第3章-无线电频率导航系统

陆军航空兵学院电子设备教研室王萍第3章无线电频率导航系统第3章无线电频率导航系统•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无线电频率导航系统第3章无线电频率导航系统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多普勒导航系统无线电频率导航系统第3章无线电频率导航系统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无线电频率导航系统频率式无线电高度表第3章无线电频率导航系统•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无线电频率导航系统频率式无线电高度表第3章无线电频率导航系统3.1.1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无线电频率导航系统频率式无线电高度表频率测高（距）原理频率测距设备的工作示意图第3章无线电频率导航系统调频式测距原理示意图差频fb=f2-f1与传播时间τ=b-a有关无线电频率导航系统频率式无线电高度表频率测高（距）原理τ=2d/c020100mbffffTT载体与反射体的距离02bmcTdff第3章无线电频率导航系统•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无线电频率导航系统频率式无线电高度表直接调频式高度表第3章无线电频率导航系统一、工作原理无线电频率导航系统频率式无线电高度表直接调频式高度表工作原理调制信号：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）第3章无线电频率导航系统直达与反射信号的合成信号V=Vl＋V2＝Vmcos（ω0t+φ）无线电频率导航系统频率式无线电高度表直接调频式高度表工作原理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第3章无线电频率导航系统无线电频率导航系统频率式无线电高度表直接调频式高度表工作原理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第3章无线电频率导航系统120cos2sincos22mmmmVVVt无线电频率导航系统频率式无线电高度表直接调频式高度表工作原理令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ξ第3章无线电频率导航系统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2120101coscos1coscosmmmmmmmmVVVVtVtV无线电频率导航系统频率式无线电高度表直接调频式高度表工作原理在检波器的输出端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ξ第3章无线电频率导航系统无线电频率导航系统频率式无线电高度表直接调频式高度表工作原理高度一定时，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。第3章无线电频率导航系统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2φm无线电频率导航系统频率式无线电高度表直接调频式高度表工作原理04mH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第3章无线电频率导航系统二、性能分析•1.临界高度与阶梯误差•2.最小可测高度•3.最大可测高度无线电频率导航系统频率式无线电高度表直接调频式高度表性能分析第3章无线电频率导航系统无线电频率导航系统频率式无线电高度表直接调频式高度表性能分析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因为第3章无线电频率导航系统1.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。无线电频率导航系统频率式无线电高度表直接调频式高度表性能分析088cmchf第3章无线电频率导航系统2.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。无线电频率导航系统频率式无线电高度表直接调频式高度表性能分析第3章无线电频率导航系统3.最大可测高度无线电频率导航系统频率式无线电高度表直接调频式高度表性能分析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）Hmax第3章无线电频率导航系统•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无线电频率导航系统频率式无线电高度表跟踪式高度表第3章无线电频率导航系统3.1.3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无线电频率导航系统频率式无线电高度表跟踪式高度表第3章无线电频率导航系统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、控制系统无线电频率导航系统频率式无线电高度表跟踪式高度表第3章无线电频率导航系统一、工作原理无线电频率导航系统频率式无线电高度表跟踪式高度表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第3章无线电频率导航系统跟踪调频式高度表，fb和Δfm保持不变，唯一与高度成比例变化的参量是TmmmabfTf无线电频率导航系统频率式无线电高度表跟踪式高度表工作原理2aihc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第3章无线电频率导航系统二、跟踪环路无线电频率导航系统频率式无线电高度表跟踪式高度表跟踪环路第3章无线电频率导航系统作业：•分析直接调频方式高度表的特点。为什么其有不可克服的原理性误差？•试根据式来分析如何减小直接调频测高的阶梯误差。•跟踪式高度表为何也称为固定差拍频率的高度表，其工作原理是什么？其高度值最终由哪个信号参量反映出来？088cmchf无线电频率导航系统频率式无线电高度表作业第3章无线电频率导航系统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多普勒导航系统无线电频率导航系统多普勒导航系统第3章无线电频率导航系统3.2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导航精度分析无线电频率导航系统多普勒导航系统第3章无线电频率导航系统3.2.1一般概念•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。无线电频率导航系统多普勒导航系统一般概念第3章无线电频率导航系统•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%。无线电频率导航系统多普勒导航系统一般概念第3章无线电频率导航系统•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。无线电频率导航系统多普勒导航系统一般概念第3章无线电频率导航系统3.2多普勒导航系统•3.2.1一般概念•3.2.2理论基