05 地基无线电导航基本原理及系统简介
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21
（3）地基无线电测距差导航原理
载体接收和处理的电参量是无线电波的脉冲传播时间 脉冲传播时间 或相位，进而获取载体相对2个地面导航台站的距离差 距离差， 或相位 距离差 位置）间的对应关系， 并建立该测量量与导航参量（载体位置 位置 然后通过解方程或其它等效方法求得所需的导航参量。
22
测距差定位原理
双曲线（位置线）。测量主台与副台B的脉冲信号，可以确定
另外一条双曲线。这两条双曲线的交点即是船只所在的位置。
24
脉冲测距差法
∆d AM = c ∆ t = c ( t A − t M )
其中 t M 和 t A 分别为主台M、副台A的脉冲信号传到载体的 时间，∆ t 为载体所测主副台信号时差， d AM 为载体到主副 ∆ 台的距离差，c为光速。 该方法作用距离远。罗兰－A采用脉冲测距差体制，白天 定位精度为0.5～1nmile，夜间为1～3 nmile；我国的长河一号 也采用该工作体制，建立了10个导航台。
对于无源测距而言，
∆t
d = c ∆t 但存在时间同步问题， 用于罗兰－C系统。
τ
信标
对于有源测距而言，
d = c ( ∆t − τ ) 2
但存在电磁暴露问题，用于测距器系统。
20
测距定位原理
P'
A
dA P
dB
B
d A d B
v v = Xp − XA v v = Xp − XB
测距水平位置线是以导航台为中心、导航台与载体间 距离为半径的圆。用户分别测得载体相对导航台 A 和 B 圆 的距离，确定两条位置线，其交点为载体的位置。
7
（2）地基无线电导航的技术指标
导航精度：定位误差，用概率统计方法描述； 覆盖范围：与规定的定位精度相对应； 系统容量：可同时提供定位服务的用户数量； 信息更新率：单位时间内可为用户提供定位服务的次数； 其它指标：连续性、可用性、可靠性、完好性等。
8
主要内容
5.1 引言 5.2 地基无线电导航分类及技术指标 5.3 地基无线电导航基本原理 5.4 典型地基无线电导航系统简介
30
（1）塔康系统 （TACAN） TACAN）
塔康是战术空 中导航系统的简称， 属于相位-时间复
合的近程地基无线
电导航系统，可测 量载体相对导航台 的方位和斜距。
31
系统由塔康地面设 备和机载设备组成。其 导航台只需1个，而且可 以安置在地面固定点或 移动载体上，适合军事 应用的机动灵活性要求。
27
ω
( 2 N AM π − δφAM )
（4）地基无线电空中测距定位原理
P
测量4个地面站至 载体的无线电信号传 传 播时间延迟，将时间
ρ1
ρ3
ρ2
ρ4
来自百度文库
延迟与光速相乘得相 应伪距，然后由4个伪 距及地面站已知坐标 求解载体坐标及钟差。
28
伪距观测方程为
v v ρi = X p − X i + c δ t
43
5 地基无线电导航 基本原理及系统简介
国防科技大学 航天与材料工程学院
1
主要内容
5.1 引言 5.2 地基无线电导航分类及技术指标 5.3 地基无线电导航基本原理 5.4 典型地基无线电导航系统简介
2
主要内容
5.1 引言 5.2 地基无线电导航分类及技术指标 5.3 地基无线电导航基本原理 5.4 典型地基无线电导航系统简介
3
（1）地基无线电导航的定义
装有无线电接收机的载体，接收并测量地面导航台 发射的无线电信号，然后根据相应观测量（如信号振幅、 相位、传播时间等）的量测信息，通过计算获取载体的 导航信息。
4
（2）地基无线电导航的发展
20世纪初至二战前夕 以定向为主的早期阶段； 二战至20世纪60年代 全面开展、日趋完善的发展阶段； 20世纪60年代至今： 成熟阶段。
32
测向测距原理
测向方法： 15Hz正弦环路，产 生基准脉冲N（粗 粗 测）；9×15Hz 正 弦环路，产生辅助 脉冲a（精测 精测）。 精测 测距方法： 有源脉冲测距。 有源脉冲
