成方塊圖。圖3-17高電平調(diào)制射頻振蕩電路產(chǎn)生頻率穩(wěn)定度符合要求的正弦載波，由射頻放大器或緩沖放大器進行放大后，再由高頻功率放大電路進行功率放大，以達到所需的發(fā)射功率。設(shè)置在射頻振蕩器和功率放大器之間的射頻放大器除了具有放大信號的作用外，還可以消除或減弱功率放大器對主振頻率穩(wěn)定度的影響，因此有時可稱為緩沖放大器。與此同時，音頻信號經(jīng)音頻放大器放大后輸至調(diào)制器。調(diào)制器對調(diào)制信號（這里是音頻信號）進行功率放大，是調(diào)制信號具有足夠的功率，以實現(xiàn)對高頻載波信號的有效調(diào)制。調(diào)制信號對載波振蕩的調(diào)制是在末級功率放大器中實現(xiàn)的。實現(xiàn)調(diào)制的高頻放大級稱為受調(diào)級。末級功率放大器通常工作在C類（丙類）狀態(tài)，在對高頻信號進行功率放大的同時，由輸入的調(diào)制信號控制高頻載波的振幅，實現(xiàn)振幅調(diào)制。由于是在射頻載波電平較高的末級實現(xiàn)調(diào)制的，因此稱為高電平調(diào)制。這類發(fā)射機的效率較高，所需的調(diào)制功率較大。通常小功率的發(fā)射機采用這種高電平調(diào)制方式。2、低電平調(diào)制發(fā)射設(shè)備在低電平調(diào)制發(fā)射設(shè)備中，調(diào)制信號對射頻載波的調(diào)制是在載波電平較低的高頻電路中進行的，其組成框圖如圖3-18所示。圖3-18低電平調(diào)制由于受調(diào)級的射頻載波電平較低，相應(yīng)地所需的調(diào)制信號功率就較小，因而在低頻通道中就不需要像高電平調(diào)制那樣設(shè)置多級低頻放大器。另外，為了保證已調(diào)制的高頻信號在放大過程中不失真，受調(diào)級以后的各功率放大級應(yīng)為線性的功率放大器，因而效率較低。二、發(fā)射機的電氣性能指標(biāo)發(fā)射機的電氣性能指標(biāo)，主要是對輸出功率、效率和頻率的要求。1、輸出功率發(fā)射機的輸出功率是指發(fā)射機末級輸往天線的射頻信號功率，它是決定系統(tǒng)作用距離和可靠性的主要因素之一。無線電發(fā)射設(shè)備的輸出功率，視系統(tǒng)的作用距離和功能不同而差別懸殊：機載發(fā)射設(shè)備的功率，有的只有幾百毫瓦，有的則達數(shù)百瓦。在要求輸出功率足夠的同時，輸出信號中的諧波分量應(yīng)盡量小，以避免對其他設(shè)備產(chǎn)生干擾。飛機上的無線電設(shè)備多而密集，這一要求是必須注意的。2、總效率發(fā)射機的總效率是發(fā)射機的輸出功率與發(fā)射機所消耗的全部電源功率之比，即提高效率對減小設(shè)備的體積重量、降低散熱要求具有明顯的意義。3、頻率（1）頻率穩(wěn)定度頻率穩(wěn)定度是指發(fā)射機的工作頻率保持穩(wěn)定的程度，它通常用頻率的漂移量與工作頻率的比值來表示。頻率漂移與工作時間、溫度及飛行高度等因素有關(guān)，所以有時又分別提出短期頻率穩(wěn)定度和長期頻率穩(wěn)定度的要求。頻率穩(wěn)定度是發(fā)射機的一項極為重要的指標(biāo)，對于保證系統(tǒng)工作的可靠性、提高系統(tǒng)的抗干擾能力和壓縮系統(tǒng)占用的頻帶等具有重要意義。飛機無線電系統(tǒng)的功用不同，對頻率穩(wěn)定度的要求不同。一般說來，對頻率穩(wěn)定度的要求越高，發(fā)射機的結(jié)構(gòu)就越復(fù)雜，成本也越高。現(xiàn)代機載無線電系統(tǒng)通常都利用晶體振蕩器和頻率合成器等技術(shù)來提高頻率穩(wěn)定度。