第2章 无线电导航基本原理(1-2)综述
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– 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。
2.1.1、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。
• 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
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 ：
Βιβλιοθήκη Baidu
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。
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。
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。
2.1.2、相位法
• 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。
• 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。
• 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）。
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。
• 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。
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。
E型测向器
• 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 ：
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
• 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。
2.1.1、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。
• 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
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 ：
Βιβλιοθήκη Baidu
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。
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。
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。
2.1.2、相位法
• 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。
• 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。
• 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）。
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。
• 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。
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。
E型测向器
• 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 ：
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