现代导航与制导-第六章-陆基无线电导航

第六章陆基无线电导航系统上课时间、地点1~15周星期五第9~11节教室B203任课教师：杨宜康教授航空航天学院13881903051yangyk74vip.sina重要信息：6.1点源系统6.2罗兰6.3仪表着落系统6.4城市定位与室内定位6.5相对导航、跟踪和声纳收发器6陆基无线电导航点源系统尽管可以利用多个站的观测值，但点源导航系统仅利用来自单站的观测量即可提供水平定位信息。全向信标广播150KHz～1700KHz之间的全向信号。一些全向信标NDB也广播无线电台或者发射全球导航卫星局域差分LADGNSS信息。利用测向接收机，可测量其相对信标的轴向，精度可达5°。点源系统根据两个NDB可确定粗略的位置。或者，飞机可利用方向测量信息朝着信标飞行，并利用信标发射模式中的垂直零位判断何时飞越信标，从而确定位置。目前正在计划在不久的将来淘汰专用NDB。伏尔VOR和测距DME信标通常配置在一起。他们设计的目的是为航空服务，因此在高空其覆盖半径通常为400KM，而距离地面300m高度则降至约75KM。点源系统VOR信标发射的频段为108MHz～118MHz。各站在副载波上发射一路30Hz调幅信号和一路30Hz调频信号，同时还发射一路识别码以及一路可选的语音信号。AM与FM信号之间的相对相位随方位角变化，VOR接收机对其进行测量即可获取从信标至磁北的航向，精度为1°～2°，最大距离上的相应定位精度为7KM～14KM。点源系统DME为双向测距系统，工作于960MHz～1215MHz。用户设备称为问询机，发射双脉冲信号。DME信标称为应答机，收到询问信号50us后一单独的频率播发应答双脉冲信号。每个应答机设计可以同时服务100个用户。当在很短的时间间隔内连续收到来自两个问询机的信号，应答机优先响应前面那个。点源系统每个DME应答机均随机发射脉冲以响应多个用户。问询机必须识别出哪一个是响应自己的信号。最初到应答机的距离是未知的，此时问询机工作于如下搜索模式：每秒发射多达150个脉冲对，并在发射后的固定间隔接听响应信号，同时每几个脉冲变换一次间隔时间。当间隔与响应时间相符时，将会接收到响应大多数问询机的脉冲信号。点源系统否则，只能偶尔接收到脉冲信号，因为对其他用户的响应与问询机发射是不相关的，如下图9.1。点源系统一旦搜索到响应时间，问询机就切换至跟踪模式，将问询机频率降低到每秒30个脉冲对，并且只扫描单边预测响应时间。过去，测距误差标准差为130m，但对于现代信标和接收机，精度可达到20m的量级。根据测量距离确定水平距离时，必须考虑接收机和发射机的高度差，如图9.2，点源系统用户纬度和经度近似为：22ˆˆ()cos()[()]atmnmatNtthhLLRLh22ˆˆ()(){[()]cos}atmnmatEttthhsinRLhL（9.1）点源系统式中：是DME距离测量量；是VOR方向；是磁偏角；、、是信标纬度、经度和高度；是用户高度。忽略地球的曲率以及萨格拉克效应后，会分别产生65m和0.6m误差。许多VOR/DME用户沿着连接信标的空中路线运动，以相对目的地信标的距离和方向而不是相对地球的参考位置进行导航。mˆnmtLtthˆah点源系统欧洲和北美大多数地区，有许多个VOR/DME信标，而一般地，采用两个DME测量，与采用一个DME和一个VOR测量相比，可提供更高的定位精度。塔康(TACAN)是美军对DME的增强，它每秒增加了135个秒脉冲，其标准应答机带有精度为0.5°的方位信息。VORTAC信标同时为VOR/DME和TACAN用户提供服务。6.1点源系统6.2罗兰6.3仪表着落系统6.4城市定位与室内定位6.5相对导航、跟踪和声纳收发器6路基无线电导航罗兰远距离导航罗兰（LongnavigationLoran）包括多个系统，其中许多已经被废弃。