无线电振幅导航系统
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– 在工作过程中方向性图的形状稳定； – 灵敏度要高，不灵敏区间要小； – 天线的方向性图在信号测量处的幅度变化率有 要求； – 最后制作要简单。
2018/8/1
• 设沿地球表面传播的电波方向Sk与环形天线平面的夹角为θ， 根据电磁场理论，与Sk垂直的是电场E与磁场H。
设原点O处的电场强度为 E=E0sinωt。 整个环形天线的感应电动势等于 AB和CD边内的感应电动势之 和，即e=eAB+eCD 而eAB=E0hsin(ωt+πbcosθ/λ) eCD=-E0hsin(ωt-πbcosθ/λ) 所以 e=2E0hsin[(πbcosθ)/λ]•cosωt
2018/8/1
2.2.1 系统简介
地面导航台 系统组成 机载无线电自动定向仪（ADF） 无方向性信标（NDB）
台站识别信号采 用1 020 Hz调制 的两个英文字符 的莫尔斯码格式 M型最 小值 法 Compass） 无线电罗盘（Radio
工作频率一般在150～1 800 kHz范围内，属于中波、长 波或短波波段，功率在500W左右。 作用距离一般可达几百千米，典型为250～350 km。 系统的测向精度可达到2°左右。
M型测向信号的特点是载波信号的幅值保持不变；而调制系数仍随角度θ的变 化而改变，即调幅信号包络的大小，随测向器相对信标台的方位不同而变 化。 2018/8/1
2.2 无线电罗盘测向系统
• • • • • • 2.2.1 系统简介 2.2.2 无方向无线电信标 2.2.3 机载无线电自动定向仪 2.2.4 无线电罗盘在航空导航中的应用 2.2.5 无线电振幅导航系统的测向误差 2.2.6 系统简单评价
2018/8/1
• 最小值法——测量灵敏度和精度较高 • 最大值法——信噪比最大，而天线制作的难 易程度是最大值法较难 • 等信号法——性能表现都是居中 • 由于最小值法不灵敏区较小，在高频、超高 频、甚高频以及微波频段，均可获得所要求 的方向性图，因此应用场合较多。
2018/8/1
振幅导航系统的天线特性和信号特征 一、环形天线的特性分析 二、对方向性天线的要求
2018/8/1
3. 环形天线的安装与伺服电机的转动
• 在飞机上安装环形天线时，要求将稳定的零 值点朝向机头方向，即“8”字形方向性图的 纵轴与飞机纵轴方向严格保持一致。 • 具体实现方法是：使电波从机头沿机身轴线 射入，转动测角器搜索线圈使其感应电势消 失，指示器指示零度，这样即确定了机身轴 线方向为基准方向。
2018/8/1
2.2.2 无方向无线电信标
无方向信标 无线电测向信标
航路 信标 台
利用无方向性天线发射 信号，用测向仪接收指 示信号
定向性指向标
利用有一定方向性的天 线发射信号，可用一般 收音机或专用接收指示 器接收并测定方向
2018/8/1
仪表着陆系 统信标台
• 无方向无线电信标台具有准确的地理坐标位置，定期发 射无线电信号，包括测向、识别和语音信号。
2018/8/1
二、基本原理
u1=U2m F(θ)cos(ωt＋90°) u5=U2m F(θ)cosΩtcosωt =U1mcosωt
u2=U2m F(θ)cosωt ＝cosΩt =m(θ) cosΩt
＝cosΩt 叠加电路的信号输出为一调幅波： e1+e′2=E1m [1+m(θ) cosΩt] cosωt 式中m(θ)= F(θ)• E2m/E1m
2018/8/1
• 环形天线的“8”字形方向性图有最小值，可采用最小值法测 向，并且结构简单、容易制作、体积小、质量轻，适宜于在 运载体上安放，一般工作于中、短波段的测向系统中。分集 天线的方向性图与环形天线基本一致。
2018/8/1
E型测向信号的形成及其特征
