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航空航天无线电导航刘磊电子科技大学航空航天学院第二章无线电导航基本原理•2.1角测量原理•2.2距离测量原理•2.3定位原理•2.4时间同步•2.5无线电导航系统工作区•无线电导航–通过测量电磁波在空间传播时的电信号参量（如电波的幅度、频率及相位等）进行。•构建机制–使得实际中测量的无线电电参量与着几何上的角度（电台方位角、载体姿态角）、距离（距离、距离差、和）等几何参量建立对应关系，这些参量称为导航几何参量。•导航通常是相对于某一具体目的地而言的，因此用空间极坐标（角度和距离）是方便和合理的，也是便于无线电测量的。•介绍上述两类基本几何参量的电测量原理及导航定位方法。2.1角测量原理•导航中的角参量可以分为两类：–一类是用于描述载体与导航台站之间的相对角度关系的，如电台方位，跑道方位等；–另一类用于描述载体的飞行状态，如航向、俯仰、横滚等。•角度测量两种方法：振幅法和相位法–振幅法主要用于第一类角的测量–相位法根据系统构制的不同可以进行两类角的测量。2.1.1、振幅法•振幅法的基本出发点是利用天线的方向性图实现振辐与导引角的对应关系，有两种实现体制。•站台主动式–导航站台采用方向性天线发射信号，用户采用无方向性天线接收；•用户主动式–导航台站采用无方向性天线发射信号，用户端采用方向性天线接收一、站台主动式•注意：•1、基准线的方向可以是地理北向，也可以是某一特定方向（如飞机的跑道方向）。•2、仅仅依靠上面测量的角度是无法单独完成载体的出航和归航的，必须结合载体上的航向测量设备进行角度的比对。二、用户主动式•在用户主动式中，导航电台利用无方向性天线发射全向信号。•载体的测向器可以利用载波信号的振幅变化或者载波信号的调制深度的变化来测定角参量，通常前者称之为E型工作方式，后者称之为M型工作方式。•利用具有方向性函数的接收天线，对地面导航台的无方向性调幅波信号进行接收，接收到的信号为：•可见，在E型工作方式中，调制深度保持不变，载波信号的幅度E与导航角参量建立一定的映射关系E型测向器M型测向器•要获得一个调制深度与角参量发生对应关系的电波信号，需要用一个方向性天线和一个无方向性天线（如垂直天线）共同来完成。•假定导航台发射的是等幅非调制波，垂直天线上收到的信号相当于载波分量，环状天线的接收信号相当于傍频分量，二者在迭加器中合成为一个调幅波：•合成信号的调制系数（表现为调幅波包络）随测向器相对于导航台站方向的变化而变化，而载波幅度恒定保持不变•利用方向性图测导引角，有三种方法：•1、最大值法–若导航台站发射无方向性电波信号，用户的接收天线采用针状方向性图的接收天线–当转动接收天线使得接收信号最强时，天线转过的角度即为导航台站相对于机轴的方位。•实际的测量过程中，由于测量方法和设备的不完善以及干扰与噪声的存在，使得方向性图的最大值在的范围内无法觉察出方向的偏离，通常将这个角度区域称为不灵敏区•为减小不灵敏区，要求接收天线的方向性图足够尖锐，并且输入信噪比尽量高。最小值法•将接收天线的最小值对准来波方向，天线中心所转过的角度也就是导航台站相对于机轴方向的方位。•理想的最小值应为零值点，但在零值点附近也存在一个不灵敏区。•与最大值法相比，一般最小值法的不灵敏区较小，故其测角灵敏度要比最大值法高。3、比较信号法•如果将构成天线方向性图的两个波束，部分的重叠起来，则可以获得一条等讯号线，如图所示。•转动天线到两个波束的接收讯号强度相等的方向，即可确定出被测导航台的方位。–灵敏度介于最大值法和最小值法之间。三、常用天线•天线是振幅式无线电导航系统的关键部件之一，正是依靠它才建立起接收信号幅度与导航角参量之间的对应关系。•因此，天线需要有一定特性的方向性图。•下面介绍几类常用天线的方向特性。