1、上海海事大學上海海事大學應士君應士君2022年年3月月19日星期六日星期六2022-3-19第四講第四講2022-3-19 一戰時，被用于引導船只的一戰時，被用于引導船只的歸航和出航歸航和出航，并很快，并很快發展到對發展到對飛機的導航飛機的導航。 振幅導航系統的缺點：測向（測角）精度不高振幅導航系統的缺點：測向（測角）精度不高 振幅導航系統的發展：振幅系統還會振幅導航系統的發展：振幅系統還會繼續使用繼續使用，但未來的發展將更多地采取但未來的發展將更多地采取組合方式組合方式，如與，如與GPS衛星定位系統結合；儀表著陸系統和微波著陸系衛星定位系統結合；儀表著陸系統和微波著陸系統、衛星著陸系統等組成

2、的多模式接收機（統、衛星著陸系統等組成的多模式接收機（MMR）。）。2022-3-19 一般概念一般概念 無線電振幅導航系統：信號振幅無線電振幅導航系統：信號振幅導航參導航參數（一般是數（一般是角坐標角坐標）。）。 振幅導航系統振幅導航系統一般用于一般用于運載體的運載體的測向測向，通過，通過自動測向儀引導飛機、船只朝向或離開導航自動測向儀引導飛機、船只朝向或離開導航臺，并可利用兩個或兩個以上的導航臺臺，并可利用兩個或兩個以上的導航臺實現實現定位定位；或者通過儀表著陸系統實現飛機的；或者通過儀表著陸系統實現飛機的下下滑著陸功能。滑著陸功能。 2022-3-19無線電振幅導航系統無線電振幅導航系統

3、地面導航臺地面導航臺（信標臺、航向（下滑）臺）（信標臺、航向（下滑）臺）運載體上的測向器運載體上的測向器（無線電羅盤或定向接收機）（無線電羅盤或定向接收機）工作波段為長波、中波或短波，覆蓋范圍可達幾百千米工作波段為長波、中波或短波，覆蓋范圍可達幾百千米發射有一發射有一定方向或定方向或全向無線全向無線電信號電信號接收信號和接收信號和實施定向實施定向2022-3-19 運載體需要事先知道信標臺的準確的地理坐運載體需要事先知道信標臺的準確的地理坐標、發射頻率、發射形式、臺站識別碼、工標、發射頻率、發射形式、臺站識別碼、工作時間等參數作時間等參數導航臺站的發射信號導航臺站的發射信號識別信號識別信號工作

4、信號工作信號輔助信號輔助信號識別地面導航臺識別地面導航臺測量導航參量測量導航參量傳送某些輔助信息傳送某些輔助信息角度測量的精度為角度測量的精度為 1 1 5 5 。2022-3-19利用載波信號振幅的調制深度變化進行測向利用載波信號振幅的調制深度變化進行測向利用載波信號振幅本身的變化來實現測向利用載波信號振幅本身的變化來實現測向測角方法測角方法最大值法最大值法最小值法最小值法等信號比較法等信號比較法獲取角參獲取角參量的方式量的方式E E型型M M型型2022-3-19方位方位的無線電測量法的無線電測量法 在在E型方式中，無線電信號的調制深度保持型方式中，無線電信號的調制深度保持不變，載波信號的

5、幅度不變，載波信號的幅度E與導航角參量與導航角參量建立建立起起EE（）的依從關系；而的依從關系；而M型工作方式型工作方式則在其工作區內保持載波信號幅度大于規定則在其工作區內保持載波信號幅度大于規定的數值，用信號的調制深度的數值，用信號的調制深度m和和建立起建立起mm（）的關系。的關系。 2022-3-19一、最大值法一、最大值法 方向性圖的最大值處有一個機載測向器無法分辨的幅值范方向性圖的最大值處有一個機載測向器無法分辨的幅值范圍圍U，所對應的角度區域稱為不靈敏區，要求天線的方，所對應的角度區域稱為不靈敏區，要求天線的方向性圖足夠尖銳，并且輸入信噪比盡可能高。向性圖足夠尖銳，并且輸入信噪比盡可

