无线电导航基本原理(1-2)第2章课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,第二章无线电导航基本原理2.1 角测量原理,1,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,使得实际中测量的无线电,电参量,与几何上的角度（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,。,无线电导航,2,常用的导航几何参量,角度,距离,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。主要介绍上述两类基本,几何参量,的,电测量原理,及,导航定位,方法。,常用的导航几何参量,3,2.1,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不同可以进行两类角的测量。,2.1 角测量原理 导航中的角参量可以分为两类：,4,2.1.1,、振幅法,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,2.1.1、振幅法 利用天线的方向性图实现振辐与导引角的对应,5,一、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。,一、站台主动式注意：,6,二、用户主动式,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,前者称之为,E,型,工作方式，,后者称之为,M,型,工作方式。,二、用户主动式 载体的测向器可以利用载波信号的振幅变化或者,7,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：,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,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,8,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,：,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，,9,利用方向性图测导引角，有三种方法：,1,、最大值法,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。,缺点：,实际的测量过程中，方向性图的最大值在某个角度范围内无法觉察出方向的偏离，称为,不灵敏区,为减小不灵敏区，要求天线的方向性图足够尖锐,利用方向性图测导引角，有三种方法：,10,2,、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。,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。,2、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,11,3,、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。,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,12,三、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。,天线需要有,一定特性,的,方向性图,。,常用天线？,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,13,1,、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,。,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,：,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,14,无线电导航基本原理(1-2)第2章课件,15,2,、环状天线,矩形环状天线,ABCD,如图所示,天线高度为,h,，宽为,b,处于正常极化的电磁场内，,假定电波磁场方向在水平面内,2、环状天线 矩形环状天线ABCD如图所示,16,无线电导航基本原理(1-2)第2章课件,17,3,、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。,3、分集天线如图所示，分集天线由两个垂直天线构成,18,一、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。,2.1.2,、相位法,一、方位测量2.1.2、相位法,19,1,、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,；空间任意一点接收到的场强将是包络调制信号。包络相位与接收点的方位相关，称为,可变相位信号,。,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。,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,20,无线电导航基本原理(1-2)第2章课件,21,2,、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,）。,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,22,在,O,点设置,一等幅发射机,，同时将高频信号馈送到在水平面内沿半径为,R,的,圆周运动的无方向性天线,A,。,在O点设置一等幅发射机，同时将高频信号馈送到在水平面,23,3,、基线方式,如图，沿确定的,基准方向,AB,并以一定的距离,D,放置两个无方向性天线,A,、,B,，它们,发射同相的电磁波,。,用户处于远场,U,点，通过接收,A,、,B,的信号并比较它们的相位，则可得到,SU,相对于基准轴,AB,的角度，其关系如下：,3、基线方式 如图，沿确定的基准方向AB并以一定的距离D放置,24,1,、相位法并不要求天线有尖锐的方向性，用无方向性天线即可。,2,、相位差的范围则可能超过,360,度（,D,），存在测相的模糊性（,多值性,）,当,D,时，则不存在多值问题,1、相位法并不要求天线有尖锐的方向性，用无方向性天线即可。