航空电子导航.

北京航空航天大学电子信息工程学院北京航空航天大学电子信息工程学院－航空电子导航设备课件机载无线电导航设备是航空导航的主要技术手段之一，也是当代电子学及电子工程广泛应用与发展的重要领域。无线电导航是利用载体上的电子设备接收和处理无线电波得到载体的导航参量。它具有不受时间天气的限制、测量精度高、定位时间短、设备简单、可靠等优点，因此得到了广泛的应用和发展。无线电导航的主要缺点式其发射的无线电波易被发现，接收的无线电波易受干扰。北京航空航天大学电子信息工程学院－航空电子导航设备课件主要内容第一章：无线电导航第二章：无线电罗盘第三章：雷达原理第四章：无线电高度表第五章：多普勒雷达第六章：其它电子导航设备北京航空航天大学电子信息工程学院－航空电子导航设备课件参考文献•杰里L.伊伏斯,爱德华K.里迪[美]编，卓荣邦等译.现代雷达原理.电子工业出版社,1991.•毛士艺,李少洪等.脉冲多普勒雷达.国防工业出版社,1990.•G.V.莫里斯[美]等，季节，许伟武译.机载脉冲多普勒雷达.航空工业出版社，1990.•曹志刚,钱亚生.现代通信原理.清华大学出版社,1992.•以光衢,刘惠彬,关德新,郑玉簋等.航空机载电子系统与设备.北京航空航天大学出版社,1997.•马晓岩,向家彬.雷达信号处理.湖南科学技术出版社,1999.•王小谟,张光义.雷达与探测—现代战争的火眼金睛.国防工业出版社,2000.•向敬成,张明友.雷达系统.电子工业出版社,2001.•魏光顺,郑玉簋,张欲敏.无线电导航原理.东南大学出版社,1989.北京航空航天大学电子信息工程学院－航空电子导航设备课件第一章无线电导航无线电导航的基本概念无线电导航技术的发展简史无线电导航系统的分类常用无线电导航系统电磁波的传播北京航空航天大学电子信息工程学院－航空电子导航设备课件无线电导航的基本概念早期的飞行器在空中飞行仅依靠地标导航--飞行中盯着公路、铁路、河流等线状地标；山峰、灯塔、公路交汇点等点状地标；湖泊、城镇等面状地标。后来，空勤人员利用航空地图、磁罗盘、计算尺、时钟等工具和他们的天文、地理、数学知识，根据风速、风向计算航线角，结合地标修正航线偏差，这种工作叫做“空中领航”。这种方法虽然“原始”，但航空先驱林伯当年就是依靠这些东西驾驶一架活塞式单发动机飞机“圣路易斯精神号”独自由美国西海岸起程，直接飞越大西洋到达巴黎的，他飞越茫茫大西洋时还通过观察海上的洋流、夜空中的星座来辨别方向、确定位置。空中领航学是飞行员的一门必修课，其核心是用矢量合成原理修正风对飞行航迹的影响。随着无线电技术的发展，各式各样的电子设备为飞行器提供精确的导航信息：有用于洲际导航的奥米加导航系统（OMEGA）、适用于广阔海面的罗兰系统（LORAN-A，LORAN-C）、用于近距导航的甚高频全向无线电信标导航系统（VORTAC），另外还有一些专为军事用途开发的导航信标和雷达系统。现在，利用同步卫星工作的全球定位系统（GPS）已开始广泛使用。北京航空航天大学电子信息工程学院－航空电子导航设备课件一、定义和任务导航－－引导运载体（船舶、飞机、车辆等）以给定的精度，按计划航线从始发地安全、可靠地航行到目的地的过程。现代导航－－满足高精度、全天候、全球复盖、连续实时定位、自动驾驶、自动引导进出港、交通管理以及一些特殊应用（营救、识别、侦察等）方面使用要求的新型导航。无线电导航－－利用无线电技术对飞机的航行过程实现的导航。可在复杂的气象条件及能见度不良情况下一种有效的导航方法。导航技术－－应用于导航的信息产生、传输、接收处理及终端显示等有关技术。北京航空航天大学电子信息工程学院－航空电子导航设备课件无线电导航系统－－能够完成一定的无线电导航任务的技术装置组合。无线电导航的任务包括：导引运动载体沿既定航线航行；确定运动载体的当前位置及其航行参数；导引运动载体在夜间和复杂气象条件下安全着陆北京航空航天大学电子信息工程学院－航空电子导航设备课件二、基本原理1、无线电定位物理基础测向测距探测2.