6、能高。 2022-3-19二、最小值法二、最小值法 最小值法在零值點附近也存在不靈敏區最小值法在零值點附近也存在不靈敏區N，但該法的不靈敏，但該法的不靈敏區相對較小，其測向精度也比最大值法要高。另外當天線方區相對較小，其測向精度也比最大值法要高。另外當天線方向性圖的兩個波束采用不同的調制頻率時，可以比較容易地向性圖的兩個波束采用不同的調制頻率時，可以比較容易地判斷出導航臺偏離最小值點軸線的方向。判斷出導航臺偏離最小值點軸線的方向。 2022-3-19三、等信號法（比較信號）三、等信號法（比較信號） 采用部分重合的雙針狀方向性圖天線，當兩個波束的接收信號相等時，即采用部分重合的雙針狀方向性圖天線

7、，當兩個波束的接收信號相等時，即可獲得一條等信號線的方向。轉動天線，使天線兩個波束的接收信號強度可獲得一條等信號線的方向。轉動天線，使天線兩個波束的接收信號強度相等，即可確定出導航臺的方位。其不靈敏區相等，即可確定出導航臺的方位。其不靈敏區N和測向精度均介于最大和測向精度均介于最大值法和最小值法之間，并且也能判斷出被測導航臺偏離等信號線的方向。值法和最小值法之間，并且也能判斷出被測導航臺偏離等信號線的方向。2022-3-19 最小值法最小值法測量靈敏度和精度較高測量靈敏度和精度較高 最大值法最大值法信噪比最大，而天線制作的難信噪比最大，而天線制作的難易程度是最大值法較難易程度是最大值法較難 等

8、信號法等信號法性能表現都是居中性能表現都是居中 由于由于最小值法最小值法不靈敏區較小，在高頻、超高不靈敏區較小，在高頻、超高頻、甚高頻以及微波頻段，均可獲得所要求頻、甚高頻以及微波頻段，均可獲得所要求的方向性圖，因此的方向性圖，因此應用場合較多應用場合較多。2022-3-19振幅導航系統的天線特性和信號特征振幅導航系統的天線特性和信號特征 一、環形天線的特性分析一、環形天線的特性分析 二、對方向性天線的要求二、對方向性天線的要求在工作過程中方向性圖的形狀穩定；在工作過程中方向性圖的形狀穩定；靈敏度要高，不靈敏區間要??；靈敏度要高，不靈敏區間要小；天線的方向性圖在信號測量處的幅度變化率有天線的方

9、向性圖在信號測量處的幅度變化率有要求；要求； 最后制作要簡單。最后制作要簡單。2022-3-19 設原點設原點O處的電場強度為處的電場強度為E=E0sint。 整個環形天線的感應電動勢等整個環形天線的感應電動勢等于于AB和和CD邊內的感應電動勢邊內的感應電動勢之和，即之和，即e=eAB+eCD 而而eAB=E0hsin(t+bcos/) eCD=-E0hsin(t-bcos/) 所以所以e=2E0hsin(bcos)/cost 設沿地球表面傳播的電波方向設沿地球表面傳播的電波方向S Sk k與環形天線平面的夾角為與環形天線平面的夾角為 ，根據電磁場理論，與根據電磁場理論，與S Sk k垂直的是

10、電場垂直的是電場E E與磁場與磁場H H。2022-3-19e=2E0hsin (bcos)/ cost 令令Em=2E0hsin (bcos)/ 則則eEmcost 若若b/1Em=2E0 h(b/) cos，令，令Em max(2bh/) E0，是個固定常數是個固定常數 所以所以 Em= Em maxcos。 該式反映了環形天線平面和電波傳播方向之間的夾角該式反映了環形天線平面和電波傳播方向之間的夾角與感與感應電動勢的關系。應電動勢的關系。 矩形環形天線的感應電動勢（矩形環形天線的感應電動勢（eEmcost）超前于電場）超前于電場（E=E0sint）90 ，并且當，并且當在在-90 +90

