1、南京航空航天大學本科課程現代導航技術十：達程： 07402100主教：南京航空航天大學工程系2015/5/142015/5/14 1：南京航空航天大學工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：概述第一節達是利用概述第一節效應實現無線電導航的一種自備式導航設備。應用該發射的電波在波源與觀測者之間存在相對運動時頻率發生變化的原理，測量飛機的偏流和地速。達的優點：Ø 能直接測量相對于地球表面的速度；Ø 設備相對便宜且準確，無需地面站，受外界條件限制很少；Ø 無需初始校準，能夠測量偏流角；Ø 在低速狀態下提確的數據，特別適用于直升機。2015/5

2、/14 2：南京航空航天大學工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：缺點：Ø 在特定環境下，地形對速；反射能量不足，無法有效計算地Ø 當飛行姿態超過限度，就會丟失信號而Ø 需要外部姿態參考源。的正常工作；隨著導航技術的發展，導航正在向組合導航發展，-慣性-無線電導航-慣性導航，典型的有2015/5/14 3：南京航空航天大學工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：第二節工作原理一、效應應用程序例子：日常生活中，常會遇到這種情形：一列火車迎面開來時，聽到火車汽笛的聲調變高，即頻率增大；當火車遠離而去時，聽到火車汽笛的聲調變低，即頻

3、率減小。效應：波源與觀察者有相對運動時，觀察者接收到的頻率與波源發射頻率不相同的現象。(Doppler, Christian Johann)， 奧地利物理學家，數學家和天文學家1803年11月29日出生于奧地利的薩爾茨堡 (Salzburg)。1842年，他在文章 "On the Colored Light of Double Stars" 提出效應”(Doppler Effect)，因而聞名于世?！?853年3月17日，與世長辭。2015/5/14 4：南京航空航天大學工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：V波源的運動速度SV觀察者的運動速度Ru波速v

4、0v'波源和觀察者相對靜止時觀察者接收到的波源的頻率波源和觀察者相對運動時觀察者接收到的波源的頻率2015/5/14 5：南京航空航天大學工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：S觀察者SuR波源1）波源與觀察者均相對媒質靜止v0波源振動的頻率也就是說，波源每秒鐘發個完整出波v0v'出個完整波接收的頻率，就是接收者時間內接收到的波的個數2015/5/14 6：南京航空航天大學工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：VR2）波源不動，觀察者以速度a、觀察者朝向波源運動相對媒質運動在1秒的時間內同一波陣面相對于+ u觀察者走了VR波速發生了改變2

5、015/5/14 7：南京航空航天大學工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：b、觀察者遠離波源運動在1秒的時間內同一波陣面相對于觀察者走了u -VR波速發生了改變2015/5/14 8：南京航空航天大學工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：3)觀察者靜止，波源以速率VS 運動a、波源朝向觀察者以速度VS 運動接收頻率增高了！波長發生了改變2015/5/14 9：南京航空航天大學工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：2015/5/14 10：南京航空航天大學工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：b、波源遠離觀察者以速

6、度 VS運動接收頻率降低了！波長發生了改變2015/5/14 11：南京航空航天大學工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：4）波源及觀察者同時運動a、波源與接收者相互靠近接收頻率增高了！b、波源與接收者相互遠離接收頻率降低了！波速、波長均發生了改變2015/5/14 12：南京航空航天大學工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：總結：只要波源與觀察者之間存在著相對運動，所接收到的頻率都與發射頻率不同。如果觀察者與波源之間距離縮短時，接收到的頻率高于發射頻率。其中：波源靜止觀察者靜止二者相互靠近取正值代入二者相互遠離取負值代入。注意：2015/5/14 13