通常機載無線電系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定度可達到左右，有的導(dǎo)航系統(tǒng)則可達到，甚至更高。（2）頻率準(zhǔn)確度除了要求頻率高度穩(wěn)定外，還要求設(shè)備的實際工作頻率與控制盒所選擇的頻率指示值之間準(zhǔn)確符合，以保證系統(tǒng)工作可靠、快速。使用機械式頻率調(diào)諧，利用調(diào)節(jié)刻度盤指示頻率的舊式設(shè)備的頻率準(zhǔn)確度較差；新式設(shè)備使用頻率合成器，其頻率顯示為數(shù)碼式或電子顯示，因而頻率指示非常準(zhǔn)確。（3）頻率范圍與波道間隔不少無線電系統(tǒng)的工作頻率不是單一的固定頻率，而是一定寬度的頻帶。系統(tǒng)應(yīng)能滿足頻率范圍、波道間隔及波道數(shù)量的要求。三、發(fā)射機的高頻載波電路發(fā)射設(shè)備的首要任務(wù)，是提供穩(wěn)定的高頻正弦載波，以產(chǎn)生所需要的無線電射頻信號。1、對載波信號的基本要求發(fā)射機所提供的高頻正弦載波應(yīng)當(dāng)滿足以下幾方面的要求：（1）輸出頻率符合系統(tǒng)的要求。（2）頻率變化范圍應(yīng)覆蓋系統(tǒng)所規(guī)定的頻段。在指定頻段內(nèi)的任意工作頻率上，所提供的正弦載波的幅度、波形等均應(yīng)符合要求。（3）頻率穩(wěn)定度應(yīng)達到系統(tǒng)的規(guī)定。載波振蕩的頻率穩(wěn)定度就是發(fā)射信號的頻率穩(wěn)定度。（4）載波應(yīng)具有良好的波形，其波形失真系數(shù)應(yīng)在規(guī)定范圍之內(nèi)。（5）應(yīng)具有足夠的輸出功率。上述五方面是對各種無線電發(fā)射設(shè)備載波振蕩的共同要求。不同的系統(tǒng)由于其功能和性能的差別很大，因而對其中一點或幾點的數(shù)量要求也會有很大的不同。2、高頻電路的基本結(jié)構(gòu)各種發(fā)射機對功率、頻率穩(wěn)定度等性能指標(biāo)的要求不同，其高頻電路的組成結(jié)構(gòu)也往往不同，常見的高頻電路有以下幾種結(jié)構(gòu)形式：（1）單級發(fā)射機在有的簡單發(fā)射機中，高頻振蕩器所產(chǎn)生的高頻振蕩直接輸往天線輻射。舊式機載氣象雷達發(fā)射機、應(yīng)答機的發(fā)射機等就是這類簡單的單級發(fā)射機。不少工作于微波段的發(fā)射機采用這種結(jié)構(gòu)形式。單級發(fā)射機很難同時兼顧輸出功率和頻率穩(wěn)定度的要求，因而其頻率穩(wěn)定度往往較差。（2）主振放大式高頻電路這種高頻電路由主振級和功率放大級組成。主振級用于產(chǎn)生所需頻率的高頻振蕩；功放級滿足設(shè)備對功率的要求。這種結(jié)構(gòu)形式在一定程度上減輕了負載對振蕩器頻率穩(wěn)定度的影響。為了進一步解決輸出功率和頻率穩(wěn)定度之間的矛盾，可以在輸出級和主振級之間設(shè)置中間級。中間級用于實現(xiàn)對主振信號的放大，供給后級以足夠的激勵功率，并可隔離后級負載變動對主振的影響，因而有利于提高載波振蕩的頻率穩(wěn)定度，也有利于輸出功率的提高。緊接主振級的中間級常稱為緩沖級，或緩沖放大級。中間級還可用作基波放大和倍頻。（3）主振倍頻放大式高頻電路工作頻率較高的發(fā)射設(shè)備，往往在主振級和輸出功率放大級之間加入一級或數(shù)級倍頻器，用以逐級提高載波的頻率。對于波段發(fā)射機來說，倍頻器的設(shè)置可以在保證設(shè)備所需的工作頻率范圍的同時，大大壓縮主振的頻率變化范圍。