第四讲-无线电振幅导航系统资料

上海海事大学应士君2020年1月30日星期四2020/1/30第四讲2020/1/30•一战时，被用于引导船只的归航和出航，并很快发展到对飞机的导航。•振幅导航系统的缺点：测向（测角）精度不高•振幅导航系统的发展：振幅系统还会继续使用，但未来的发展将更多地采取组合方式，如与GPS卫星定位系统结合；仪表着陆系统和微波着陆系统、卫星着陆系统等组成的多模式接收机（MMR）。2020/1/30一般概念•无线电振幅导航系统：信号振幅←→导航参数（一般是角坐标）。•振幅导航系统一般用于运载体的测向，通过自动测向仪引导飞机、船只朝向或离开导航台，并可利用两个或两个以上的导航台实现定位；或者通过仪表着陆系统实现飞机的下滑着陆功能。2020/1/30无线电振幅导航系统地面导航台（信标台、航向（下滑）台）运载体上的测向器（无线电罗盘或定向接收机）工作波段为长波、中波或短波，覆盖范围可达几百千米发射有一定方向或全向无线电信号接收信号和实施定向2020/1/30•运载体需要事先知道信标台的准确的地理坐标、发射频率、发射形式、台站识别码、工作时间等参数导航台站的发射信号识别信号工作信号辅助信号识别地面导航台测量导航参量传送某些辅助信息角度测量的精度为±1°~±5°。2020/1/30利用载波信号振幅的调制深度变化进行测向利用载波信号振幅本身的变化来实现测向测角方法最大值法最小值法等信号比较法获取角参量的方式E型M型2020/1/30方位θ的无线电测量法•在E型方式中，无线电信号的调制深度保持不变，载波信号的幅度E与导航角参量θ建立起E＝E（θ）的依从关系；而M型工作方式则在其工作区内保持载波信号幅度大于规定的数值，用信号的调制深度m和θ建立起m＝m（θ）的关系。2020/1/30一、最大值法•方向性图的最大值处有一个机载测向器无法分辨的幅值范围ΔU，所对应的角度区域称为不灵敏区，要求天线的方向性图足够尖锐，并且输入信噪比尽可能高。2020/1/30二、最小值法•最小值法在零值点附近也存在不灵敏区φN，但该法的不灵敏区相对较小，其测向精度也比最大值法要高。另外当天线方向性图的两个波束采用不同的调制频率时，可以比较容易地判断出导航台偏离最小值点轴线的方向。2020/1/30三、等信号法（比较信号）•采用部分重合的双针状方向性图天线，当两个波束的接收信号相等时，即可获得一条等信号线的方向。转动天线，使天线两个波束的接收信号强度相等，即可确定出导航台的方位。其不灵敏区φN和测向精度均介于最大值法和最小值法之间，并且也能判断出被测导航台偏离等信号线的方向。2020/1/30•最小值法——测量灵敏度和精度较高•最大值法——信噪比最大，而天线制作的难易程度是最大值法较难•等信号法——性能表现都是居中•由于最小值法不灵敏区较小，在高频、超高频、甚高频以及微波频段，均可获得所要求的方向性图，因此应用场合较多。2020/1/30振幅导航系统的天线特性和信号特征一、环形天线的特性分析二、对方向性天线的要求–在工作过程中方向性图的形状稳定；–灵敏度要高，不灵敏区间要小；–天线的方向性图在信号测量处的幅度变化率有要求；–最后制作要简单。2020/1/30•设原点O处的电场强度为E=E0sinωt。•整个环形天线的感应电动势等于AB和CD边内的感应电动势之和，即e=eAB+eCD•而eAB=E0hsin(ωt+πbcosθ/λ)eCD=-E0hsin(ωt-πbcosθ/λ)•所以e=2E0hsin[(πbcosθ)/λ]•cosωt•设沿地球表面传播的电波方向Sk与环形天线平面的夹角为θ，根据电磁场理论，与Sk垂直的是电场E与磁场H。2020/1/30e=2E0hsin[(πbcosθ)/λ]•cosωt•令Em=2E0hsin[(πbcosθ)/λ]•则e＝Em•cosωt•若b/λ1→Em=2E0h(πb/λ)•cosθ，令Emmax＝(2πbh/λ)•E0，是个固定常数•所以Em=Emmaxcosθ。