11、 之間時，感應電之間時，感應電動勢為正值；動勢為正值；在在90 270 時，電動勢為負值。時，電動勢為負值。 2022-3-19 環形天線的環形天線的“8”字形方向性圖有最小值，可采用最小值法測字形方向性圖有最小值，可采用最小值法測向，并且結構簡單、容易制作、體積小、質量輕，適宜于在向，并且結構簡單、容易制作、體積小、質量輕，適宜于在運載體上安放，一般工作于中、短波段的測向系統中。分集運載體上安放，一般工作于中、短波段的測向系統中。分集天線的方向性圖與環形天線基本一致。天線的方向性圖與環形天線基本一致。 2022-3-19E型測向信號的形成及其特征型測向信號的形成及其特征 設地面導航信標臺設地

12、面導航信標臺-全向信號，而無線電測向全向信號，而無線電測向器天線的方向性函數為器天線的方向性函數為F() ： 導航臺發射等幅波，則導航臺發射等幅波，則E型測向器接收到的信號為型測向器接收到的信號為e= Em maxF()cost=Em()cost 導航臺發射調幅波，則測向器接收的信號應為導航臺發射調幅波，則測向器接收的信號應為 e= Em()1+mcost cost E型測向信號的特點是接收信號的載波幅值均與角型測向信號的特點是接收信號的載波幅值均與角度度有關，將隨角度有關，將隨角度的改變而變化；而信號的調的改變而變化；而信號的調制系數制系數m保持不變，與保持不變，與無關。無關。 2022-3

13、-19M型測向信號的形成及其特征型測向信號的形成及其特征 M型測向信號的特點是載波信號的幅值保持不變；而調制系數仍隨角度型測向信號的特點是載波信號的幅值保持不變；而調制系數仍隨角度的變化而改變，即調幅信號包絡的大小，隨測向器相對信標臺的方位不同的變化而改變，即調幅信號包絡的大小，隨測向器相對信標臺的方位不同而變化。而變化。=E=E1m1mcost cost e e2 2=E=E2m2m F()cost F()cost e e2 2=E=E2m2m F()cos(t F()cos(t9090 ) ) e e2 2=E=E2m2m F()costcost F()costcost 疊加電路的信號輸出

14、為一調幅波：疊加電路的信號輸出為一調幅波：e e1 1+e+e2 2=E=E1m 1m 1+m() cost cost1+m() cost cost 式中式中m()= F() Em()= F() E2m2m/E/E1m1m 2022-3-192.2 無線電羅盤測向系統無線電羅盤測向系統 2.2.1 系統簡介系統簡介 2.2.2 無方向無線電信標無方向無線電信標 2.2.3 機載無線電自動定向儀機載無線電自動定向儀 2.2.4 無線電羅盤在航空導航中的應用無線電羅盤在航空導航中的應用 2.2.5 無線電振幅導航系統的測向誤差無線電振幅導航系統的測向誤差 2.2.6 系統簡單評價系統簡單評價202

15、2-3-192.2.1 系統簡介系統簡介 工作頻率一般在工作頻率一般在1501 800 kHz范圍內，屬于中波、范圍內，屬于中波、長波或短波波段，功率在長波或短波波段，功率在500W左右。左右。 作用距離一般可達幾百千米，典型為作用距離一般可達幾百千米，典型為250350 km。 系統的測向精度可達到系統的測向精度可達到2左右。左右。 系統組成系統組成無線電羅盤（無線電羅盤（Radio CompassRadio Compass）機載無線電自動定向儀（機載無線電自動定向儀（ADFADF）地面導航臺地面導航臺無方向性信標（無方向性信標（NDBNDB）M型最小值法臺站識別信號采用1 020 Hz調制