设地面导航信标台---→全向信号，而无线电测向器 天线的方向性函数为F(θ) ： 导航台发射等幅波，则E型测向器接收到的信号为e= Em maxF(θ)cosωt=Em(θ)cosωt 导航台发射调幅波，则测向器接收的信号应为 e= Em(θ)[1+mcosΩt] cosωt E型测向信号的特点是接收信号的载波幅值均与角度 θ有关，将随角度θ的改变而变化；而信号的调制 系数m保持不变，与θ无关。
2018/8/1
一般概念
无线电振幅导航系统：信号振幅←→导航参数（一般是角坐标）。 振幅导航系统一般用于运载体的测向，通过自动测向仪引导飞机、船只朝向或离 开导航台，并可利用两个或两个以上的导航台实现定位；或者通过仪表着陆系 统实现飞机的下滑着陆功能。
2018/8/1
地面导航台 （信标台、航向（下滑）台）
无线电振幅导航系统
发射有一 定方向或 全向无线 电信号
运载体上的测向器 （无线电罗盘或定向接收机）
接收信号和 实施定向
工作波段为长波、中波或短波，覆盖范围可达几百千米
2018/8/1
• 运载体需要事先知道信标台的准确的地理坐 标、发射频率、发射形式、台站识别码、工 作时间等参数
识别信号 识别地面导航台
2018/8/1
一、最大值法
方向性图的最大值处有一个机载测向器无法分辨的幅值范围 ΔU，所对应的角度区域称为不灵敏区，要求天线的方向 性图足够尖锐，并且输入信噪比尽可能高。
2018/8/1
二、最小值法
最小值法在零值点附近也存在不灵敏区φN，但该法的不灵敏区 相对较小，其测向精度也比最大值法要高。另外当天线方向 性图的两个波束采用不同的调制频率时，可以比较容易地判 断出导航台偏离最小值点轴线的方向。
组合天线 （环形＋垂直） 机身下部前缓冲 支柱后
2.指示器。
2018/8/1
• 机载ADF所指示的角度是以飞机纵 轴为基准，顺时针转到飞机与导航 台连线所形成的夹角，如图所示（ 为60°的夹角）。要获得导航台相 对于飞机的方位，还必须知道飞机 的航向角，因此需要与磁罗盘等航 向测量设备相结合。另外，为了获 取读数的方便，飞机上常把磁罗盘 与ADF的指示部分合在一起，称为 无线电磁指示器RMI（Radio Magnetic Indicator）。
• 在测角器内产生互相 h1 H1 cos cos t 垂直的两个感应磁场 h H sin cos t 2 2 • 两个磁场形成一个合成磁场
2 2 h h12 h2 H12 cos 2 H 2 sin 2 cos t
• 测角器内两场线圈的参 数是按相同比例设计
E1m H1 E2 m H 2
2018/8/1
因此合成磁场即为两环形天线合成电动 势的影射，其方向代表了无线电波的 来波方向，并与基准方向即环形天线 1的夹角为θ。
测角器内的转子在合成磁场的作用下转 动。搜索线圈产生的感应电动势 e=EmsinφLcosωt 即活动线圈转动时，φL变化导致e的变 化规律与环型天线完全一样，相当于 环形天线在转动。 通过搜索活动线圈的转动，代替了环形 天线的转动，实现了天线不动、方向 性图转动的目的。
2018/8/1
e=2E0hsin [(πbcosθ)/λ]• cosωt 令Em=2E0hsin [(πbcosθ)/λ] 则e＝Em•cosωt 若b/λ<<1→Em=2E0 h(πb/λ) •cosθ，令Em max＝(2πbh/λ) •E0， 是个固定常数 所以 Em= Em maxcosθ。 该式反映了环形天线平面和电波传播方向之间的夹角θ与感应 电动势的关系。 矩形环形天线的感应电动势（e＝Em· cosωt）超前于电场 （E=E0sinωt）90°，并且当θ在-90°~+90°之间时，感应电 动势为正值；θ在90°~270°时，电动势为负值。
θ
环形天线方向形图
2018/8/1
2. 用测角器代替环形天线的转动
固定的环形天线及其方向性图
• 在飞机上安装两个环形天线，相互垂直放置并且 固定不动，可分别取与飞机的纵轴平行和垂直的 方向，两天线同时接收地面信标台的信号。
2018/8/1
• 两环形天线的 感应电动势
e1 E1m cos cos t e2 E2 m sin cos t