无线电定位的几何原理及方法2）无线电定位分类基于无线电波传播的三个基本特性（1）在理想均匀媒质中，直线传播（2）在理想均匀媒质中，C=constant（3）在两种媒质界面上产生反射1）几何原理：飞机定位是通过运用无线电技术测量某些已知地理位置的导航点的几何参数来实现的。（1）测向法用无线电方法测定空间方向的过程，称无线电测向。测本机到两个导航台方位二条位置线，相交即机位。北京航空航天大学电子信息工程学院－航空电子导航设备课件（2）测距法（3）测距差法距离差为常数的点轨迹是以两个导航台为焦点的双曲线位置线－－双曲线北京航空航天大学电子信息工程学院－航空电子导航设备课件无线电导航技术的发展简史从本世纪二十年代初，无线电技术开始用于导航到现在，与惯性导航、天文导航等相比具有受外界条件限制较小、测量导航参数的精度高、速度快、可靠性高等。因此，无线电技术得到了迅速的发展，广泛用于航空、航海及航天领域中。无线电导航技术的发展过程大致经历了三个阶段：二次世界大战的早期阶段，首先出现的时给运动在体提供无线电台方位的无线电罗盘。接着又出现了定向器、四航道信标、扇形无线电信标（多区无线电信标）等无线电测向设备，这些设备主要来引导运动载体的出航、归航和按既定航线航行，而不是直接用于定位。二次大战开始至六十年代初是无线电导航技术的发展阶段。在这一阶段里，世界各国研制了名目繁多的各种无线电导航系统。其中迄今为止仍然得到广泛应用的有四十年代出现的甚高频全向信标(VOR)，距离测试设备(DME)，这两者的结合，构成了近程导航的极坐标定位系统(VOR/DME)，它能同时向运动载体提供相对地面导航台的方位和距离信息。另一种双曲线定位的近程导航系统台卡(DECCA)也得到了广泛的应用。为了在夜间和复杂气象条件下，保证飞机的安全着陆，研制生产了仪表着陆系统(ILS)和调频无线电高度表。北京航空航天大学电子信息工程学院－航空电子导航设备课件五十年代，美国为空军研制出用同一设备同时完成测向和测距功能的战术空中导航系统，简称为“太康”(TACAN)系统。随着飞机与航船航程的增加，相应出现了远程导航系统。其中广泛得到使用的有“劳兰（LORAN）”系统和“奥米加（OMEGA）”系统。此外，多普勒导航雷达也作为自主式远航程导航系统得到应用。六十年代出现了第一代卫星导航系统—“子午仪”系统，可在全球范围内对舰船进行定位导航，目前正在布置的全球定位系统(GPS)，可以对包括航天飞机在内的各种航行体提供全球范围的精密导航定位。随着交通运输量的加大，在机场（港口）区域的交通管制任务日趋繁重，飞机、舰船的引进着陆或进港的定位精度要求越来越高。为了满足这些要求，相应的出现了各种自动化的航管系统和微波着陆系统。随着电子技术的发展，运动载体上电子设备的数量急剧增加。为了减小设备数量，避免相互间的电磁干扰，出现了多功能（通信、导航、识别等）电子系统。新阶段的另一特点是广泛采用数字技术和计算及技术，使原有的导航系统的测量精度与自动化程度显著提高。北京航空航天大学电子信息工程学院－航空电子导航设备课件无线电导航系统的分类按有效作用距离划分–近程导航系统，其有效作用距离在500公里之内；–远程导航系统，共有效作用距离大于500公里。按所测量的电气参量划分–振幅式无线电导航系统；–相位式无线电导航系统；–频率式无线电导航系统；–脉冲(时间)式无线电导航系统。按所测量的几何参量或位置线的几何形状划分–测角无线电导航系统(直线无线电导航系统)；–测距无线电导航系统(圆周无线电导航系统)；–测距差无线电导航系统(双曲线无线电导航系统)。北京航空航天大学电子信息工程学院－航空电子导航设备课件按无线电导航系统的组成情况划分–自主式(自备式)无线电导航系统，它仅包括运动载体上的无线电导航设备；–非自主式(他备式)无线电导航系统，它的组成包括运动载体上的无线电导航设备和运动载体外的无线电导航台(站)。