33
系统技术指标
导航精度：方位精度优于2.5º (2σ)，距离精度不大于 导航精度 400m (数字式)，不大于 (400＋0.25％D) m (模拟式)。 系统工作区：固定台的覆盖半径大于350km (高度10 系统工作区 km)，机动台为185km，顶空存在90º～120º 锥形信号盲区。 系统容量：方位测量可无限容量，距离测量已提高到110。 系统容量
其中
v ：载体位置矢量，未知； Xp
ρi
：伪距观测值；
v Xi
：地面站位置矢量，已知，i=1、2、3和4； ：光速； ：钟差，测量时刻接收机钟面时与标准时之差， 未知。
29
c δt
主要内容
5.1 引言 5.2 地基无线电导航分类及技术指标 5.3 地基无线电导航基本原理 5.4 典型地基无线电导航系统简介
15
（2）地基无线电测距导航原理
载体接收和处理的电参量是无线电波的相位、频率或 相位、 相位 脉冲传播时间，进而获取载体相对地面导航台站的距离 距离， 脉冲传播时间 距离 位置）间的对应关系， 并建立该测量量与导航参量（载体位置 位置 然后通过解方程或其它等效方法求得所需的导航参量。
16
相位测距法
5
主要内容
5.1 引言 5.2 地基无线电导航分类及技术指标 5.3 地基无线电导航基本原理 5.4 典型地基无线电导航系统简介
6
（1）地基无线电导航的分类
按有效作用距离分：近程/中程/远程/超远程系统； 按所测电信号参量分：振幅/频率/相位/脉冲/混合系统； 按所测几何参量分：测角/测距/测距差/测距和系统； 按工作方式分：有源/无源系统。
39
系统应用
Loran-C为海上舰船的导航定位和航空导航而设计； 美国建设10个台链，全世界到1991年至总计25个台链； 我国的长河二号1979年开始建设，包括南海、东海和北 海3个台链，6个发射台，3个监测站和3个控制中心。
40
美 国 罗 兰 C 台 链
41
中国东海罗兰-C
42
思考题
1．测角方法包括哪几种？ 测角方法包括哪几种？ 简述相位、频率和脉冲测距的机理。 2. 简述相位、频率和脉冲测距的机理。 3. 简述脉冲有源和无源测距的机理与特点。 简述脉冲有源和无源测距的机理与特点。 简述二维平面测距差定位基本原理。 4. 简述二维平面测距差定位基本原理。 5．试述地基无线电空中测距定位基本原理。 试述地基无线电空中测距定位基本原理。
9
（1）地基无线电测角导航原理
载体接收和处理的电参量是无线电波的振幅或相位 振幅或相位， 振幅或相位 进而获取载体相对地面导航台站的方位角 方位角，并建立该测量 方位角 位置）间的对应关系，然后通过解方 量与导航参量（载体位置 位置 程或其它等效方法求得所需的导航参量。
10
振幅测角法
最小值法、最大值法和等信号 法，测角精度为±1º～ ±5º ,用于 ± ～ 无线电罗盘、仪表着陆系统。
11
相位测角法
ω
θ
xx
ρ (θ ) = 1 + Acos (θ + ωt )
天线方向性图
塔康信号结构
12
相位测角法
在水平面内一心形方向性图 心形方向性图的天线向外辐射无线电信 心形方向性图 顺时针旋转，并在方 号，同时还在该平面内以一定角速度顺时针旋转 顺时针旋转 向性图转到特定方位时全向天线发射基准脉冲信号 基准脉冲信号，则在 基准脉冲信号 空间任意方位载体的接收信号是以旋转周期为周期的包络 包络 调制信号，且收到基准信号时，该信号的包络相位 包络相位与载体 调制信号 包络相位 的接收点方位一一对应。测出周期调制包络在基准时刻的 调制包络在基准时刻的 相位即可确定载体方位。 相位 测角精度高于振幅测角法，如塔康系统为±2.5º (2σ) ， ± 多普勒伏尔优于1º 。
35
（2）罗兰－C系统（Loran－C） 罗兰－ 系统（Loran－
罗兰-C是美国开发的中远程精密地基无线电导航系统， 采用低频、相位-时间复合的双曲线导航体制，可测量载体相 对主副导航台的距离差。 该系统由罗兰-C地面设备和用户接收机组成。其地面设 备包括形成台链的一组发射台、监测站和控制中心，而且双曲 线定位体制的台链至少包括3个发射台。