2018/8/1
一、出航、归航和沿线飞行
• 在无侧风影响情况下，出航背台飞行时，罗盘指示为1800 ，归航向台飞行时，罗盘指示为00。沿线飞行一般都是沿 折ຫໍສະໝຸດ Baidu航线飞行，每个主要拐弯点不是机场就是航路信标点 ，所以沿线飞行多数也是背、向台飞行 。 • 在有侧风影响时，航迹方向（或地速方向）和飞机纵轴方 向（航向）不一致，存在偏流角，这是在向台飞行时特别 要注意的，否则即使保持无线电罗盘00飞行，由于侧风影 响也会发生偏航。
2018/8/1
三、关键技术和解决方法——双值性的消除
• 若-90°<θ<90°，则e1超前于e2，通过 伺服电机使环形天线逆时针旋转，θ 将逐渐增大，直至θ=90°时为止。 • 若90°<θ<270°时，情况相反。 • 要确定信号e1和e2的相对相位，需要 一个基准信号，利用无方向垂直天线 （又称判读天线）。
第四讲
2018/8/1
• 一战时，被用于引导船只的归航和出航，并很快 发展到对飞机的导航。 • 振幅导航系统的缺点：测向（测角）精度不高 • 振幅导航系统的发展：振幅系统还会继续使用， 但未来的发展将更多地采取组合方式，如与GPS 卫星定位系统结合；仪表着陆系统和微波着陆系 统、卫星着陆系统等组成的多模式接收机（MMR ）。
2018/8/1
二、 与磁罗盘复合应用
2018/8/1
与磁罗盘复合实现双信标定位
2018/8/1
三、等信号法（比较信号）
采用部分重合的双针状方向性图天线，当两个波束的接收信号相等时，即可 获得一条等信号线的方向。转动天线，使天线两个波束的接收信号强度相 等，即可确定出导航台的方位。其不灵敏区φN和测向精度均介于最大值 法和最小值法之间，并且也能判断出被测导航台偏离等信号线的方向。
2018/8/1
激磁线圈 伺服电机 控制线圈
电机的转动 由这两个信 号的相对相 位控制
2018/8/1
基准信号
135 Hz的本振信号
控制信号
接收机输出的 135 Hz合成信号
2.2.4 无线电罗盘在航空导航中的应用
• • • • 引导飞机出航，归航和沿线飞行； 和磁罗盘复合使用，利用双信标定位； 和磁罗盘复合引导飞机辅助着陆； 在紧急情况下，借助同频段的已知广播电台 进行导航引导。
– ADF（自动测向）——由垂直天线和环形天线 联合接收信号进行自动测向； – ANT（天线）——由垂直天线接收信号作为普 通接收机使用； – TEST（测试）——定向仪自检，按下测试按钮 时，指示器应指示一规定的数值（一般为90° ），以确定定向仪的工作是否正常。
2018/8/1
直九（武）直升机 1.接收机； 2.控制盒； 3.组合天线；
2018/8/1
M型测向信号的形成及其特征
e2=E2m F(θ)cos(ωt＋90°) e′2=E2m F(θ)cosΩtcosωt =E1mcosωt
e2=E2m F(θ)cosωt
叠加电路的信号输出为一调幅波： e1+e′2=E1m [1+m(θ) cosΩt] cosωt 式中m(θ)= F(θ)• E2m/E1m
导航台站的发射信号
工作信号
辅助信号
测量导航参量
传送某些辅助信息
角度测量的精度为±1°~±5°。
2018/8/1
最大值法
测角方法
最小值法
等信号比较法 E型
利用载波信号振幅本身的变化来实现测向
利用载波信号振幅的调制深度变化进行测向
获取角参 量的方式
M型
2018/8/1
方位θ的无线电测量法
在E型方式中，无线电信号的调制深度保持不变，载波信号的幅度E与导航角参量 θ建立起E＝E（θ）的依从关系；而M型工作方式则在其工作区内保持载波信 号幅度大于规定的数值，用信号的调制深度m和θ建立起m＝m（θ）的关系。
无 方 • 三种基本工作状态：等幅波方式——用于测向；调幅波 向 方式——用于测向和台站识别；语音方式——用于测向 无 和通话。由控制台实现状态之间的转换。 线 电 信 标 方 框 图
2018/8/1
无方向信标的调幅波信号