16、的兩個英文字符的莫爾斯碼格式2022-3-192.2.2 無方向無線電信標 利用無方向性天線發射信號，用測向儀接收指示信號利用有一定方向性的天線發射信號，可用一般收音機或專用接收指示器接收并測定方向無線電測向信標無方向信標定向性指向標航路信標臺儀表著陸系統信標臺2022-3-19無無方方向向無無線線電電信信標標方方框框圖圖 無方向無線電信標臺具有準確的地理坐標位置，定期發射無線電信號，包括測向、識別和語音信號。 三種基本工作狀態：等幅波方式用于測向；調幅波方式用于測向和臺站識別；語音方式用于測向和通話。由控制臺實現狀態之間的轉換。 2022-3-19無方向信標的調幅波信號無方向信標的調幅波信號

17、無方向信標的等幅波信號無方向信標的等幅波信號 2022-3-192.2.3 機載無線電自動定向儀機載無線電自動定向儀 1. 基本組成及工作狀態基本組成及工作狀態 自動定向儀包括三種主要工作狀態：自動定向儀包括三種主要工作狀態： ADF（自動測向）（自動測向）由垂直天線和環形天線由垂直天線和環形天線聯合接收信號進行自動測向；聯合接收信號進行自動測向； ANT（天線）（天線）由垂直天線接收信號作為普由垂直天線接收信號作為普通接收機使用；通接收機使用； TEST（測試）（測試）定向儀自檢，按下測試按鈕定向儀自檢，按下測試按鈕時，指示器應指示一規定的數值（一般為時，指示器應指示一規定的數值（一般為90

18、），以確定定向儀的工作是否正常。），以確定定向儀的工作是否正常。2022-3-19組合天線（環形垂直）機身下部前緩沖支柱后直九（武）直升機1.接收機；2.控制盒；3.組合天線；2.指示器。2022-3-19 機載機載ADF所指示的角度是以飛機縱所指示的角度是以飛機縱軸為基準，順時針轉到飛機與導航軸為基準，順時針轉到飛機與導航臺連線所形成的夾角，如圖所示（臺連線所形成的夾角，如圖所示（為為60的夾角）。要獲得導航臺相的夾角）。要獲得導航臺相對于飛機的方位，還必須知道飛機對于飛機的方位，還必須知道飛機的航向角，因此需要與磁羅盤等航的航向角，因此需要與磁羅盤等航向測量設備相結合。另外，為了獲向測量設

19、備相結合。另外，為了獲取讀數的方便，飛機上常把磁羅盤取讀數的方便，飛機上常把磁羅盤與與ADF的指示部分合在一起，稱為的指示部分合在一起，稱為無線電磁指示器無線電磁指示器RMI（Radio Magnetic Indicator）。）。 2022-3-19二、基本原理二、基本原理 =U=U1m1mcost cost u u2 2=U=U2m2m F()cost F()cost u u1 1=U=U2m2m F()cos(t F()cos(t9090 ) ) u u5 5=U=U2m2m F()costcost F()costcost costcost疊加電路的信號輸出為一調幅波：疊加電路的信號輸出

20、為一調幅波：e e1 1+e+e2 2=E=E1m 1m 1+m() cost cost1+m() cost cost 式中式中m()= F() Em()= F() E2m2m/E/E1m1m =m() cost=m() costcostcost2022-3-19三、關鍵技術和解決方法三、關鍵技術和解決方法雙值性的消除雙值性的消除 要確定信號要確定信號e1和和e2的相對相位，需要的相對相位，需要一個基準信號，利用無方向垂直天線一個基準信號，利用無方向垂直天線（又稱判讀天線）。（又稱判讀天線）。環形天線方向形圖環形天線方向形圖 若若-90-90 9090 ，則，則e e1 1超前于超前于e e2