36
Loran-C 接收机
Loran-C 地面设备
37
测距差定位原理
P M A
38
系统技术指标
导航精度：近区小于0.25 nmile（460m），远区方位1.2 导航精度 nmile，近区相对定位精度达18～90m。 系统工作区：地波白天海上达1200 nmile，夜间1000 系统工作区 nmile，陆地比海上小约200～300 nmile；天 波达2000～3000 nmile 。 系统容量：用户无限容量。 系统容量 定位速率：10～20次/min。 定位速率
其中反射/发射信号的差频 f b = f 2 − f1 ，电磁波往返时
τc
间 τ = b − a ，T 为有效调频时间，发射信号的最高/最低 0
频率之差 ∆f = f − f 。 m 02 01
无线电低高度表采用频率调制工作体制，最小测量高 度达0.5m，多用于飞机的低空飞行导引。
19
脉冲测距法
飞机
34
系统应用
TACAN最初为航空母舰舰载飞机的编队导航而设计； 全世界1500多个TACAN地面设备在工作，仅美国14500 多架军机装备机载设备（如F-16）; TACAN还可用作空-空导航，测向误差±5º以内，工作容 量5～10个； 我国的TACAN70年代完成试飞和定型，并在空军和海军 的航空兵装备。
25
相位测距差法
∆d AM = ∆φAM
λ c = ∆φAM 4π 2ω
其中 ∆φAM 为载体所测主副台信号相位差， λ 和 ω 分别为 载波信号的波长和角速度。 该方法具有多值性，作用距离较近，精度较高。台卡定 位精度为几十米～几百米；欧米伽白天定位精度为1nmile，夜 间为1.5nmile；我国的长河三号白天定位精度为±50～ ± 200m，夜间为± 100～ ± 500m 。
13
测角定位原理
14
测角定位原理
测角水平位置线是以导航台为顶点、方位角对应正切 值为斜率的射线 射线。用户分别测得载体相对导航台 A 和 B 射线 的方位角，确定两条位置线，其交点为载体的位置。
测角定位法设备简单，但其位置线误差随与用户导航 台间的距离成正比例增大，故常用于近程定位 。 近程定位
设 A 和 B 点间的距离为 d，则往返于两点间的接收/ 发射电磁波的相位差满足
∆φ = 4π
可得两点间的距离为
d
λ
= 2d
ω
c
λ c d = ∆φ = ∆φ 4π 2ω
相位测量存在多值性问题，需其它方法予以消除； 测量精度较高，测量方便 ，应用广泛。
17
频率测距法
fb
18
频率测距法
T0c d= = fb 2 2∆f m
26
脉冲-相位测距差法 脉冲∆d AM =
c
其中 δφAM 为载体所测主台M、副台A的脉冲包络信号的相 位差，小于 2π ，无多值性；NAM 为载体所测主副台脉冲 包络信号前沿的时差与信号周期的比值取整。 该方法精度高，覆盖范围广。罗兰－C采用相位-脉冲 测距差体制，定位精度为0.25～1.2nmile；我国的长河三号 也采用该工作体制。
ρM − ρA ρM − ρB
v v v v = X p − XM − X p − XA v v v v = X p − XM − X p − XB
A
P M
23
测距差定位原理
依靠布设于海岸上的一系列导航台，周期性地同步发射脉 冲或载波信号。船载接收机接收到来自主台和副台 A 的信号后， 测量脉冲（包络）信号达到的时间差（相位差），然后计算得 到船至两台的距离差。于是，可以确定一条以2个台为焦点的
（3）地基无线电测距差导航原理
载体接收和处理的电参量是无线电波的脉冲传播时间 脉冲传播时间 或相位，进而获取载体相对2个地面导航台站的距离差 距离差， 或相位 距离差 位置）间的对应关系， 并建立该测量量与导航参量（载体位置 位置 然后通过解方程或其它等效方法求得所需的导航参量。
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测距差定位原理