按无线电导航台(站)的安装地点划分–陆基无线电导航系统：导航合(站)安装在地面(包括海上)的无线电导航系统；–空基无线电导航系统：导航台(站)安装在飞机上的无线电导航系统；–星基无线电导航系统：导航台(站)安装在人造卫星上的无线屯导航系统。北京航空航天大学电子信息工程学院－航空电子导航设备课件常用无线电导航系统罗兰(LORAN)系统；奥米加(Omega)系统；自动测向器(ADF)；甚高频全相信标(VOR)；测距器(DME)；塔康(TACAN)系统；多普勒(DOP)导航系统；空中交通管理(ATC)系统；仪表着陆系统(ILS)；微波着陆系统(MLS)；精密进近雷达(PAR)；无线电高度表；气象雷达；全球定位系统(GPS)；北京航空航天大学电子信息工程学院－航空电子导航设备课件电磁波的传播频率从几十Hz（甚至更低）到3000GHz左右（波长从几十Mm到0.1mm左右)频段范围内的电磁波，称为无线电波。发射天线或自然辐射源所辐射的无线电波，通过自然条件下的媒质到达接收天线的过程，就称为无线电波的传播。在传播过程中，无线电波有可能受到反射、折射、绕射、散射和吸收，并可能引起无线电信号的畸变。为了确定无线电导航系统的频率、功率、增益、灵敏度、信号噪声比、导航精度等指标，就需要对无线电波的传播特性有所了解。无线电波的频率，根据它们的特点可以划分为下列几个波段，不同波段无线电波的传播特性有很大差别。北京航空航天大学电子信息工程学院－航空电子导航设备课件无线电波频段划分序号频段名称频段范围波段名称123456789101112极低频超低频特低频甚低频（VLF）低频（LF）中频（MF）高频（HF）甚高频（VHF）特高频（UHF）超高频（SHF）极高频（EHF）超极高频3～30Hz30～300Hz300～3000Hz3～30KHz30～300KHz300～3000KHz3～30MHz30～300MHz300～3000MHz3～30GHz30～300GHz300～3000GHz极长波超长波特长波甚长波长波中波短波米波分米波微厘米波毫米波亚毫米波波北京航空航天大学电子信息工程学院－航空电子导航设备课件无线电波在自由空间内的传播所谓自由空间，通常是指充满均匀，无耗媒介的无限空间。这种空间具有各向同性、电导率为零、相对介电系数和相对磁导率恒为一的特点。设一点源天线（无方向性天线）置于自由空间中，若天线辐射功率Pr（W），均匀地分布在以点源天线为中心的球面上。离开天线r处的球面面积为，则此球面上的功率流密度（坡印廷矢量值）为在离开天线为r处的电场强度的值可由电磁场的基本方程（即麦克斯韦方程组）解得为对于方向性天线，若以表示天线的方向系数，其作用相当于在天线的最大辐射方向上把辐射功率提高到倍。因此24r北京航空航天大学电子信息工程学院－航空电子导航设备课件传播媒介对电波传播的影响在电波传播空间中存在的媒介将对所传播的信号产生各种影响。使得通过它传输的电信号也随之产生附加的相应变化。（1）传输损耗电波传播过程中，由于媒质对电波的吸收式散射，或是存在障碍物时造成的绕射影响，都会使接收点场强小于自由空间时的场强。（2）衰落现象一般是指信号电平（或传输损耗）由于传输媒介的随机变化所造成的随时间的随机起伏。造成衰落的一个原因可以是由于传输媒介电参数的变化使之对电波能量的吸收作用不同而产生的吸收型衰落，也可以是由于两点之间信号有若干条传输路径产生的随机多经干涉现象造成的干涉型衰落。信号的衰落现象对导航系统获取信息的可靠性会产生严重的影响。（3）传输失真无线电波通过媒介传输时，由于媒介的等效相对介电系数可以是频率的函数，因此，不同频率无线电波的传输速度将不同，也将不能保持发射时的相位关系，从而引起波形失真。这种失真称为色散效应。此外，当存在多径传输时信号波形将产生明显的畸变。（4）传播方向的变化电波在自由空间内传播时，是沿直线传播的。但在实际传播路径中，电波可能通过不同的媒介，即使在同一媒介中传播，媒