目前的系统如罗兰-C、恰卡、E罗兰，工作在100KHz的低频段。有许多发射机构成台链，每个台链包括一个主台和2～5个副台。某些发射机采用双频，同时属于两个台链。罗兰传统上，接收机测量多个时间差信息，每个时间差包括来自同一个台链的两个发射机的信号到达时间差。当对每个时间差校正了发射时间差之后，即定义了接收机可能位于其中的双曲型位置线如图9.3所示。这种定位方法即称为双曲线定位，通常根据两个TD时间差可以确定两维位置。罗兰罗兰罗兰利用地波传播，处于无线电低频段，作用距离和高度无关。对于现代用户装置，其发射机作用距离可达1000km～1700km，海面为1700km～2400km。天波信号传输更远，但不够可靠和精确。与GNSS相比，罗兰信号的一个主要优点在于可以很好的穿透山谷、城市峡谷和建筑物，甚至地下室。罗兰罗兰-C精度指标为95%概率海面径向误差小于400m。然而，差分的E罗兰在诸如机场和海港等特定地点精度可达10m量级。罗兰作为美国的一个军用系统，罗兰-C在1950年后建成，其覆盖北大西洋、北太太平洋以及地中海等区域。从1974年开始，罗兰-C对民用航海开放，后来又被美国航空协会采用。1994年底，美国海外罗兰站台移交至所在地国家，其中大多数仍保留下来并发展形成网络。罗兰恰卡（Chayka）由苏联开发，也是作为军用系统，与罗兰-C几乎相同。2019年，罗兰-C与恰卡（Chayka）的组合覆盖了北半球大部分地区，包括毗邻的美国、加拿大部分地区以及阿拉斯加、北欧、中东（包括沙特阿拉伯）、俄罗斯部分地区、日本、朝鲜、中国沿海以及印度的一部分。罗兰E罗兰是对罗兰-C后向兼容的改进计划，从20世纪90年代中期开始，目前仍在进行之中。第一阶段包括替换过时的发射机以及将TOT同步机制改为UTC，在美国、北欧和远东已经完成。对TOT进行同步时可实现台链间的TD和但发射机的伪距测量，取消了设定台链内至少跟踪两台发射机的限制，改善了有效覆盖性能。罗兰更新站台的第二阶段是使用罗兰数据通道或Eurofix发射差分修正量以及其他数据。对美国罗兰站台的LDC添加始于2019年。近年来的用户设备改善包括跟踪所有可用信号（可能超过30个）、提高敏感性、改进信号的传播延迟数据库以及磁场天线，它体积更小，并消除了静电干扰的参透影响。罗兰罗兰信号全部以20KHz双边带宽及垂直极化的100KHz载波进行发射。同一台链内的站台轮流发射TDMA形式的信号。图9.4表示的是从一个台链接收到的信号。罗兰每次发射包括一组8个500us的脉冲，起始间隔1ms，主台在第8个脉冲后的2ms时刻增加一个额外的脉冲，部分站台也在第8个脉冲后1ms广播加载LDC的第9个脉冲。同一组内每个脉冲的极化特性是变化的，以产生相位码，它每两组重复一次。副台采用与主台不同的相位码。罗兰每个发射机以50ms～100ms的固定时间间隔进行重复发射，该间隔称为组重复间隔（GroupRepetitionInterval，GRI）。每个台链靠GRI的不同来区分。不同的罗兰台链间的信号可能产生互相干扰，需要慎重选择GRI，使得链间干扰的重复时间间隔超过10ns。罗兰另外，现代罗兰用户设备能够预测哪些脉冲可能受到来自其他罗兰站台的干扰，因此可以将其忽略掉甚至扣除不需要信号的复制信号。这样比最强的可用信号微弱40dB的信号也可被跟踪。罗兰来自同一个发射机的天波信号，其多路径会让接收到的信号脉冲变游。老式接收机采用距脉冲起点30us的跟踪点，这比起天波相对地波的延迟要小，从而确保只使用后者。现代接收机对每个脉冲进行多重采样，然后对其处理以分离地波分量。罗兰罗兰-C发射机通过“闪烁”指示其信号失效，不应该使用。“闪烁”的前两个脉冲每4s被忽略3.75s。