例如，設(shè)發(fā)射機的工作頻率范圍為，則當(dāng)各倍頻器的總倍頻次數(shù)為12時，主振級的振蕩頻率僅需在之間變化就可以了?？梢?，采用多級倍頻方案，不僅可以降低主振級的振蕩頻率，減小分布參數(shù)對振蕩頻率的影響，而且可以減小所需的主振頻率變化范圍，從而有利于載波頻率的穩(wěn)定和頻率控制。每級倍頻器的倍頻次數(shù)通常為2和3。倍頻次數(shù)再高，會使倍頻級的效率和功率降低過多。圖3-19是采用三級倍頻的多級發(fā)射機的方塊圖。圖3-19采用三級倍頻的多級發(fā)射機（4）采用頻率合成器的波段發(fā)射機現(xiàn)代波段發(fā)射機普遍采用頻率合成器，以滿足系統(tǒng)對工作頻率范圍及頻率穩(wěn)定度等方面的要求。采用頻率合成器作載波頻率源，可以使波段內(nèi)的所有工作頻率都達到晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度。四、信號調(diào)幅與低頻電路1、調(diào)幅方法本部分開始時已經(jīng)說明，調(diào)幅發(fā)射機中調(diào)幅的實施，可以在高電平級進行，也可以在低電平級進行。下面概略介紹實現(xiàn)高電平調(diào)幅和低電平調(diào)幅的主要方法。（1）高電平調(diào)幅高電平調(diào)幅通常在工作于C類（丙類）的功率放大級中進行，所需要的調(diào)制功率較大。常用的電路有集電級調(diào)幅和基級調(diào)幅兩種：①晶體管集電極調(diào)幅集電極調(diào)幅的基本電路如圖3-20（a）所示。調(diào)制信號與集電極電源相串聯(lián)，作用在晶體管的集電極與發(fā)射級之間。這樣，當(dāng)集電極電壓隨調(diào)制電壓變化時，集電極電流中的基波分量即按調(diào)制信號的規(guī)律變化。調(diào)幅信號由調(diào)諧于工作頻率的集電極諧振回路輸出。在利用電子管做功率放大器的發(fā)射設(shè)備中，調(diào)制電壓作用在電子管的陽極和陰極之間。對電子管的陽極電流進行調(diào)幅，稱為陽極調(diào)幅。陽極調(diào)幅的基本原理和晶體管集電極調(diào)幅相同。（a）集電極調(diào)幅（b）基極調(diào)幅圖3-20高電平調(diào)幅電路②基極調(diào)幅基極調(diào)幅的基本電路如圖3-20所示。調(diào)幅信號作用于C類放大器的基極，使集電極電流的基波振幅按調(diào)制信號的規(guī)律變化，從而實現(xiàn)對載波振幅的調(diào)制?；鶚O調(diào)幅和電子管柵極調(diào)幅相當(dāng)。（2）低電平調(diào)幅在發(fā)射機的低電平級調(diào)幅所需的調(diào)制功率較小。實現(xiàn)低電平調(diào)幅的主要方法有平方律調(diào)幅、模擬乘積調(diào)幅和斬波調(diào)幅等。平方律調(diào)幅是利用晶體管、場效應(yīng)管或電子管的非線性特性實現(xiàn)的。適當(dāng)選擇工作點，使晶體管等工作在甲類非線性狀態(tài)，并使信號變化范圍限制在特性曲線的平方律區(qū)域內(nèi)，即可實現(xiàn)對載波振幅的調(diào)制。圖3-21為場效應(yīng)管平方律調(diào)幅的原理電路圖。（a）（b）圖3-21場效應(yīng)管平方律調(diào)幅原理電路采用平方律調(diào)幅時，由于器件工作于甲類狀態(tài)，所以效率不高。平方律調(diào)幅是常用的低電平調(diào)幅方法。2、調(diào)幅指數(shù)若調(diào)幅信號的幅度為，調(diào)幅指數(shù)為，則上、下邊頻的幅度為。