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第3章 经典无线电导航系统(1-3)


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(1)象限误差



也叫罗差,主要是环形天线附近金属导体的 干扰误差。 当地面电台辐射的无线电波到达飞机机身等 金属物体上时,将在金属物体上产生交变的 感应电流,该电流又在机身等金属物体周围 产生辐射电波,这种现象称为两次辐射。 两次辐射电波与原电波叠加后,合成电波作 用到环形天线的方向与原电波传播方向相差 一个角度,从而改变了定向方向,造成了定 向误差,该角度称为象限误差或罗差。
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5、双值性的消除



八字形方向性图具有两个零值点,相差180度。如果两 个零值点都是稳定的,则会影响到测向的准确性。采 取措施使一个零值点稳定,另一个零值点不稳定。并 将稳定的零值点做上标记,以供用户辨认。 稳定零值点对准导航台时,如果在外界干扰影响下发 生偏离,则测角器搜索线圈将会产生误差信号控制伺 服电机转回到原来的稳定零值点位置; 假若非稳定零值点对准了导航台,在干扰作用下只要 一旦产生摆动,便会离它而去,转向稳定零值点,不 会再回到非稳定点,这样就保证了单值定向。
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系统组成


整个系统包括地面设备(无方向信标) 和机载设备(无线电罗盘)。 机载设备通常由以下几部分组成:




天线:包括垂直天线、环状天线及测角器。 接收机:一般多为超外差式,用来将高频信 号处理成低频信号。 控制台:用来控制各种工作状态的转换、频 率选择和远、近台的转换等,并可进行调谐。 指示器:通过同步电机与测角器相连,用指 针的偏转来表示所测角度的数值
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3.1.3 基本工作原理
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1、方向性图的转动



无线电罗盘在测向过程中,需要随时转动环 状天线的8字形方向性图,使其最小值(零值 点)对准被测的地面导航台。 为使方向性图能够旋转,一种方法是用电机 直接拖动环状天线转动,另一种方法是天线 固定不动,通过测角器实现方向性图转动。 前者已少用,目前多采用后者,现将其原理 加以介绍。
航空航天无线电导航
刘磊
电子科技大学 航空航天学院
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第三章 经典无线电导航系统



3.1 无线电罗盘(ADF) 3.2 甚高频全向信标系统(VOR) 3.3 无线电高度表 3.4 测距器(DME) 3.5 塔康系统(TACAN) 3.6 多普勒导航系统(Doppler) 3.7 罗兰-C系统
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测角器中形成一个合成磁场,测角器的活动线圈(亦 称搜索线圈),在合成磁场作用下所产生的感应电 势为:
e Em sin L sin t


搜索线圈通过同步发送器与指示器相连,转动搜索 线圈使其平面与合成磁场平行,感应电势消失,相 当于8字形方向性图的零值点对准了地面导航台, 此时指示器指针所示的角度即搜索线圈转过的角度 就是所测之导航台航向。 搜索线圈的转动代替了环状天线的转动,达到了方 向性图旋转的目的。
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2、90度移相
ep Ep sin h cost
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3、平衡调制与迭加



环状天线信号移相90°后,经放大与倒 相加给平衡调制器两个幅度相等而相位 相反的信号。 平衡调制器,在135HZ低频信号控制下 工作,得到两个旁频(边频)信号。 旁频信号在迭加电路中与垂直天线接收 来的载频信号进行迭加。
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4、伺服电机的转动




加到伺服电机控制线圈中的135Hz信号,是一个可 变相位信号。它的起始相位决定于地面导航台处在 8字形方向性图最小值的哪一边(左边还是右边)。 加到伺服电机激磁线圈中的135Hz信号,却是一个 相位固定的基准信号。 当导航台在飞机右侧时,可变相位信号的起始相位 为正,超前于固定相位信号90°,使伺服电机带动 测角器搜索线圈向右(顺时针)转动; 当导航台在飞机左侧时,可变相位信号之起始相位 为负,滞后于固定相位信号90°,使伺服电机向左 (逆时针)转动。
e eA ep EA cost Ep sin h cost cost EA(1 m sin h cost ) cost
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e eA ep EA cost Ep sin h cost cost EA(1 m sin h cost ) cost
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早在1912年,人们就开始研制世界上第一个无线电 导航系统 无线电信标台一般安装在机场附近,使飞机能够沿 精确的航线向信标台飞行,然后执行向跑道的非精 密进场。 在第一次世界大战期间,开始使用该系统引导船只 的出航与归航,后来很快发展到航空导航。 无线电罗盘有半自动和全自动之分,采用前者测向 时,必须人工旋转环状天线或搜索线,采用后者时, 无论是测向还是归航,都完全有罗盘本身自动完成。
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发展历程
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1936年由德国SEL公司研制成功; 1947年国际民航组织将其定为标准近 程导航设备; 1952年英国马尼克公司开始生产; 1958年美国开始使用; 1965年DVOR出现,并得到迅速发展;
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四、系统误差分析及改进