失效的E罗兰发射机关闭即可。每个LDC脉冲以4种延迟状态中的一种以及8个相位状态进行调制。上述状态组合起来每个脉冲可提供5个数据位，以及50b/s～100b/s的数据率，具体取决于GRI。罗兰Eurofix系统，当前作用于欧洲西北部与沙特阿拉伯，其每个脉冲偏移0、1或者-1us以提供一个数据通道。Eurofix携带有GNSS差分修正量以及其他数据，可能包括差分罗兰数据。每个脉冲组的时间保持一致，以使测距误差最小。数据率为每GRI有7位，即70b/s～140b/s，其中某些用于误差校正。罗兰信号的采样与接收机复制生成的预期信号进行相关，然后输入至信号捕获与跟踪模块，生成伪距观测量。与GNSS类似，捕获所需要的信噪比跟踪要高。罗兰Eloran利用下式对由TOA测量获取的伪距观测量实施校正：式中:是发射时间;是在海水表面的有效传播速度是(负的)传播延迟校正，用来补偿陆地较低的传播速度和其他延迟；下标j表示罗兰站台。传播延迟，称为附加二次因子，利用数据库进行校正。csttcASF,,,()CjsajstjASFjttc（9.2）罗兰对于陆地和海上用户。由用户设备测量的信号为沿大圆路径(传播)的地波。这样伪距就可用发射纬度、经度和用户纬度、经度表示，由下式解算:tLtˆaLˆa式中是接收机时钟偏差；是测量残差，、分别是南北向、东西向大圆曲率半径，由式2.65、式2.66给出，并有ˆrcˆjNRER2''2ˆˆˆˆ[()()][()cos()cos]ˆCjtjNtjaNatjEtjtjaEaarccjLRLLRLRLLRLL（9.3）罗兰这是地球中心所对的东西向大圆一个单位经度变化所对应的角度。注意萨格拉克效应已经认为包含在中。至少需要三个伪距观测量来解算出纬度、经度和时钟偏差。当有更多观测量时，解是超定的。ASF2'22()cos1(1cos)()NERLLLRL（9.4）罗兰采用与GNSS导航解算类似的最小二乘或卡尔曼滤波，见7.5节的描述，可以得到解算结果。n个观测量的最小二乘解为：11'122ˆˆˆ1/()0001/[()cos]0()001PaaPaaPrcrcPCCPNaPPPTTCCEaannnPCnCnLLRLRLLGGG（9.5）罗兰式中:上标P表示预测值，观侧几何矩阵为：式中为从用户天线到发射机的视线单位矢量，投影到当地导航坐标系。对于航空用户，由于信号传播方式为地波与直线传播的混合，解算复杂，式9.3无效natu,1,,1,,2,,2,,,,,111nnatNatEnnatNatEnnnatnNatnEuuuuuuG（9.6）罗兰旧的罗兰用户设备观测量时间差TD，可以利用下式获取校正了的距离增量；式中：是发射时间差，称为标称发射延迟（NominalEmissionDelay，NED）。i，j分别为罗兰主台和副台。,,,TDijsajsaitttc,NEDijt,,,,CijTDijNEDijASFjASFittc（9.7）罗兰双曲线定位不需要解算接收机时钟，因此对于主台m和n个副台之间的时间差TD，陆地和海上用户的最小二乘解算为11122'ˆˆ1/()001/[()cos]PaaPaaPPCmCCmPPPTTNaCmCCmnnnPPEaaPPCmnCnCmLLRLRLLGGG（9.8）罗兰其中，,,,1,,,,1,,,,2,,,,2,,,,,,,,,nnnnatmNatNatmEatEnnnnatmNatNatmEatEnnnnnatmNatnNatmEatnEuuuuuuuuuuuuG（9.9）罗兰造成罗兰伪距和时间差TD测量偏差的主要原因，是信号传播速度的变化，主要是陆地传播速度的变化，大约比水面小0.5%。这样，对于1000km的地面(传播)路径，大约为5km。传播速度随地形传导率与粗糙度变化，因此很难建模。早期罗兰-C