,25,二、姿态测量,与基线方式相反，如果将基线,固定在载体,上，那么就可以实现姿态的测量。,由于 姿态的三个角度：航向（,yaw,、,）、俯仰,(pitch,、,p),、横滚,(roll,、,r),是互相独立的，因此为了阐述的方便，以航向和俯仰为主介绍其测量方法。,二、姿态测量与基线方式相反，如果将基线固定在载体上，那么就可,26,无线电导航基本原理(1-2)第2章课件,27,无线电导航基本原理(1-2)第2章课件,28,2.2,距离测量原理,无论是距离，还是距离差、距离和的测量，它们的都是利用电磁波在均匀介质空间中传播式的,直线性和等速性,。,距离主要有,相位,、,频率,和,脉冲,（时间）三种测量方法。,2.2 距离测量原理 无论是距离，还是距离差、距离和的测量，,29,2.2.1,相位法,通过测量电磁波在运载体和电台之间信号相位的变化来确定距离（差）。,2.2.1相位法通过测量电磁波在运载体和电台之间信号相位的,30,A,、,B,两点电波的相位差是,:,在三维空间中，以运载体或导航台为基准，画出等相位的曲线，则是一组以基准点为球心、半径为,r,的,球位置面,。,若一般只考虑二维水平面的情况，则,r,常数时，相当于以基准点为圆心、,r,为半径的圆弧，即为,圆位置线,。,A、B两点电波的相位差是:,31,相位法测量距离差测量导航台站,A,、,B,发射电波的相位差。,导航台站之间是,严格同步,的,相位法测量距离差测量导航台站A、B发射电波的相位差。,32,由于两个台站（或载体与用户）之间的距离较大，相位法测距中存在,多值性,问题影响到准确度与作用距离的提高，为此需要采取相应祛除多值模糊的措施。,由于两个台站（或载体与用户）之间的距离较大，相位法测距中存在,33,1,、连续测量、计算并记录完整相位循环数。,根据计数器的指示，可确定出,相位巷道,的序号；根据相位计的指示，可确定出小于的相位读数。,该方法的应用必须保证,首先是容易得到相位巷道的初始值，,其次保证高的可靠性，因为一旦丢失接收信号将使相位巷道的序号记录丢失或产生混乱，导致更大的定位误差。,1、连续测量、计算并记录完整相位循环数。,34,2,、消除相位多值性的另一种方法是宽、窄相位巷道配合工作的方法。,在加宽的巷道中，取得相位低精度读数，获得原相位巷道的序号；,在窄相位巷道中读取相位高精度读数，获得距离或距离差。,2、消除相位多值性的另一种方法是宽、窄相位巷道配合工作的方法,35,相位巷道的数目取决于距离，即：,若将频率减小,K,倍，其波长加大,K,倍，则相位巷道将相应加宽,K,倍。这时，地面台除了辐射频率,f,0,的信号外，同时还要辐射频率,f,1,的信号：,这时相位接收机在,f,0,-f,1,的频率上进行,粗测,，在,f,0,对应的巷道里进行,精测,。既可以消除多值性，又能同时获得必要的测量精度。,相位巷道的数目取决于距离，即：,36,2.2.2,频率法,频率测距通常是利用发射信号与反射信号的,差频,来进行测量的。,作为频率测距系统，必须要有一定的反射面，频率测距通常用来进行,高度的测量,。,频率测高的原理示意图如下所示：,2.2.2 频率法频率测距通常是利用发射信号与反射信号的差频,37,无线电导航基本原理(1-2)第2章课件,38,设发射机在,t1,时刻向地面发射信号的频率为,f1,，经时间后由地面反射回来。,如果不考虑多普勒效应,，则反射回来的信号频率不变，而此时发射机发射的频率变为,f2,，则在接收检波的中直达信号与反射信号的差频为,fb=f2-f1,。,差频的大小与传播延迟相关，即取决于高度。,设发射机在t1时刻向地面发射信号的频率为f1，经时间后由地面,39,线性调频比较直观的体现了频率和距离之间的关系,一般说来频率调制信号可以是任意周期的时间函数。,线性调频比较直观的体现了频率和距离之间的关系,40,2.2.3,脉冲法,脉冲法测距，实质上是用尖锐的脉冲对时间轴进行标定，然后通过脉冲间隔读取时间，进而测量距离。,脉冲测距有两种方式：,有源方式,无源方式,2.2.3 脉冲法脉冲法测距，实质上是用尖锐的脉冲对时间轴进,41,1,、有源测距,所谓的有源测距指的是信号在用户和导航台站之间经历了,往、返两个传播过程,，然后通过测量信号的往返时间计算出用户和导航台站之间的距离。,1、有源测距 所谓的有源测距指的是信号在用户和导航台站之间,42,通常测距,询问脉冲,由,用户发出,，该询问脉冲需要经过特殊的,编码,以区别是哪个用户的询问脉冲，导航台站收到该脉冲后，,延迟,一定的时间 后向用户发射应答脉冲,由用户接收并测量询问脉冲和应答脉冲之间的时间间隔 ，便可以测量载体和导航台站之间的距离，即：,通常测距询问脉冲由用户发出，该询问脉冲需要经过特殊的编码以区,43,需要注意的是，在上述的测量中，没有对用户和导航台站的,时钟同步,提出要求，也没有要求用很高精度的用户时钟。但并不是任何时钟都是允许的，需要根据距离的,测量精度指标,安装符合要求的时钟。,譬如，如果要求距离的测量精度不大于,30,米，系统的工作半径为,300,公里，则时钟的稳定度不能低于 。,较好的石英晶体基本上都可以满足。因此，有源测距对时钟性能要求比较低,需要注意的是，在上述的测量中，没有对用户和导航台站的时钟同步,44,2,、无源测距,无源测距指的是用户仅仅接收导航台站发射的脉冲信号来测得传播延迟。,要求,用户的时钟与导航台站的时钟基准严格同步,，它们的时钟震荡源之间既同频又同相，既无频差又无钟差。,严格意义的无源测距往往需要在测距之前已经在用户和导航台站之间进行了大量的,时钟同步工作,。,2、无源测距 无源测距指的是用户仅仅接收导航台站发射的脉冲信,45,在用户和导航台站的时钟同步之后，导航台站发射测距脉冲，同时在测距脉冲中对,发射时刻以电文的形式传输,。,用户收到测距脉冲后，,测定脉冲的到达时间,（,TOA,），利用电文中所解码的脉冲发射时刻，就可以得到用户与导航台之间距离：,在用户和导航台站的时钟同步之后，导航台站发射测距脉冲，同时在,46,实际中，很难保持用户与导航台站之间时钟的同频同相，因此人们提出了伪距离测量技术，即“伪距”。,所谓“,伪距,”，顾名思义指,非真实的距离,，实际中指用户接收信号时间和导航台站发出信号之间的时间差，代表了包含真实距离和两地,钟差,在内的时间折合量。其推广的含义还包括电波在,传播,和测量过程中得其他,误差,。,伪距的测量不需要测距之前进行时钟的同步工作，大大简化了系统的工程实现。,实际中，很难保持用户与导航台站之间时钟的同频同相，因此人们提,47,无线电导航基本原理(1-2)第2章课件,48,