1、垂直天线•垂直天线是最简单的一类天线，也就是我们常说的线状天线，如图所示。•假设天线的长度为l,电波的磁场方向始终在水平面内，则由图可以容易得到接受天线所感应的电动势为：2、环状天线•矩形环状天线ABCD如图所示，天线的高度为h，宽为b,并处于正常极化的电磁场内，仍假定电波磁场方向在水平面内，同样以天线的相位中心为原点建立空间坐标系如图所示。3、分集天线•如图所示，分集天线由两个垂直天线构成•可以把天线A,B看作环状天线的两个垂直边，水平面方向性图仍是8字型。•分集天线比环状天线省去了水平边，对消除极化误差很有利。•一、方位测量•无线电波传播时，相位与方位角之间没有直接的对应关系。•一般多采用旋转天线方向性图和旋转无方向性天线两种方法。2.1.2、相位法1、旋转天线方向性图•假若发射心型方向性图，在水平面内顺时针旋转；这样在空间任意一点接收到的场强将是包络调制信号。相位与接收点的方位相关，称为可变相位信号。•同时在方向性图最大值为某一事先确定的方位（航路VOR通常采用地磁北向方位，终端VOR通常采用跑道方位）时通过全向天线辐射基准相位信号。•通过测出包络相位和基准相位之间的相位差就可得到载体相对于基准方向的方位角。•基准相位信号的相位在各个方位上是相同的。辐射场为：•可变相位信号是采用两个互相垂直环形天线来产生。2、旋转无方向性天线•无方向性天线在辐射或接收电磁波时，本身是不含角坐标信息的。•如果在一个平面内以一个固定的角频率旋转，则无论发射台（信标）还是接收台（测向器），其辐射或接收信号的相位，都将被天线的转动所调制。•所调制的相位与观测点的角坐标有着一一对应的关系，这就是旋转无方向性天线进行测角的依据（DVOR）。由于旋转天线的多普勒效应，天线辐射（或接收）的信号频率将被天线的转速所调制，相当于对信号进行了频率调制，这种调制使信号的相位发生相应变化，产生包络线相位与方位有一定关系的调相辐射场，从中可以确定运载体的方位，因而称为多普勒伏尔。在O点设置一等幅发射机，同时将高频信号馈送到在水平面内沿半径为R的圆周运动的无方向性天线A。3、基线方式•基线方式的相位法的测方位角原理如图所示•如图，沿确定的基准方向AB并以一定的距离D放置两个无方向性天线A、B，它们发射同相的电磁波。•用户处于天线A、B的远场U点，通过接收A、B的信号并比较它们的相位，则可得到SU相对于基准轴AB的角度，其关系如下：•1、与振幅法不同，相位法并不要求天线有尖锐的方向性，用无方向性天线即可。•2、一般的相位计只能够测量0到360度范围内的相位值，而由上式确定的相位差的范围则可能超过360度（Dλ），存在测相的模糊性（多值性）–当Dλ时，则不存在多值问题–设计基线时，为消除其多值性，其长度D应当尽量小于发射电波的波长。二、姿态测量•与基线方式相反，如果将基线固定在载体上，那么就可以实现姿态的测量。•由于姿态的三个角度：航向（yaw、α）、俯仰(pitch、p)、横滚(roll、r)是互相独立的，因此为了阐述的方便，以航向和俯仰为主介绍其测量方法。•如下图所示：2.2距离测量原理•上面我们研究了角度的测量问题，下面我们介绍矢径长度也就是距离的测量问题。–无论是距离，还是距离差、距离和的测量，它们的都是利用电磁波在均匀介质空间中传播式的直线性和等速性。•距离主要有相位、频率和脉冲（时间）三种测量方法。2.2.1相位法•相位测距（差）是通过测量电磁波在运载体和电台之间信号相位的变化来确定距离（差）。•A、B两点电波的相位差是:•通常在测距时为了避免时间同步问题，常常测的是双程相位差，即电波往返于AB间的相位差。•在三维空间中，以运载体或导航台为基准，画出等相位的曲线，则是一组以基准点为球心、半径为r的球位置面。•若一般只考虑二维水平面的情况，则r＝常数时，相当于以基准点为圆心、r为半径的圆弧，即为圆位置线。