21、 2，通過，通過伺服電機使環形天線逆時針旋轉，伺服電機使環形天線逆時針旋轉， 將逐漸增大，直至將逐漸增大，直至=90=90 時為止。時為止。 若若9090 270270時，情況相反。時，情況相反。2022-3-192. 用測角器代替環形天線的轉動用測角器代替環形天線的轉動 在飛機上安裝兩個環形天線，相互垂直放置并且在飛機上安裝兩個環形天線，相互垂直放置并且固定不動，可分別取與飛機的縱軸平行和垂直的固定不動，可分別取與飛機的縱軸平行和垂直的方向，兩天線同時接收地面信標臺的信號。方向，兩天線同時接收地面信標臺的信號。固定的環形天線及其方向性圖固定的環形天線及其方向性圖 2022-3-19 因此合成

22、磁場即為兩環形天線合成電因此合成磁場即為兩環形天線合成電動勢的影射，其方向代表了無線電波動勢的影射，其方向代表了無線電波的來波方向，并與基準方向即環形天的來波方向，并與基準方向即環形天線線1的夾角為的夾角為。1122cos cossincoshHthHt 在測角器內產生互相垂直的兩個感應磁場1122coscossincosmmeEteEt 兩環形天線的感應電動勢1122mmEHEH 測角器內兩場線圈的參數是按相同比例設計2222221212cossincoshhhHHt 兩個磁場形成一個合成磁場2022-3-19 測角器內的轉子在合成磁場的作用下測角器內的轉子在合成磁場的作用下轉動。搜索線圈產

23、生的感應電動勢轉動。搜索線圈產生的感應電動勢e=EmsinLcost 即活動線圈轉動時，即活動線圈轉動時，L變化導致變化導致e的的變化規律與環型天線完全一樣，相當變化規律與環型天線完全一樣，相當于環形天線在轉動。于環形天線在轉動。 通過搜索活動線圈的轉動，代替了環通過搜索活動線圈的轉動，代替了環形天線的轉動，實現了天線不動、方形天線的轉動，實現了天線不動、方向性圖轉動的目的。向性圖轉動的目的。 2022-3-193. 環形天線的安裝與伺服電機的轉動環形天線的安裝與伺服電機的轉動 在飛機上安裝環形天線時，要求將穩定的零在飛機上安裝環形天線時，要求將穩定的零值點朝向機頭方向，即值點朝向機頭方向，即

24、“8”字形方向性圖的字形方向性圖的縱軸與飛機縱軸方向嚴格保持一致?？v軸與飛機縱軸方向嚴格保持一致。 具體實現方法是：使電波從機頭沿機身軸線具體實現方法是：使電波從機頭沿機身軸線射入，轉動測角器搜索線圈使其感應電勢消射入，轉動測角器搜索線圈使其感應電勢消失，指示器指示零度，這樣即確定了機身軸失，指示器指示零度，這樣即確定了機身軸線方向為基準方向。線方向為基準方向。2022-3-19135 Hz的本振信號接收機輸出的135 Hz合成信號伺服電機伺服電機激磁線圈控制線圈基準信號控制信號電機的轉動電機的轉動由這兩個信由這兩個信號的相對相號的相對相位控制位控制2022-3-192.2.4 無線電羅盤在航

25、空導航中的應用無線電羅盤在航空導航中的應用 引導飛機出航，歸航和沿線飛行；引導飛機出航，歸航和沿線飛行； 和磁羅盤復合使用，利用雙信標定位；和磁羅盤復合使用，利用雙信標定位； 和磁羅盤復合引導飛機輔助著陸；和磁羅盤復合引導飛機輔助著陸； 在緊急情況下，借助同頻段的已知廣播電臺在緊急情況下，借助同頻段的已知廣播電臺進行導航引導。進行導航引導。 2022-3-19一、出航、歸航和沿線飛行一、出航、歸航和沿線飛行 在無側風影響情況下，出航背臺飛行時，羅盤指示為在無側風影響情況下，出航背臺飛行時，羅盤指示為1800，歸航向臺飛行時，羅盤指示為，歸航向臺飛行時，羅盤指示為00。沿線飛行一般都是沿。沿線飛