无方向信标的等幅波信号
2018/8/1
2.2.3 机载无线电自动定向仪
• 1. 基本组成及工作状态 • 自动定向仪包括三种主要工作状态：
2018/8/1
• 设沿地球表面传播的电波方向Sk与环形天线平面的夹角为θ， 根据电磁场理论，与Sk垂直的是电场E与磁场H。
设原点O处的电场强度为 E=E0sinωt。 整个环形天线的感应电动势等于 AB和CD边内的感应电动势之 和，即e=eAB+eCD 而eAB=E0hsin(ωt+πbcosθ/λ) eCD=-E0hsin(ωt-πbcosθ/λ) 所以 e=2E0hsin[(πbcosθ)/λ]•cosωt
2018/8/1
2.2.1 系统简介
地面导航台 系统组成 机载无线电自动定向仪（ADF） 无方向性信标（NDB）
台站识别信号采 用1 020 Hz调制 的两个英文字符 的莫尔斯码格式 M型最 小值 法 Compass） 无线电罗盘（Radio
工作频率一般在150～1 800 kHz范围内，属于中波、长 波或短波波段，功率在500W左右。 作用距离一般可达几百千米，典型为250～350 km。 系统的测向精度可达到2°左右。
M型测向信号的特点是载波信号的幅值保持不变；而调制系数仍随角度θ的变 化而改变，即调幅信号包络的大小，随测向器相对信标台的方位不同而变 化。 2018/8/1
2.2 无线电罗盘测向系统
• • • • • • 2.2.1 系统简介 2.2.2 无方向无线电信标 2.2.3 机载无线电自动定向仪 2.2.4 无线电罗盘在航空导航中的应用 2.2.5 无线电振幅导航系统的测向误差 2.2.6 系统简单评价
2018/8/1
• 最小值法——测量灵敏度和精度较高 • 最大值法——信噪比最大，而天线制作的难 易程度是最大值法较难 • 等信号法——性能表现都是居中 • 由于最小值法不灵敏区较小，在高频、超高 频、甚高频以及微波频段，均可获得所要求 的方向性图，因此应用场合较多。
2018/8/1
振幅导航系统的天线特性和信号特征 一、环形天线的特性分析 二、对方向性天线的要求
2018/8/1
3. 环形天线的安装与伺服电机的转动
• 在飞机上安装环形天线时，要求将稳定的零 值点朝向机头方向，即“8”字形方向性图的 纵轴与飞机纵轴方向严格保持一致。 • 具体实现方法是：使电波从机头沿机身轴线 射入，转动测角器搜索线圈使其感应电势消 失，指示器指示零度，这样即确定了机身轴 线方向为基准方向。
2018/8/1
2.2.2 无方向无线电信标
无方向信标 无线电测向信标
航路 信标 台
利用无方向性天线发射 信号，用测向仪接收指 示信号
定向性指向标
利用有一定方向性的天 线发射信号，可用一般 收音机或专用接收指示 器接收并测定方向
2018/8/1
仪表着陆系 统信标台
• 无方向无线电信标台具有准确的地理坐标位置，定期发 射无线电信号，包括测向、识别和语音信号。
2018/8/1
二、基本原理
u1=U2m F(θ)cos(ωt＋90°) u5=U2m F(θ)cosΩtcosωt =U1mcosωt
u2=U2m F(θ)cosωt ＝cosΩt =m(θ) cosΩt
＝cosΩt 叠加电路的信号输出为一调幅波： e1+e′2=E1m [1+m(θ) cosΩt] cosωt 式中m(θ)= F(θ)• E2m/E1m
2018/8/1
• 环形天线的“8”字形方向性图有最小值，可采用最小值法测 向，并且结构简单、容易制作、体积小、质量轻，适宜于在 运载体上安放，一般工作于中、短波段的测向系统中。分集 天线的方向性图与环形天线基本一致。
2018/8/1
E型测向信号的形成及其特征
设地面导航信标台---→全向信号，而无线电测向器 天线的方向性函数为F(θ) ： 导航台发射等幅波，则E型测向器接收到的信号为e= Em maxF(θ)cosωt=Em(θ)cosωt 导航台发射调幅波，则测向器接收的信号应为 e= Em(θ)[1+mcosΩt] cosωt E型测向信号的特点是接收信号的载波幅值均与角度 θ有关，将随角度θ的改变而变化；而信号的调制 系数m保持不变，与θ无关。