•该式反映了环形天线平面和电波传播方向之间的夹角θ与感应电动势的关系。•矩形环形天线的感应电动势（e＝Em·cosωt）超前于电场（E=E0sinωt）90°，并且当θ在-90°~+90°之间时，感应电动势为正值；θ在90°~270°时，电动势为负值。2020/1/30•环形天线的“8”字形方向性图有最小值，可采用最小值法测向，并且结构简单、容易制作、体积小、质量轻，适宜于在运载体上安放，一般工作于中、短波段的测向系统中。分集天线的方向性图与环形天线基本一致。2020/1/30E型测向信号的形成及其特征•设地面导航信标台---→全向信号，而无线电测向器天线的方向性函数为F(θ)：•导航台发射等幅波，则E型测向器接收到的信号为e=EmmaxF(θ)cosωt=Em(θ)cosωt•导航台发射调幅波，则测向器接收的信号应为e=Em(θ)[1+mcosΩt]cosωt•E型测向信号的特点是接收信号的载波幅值均与角度θ有关，将随角度θ的改变而变化；而信号的调制系数m保持不变，与θ无关。2020/1/30M型测向信号的形成及其特征•M型测向信号的特点是载波信号的幅值保持不变；而调制系数仍随角度θ的变化而改变，即调幅信号包络的大小，随测向器相对信标台的方位不同而变化。=E1mcosωte2=E2mF(θ)cosωte2=E2mF(θ)cos(ωt＋90°)e′2=E2mF(θ)cosΩtcosωt叠加电路的信号输出为一调幅波：e1+e′2=E1m[1+m(θ)cosΩt]cosωt式中m(θ)=F(θ)•E2m/E1m2020/1/302.2无线电罗盘测向系统•2.2.1系统简介•2.2.2无方向无线电信标•2.2.3机载无线电自动定向仪•2.2.4无线电罗盘在航空导航中的应用•2.2.5无线电振幅导航系统的测向误差•2.2.6系统简单评价2020/1/302.2.1系统简介•工作频率一般在150～1800kHz范围内，属于中波、长波或短波波段，功率在500W左右。•作用距离一般可达几百千米，典型为250～350km。•系统的测向精度可达到2°左右。系统组成无线电罗盘（RadioCompass）机载无线电自动定向仪（ADF）地面导航台无方向性信标（NDB）M型最小值法台站识别信号采用1020Hz调制的两个英文字符的莫尔斯码格式2020/1/302.2.2无方向无线电信标利用无方向性天线发射信号，用测向仪接收指示信号利用有一定方向性的天线发射信号，可用一般收音机或专用接收指示器接收并测定方向无线电测向信标无方向信标定向性指向标航路信标台仪表着陆系统信标台2020/1/30无方向无线电信标方框图•无方向无线电信标台具有准确的地理坐标位置，定期发射无线电信号，包括测向、识别和语音信号。•三种基本工作状态：等幅波方式——用于测向；调幅波方式——用于测向和台站识别；语音方式——用于测向和通话。由控制台实现状态之间的转换。2020/1/30无方向信标的调幅波信号无方向信标的等幅波信号2020/1/302.2.3机载无线电自动定向仪•1.基本组成及工作状态•自动定向仪包括三种主要工作状态：–ADF（自动测向）——由垂直天线和环形天线联合接收信号进行自动测向；–ANT（天线）——由垂直天线接收信号作为普通接收机使用；–TEST（测试）——定向仪自检，按下测试按钮时，指示器应指示一规定的数值（一般为90°），以确定定向仪的工作是否正常。2020/1/30组合天线（环形＋垂直）机身下部前缓冲支柱后直九（武）直升机1.接收机；2.控制盒；3.组合天线；2.指示器。2020/1/30•机载ADF所指示的角度是以飞机纵轴为基准，顺时针转到飞机与导航台连线所形成的夹角，如图所示（为60°的夹角）。要获得导航台相对于飞机的方位，还必须知道飞机的航向角，因此需要与磁罗盘等航向测量设备相结合。另外，为了获取读数的方便，飞机上常把磁罗盘与ADF的指示部分合在一起，称为无线电磁指示器RMI（RadioMagneticIndicator）。