當(dāng)上述調(diào)幅信號作用在負載兩端時，負載上的載波功率為上、下邊頻的功率各為可見，調(diào)幅信號中所包含的信號功率（兩個邊頻功率之和）為，而調(diào)幅波的平均輸出總功率為圖3-22不同值時的調(diào)幅信號波形由此可知，當(dāng)時，，載波中不包含任何信號功率；當(dāng)增大時，調(diào)幅波的功率隨之增大，所增加的部分就是信號邊頻所包含的信號功率；當(dāng)時，邊頻信號功率等于載波功率的一半。因此，為了增強傳輸有用信號的能力，應(yīng)當(dāng)盡可能增大調(diào)幅指數(shù)，使其接近于100％。圖3-22為不同值時的調(diào)幅信號波形。然而調(diào)幅指數(shù)的值不應(yīng)超過lOO％，否則已調(diào)波的振幅在一段時間內(nèi)會變?yōu)榱?，如圖3-22（c）所示。的調(diào)幅叫做過調(diào)幅。過調(diào)幅信號在接收機中經(jīng)檢波后不可能恢復(fù)原來的信號波形，從而導(dǎo)致信號失真，并且過調(diào)幅信號占據(jù)的頻帶也會明顯增寬，所以必須避免產(chǎn)生過調(diào)幅?？傊?，在調(diào)幅中，應(yīng)當(dāng)使調(diào)幅指數(shù)接近但不應(yīng)超過100％。3、低頻電路與調(diào)制功率由上可知，已調(diào)波中所增加的能量，來源于低頻電路所提供的調(diào)制功率。對集電極高電平調(diào)幅來說，當(dāng)時，低頻調(diào)制電路所供給的調(diào)制功率約等于被調(diào)級載波功率的一半。因此，為了提供所需的調(diào)制功率，低頻電路也需要采用多級放大電路，增加了發(fā)射電路的復(fù)雜性。除了要求供給足夠的功率外，還應(yīng)使調(diào)制器與受調(diào)級之間達到阻抗匹配，以獲得失真小的調(diào)制電壓。低電平調(diào)幅電路所需的調(diào)制功率較小，其低頻電路也相應(yīng)地比較簡單。五、功率放大器與功率合成器1、對功率放大器的要求發(fā)射機輸出的射頻信號，是由末級功率放大器提供的。發(fā)射機的主要電氣指標(biāo)，除了頻率穩(wěn)定度外，在很大程度上取決于末級功率放大器。對末級功率放大器主要要求是：要求它能提供足夠的輸出功率和具有較高的效率。在器件所能承受的功耗已經(jīng)確定的前提下，提高效率可以明顯地增大所能輸出的功率。在器件所能承受的功耗已經(jīng)確定的前提下，提高效率可以明顯地增大所能輸出的功率。設(shè)末級使用晶體管，其集電極功耗為，輸出功率為，直流電源所供給的直流功率為，則集電極的效率為如果為20％，則由上式可知；但當(dāng)提高到75％時，。由此可見，在集電極功耗限定不變的前提下，當(dāng)由20％增加到75％時，輸出功率將增加為12倍，從而有效地增大了系統(tǒng)的作用距離。反之，在所需要的輸出功率一定時，提高效率可以降低晶體管集電極的功耗和所消耗的直流功率。末級所消耗的電源功率遠較其他各級多，提高末級效率對提高發(fā)射機的總效率具有明顯的意義。除了應(yīng)滿足大功率和高效率的要求外，末級功放還應(yīng)具有較理想的選頻特性，以盡可能降低諧波的輸出電平。這主要決定于諧振回路的品質(zhì)因素和精確調(diào)諧程度。此外，末級所使用的晶體管或電子管所能承受的功耗應(yīng)能滿足要求，并在規(guī)定工作時間內(nèi)的性能穩(wěn)定，不應(yīng)因溫度變化而產(chǎn)生明顯的漂移。2、輸出電路與阻抗匹配我們知道，當(dāng)天線的形狀、尺寸確定以后，隨著工作頻率的變化，天線所呈現(xiàn)的阻抗的數(shù)值和性質(zhì)會有很大的變化。作為發(fā)射機負載的天線阻抗的大幅度變化，勢必會影響發(fā)射機輸出級的工作狀態(tài)和輸出功率。