2018/8/1
一般概念
无线电振幅导航系统：信号振幅←→导航参数（一般是角坐标）。 振幅导航系统一般用于运载体的测向，通过自动测向仪引导飞机、船只朝向或离 开导航台，并可利用两个或两个以上的导航台实现定位；或者通过仪表着陆系 统实现飞机的下滑着陆功能。
2018/8/1
地面导航台 （信标台、航向（下滑）台）
无线电振幅导航系统
发射有一 定方向或 全向无线 电信号
运载体上的测向器 （无线电罗盘或定向接收机）
接收信号和 实施定向
工作波段为长波、中波或短波，覆盖范围可达几百千米
2018/8/1
• 运载体需要事先知道信标台的准确的地理坐 标、发射频率、发射形式、台站识别码、工 作时间等参数
识别信号 识别地面导航台
2018/8/1
一、最大值法
方向性图的最大值处有一个机载测向器无法分辨的幅值范围 ΔU，所对应的角度区域称为不灵敏区，要求天线的方向 性图足够尖锐，并且输入信噪比尽可能高。
2018/8/1
二、最小值法
最小值法在零值点附近也存在不灵敏区φN，但该法的不灵敏区 相对较小，其测向精度也比最大值法要高。另外当天线方向 性图的两个波束采用不同的调制频率时，可以比较容易地判 断出导航台偏离最小值点轴线的方向。
组合天线 （环形＋垂直） 机身下部前缓冲 支柱后
2.指示器。
2018/8/1
• 机载ADF所指示的角度是以飞机纵 轴为基准，顺时针转到飞机与导航 台连线所形成的夹角，如图所示（ 为60°的夹角）。要获得导航台相 对于飞机的方位，还必须知道飞机 的航向角，因此需要与磁罗盘等航 向测量设备相结合。另外，为了获 取读数的方便，飞机上常把磁罗盘 与ADF的指示部分合在一起，称为 无线电磁指示器RMI（Radio Magnetic Indicator）。
• 在测角器内产生互相 h1 H1 cos cos t 垂直的两个感应磁场 h H sin cos t 2 2 • 两个磁场形成一个合成磁场
2 2 h h12 h2 H12 cos 2 H 2 sin 2 cos t
• 测角器内两场线圈的参 数是按相同比例设计
E1m H1 E2 m H 2
2018/8/1
因此合成磁场即为两环形天线合成电动 势的影射，其方向代表了无线电波的 来波方向，并与基准方向即环形天线 1的夹角为θ。
测角器内的转子在合成磁场的作用下转 动。搜索线圈产生的感应电动势 e=EmsinφLcosωt 即活动线圈转动时，φL变化导致e的变 化规律与环型天线完全一样，相当于 环形天线在转动。 通过搜索活动线圈的转动，代替了环形 天线的转动，实现了天线不动、方向 性图转动的目的。
2018/8/1
e=2E0hsin [(πbcosθ)/λ]• cosωt 令Em=2E0hsin [(πbcosθ)/λ] 则e＝Em•cosωt 若b/λ<<1→Em=2E0 h(πb/λ) •cosθ，令Em max＝(2πbh/λ) •E0， 是个固定常数 所以 Em= Em maxcosθ。 该式反映了环形天线平面和电波传播方向之间的夹角θ与感应 电动势的关系。 矩形环形天线的感应电动势（e＝Em· cosωt）超前于电场 （E=E0sinωt）90°，并且当θ在-90°~+90°之间时，感应电 动势为正值；θ在90°~270°时，电动势为负值。
θ
环形天线方向形图
2018/8/1
2. 用测角器代替环形天线的转动
固定的环形天线及其方向性图
• 在飞机上安装两个环形天线，相互垂直放置并且 固定不动，可分别取与飞机的纵轴平行和垂直的 方向，两天线同时接收地面信标台的信号。
2018/8/1
• 两环形天线的 感应电动势
e1 E1m cos cos t e2 E2 m sin cos t
2018/8/1
一、出航、归航和沿线飞行