7、：南京航空航天大學工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：沖擊波（激波)，。2015/5/14 14：南京航空航天大學工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：能量區聲障如果波源的速度等大的速度，波源總在波陣面前面ut沖擊波=飛行器速度在Ma0.3以下可以認為是低速（可以不考慮空氣壓縮性影響）；速度在Ma0.8以下的為亞音速；在Ma0.81.2上下為的跨音速；Ma1.25 的為超音速、Ma5.0以上的為高超音速。二、偏流和地速的測量原理如果無線電發射機與之間存在相對運動，接收頻率也與發射頻率不同。飛機在飛行中發射無線電波，并接收來自地面的反射波。因為飛機向前運

8、動的同時發射電磁波，這相當源運動；此外，飛機上的又接收地面的反射波，這又相當于觀測者在運動。設飛機對地面的速度為v，飛機所發射的電磁波束與v成角，則飛機地速的分量vcos。對所發射的電磁波其發射頻率為f0 ，則飛機的接收頻率f為（如圖二者相互靠近）：2015/5/14 16：南京航空航天大學工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：三、頻率與等頻率曲線頻率f）：接收頻率與發射頻率的差頻移（當飛機向前下方發射電磁波束時， f：下方發射電磁波束時， f：當飛機由于電磁波的速度c>>v，故f：2015/5/14 17：南京航空航天大學工程日2期01：5/5/14日期：20

9、15/5/日14期：由上式可知：頻移與飛機地速和發射波束與地速的夾角余弦的積成正比。當飛機的地速一定，所發射的電磁波束與飛機速度矢量之間的夾角相同時，頻移不變。的波束與頻譜特性Ø 發射機所發射的無線電波束是一個圓錐體，照射到地面上是一個橢圓面積；Ø和；Ø 這些小面積上的反射信號其幅值和相位各不相同；Ø 反射信號的特性可用其頻譜特性來表示。接收到的反射信號，是射束照射面積上的無數小面積上反射信號的總2015/5/14 18：南京航空航天大學工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：等頻率曲線的特性形成：若飛行器地速v和高度h為定值，改變和，

10、但保持f不變，則相應于和的地面反射點的連線，一條等頻率線。從幾何關系上可以得到：同時：K = cDf cosa cos b = K當頻率為定值時：2vf02015/5/14 19：南京航空航天大學工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：r´ y =ry22- x如果K取不同的值，則可以得到一族雙曲線，這就= 1KK 2h2 1- K 2r+ h222h是等頻率曲線。航跡角：真航向角加上偏流角，即地速的方位角2015/5/14 20：南京航空航天大學工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：當飛機上的設備以固定的入射角向地面發射線電波束時，只有波束向量

11、與地速向量處于同一垂直面內（ =0），頻率最大。因此，可以采用轉動天線的方法使發射波束繞垂直軸轉動，當測得的頻率值最大時，所發射電磁波束向量和飛機地速向量在同一垂直面內。但是利用一條旋轉波束測量偏流，由于頻率的最大值不容易測得準確值，因而不能準確確定航跡方向，也影響到地速 的準確性。因此，在天線設計上往往采用多波束發射的方法。2015/5/14 21：南京航空航天大學工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：雙射：當偏流角為零時，兩個射束的頻率相同，當有偏流角時，兩個頻率存在頻差（見書上P206）：fd，轉動天線直到： fd=0，則天線轉動的角度即為偏流角。地速v雙射只有飛機保

12、持平直飛行時，沒有垂直速度的情才能取得準確的數值2015/5/14 22：南京航空航天大學工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：當飛行器不是處于水化。怎么辦？解決的辦法：使用陀螺垂直穩定器計算補償方法采用四射，射束的傾角和偏角會發生變2015/5/14 23：南京航空航天大學工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：四射= 2 f0v cos(b - d ) cosa + 2 f0 v sin aDf1vc= 2 f0c2 f0v cos(bd ) cosavv sin af2(3)cc(2)2 f2 f= -(0 v cos(b - d ) cosa +0

