第五讲-无线电频率导航系统

上海海事大学应士君2020年1月31日星期五2020/1/31第五讲2020/1/31•可与导航参量相联系的频率有：–载波频率–调制频率–脉冲重复频率–信号的差拍频率–多普勒频率•可与这些频率相联系的导航参量：–距离、距离差–速度、角度等参量电信号的频率导航参量2020/1/31目前应用比较广泛的频率导航系统•3.1频率式无线电高度表•3.2多普勒导航系统2020/1/31高度表气压式高度表无线电高度表低高度表高高度表频率调制脉冲调制3.1频率式无线电高度表2020/1/31•3.1.1频率测高（距）原理•3.1.2直接调频式高度表•3.1.3跟踪式高度表3.1频率式无线电高度表2020/1/313.1.1频率测高（距）原理•频率测高通常利用调频发射信号与反射信号之间的差拍频率进行距离测量频率测距设备的工作示意图2020/1/31调频式测距原理示意图差频fb=f2-f1与传播时间τ=b-a有关τ=2d/c020100mbffffTT载体与反射体的距离02bmcTdff2020/1/31一、工作原理调制信号：VΩ=VmΩcosΩt被调制信号：Vω0=Vmcosω0t调频信号：110cossinmmVVtt比直达信号在时间上滞后τ＝2H/c反射信号：2200cossinmmVVtt令1sinmt20sinmt直达与反射信号的合成信号V=Vl＋V2＝Vmcos（ω0t+φ）直接调频式高度表2020/1/31直达与反射信号的合成信号V=Vl＋V2＝Vmcos（ω0t+φ）221112122cosmmmmmVVVVV11221122sinsinarctancoscosmmmmVVVV•合成信号的包络和相位均受反射信号中φ2的影响，即都隐含有高度信息。思路：合成信号接收机的幅度检波器包络波形高度信息2020/1/312221121112cosmmmmmmVVVVVV将包络表达式写为反射信号的强度远远小于发射信号的强度，即V1mV2m2112112cosmmmmVVVV幂级数展开2222112121111coscos2mmmmmVVVmVVV忽略高次项1212cosmmmVVV将φ1、φ2的表达式代入：120cos2sincos22mmmmVVVt2020/1/31120cos2sincos22mmmmVVVt令00000042sin24422mmmmmHfHHf包络的初相位φ0和相位分量的幅度φm中，均含有高度H的信息设：t′＝t－τ/22120101coscos1coscosmmmmmmmmVVVVtVtVVm是合成信号的包络，将合成信号V=Vmcos(ω0t+φ)送入接收机中的差拍检波器最大相对频偏ξ2020/1/31Vm是合成信号的包络，将合成信号V=Vmcos(ω0t+φ)送入接收机中的差拍检波器2120101coscos1coscosmmmmmmmmVVVVtVtV在检波器的输出端22020coscoscos41cosmmmHeVtVt第一想法：从e2的相位信息φ0中得到高度比较方便，但由于没有基准相位进行比对，很难提取高度信息。实际情况：只能从其包络频率中提取高度信息，并以脉冲计数的方式得到高度值。最大相对频偏ξ2020/1/31高度一定时，初相不影响信号的变化剔除初相φ0携带的信息信号相位取决于高度所影响的φm在一个调制周期内，相位起伏越大，则检波器输出端信号的变化越快，即过零点越多。每一个过零点都可以通过脉冲整形或限幅的方法得到标准脉冲，从而用于计数。2020/1/31若假设奇数过零点为脉冲的开始，偶数过零点为脉冲的结束。在一个调制周期Tm内，φm引起的相位变化范围是2φm04mH又已知：因为：脉冲数（最大相对频偏ξ为己知值）为：028mtHN每秒钟的平均脉冲数为：08tmmNHNTT由此可以得到：0088tmNNTH2020/1/31高度是以计量脉冲数目来得到的又因为飞行高度的准确度为：在一个低频调制周期Tm内，出现一个脉冲量的变化时（N=1），飞行高度的变化所以088cmchf所以脉冲计数测量高度的方法，决定了高度的显示是阶梯式的。若运载体的高度变化不超过hcτ时，高度表的显示不变化由此引入的测量误差称为阶梯误差，其值为±hcτ，同时称hcτ为临界高度。1.临界高度与阶梯误差0088tmNNTH因为2020/1/311.临界高度与阶梯误差•减小阶梯误差可以采取两种措施：–其一，尽可能提高工作频率，即降低工作波长λ0；–其二，尽可能增加最大频率偏移Δfm。•减小阶梯误差是以使线路复杂化为代价的，且受到各种条件的制约，并且这种误差是由高度测量方法引入的原理性误差，因而只能减小，无法彻底消除。088cmchf2020/1/312.最小可测高度•由于测量飞行高度的准确度不会超过±hcτ，即在0~2hcτ的高度范围内，不可能准确给出飞行的高度，因此最小可测高度为2hcτ。2020/1/313.最大可测高度2sin222mmm近似运算在Ωτ/2较小的情况下成立的。