双曲线（位置线）。测量主台与副台B的脉冲信号，可以确定
另外一条双曲线。这两条双曲线的交点即是船只所在的位置。
24
脉冲测距差法
∆d AM = c ∆ t = c ( t A − t M )
其中 t M 和 t A 分别为主台M、副台A的脉冲信号传到载体的 时间，∆ t 为载体所测主副台信号时差， d AM 为载体到主副 ∆ 台的距离差，c为光速。 该方法作用距离远。罗兰－A采用脉冲测距差体制，白天 定位精度为0.5～1nmile，夜间为1～3 nmile；我国的长河一号 也采用该工作体制，建立了10个导航台。
对于无源测距而言，
∆t
d = c ∆t 但存在时间同步问题， 用于罗兰－C系统。
τ
信标
对于有源测距而言，
d = c ( ∆t − τ ) 2
但存在电磁暴露问题，用于测距器系统。
20
测距定位原理
P'
A
dA P
dB
B
d A d B
v v = Xp − XA v v = Xp − XB
测距水平位置线是以导航台为中心、导航台与载体间 距离为半径的圆。用户分别测得载体相对导航台 A 和 B 圆 的距离，确定两条位置线，其交点为载体的位置。
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（2）地基无线电导航的技术指标
导航精度：定位误差，用概率统计方法描述； 覆盖范围：与规定的定位精度相对应； 系统容量：可同时提供定位服务的用户数量； 信息更新率：单位时间内可为用户提供定位服务的次数； 其它指标：连续性、可用性、可靠性、完好性等。
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主要内容
5.1 引言 5.2 地基无线电导航分类及技术指标 5.3 地基无线电导航基本原理 5.4 典型地基无线电导航系统简介
30
（1）塔康系统 （TACAN） TACAN）
塔康是战术空 中导航系统的简称， 属于相位-时间复
合的近程地基无线
电导航系统，可测 量载体相对导航台 的方位和斜距。
31
系统由塔康地面设 备和机载设备组成。其 导航台只需1个，而且可 以安置在地面固定点或 移动载体上，适合军事 应用的机动灵活性要求。
27
ω
( 2 N AM π − δφAM )
（4）地基无线电空中测距定位原理
P
测量4个地面站至 载体的无线电信号传 传 播时间延迟，将时间
ρ1
ρ3
ρ2
ρ4
来自百度文库
延迟与光速相乘得相 应伪距，然后由4个伪 距及地面站已知坐标 求解载体坐标及钟差。
28
伪距观测方程为
v v ρi = X p − X i + c δ t
43
5 地基无线电导航 基本原理及系统简介
国防科技大学 航天与材料工程学院
1
主要内容
5.1 引言 5.2 地基无线电导航分类及技术指标 5.3 地基无线电导航基本原理 5.4 典型地基无线电导航系统简介
2
主要内容
5.1 引言 5.2 地基无线电导航分类及技术指标 5.3 地基无线电导航基本原理 5.4 典型地基无线电导航系统简介
3
（1）地基无线电导航的定义
装有无线电接收机的载体，接收并测量地面导航台 发射的无线电信号，然后根据相应观测量（如信号振幅、 相位、传播时间等）的量测信息，通过计算获取载体的 导航信息。
4
（2）地基无线电导航的发展
20世纪初至二战前夕 以定向为主的早期阶段； 二战至20世纪60年代 全面开展、日趋完善的发展阶段； 20世纪60年代至今： 成熟阶段。
32
测向测距原理
测向方法： 15Hz正弦环路，产 生基准脉冲N（粗 粗 测）；9×15Hz 正 弦环路，产生辅助 脉冲a（精测 精测）。 精测 测距方法： 有源脉冲测距。 有源脉冲
33
系统技术指标
导航精度：方位精度优于2.5º (2σ)，距离精度不大于 导航精度 400m (数字式)，不大于 (400＋0.25％D) m (模拟式)。 系统工作区：固定台的覆盖半径大于350km (高度10 系统工作区 km)，机动台为185km，顶空存在90º～120º 锥形信号盲区。 系统容量：方位测量可无限容量，距离测量已提高到110。 系统容量
