地基无线电导航基本原理及系统简介

15地基无线电导航基本原理及系统简介国防科技大学航天与材料工程学院25.1引言5.2地基无线电导航分类及技术指标5.3地基无线电导航基本原理5.4典型地基无线电导航系统简介主要内容35.1引言5.2地基无线电导航分类及技术指标5.3地基无线电导航基本原理5.4典型地基无线电导航系统简介主要内容4（1）地基无线电导航的定义装有无线电接收机的载体，接收并测量地面导航台发射的无线电信号，然后根据相应观测量（如信号振幅、相位、传播时间等）的量测信息，通过计算获取载体的导航信息。520世纪初至二战前夕以定向为主的早期阶段；二战至20世纪60年代全面开展、日趋完善的发展阶段；20世纪60年代至今：成熟阶段。（2）地基无线电导航的发展65.1引言5.2地基无线电导航分类及技术指标5.3地基无线电导航基本原理5.4典型地基无线电导航系统简介主要内容7按有效作用距离分：近程/中程/远程/超远程系统；按所测电信号参量分：振幅/频率/相位/脉冲/混合系统；按所测几何参量分：测角/测距/测距差/测距和系统；按工作方式分：有源/无源系统。（1）地基无线电导航的分类8导航精度：定位误差，用概率统计方法描述；覆盖范围：与规定的定位精度相对应；系统容量：可同时提供定位服务的用户数量；信息更新率：单位时间内可为用户提供定位服务的次数；其它指标：连续性、可用性、可靠性、完好性等。（2）地基无线电导航的技术指标95.1引言5.2地基无线电导航分类及技术指标5.3地基无线电导航基本原理5.4典型地基无线电导航系统简介主要内容10载体接收和处理的电参量是无线电波的振幅或相位，进而获取载体相对地面导航台站的方位角，并建立该测量量与导航参量（载体位置）间的对应关系，然后通过解方程或其它等效方法求得所需的导航参量。（1）地基无线电测角导航原理11最小值法、最大值法和等信号法，测角精度为±1º～±5º,用于无线电罗盘、仪表着陆系统。振幅测角法无方向电磁波地面导航台载体体轴用户天线方向性图α12相位测角法天线方向性图塔康信号结构xρθ=1+Acosθ+ωtθx13在水平面内一心形方向性图的天线向外辐射无线电信号，同时还在该平面内以一定角速度顺时针旋转，并在方向性图转到特定方位时全向天线发射基准脉冲信号，则在空间任意方位载体的接收信号是以旋转周期为周期的包络调制信号，且收到基准信号时，该信号的包络相位与载体的接收点方位一一对应。测出周期调制包络在基准时刻的相位即可确定载体方位。相位测角法测角精度高于振幅测角法，如塔康系统为±2.5º(2σ)，多普勒伏尔优于1º。14测角定位原理导航台B载体体轴αA用户天线方向性图αB导航台A15测角定位原理测角水平位置线是以导航台为顶点、方位角对应正切值为斜率的射线。用户分别测得载体相对导航台A和B的方位角，确定两条位置线，其交点为载体的位置。测角定位法设备简单，但其位置线误差随与用户导航台间的距离成正比例增大，故常用于近程定位。16载体接收和处理的电参量是无线电波的相位、频率或脉冲传播时间，进而获取载体相对地面导航台站的距离，并建立该测量量与导航参量（载体位置）间的对应关系，然后通过解方程或其它等效方法求得所需的导航参量。（2）地基无线电测距导航原理17设A和B点间的距离为d，则往返于两点间的接收/发射电磁波的相位差满足可得两点间的距离为相位测距法相位测量存在多值性问题，需其它方法予以消除；测量精度较高，测量方便，应用广泛。42ddc42cd18频率测距法tAf02f2f1f01BCabT0τfb19其中反射/发射信号的差频，电磁波往返时间，为有效调频时间，发射信号的最高/最低频率之差。频率测距法无线电低高度表采用频率调制工作体制，最小测量高度达0.5m，多用于飞机的低空飞行导引。022bmcTcdff21bfffba0201mfff0T20对于无源测距而言，但存在时间同步问题，用于罗兰－C系统。dct脉冲测距法对于有源测距而言，但存在电磁暴露问题，用于测距器系统。2dct信标飞机t21测距定位原理测距水平位置线是以导航台为中心、导航台与载体间距离为半径的圆。用户分别测得载体相对导航台A和B的距离，确定两条位置线，其交点为载体的位置。导航台APP'导航台BdAdBApABpBdXXdXX22载体接收和处理的电参量是无线电波的脉冲传播时间或相位，进而获取载体相对2个地面导航台站的距离差，并建立该测量量与导航参量（载体位置）间的对应关系，然后通过解方程或其它等效方法求得所需的导航参量。（3）地基无线电测距差导航原理23MApMpAMBpMpBXXXXXXXXAMP测距差定位原理24依靠布设于海岸上的一系列导航台，周期性地同步发射脉冲或载波信号。