如果高度很高，那么这个假设将不再成立max22THccc最大可测理论高度为最大可测高度一般取（0.05~0.1）Hmax2020/1/313.1.3跟踪式高度表•直接式调频高频度表以差拍频率fb作为因变量的工作原理•当高度由hmin变化到hmax时•fb将变化几万或几十万倍•要求接收通道必须有足够的带宽容许fbmin→fbmax及其附近的频谱成分通过•将给大高度时微弱信号的检测带来很大困难2020/1/312020/1/31探索改变因变量的高度测量方法2mbmbaammffThfTfc思路：把h变化引起的fb变化，转嫁到其他参量的变化上去TmΔfmΔfm取决于调制信号的幅度，因此就要求调制器有足够大的动态范围，加大了调频振荡器的制作难度，也大大扩展了信号频谱，使系统的实现难度及复杂程度明显增加。Tm是发送系统中的参量，而高度信息是蕴含在接收系统所接收的信号中，这就必须使接收信号中表征高度信息的参量去控制调制信号的周期Tm，使其随高度的变化而变化。显然，这就要求整个系统必须是一闭环的跟踪、控制系统2020/1/31一、工作原理发射信号与接收信号的差拍频率为：baadfftftftdt跟踪调频式高度表，fb和Δfm保持不变，唯一与高度成比例变化的参量是TmmmabfTf2020/1/31跟踪调频式高度表，fb和Δfm保持不变，唯一与高度成比例变化的参量是TmmmabfTfmiibfTf延迟时间τa取决于航行体的高度和馈线等引入的延迟τi2aihc2mmibfhTTcf唯一与高度成比例变化的调制信号的周期Tm在Δfm、fb不变的情况下，调制信号的周期Tm直接响应于高度的变化2020/1/31二、跟踪环路2020/1/312020/1/313.2多普勒导航系统•3.2.1一般概念•3.2.2理论基础•3.2.3工作原理•3.2.4导航精度分析2020/1/313.2.1一般概念•多普勒导航系统为频率测速推航系统，是一种基于多普勒效应的自主式导航设备。•系统的基本测量部件是多普勒导航雷达（DopplerNavigationRadar），通过测量载体在运动过程中发射到地面并反射回来的信号频率偏移或变化，计算出地速和偏流角，并在航姿系统的辅助下完成载体位置的推算功能。•多普勒雷达是许多军用、民用飞机自主远程导航的必选设备之一。2020/1/31•多普勒导航系统的优点：–系统基本上可以全天候工作；–飞机自备导航设备，不需要设置地面站；–可以提供全球导航，不受地区及国际协议的限制；–能够连续提供飞机的速度、角度和位置信息。推航位置的精度约为航程的2%，测速精度高达0.1%~0.3%，偏流角测量精度为1%。2020/1/31•多普勒导航系统的缺点：–需要罗盘、航姿系统等的姿态信息才能完成位置定位；–随着距离增加，定位精度随之下降；–系统测量的瞬时速度不如平均速度准确；–由于反射体的运动（如对于水面上的应用），精度会有所下降。2020/1/313.2.2理论基础•多普勒效应的实质是：当两个物体如辐射源和接收机之间存在相对运动时，接收机收到的信号频率，将与辐射源所发射的信号频率不同，两者之间相差一个多普勒频移fd，而频移量fd的大小与辐射源和接收机之间的相对径向运动速度成正比。奥地利物理学家多普勒（1803——1853）2020/1/311.辐射源朝向接收点作径向运动dd'AButτ发A发A'收AtT1ΔtABA't1t2T1T2Tl=t1+d/c22dvtTtcΔt=t2-t12020/1/31在Δt的时间间隔内，发射机辐射出去的振荡波的周期数目为nt，并令t0表示振荡信号的周期001/ft00ttnftt置于B点的接收机在ΔT=T2－T1的时间间隔内接收了这nt个振荡周期的信号，因此接收机所接收到的振荡信号的频率fτ应为00021tnftftcffvdvtdTcvttttcccB点的接收机接收到的信号频率，与发射机的振荡信号频率f0不同，二者信号频率之差，即为多普勒频率fd00drvffffcv因为vc0dvffc可简化为2020/1/312.辐射源朝着偏离于接收点的方向上运动径向速度vr与辐射源运动速度v：cosrvv用μ的余角来表示：sinrvv0dvffc带入多普勒频率fd：0000cossinsinrdvvvvffffccc当运动速度、工作波长不变时，多普勒频移fd随方位角θ成正弦函数关系变化。测量出多普勒频移量fd，就能确定出接收机相对于辐射源运动方向的方位角θ（或偏流角μ），这即是利用多普勒效应进行测角（偏流角）的基本原理。2020/1/31fd随方位角θ变化曲线示意图多普勒频移的圆锥形位置面示意图2020/1/312020/1/313.B点为反射点、辐射源与接收点皆处于A点并沿AB连线径向运动发射机发射的信号频率为f0，则到达地面反射点B处的信号振荡频率为fb0brcffcv把B看作频率为fb的辐射源，其辐射的信号被置于接收机（A点）所接收，运载体是向着B点运动，在A点接收到的信号频率为rabcvffc0rarcvffcv泰勒级数展开021...ravffcvrc，忽略高次项002ravfffc0022rrdvvffc2020/1/314.运载体的地速及偏流角测量径向速度vrcosrvv0022coscosdvvffc•在运载体运动速度方向与其轴向重合的情况下，角度Γ实际上是运载体轴向与天线射束中心方向的夹角，所以Γ为已知数。•在测得fd之后，就可容易地计算出地速v了，即运载体相对于地面的航行速度。2020/1/31•角度βa是ACB平面内运动速度矢量v和天线射束中心线之间的夹角。上式表明，多普勒频率是地速v和偏流角μ的函数。利用这一函数关系，通过测量fd，在已知地速或测量出地速的条件下，即可求出偏流角。由于风力的影响，运载体的轴线方向与航行方向不可能再保持一致，即出现