其中
v ：载体位置矢量，未知； Xp
ρi
：伪距观测值；
v Xi
：地面站位置矢量，已知，i=1、2、3和4； ：光速； ：钟差，测量时刻接收机钟面时与标准时之差， 未知。
29
c δt
主要内容
5.1 引言 5.2 地基无线电导航分类及技术指标 5.3 地基无线电导航基本原理 5.4 典型地基无线电导航系统简介
15
（2）地基无线电测距导航原理
载体接收和处理的电参量是无线电波的相位、频率或 相位、 相位 脉冲传播时间，进而获取载体相对地面导航台站的距离 距离， 脉冲传播时间 距离 位置）间的对应关系， 并建立该测量量与导航参量（载体位置 位置 然后通过解方程或其它等效方法求得所需的导航参量。
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相位测距法
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主要内容
5.1 引言 5.2 地基无线电导航分类及技术指标 5.3 地基无线电导航基本原理 5.4 典型地基无线电导航系统简介
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（1）地基无线电导航的分类
按有效作用距离分：近程/中程/远程/超远程系统； 按所测电信号参量分：振幅/频率/相位/脉冲/混合系统； 按所测几何参量分：测角/测距/测距差/测距和系统； 按工作方式分：有源/无源系统。
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系统应用
Loran-C为海上舰船的导航定位和航空导航而设计； 美国建设10个台链，全世界到1991年至总计25个台链； 我国的长河二号1979年开始建设，包括南海、东海和北 海3个台链，6个发射台，3个监测站和3个控制中心。
40
美 国 罗 兰 C 台 链
41
中国东海罗兰-C
42
思考题
1．测角方法包括哪几种？ 测角方法包括哪几种？ 简述相位、频率和脉冲测距的机理。 2. 简述相位、频率和脉冲测距的机理。 3. 简述脉冲有源和无源测距的机理与特点。 简述脉冲有源和无源测距的机理与特点。 简述二维平面测距差定位基本原理。 4. 简述二维平面测距差定位基本原理。 5．试述地基无线电空中测距定位基本原理。 试述地基无线电空中测距定位基本原理。
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（1）地基无线电测角导航原理
载体接收和处理的电参量是无线电波的振幅或相位 振幅或相位， 振幅或相位 进而获取载体相对地面导航台站的方位角 方位角，并建立该测量 方位角 位置）间的对应关系，然后通过解方 量与导航参量（载体位置 位置 程或其它等效方法求得所需的导航参量。
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振幅测角法
最小值法、最大值法和等信号 法，测角精度为±1º～ ±5º ,用于 ± ～ 无线电罗盘、仪表着陆系统。
11
相位测角法
ω
θ
xx
ρ (θ ) = 1 + Acos (θ + ωt )
天线方向性图
塔康信号结构
12
相位测角法
在水平面内一心形方向性图 心形方向性图的天线向外辐射无线电信 心形方向性图 顺时针旋转，并在方 号，同时还在该平面内以一定角速度顺时针旋转 顺时针旋转 向性图转到特定方位时全向天线发射基准脉冲信号 基准脉冲信号，则在 基准脉冲信号 空间任意方位载体的接收信号是以旋转周期为周期的包络 包络 调制信号，且收到基准信号时，该信号的包络相位 包络相位与载体 调制信号 包络相位 的接收点方位一一对应。测出周期调制包络在基准时刻的 调制包络在基准时刻的 相位即可确定载体方位。 相位 测角精度高于振幅测角法，如塔康系统为±2.5º (2σ) ， ± 多普勒伏尔优于1º 。