2020/1/30二、基本原理=U1mcosωtu2=U2mF(θ)cosωtu1=U2mF(θ)cos(ωt＋90°)u5=U2mF(θ)cosΩtcosωt＝cosΩt叠加电路的信号输出为一调幅波：e1+e′2=E1m[1+m(θ)cosΩt]cosωt式中m(θ)=F(θ)•E2m/E1m=m(θ)cosΩt＝cosΩt2020/1/30三、关键技术和解决方法——双值性的消除•要确定信号e1和e2的相对相位，需要一个基准信号，利用无方向垂直天线（又称判读天线）。环形天线方向形图•若-90°θ90°，则e1超前于e2，通过伺服电机使环形天线逆时针旋转，θ将逐渐增大，直至θ=90°时为止。•若90°θ270°时，情况相反。θ2020/1/302.用测角器代替环形天线的转动•在飞机上安装两个环形天线，相互垂直放置并且固定不动，可分别取与飞机的纵轴平行和垂直的方向，两天线同时接收地面信标台的信号。固定的环形天线及其方向性图2020/1/30•因此合成磁场即为两环形天线合成电动势的影射，其方向代表了无线电波的来波方向，并与基准方向即环形天线1的夹角为θ。1122coscossincoshHthHt•在测角器内产生互相垂直的两个感应磁场1122coscossincosmmeEteEt•两环形天线的感应电动势1122mmEHEH•测角器内两场线圈的参数是按相同比例设计2222221212cossincoshhhHHt•两个磁场形成一个合成磁场2020/1/30•测角器内的转子在合成磁场的作用下转动。搜索线圈产生的感应电动势e=EmsinφLcosωt•即活动线圈转动时，φL变化导致e的变化规律与环型天线完全一样，相当于环形天线在转动。•通过搜索活动线圈的转动，代替了环形天线的转动，实现了天线不动、方向性图转动的目的。2020/1/303.环形天线的安装与伺服电机的转动•在飞机上安装环形天线时，要求将稳定的零值点朝向机头方向，即“8”字形方向性图的纵轴与飞机纵轴方向严格保持一致。•具体实现方法是：使电波从机头沿机身轴线射入，转动测角器搜索线圈使其感应电势消失，指示器指示零度，这样即确定了机身轴线方向为基准方向。2020/1/30135Hz的本振信号接收机输出的135Hz合成信号伺服电机激磁线圈控制线圈基准信号控制信号电机的转动由这两个信号的相对相位控制2020/1/302.2.4无线电罗盘在航空导航中的应用•引导飞机出航，归航和沿线飞行；•和磁罗盘复合使用，利用双信标定位；•和磁罗盘复合引导飞机辅助着陆；•在紧急情况下，借助同频段的已知广播电台进行导航引导。2020/1/30一、出航、归航和沿线飞行•在无侧风影响情况下，出航背台飞行时，罗盘指示为1800，归航向台飞行时，罗盘指示为00。沿线飞行一般都是沿折线航线飞行，每个主要拐弯点不是机场就是航路信标点，所以沿线飞行多数也是背、向台飞行。•在有侧风影响时，航迹方向（或地速方向）和飞机纵轴方向（航向）不一致，存在偏流角，这是在向台飞行时特别要注意的，否则即使保持无线电罗盘00飞行，由于侧风影响也会发生偏航。2020/1/30二、与磁罗盘复合应用2020/1/30与磁罗盘复合实现双信标定位•无线电罗盘与磁罗盘复合可直接测得电台磁方位角，可以建立一条直线位置线，如果分别（短时间内）测得两个已知地理位置的信标台磁方位角（或利用双罗盘同时测得），便可以两个已知点为基点建立两条位置线，它们的交点便是飞机的位置。2020/1/30三、与磁罗盘复合引导飞机辅助着陆2020/1/30四、无线电罗盘的应急使用•战时当导航台被破坏时，可以借助同频段的、台址确知的无线电广播电台信号进行应急引导和定位；•当对空通信发生问题时，可通过无方向信标台的话或报工作方式向飞机发送应急指挥（单向）信息。2020/1/302.2.5系统简单评价•优点–可连续自动工作，飞行员处于主动地位；–只收不发，便于隐蔽