13、 v sin a )Df3vc= -( 2 f0cv cos(b + d ) cosa + 2 f0v sin a )Df4vcc(4)(1)vvsin avv飛機垂直方向的速度，在波束方向的投影為號相反。2015/5/14 24：南京航空航天大學工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：各波束的垂直面與飛機縱軸在水平面內的夾角都相等，第(1)、(3)兩條波束對稱，所接收的頻率絕對值相等，符號相反；第(2)、(4)兩條波束對稱，所接收的頻率相等，符= -( 2 f0 v cos(b + a ) cosq + 2 f0 v sinq )Df4vcc4 f0v cos(b - a

14、) cosqDf(1-3)=將飛機垂直方向的速度完全抵消！c= 4 f0v cos(b + a ) cosqDf(2-4)c2015/5/14 25：南京航空航天大學工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：2、用四射測量速度飛行器的三維速度：üï=cfv4 f cosa sin bd (2-1)xï0ï.=cfvd (2-3) ý4 f cosa cos byïï0v = -cfï4 f sin ad (1+3)zþ0用達測定了地速和偏流角后，再從航引來航向信息，則通過導航計算，即可得到

15、飛行器的位置信息。2015/5/14 26：南京航空航天大學工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：以地理坐標系作為導航坐標系，用地理表示飛行器的位置，則方程為：v cos(y + d )dt ütòL = L+ï0R0ý，式中y 為航向角v sin(y + d ) dt ïtòl = l+ïþ0R cos L02015/5/14 27：南京航空航天大學工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：L01/RLcossinv航向系統cosl01/R×2015/5/14 28：

16、南京航空航天大學工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：出發點和目的地，或希望的航向和距離速度當前位置方位距離導航計算機航跡角誤差偏航距機軸方向到顯示器和自動駕駛儀2015/5/14 29：南京航空航天大學工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：俯仰橫滾垂直基準導航系統的主要誤差：達測速誤差航程誤差早期的導航系統其航程誤差的標準差為所飛距離的0.25%，橫向航跡誤差為0.5%。總誤差（68%的概率）接近所飛距離的1%。0.14%0.15%2015/5/14 30：南京航空航天大學工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：總結：1、導航系統是一

17、種主動式無線電導航系統；2、它主要用于測飛機的地速；3、在多射下，還可以測偏流角和三維速度；4、可以進行航位推算式導航。2015/5/14 31：南京航空航天大學工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：第三節湍流與風切變檢測威脅。20世紀80湍流和風切變對飛機的飛行安全年代湍流檢測的出現是當代氣象發展史上意義。1995年前后出現了利用機載氣象一、湍流的檢測原理湍流是根據湍流區域中微粒的速度偏差來定義的，它與微 粒的絕對速度沒有關系。平均值相同，標準差越大出現湍流的可能性越大。對風切變的前視檢測。湍 流 可 以 分 為 晴 空 湍 流（15%）和濕性湍流（85%），機載氣象流。

18、主要是檢測濕性湍2015/5/14 32：南京航空航天大學工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：由于湍流區域中雨粒的速度是雜亂的，因而在中所得到的湍流目標的頻譜是連續的。雨粒的相對速度偏差越大，信號的頻譜的寬度就越大。根據湍流的定義，氣象可以通過比較所接收到的信號在頻譜的寬度來檢測湍流。中，將所接收的信號頻譜寬度與規定的門限相比較，如果信號的頻譜寬度大于所規定的門限值，即可為湍流。2015/5/14 33：南京航空航天大學工程日2期01：5/5/14日期：2015/5/日14期：二、風切變的檢測原理風切變是指風速在水平和垂直方向的突然變化。航空氣象 學上，把出現在600米以下空氣層中的風切變稱為低空風切變。風切變對飛行安全的影響包括：（1） 逆風會突然加大飛機的空速，提高升力，從而使得飛機的運行路線提升并且；（2） 沉氣流會增加飛機迎角，并使飛機下沉，改變飛行路線；（3） 順風氣流降低飛機空速，減小升力，惻然使飛機的運行路線偏低并且：南京航空航天大學。2015/5/14 34工程日2期01：5/5/14