35
（2）罗兰－C系统（Loran－C） 罗兰－ 系统（Loran－
罗兰-C是美国开发的中远程精密地基无线电导航系统， 采用低频、相位-时间复合的双曲线导航体制，可测量载体相 对主副导航台的距离差。 该系统由罗兰-C地面设备和用户接收机组成。其地面设 备包括形成台链的一组发射台、监测站和控制中心，而且双曲 线定位体制的台链至少包括3个发射台。
36
Loran-C 接收机
Loran-C 地面设备
37
测距差定位原理
P M A
38
系统技术指标
导航精度：近区小于0.25 nmile（460m），远区方位1.2 导航精度 nmile，近区相对定位精度达18～90m。 系统工作区：地波白天海上达1200 nmile，夜间1000 系统工作区 nmile，陆地比海上小约200～300 nmile；天 波达2000～3000 nmile 。 系统容量：用户无限容量。 系统容量 定位速率：10～20次/min。 定位速率
其中反射/发射信号的差频 f b = f 2 − f1 ，电磁波往返时
τc
间 τ = b − a ，T 为有效调频时间，发射信号的最高/最低 0
频率之差 ∆f = f − f 。 m 02 01
无线电低高度表采用频率调制工作体制，最小测量高 度达0.5m，多用于飞机的低空飞行导引。
19
脉冲测距法
飞机
34
系统应用
TACAN最初为航空母舰舰载飞机的编队导航而设计； 全世界1500多个TACAN地面设备在工作，仅美国14500 多架军机装备机载设备（如F-16）; TACAN还可用作空-空导航，测向误差±5º以内，工作容 量5～10个； 我国的TACAN70年代完成试飞和定型，并在空军和海军 的航空兵装备。
25
相位测距差法
∆d AM = ∆φAM
λ c = ∆φAM 4π 2ω
其中 ∆φAM 为载体所测主副台信号相位差， λ 和 ω 分别为 载波信号的波长和角速度。 该方法具有多值性，作用距离较近，精度较高。台卡定 位精度为几十米～几百米；欧米伽白天定位精度为1nmile，夜 间为1.5nmile；我国的长河三号白天定位精度为±50～ ± 200m，夜间为± 100～ ± 500m 。
13
测角定位原理
14
测角定位原理
测角水平位置线是以导航台为顶点、方位角对应正切 值为斜率的射线 射线。用户分别测得载体相对导航台 A 和 B 射线 的方位角，确定两条位置线，其交点为载体的位置。
测角定位法设备简单，但其位置线误差随与用户导航 台间的距离成正比例增大，故常用于近程定位 。 近程定位
设 A 和 B 点间的距离为 d，则往返于两点间的接收/ 发射电磁波的相位差满足
∆φ = 4π
可得两点间的距离为
d
λ
= 2d
ω
c
λ c d = ∆φ = ∆φ 4π 2ω
相位测量存在多值性问题，需其它方法予以消除； 测量精度较高，测量方便 ，应用广泛。
17
频率测距法
fb
18
频率测距法
T0c d= = fb 2 2∆f m
26
脉冲-相位测距差法 脉冲∆d AM =
c
其中 δφAM 为载体所测主台M、副台A的脉冲包络信号的相 位差，小于 2π ，无多值性；NAM 为载体所测主副台脉冲 包络信号前沿的时差与信号周期的比值取整。 该方法精度高，覆盖范围广。罗兰－C采用相位-脉冲 测距差体制，定位精度为0.25～1.2nmile；我国的长河三号 也采用该工作体制。
ρM − ρA ρM − ρB
v v v v = X p − XM − X p − XA v v v v = X p − XM − X p − XB
A
P M
23
测距差定位原理
依靠布设于海岸上的一系列导航台，周期性地同步发射脉 冲或载波信号。船载接收机接收到来自主台和副台 A 的信号后， 测量脉冲（包络）信号达到的时间差（相位差），然后计算得 到船至两台的距离差。于是，可以确定一条以2个台为焦点的