船载接收机接收到来自主台和副台A的信号后，测量脉冲（包络）信号达到的时间差（相位差），然后计算得到船至两台的距离差。于是，可以确定一条以2个台为焦点的双曲线（位置线）。测量主台与副台B的脉冲信号，可以确定另外一条双曲线。这两条双曲线的交点即是船只所在的位置。测距差定位原理25脉冲测距差法其中和分别为主台M、副台A的脉冲信号传到载体的时间，为载体所测主副台信号时差，为载体到主副台的距离差，c为光速。该方法作用距离远。罗兰－A采用脉冲测距差体制，白天定位精度为0.5～1nmile，夜间为1～3nmile；我国的长河一号也采用该工作体制，建立了10个导航台。AMAMd=ct=cttAtMttAMd26相位测距差法其中为载体所测主副台信号相位差，和分别为载波信号的波长和角速度。42AMAMAMcdAM该方法具有多值性，作用距离较近，精度较高。台卡定位精度为几十米～几百米；欧米伽白天定位精度为1nmile，夜间为1.5nmile；我国的长河三号白天定位精度为±50～±200m，夜间为±100～±500m。27脉冲-相位测距差法其中为载体所测主台M、副台A的脉冲包络信号的相位差，小于，无多值性；NAM为载体所测主副台脉冲包络信号前沿的时差与信号周期的比值取整。该方法精度高，覆盖范围广。罗兰－C采用相位-脉冲测距差体制，定位精度为0.25～1.2nmile；我国的长河三号也采用该工作体制。2AMAMAMcd=N2AM28Pρ1ρ3ρ4ρ2（4）地基无线电空中测距定位原理测量4个地面站至载体的无线电信号传播时间延迟，将时间延迟与光速相乘得相应伪距，然后由4个伪距及地面站已知坐标求解载体坐标及钟差。29伪距观测方程为其中：伪距观测值；：载体位置矢量，未知；：地面站位置矢量，已知，i=1、2、3和4；：光速；：钟差，测量时刻接收机钟面时与标准时之差，未知。ipiXXctipXiXct305.1引言5.2地基无线电导航分类及技术指标5.3地基无线电导航基本原理5.4典型地基无线电导航系统简介主要内容31（1）塔康系统（TACAN）塔康是战术空中导航系统的简称，属于相位-时间复合的近程地基无线电导航系统，可测量载体相对导航台的方位和斜距。32系统由塔康地面设备和机载设备组成。其导航台只需1个，而且可以安置在地面固定点或移动载体上，适合军事应用的机动灵活性要求。33测向测距原理测向方法：15Hz正弦环路，产生基准脉冲N（粗测）；9×15Hz正弦环路，产生辅助脉冲a（精测）。测距方法：有源脉冲测距。34系统技术指标导航精度：方位精度优于2.5º(2σ)，距离精度不大于400m(数字式)，不大于(400＋0.25％D)m(模拟式)。系统工作区：固定台的覆盖半径大于350km(高度10km)，机动台为185km，顶空存在90º～120º锥形信号盲区。系统容量：方位测量可无限容量，距离测量已提高到110。35系统应用TACAN最初为航空母舰舰载飞机的编队导航而设计；全世界1500多个TACAN地面设备在工作，仅美国14500多架军机装备机载设备（如F-16）;TACAN还可用作空-空导航，测向误差±5º以内，工作容量5～10个；我国的TACAN70年代完成试飞和定型，并在空军和海军的航空兵装备。36（2）罗兰－C系统（Loran－C）罗兰-C是美国开发的中远程精密地基无线电导航系统，采用低频、相位-时间复合的双曲线导航体制，可测量载体相对主副导航台的距离差。该系统由罗兰-C地面设备和用户接收机组成。其地面设备包括形成台链的一组发射台、监测站和控制中心，而且双曲线定位体制的台链至少包括3个发射台。37Loran-C地面设备Loran-C接收机38测距差定位原理AMP39系统技术指标导航精度：近区小于0.25nmile（460m），远区方位1.2nmile，近区相对定位精度达18～90m。系统工作区：地波白天海上达1200nmile，夜间1000nmile，陆地比海上小约200～300nmile；天波达2000～3000nmile。系统容量：用户无限容量。定位速率：10～20次/min。40系统应用Loran-C为海上舰船的导航定位和航空导航而设计；美国建设10个台链，全世界到1991年至总计25个台链；我国的长河二号1979年开始建设，包括南海、东海和北海3个台链，6个发射台，3个监测站和3个控制中心。41美国罗兰-C台链42中国东海罗兰-C43思考题1．测角方法包括哪几种？2.简述相位、频率和脉冲测距的机理。3.简述脉冲有源和无源测距的机理与特点。4.简述二维平面测距差定位基本原理。5．试述地基无线电空中测距定位基本原理。