crAB/*•相位法测量距离差测量导航台站A、B发射电波的相位差。•由于导航台站之间是严格同步的，因此相位的不同完全是由电波传播的行程差引起的。•由于两个台站（或载体与用户）之间的距离较大，从上面的介绍我们不难发现，相位法测距中存在多值性问题。•影响到准确度与作用距离的提高，为此需要采取相应祛除多值模糊的措施。•1、连续不断地测量、计算并记录完整相位循环数是一种比较简单的方法。–根据计数器的指示，可确定出相位巷道的序号；根据相位计的指示，可确定出小于的相位读数。•该方法的应用必须保证–首先是容易得到相位巷道的初始值，–其次保证高的可靠性，因为一旦丢失接收信号或设备出现临时断电等情况，都将使相位巷道的序号记录丢失或产生混乱，导致更大的定位误差。•2、消除相位多值性的另一种方法是宽、窄相位巷道配合工作的方法。–在加宽的巷道中，取得相位低精度读数，获得原相位巷道的序号；–在窄相位巷道中读取相位高精度读数，获得距离或距离差。–展宽巷道的方法有很多种，其共同的特点是改变被测信号的频率。•相位巷道的数目取决于距离，即：•若将频率减小K倍，其波长加大K倍，则相位巷道将相应加宽K倍。这时，地面台除了辐射频率f0的信号外，同时还要辐射频率f1的信号：•这时相位接收机在f0-f1的频率上进行粗测，在f0对应的巷道里进行精测。既可以消除多值性，又能同时获得必要的测量精度。2.2.2频率法•频率测距通常是利用发射信号与反射信号的差频来进行测量的。•因此作为频率测距系统，必须要有一定的反射面，频率测距通常用来进行高度的测量。•频率测高的原理示意图如下所示：•线性调频比较直观的体现了频率和距离之间的关系，•但是一般说来频率调制信号可以是任意周期的时间函数。2.2.3脉冲法•脉冲法测距，实质上是用尖锐的脉冲对时间轴进行标定，然后通过脉冲间隔读取时间，进而测量距离。•通常，脉冲测距有两种方式：有源方式和无源方式。下面我们分别来介绍这两种方式。1、有源测距•所谓的有源测距指的是信号在用户和导航台站之间经历了往、返两个传播过程，然后通过测量信号的往返时间计算出用户和导航台站之间的距离。••通常测距询问脉冲由用户发出，该询问脉冲需要经过特殊的编码以区别是哪个用户的询问脉冲，导航台站收到该脉冲后，延迟一定的时间后向用户发射应答脉冲•由用户接收并测量询问脉冲和应答脉冲之间的时间间隔，便可以测量载体和导航台站之间的距离，即：•需要注意的是，在上述的测量中，没有对用户和导航台站的时钟同步提出要求，也没有要求用很高精度的用户时钟。–但是，也并不是任何时钟都是允许的，需要根据距离的测量精度指标安装符合要求的时钟。–譬如，如果要求距离的测量精度不大于30米，系统的工作半径为300公里，则时钟的稳定度不能低于。–较好的石英晶体基本上都可以满足。因此，有源测距对时钟性能要求比较低，但是存在电磁暴露的问题。2、无源测距•无源测距指的是用户仅仅接收导航台站发射的脉冲信号来测得传播延迟。•要求用户的时钟与导航台站的时钟基准严格同步，它们的时钟震荡源之间既同频又同相，既无频差又无钟差。•因此，严格意义的无源测距往往需要在测距之前已经在用户和导航台站之间进行了大量的时钟同步工作。•在用户和导航台站的时钟同步之后，导航台站发射测距脉冲，同时在测距脉冲中对发射时刻以电文的形式传输。•用户收到测距脉冲后，测定脉冲的到达时间（TOA），利用电文中所解码的脉冲发射时刻，就可以得到用户与导航台之间距离：•实际中，很难保持用户与导航台站之间时钟的同频同相，因此人们提出了伪距离测量技术，即“伪距”。•所谓“伪距”，顾名思义指非真实的距离，实际中指用户接收信号时间和导航台站发出信号之间的时间差，代表了包含真实距离和两地钟差在内的时间折合量。其推广的含义还包括电波在传播和测量过程中得其他误差。•伪距的测量与上述方法相同，所不同的是不需要测距之前进行时钟的同步工作，因而大大简化了系统的工程实现。