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。