• 在无侧风影响情况下，出航背台飞行时，罗盘指示为1800 ，归航向台飞行时，罗盘指示为00。沿线飞行一般都是沿 折ຫໍສະໝຸດ Baidu航线飞行，每个主要拐弯点不是机场就是航路信标点 ，所以沿线飞行多数也是背、向台飞行 。 • 在有侧风影响时，航迹方向（或地速方向）和飞机纵轴方 向（航向）不一致，存在偏流角，这是在向台飞行时特别 要注意的，否则即使保持无线电罗盘00飞行，由于侧风影 响也会发生偏航。
2018/8/1
三、关键技术和解决方法——双值性的消除
• 若-90°<θ<90°，则e1超前于e2，通过 伺服电机使环形天线逆时针旋转，θ 将逐渐增大，直至θ=90°时为止。 • 若90°<θ<270°时，情况相反。 • 要确定信号e1和e2的相对相位，需要 一个基准信号，利用无方向垂直天线 （又称判读天线）。
第四讲
2018/8/1
• 一战时，被用于引导船只的归航和出航，并很快 发展到对飞机的导航。 • 振幅导航系统的缺点：测向（测角）精度不高 • 振幅导航系统的发展：振幅系统还会继续使用， 但未来的发展将更多地采取组合方式，如与GPS 卫星定位系统结合；仪表着陆系统和微波着陆系 统、卫星着陆系统等组成的多模式接收机（MMR ）。
2018/8/1
二、 与磁罗盘复合应用
2018/8/1
与磁罗盘复合实现双信标定位
2018/8/1
三、等信号法（比较信号）
采用部分重合的双针状方向性图天线，当两个波束的接收信号相等时，即可 获得一条等信号线的方向。转动天线，使天线两个波束的接收信号强度相 等，即可确定出导航台的方位。其不灵敏区φN和测向精度均介于最大值 法和最小值法之间，并且也能判断出被测导航台偏离等信号线的方向。
2018/8/1
激磁线圈 伺服电机 控制线圈
电机的转动 由这两个信 号的相对相 位控制
2018/8/1
基准信号
135 Hz的本振信号
控制信号
接收机输出的 135 Hz合成信号
2.2.4 无线电罗盘在航空导航中的应用
• • • • 引导飞机出航，归航和沿线飞行； 和磁罗盘复合使用，利用双信标定位； 和磁罗盘复合引导飞机辅助着陆； 在紧急情况下，借助同频段的已知广播电台 进行导航引导。
– ADF（自动测向）——由垂直天线和环形天线 联合接收信号进行自动测向； – ANT（天线）——由垂直天线接收信号作为普 通接收机使用； – TEST（测试）——定向仪自检，按下测试按钮 时，指示器应指示一规定的数值（一般为90° ），以确定定向仪的工作是否正常。
2018/8/1
直九（武）直升机 1.接收机； 2.控制盒； 3.组合天线；
2018/8/1
M型测向信号的形成及其特征
e2=E2m F(θ)cos(ωt＋90°) e′2=E2m F(θ)cosΩtcosωt =E1mcosωt
e2=E2m F(θ)cosωt
叠加电路的信号输出为一调幅波： e1+e′2=E1m [1+m(θ) cosΩt] cosωt 式中m(θ)= F(θ)• E2m/E1m
导航台站的发射信号
工作信号
辅助信号
测量导航参量
传送某些辅助信息
角度测量的精度为±1°~±5°。
2018/8/1
最大值法
测角方法
最小值法
等信号比较法 E型
利用载波信号振幅本身的变化来实现测向
利用载波信号振幅的调制深度变化进行测向
获取角参 量的方式
M型
2018/8/1
方位θ的无线电测量法
在E型方式中，无线电信号的调制深度保持不变，载波信号的幅度E与导航角参量 θ建立起E＝E（θ）的依从关系；而M型工作方式则在其工作区内保持载波信 号幅度大于规定的数值，用信号的调制深度m和θ建立起m＝m（θ）的关系。
无 方 • 三种基本工作状态：等幅波方式——用于测向；调幅波 向 方式——用于测向和台站识别；语音方式——用于测向 无 和通话。由控制台实现状态之间的转换。 线 电 信 标 方 框 图
2018/8/1
无方向信标的调幅波信号
无方向信标的等幅波信号
2018/8/1
2.2.3 机载无线电自动定向仪
• 1. 基本组成及工作状态 • 自动定向仪包括三种主要工作状态：