无线电罗盘是依赖于地面导航台发射的无线 电波进行定向的 无线电波在传播过程中,会受到飞机金属机 身的影响,也会受到电离层、大气条件(如 温度、湿度)、大地表面的性质、地理环境 以及人为干扰等因素的影响,使定向产生误 差。 误差大致可以分为环形天线附近金属导体的 干扰误差、电波传播误差和设备误差。

减小极化误差的根本措施就是避免接收天波信号, 并在测定方位时注意读取方位角的平均值。
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3.2 甚高频全向信标系统VOR

概述 功能及组成 工作原理
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3.2.1 概述



甚高频全向信标系统VOR(VHF Omni directional Range )是一种相位式近程测 角导航系统。 通过接收地面 VOR 导航台的信号,可以直接 确定以导航台所在位置北向为基准(也可以航 道方向)的飞机方位。 伏尔系统于第二次世界大战后期在美国首先 开发应用,1946 年成为美国标准的航空导航 系统, 1949 年被国际民航组织采纳为国际标 准导航系统。伏尔系统通常与测距器配合使 用,不仅用于航路导航,而且可以用于飞机 进场的引导设备。
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基本技术指标


有效作用距离 250~350km 工作频率范围 100~1799.3kHz,共分 四个波段

Ι 100—199.5 kHz Ⅱ 200~399.5 kHz Ⅲ 400—899.5 kHz Ⅳ 900~1799.5 kHz
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500系列无线电罗盘性能指标



频率选择:工作频率范围为190~1750kHz; 频率间隔为0.5 kHz;频率转换时间小于4s, BCD码选频。 定向准确性:场强为50~100000uv/m,定向 准确性为±2o,场强小于25uv/m时,定向准 确性不超过±3o。 定向摆动:小于±1o 灵敏度:场强为35uv/m ,1000Hz,调幅度为 3%。天线有效高度天线输入电容量的平方根 为1,信噪比为6dB。
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(3)到20世纪80年代左右


采用集成电路或大规模集成电路,并使用频率合 成器、二—十进制编码数字选频及微处理器 天线系统有了较大的改进,如在APK—15M, DF—206型等自动定向机的天线系统中采用旋转 测角器来代替环形天线的旋转,而最新式的700 型自动定向机则采用组合式环形垂直天线,从而 在天线系统中取消了任何机械传动部件。
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将两个环状天线垂直安放, 并固定不动,两个天线的 线圈分别接到测角器的两 个固定线圈(称为场线圈) 上,
e Em sin L sin t
e2 Em sin sin t H 1 H cos cost
H 2 H sin cost
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3.1.2系统功能及组成


无线电罗盘是利用无线电技术进行导航 测向的设备,属于M型最小值法测向系 统。 利用无线电罗盘和地面导航台组成的导 航系统,可以引导飞机飞向导航台或飞 离导航台,以及提供某些导航计算所需 要的参数。
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无线电罗盘主要有六种功能:




规定航线:能够连续自动地对准地面导航台,提供飞 行航线相对于地面导航台的相对方位角,使飞机沿给 定的航线飞行; 定位:能依次测出两个以上地面导航台的航向角(即飞 机纵轴与电台和飞机联机之间的夹角),利用所得到的 直线位置线交点,可以实现对飞机的定位; 压点飞行控制:判断飞机飞越导航台的时间; 着陆引导:配合仪表着陆系统引导飞机着陆。 识别通信和监听:接收导航台站发出的音频识别信号 及其它信息,接收机输出的音频信号通过音频选择系 统供飞行员监听。 遇险救助:可接收民用广播电台的信号,并可用于定 向;还可收听500千赫的遇险信号,并确定遇险方位。
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极化误差

无线电罗盘工作在中波波段,电离层对电波的吸收 白天比夜间强,因此白天接收机只能收到地波信号。


而在夜晚,电波受电离层的损耗比白天小,由电离层反射 的天波分量加强,所以无线电罗盘可能同时接收到地波与 天波信号,这会形成电波衰落。 另一方面,由于反射的天波将使垂直极化波变为椭圆极化 波,在环形天线的水平部分产生感应电势,不仅会使接收 信号减弱,同时使环形天线的最小接收方向模糊不清,而 造成定向误差,即极化误差。
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3.1 无线电罗盘(ADF)


概述 组成及功能 基本工作原理 系统误差分析及改进措施
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3.1.1 概述



无线电罗盘(radio compass)是一种最小值测量来 波向的振幅式测角无线电导航设备,又称无线电自 动侧向仪(automatic direction finding),配套地面 设备是无方向信标(Non-direction beacon)。 系统的工作频率在100khz~1800khz范围内,属中、 长波波段,因此主要依靠地波或直达波传播。 地波的传播距离可以达到几百公里,但受到天波的 污染,特别在夜间,只有当飞机离地面导航台站较 近时,方位读数才比较可靠,系统精度为2度左右。
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