26、行一般都是沿折線航線飛行，每個主要拐彎點不是機場就是航路信標點折線航線飛行，每個主要拐彎點不是機場就是航路信標點，所以沿線飛行多數也是背、向臺飛行，所以沿線飛行多數也是背、向臺飛行 。 在有側風影響時，航跡方向（或地速方向）和飛機縱軸方在有側風影響時，航跡方向（或地速方向）和飛機縱軸方向（航向）不一致，存在偏流角，這是在向臺飛行時特別向（航向）不一致，存在偏流角，這是在向臺飛行時特別要注意的，否則即使保持無線電羅盤要注意的，否則即使保持無線電羅盤00飛行，由于側風影飛行，由于側風影響也會發生偏航。響也會發生偏航。2022-3-19二、二、 與磁羅盤復合應用與磁羅盤復合應用 2022-3-19與

27、磁羅盤復合實現雙信標定位與磁羅盤復合實現雙信標定位 無線電羅盤與磁羅盤復合無線電羅盤與磁羅盤復合可直接測得電臺磁方位角可直接測得電臺磁方位角，可以建立一條直線位置，可以建立一條直線位置線，如果分別（短時間內線，如果分別（短時間內）測得兩個已知地理位置）測得兩個已知地理位置的信標臺磁方位角（或利的信標臺磁方位角（或利用雙羅盤同時測得），便用雙羅盤同時測得），便可以兩個已知點為基點建可以兩個已知點為基點建立兩條位置線，它們的交立兩條位置線，它們的交點便是飛機的位置。點便是飛機的位置。2022-3-19三、與磁羅盤復合引導飛機輔助著陸三、與磁羅盤復合引導飛機輔助著陸 2022-3-19四、無線電羅盤

28、的應急使用四、無線電羅盤的應急使用 戰時當導航臺被破壞時，可以借助同頻段的、臺戰時當導航臺被破壞時，可以借助同頻段的、臺址確知的無線電廣播電臺信號進行應急引導和定址確知的無線電廣播電臺信號進行應急引導和定位；位； 當對空通信發生問題時，可通過無方向信標臺的當對空通信發生問題時，可通過無方向信標臺的話或報工作方式向飛機發送應急指揮（單向）信話或報工作方式向飛機發送應急指揮（單向）信息。息。2022-3-192.2.5 系統簡單評價系統簡單評價 優點優點 可連續自動工作，飛行員處于主動地位；可連續自動工作，飛行員處于主動地位； 只收不發，便于隱蔽；只收不發，便于隱蔽； 容量不受限制；容量不受限制；

29、 設備簡單，可供各類飛機使用。設備簡單，可供各類飛機使用。 缺點缺點 精度不高精度不高 導航臺還有被敵人利用或假冒的危險導航臺還有被敵人利用或假冒的危險 對眼睛觀察依賴較大，即其著陸保障能力較低。對眼睛觀察依賴較大，即其著陸保障能力較低。 2022-3-192.4 測向誤差測向誤差 進行角度測量時，都不可避免地帶有一定的誤差進行角度測量時，都不可避免地帶有一定的誤差，它是所測量角度值，它是所測量角度值A與其真值與其真值A之差，即之差，即=AA。 2022-3-19 測向誤差測向誤差 系統測向誤差產生的原因系統測向誤差產生的原因 隨機測向誤差產生的原因隨機測向誤差產生的原因 盲區盲區2022-3-19（一）、系統定向誤差產生的原因（一）、系統定向誤差產生的原因 設備誤差：系統本身不完善所產生的誤差