對寬波段的發(fā)射機來說，這種影響尤為明顯。因此，寬波段發(fā)射機的輸出耦合電路往往比較復(fù)雜。（1）負載特性在末級功率放大器的器件確定、維持輸入信號電壓幅度、直流電源及偏置電源不變的條件下，增大負載阻抗的數(shù)值，會使晶體管的工作狀態(tài)逐漸由欠壓狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榕R界狀態(tài)和過壓狀態(tài)。此時，集電極電流（在電子管中為陽極電流）脈沖的幅度和波形隨之發(fā)生明顯的變化，見圖3-23（a）。圖中，波形1，2，3分別為欠壓、臨界和過壓狀態(tài)下集電極電流脈沖和負載線。對上述電流脈沖進行分解，可知其中的電流基波及直流分量幅度是隨負載阻抗改變而改變的，因而輸出功率、效率以及集電極功耗等都隨變化而變化，這些就是所謂負載特性。圖3-23（b）為輸出功率、集電極功耗、直流電源消耗功率及集電極效率隨變化的特性曲線。由圖可見，輸出功率在臨界狀態(tài)時最大，而效率則在弱過壓狀態(tài)時最高。末級功率放大器通常工作在臨界狀態(tài)或微過壓狀態(tài)，中間放大級一般工作于弱過壓狀態(tài)。（a）（b）圖3-23電流脈沖波形與負載特性（2）輸出電路與阻抗匹配由上可知，高頻功率放大器的等效負載阻抗直接影響功率放大器的輸出功率、效率。末級功率放大器輸出電路的作用是使末級功率放大器獲得所需要的最佳阻抗，以向天線提供所需的射頻功率，即達到阻抗匹配的目的。同時，輸出電路應(yīng)能準(zhǔn)確地調(diào)諧在基波頻率上，以在輸出射頻基波信號的同時，濾除工作頻率以外的信號。對末級功率放大器而言，所謂阻抗匹配，就是在給定的電路條件下，電子器件能送出所需要的輸出功率至負載，這就叫做達到了匹配狀態(tài)。末級功放與天線之間的輸出電路，可以分為簡單輸出電路和復(fù)合輸出電路兩類。簡單輸出電路是將實際負載天線直接接入末級功率放大器的集電極電路，成為并聯(lián)諧振電路的一臂，如圖3-24（a），（b），（c）所示。這些電路適用于天線等效電抗為電容性的天線。圖中用和來表示天線的等效輸入電抗和等效輸入電阻。圖3-24（a）的電路為自耦變壓器耦合的簡單輸出電路，調(diào)節(jié)可使輸出電路準(zhǔn)確諧振于基波頻率；調(diào)節(jié)自耦變壓器（改變電感的滑動觸點位置）即可使末級功放達到阻抗匹配狀態(tài)。自耦變壓器耦合的簡單輸出電路適用于天線等效阻抗大于末級最佳匹配阻抗的情況。圖3-24（b）仍采用自耦變壓器耦合的方式，通過調(diào)節(jié)的滑動臂實現(xiàn)末級阻抗匹配，但回路的調(diào)諧是通過調(diào)節(jié)電容來實現(xiàn)的．因為調(diào)諧電容與天線電容相串聯(lián)的效果是減小了天線回路的等效電容——相當(dāng)于縮短了天線，所以，也可以把調(diào)諧電容稱為縮短電容。（a）（b）（c）（d）（e）圖3-24各種形式的輸出電路圖3-24（c）為電容耦合的簡單輸出電路。調(diào)節(jié)耦合電容可使輸出電路與末級功放實現(xiàn)阻抗匹配；調(diào)節(jié)電感則可保證輸出電路諧振于基波頻率。在圖3-24（b）中，調(diào)諧元件為電容；圖3-24（c）的調(diào)諧元件則為和。上述簡單輸出電路只有一個回路，其優(yōu)點是電路簡單，但當(dāng)天線輸入阻抗改變時，很難兼顧調(diào)諧、輸出功率及效率等要求，只能用于一些要求不高的小型輕便發(fā)射機。機載發(fā)射設(shè)備通常采用由兩個或兩個以上互感耦合的回路組成的復(fù)合輸出電路。圖3-24（d）所示為一種互感耦合的復(fù)合輸出電路。直接接于輸出級集電極的，。初級回路常可