无线电导航系统讲义.pdf

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1、 无线电导航系统讲义 Revised on November 25,2020 航空无线电导航系统 第一章 绪论 导航与导航系统的基本概念 1.导航 导航的基本含义是引导运行体从一地到另一地安全航行的过程。导航强调的是“身在何处，去向哪里”是对继续运动的指示。导航之 所以定义为一个过程，是因为它贯穿于运动体行动的始终，遍历各个 阶段，直至确保运行达成目的。应当说大部分运行体都是由人来操纵 的，而对那些无人驾驶的的运行体来说，控制是由仪器或设备来完成 的，这时的导航就成为了制导。近年来人们将定位于导航并列提出。事实上定位提供的位置参量是一个标量，只有将其与方向数据联合起 来成为矢量，才能服务于运行

2、体的航行。因此定位与测角、测距一样 是导航的技术之一，通过定位可以实现导航。也可以说 定位是静态 用户要求的；但对动态用户而言要求的是导航。2.导航系统 导航系统是用于对运行体实施导航的专用设备组合或设备的统称。导航系统是侧重于实现特定导航功能的设备组合体，组合体内的各部 分必须按约定的协调方式工作才能实现系统功能，而导航设备一般是 指导航系统中某一相对独立部分或产品，或实现某一导航功能的单 机。导航及无线电导航系统的分类 导航是一门基于“声、光、电、磁、力”的综合性的应用科学，实现 导航的技术手段很多，按其工作原理或主要应用技术可分为下述类 别：（1）天文导航利用观测自然天体（空中的星体）相

3、对于运行体 所在坐标系中的某些参量实现的导航称为天文导航。（2）惯性导航利用牛顿力学中的惯性原理及相应技术实现的导 航称为惯性导航。（3）无线电导航利用无线电技术实现的导航称为无线电导航。（4）地磁导航利用地球磁场的特性和磁敏器件实现的导航称为 地磁导航。（5）红外线导航利用红外线技术实现的导航称为红外线导航。（6）激光导航利用激光技术实现的导航称为激光导航。（7）声纳导航利用声波或超声波在水中的传播特性和水声技术 实现的导航（用于对水下运行体的导航）称为声纳导航。（8）地标或灯标导航利用观测（借助光学仪器或目视）已知位 置的地标或灯标实现的导航称为地标或灯标导航。2.无线电导航系统的分类 无

4、线电导航是导航中的一大分支，是当今应用最广、发展最快、在导 航家族中站主导地位的一类导航技术。下面介绍几种常用的无线电导 航系统分类：（1）按用户使用时相对依从关系分类 1 自备式（或自主式）导航系统。这类导航系统仅依靠装在运行体 上的导航设备就能独立自主地为该运行体提供导航服务。2 他备式（非自主式）导航系统。这类导航系统必须有运行体以外 且安装位置已知的导航设备相配合才能实现对该运行体的导航。这些 居于运行体之外的配合实现导航功能的导航设备及其附属设备通常 称为导航台站，而装在运行体上的导航设备通常称为该导航系统的用 户设备或载体设备。可见、他备式（非自主式）导航系统是由台站和 用户设备共

5、同组成的，所以它的用户设备必须依赖于台站，这与自备 式导航系统明显不同。（2）按无线电导航台站安装地点分类 1 这种导航系统的导航台站安装在地球表面 地基无线电导航系统。的某一确知位置上。2 这种导航系统的导航台站安装在空中某一特 空基无线电导航系统。定载体上。3 这种导航系统的导航台站安装在人造地球卫 星基无线电导航系统。星或自然星体上。（3）按无线电导航系统最大作用距离分类（参考数据以航空导航为 主）1 近程导航系统。作用距离在 500km 以内。2 远程导航系统。作用距离在 500km 以上，活在地球上任何地点都 是该系统的有效作用范围。（4）按系统提供的导航参量（或位置线形状）分类 1

6、。无线电测角导航系统（直线位置线）2。无线电测距导航系统（圆位置线）无线电测距差导航系统（双曲线位置线）3。复合式（测角/测距、测距/测距差）无线电导航系统 4（5）按系统中主要观测的电信号参量分类 1 振幅式无线电导航系统。2 频率式无线电导航系统。相位式无线电导航系统。3 脉冲式无线电导航系统。4 5 复合式无线电导航系统。第二章 中波导航系统 系统技术实现 地面设备 中波导航机是一种连续波发射器，通过直立天线全向发射中频信号，以地波形式传播，其天线水平面方向图为圆形垂直面方向图为半 8 字 形。中波导航机主要有无方向性天线、功率放大器、调幅器、激励器、识别信号键等组成。其中激励器产生频率

7、为 1501700kHz 的信号，经调幅和功率放大器放大，通过无方向性天线辐射到空间去；音频振 荡器产生频率一定且收识别点马键控制的音频信号，对高频信号的幅 度进行调制，用于实现台识别；识别信号键产生的识别键控制信号，还可以直接控制激励器工作，产生等幅报信号。中波导航机天线通常 采用“T 型”或“T 宠型”天线，辐射信号以地波形式传播。中波导航机为了给无限电罗盘提供测向信号，它只需全向发射连 续等幅波中频信号即可。但为了给飞行人员提供台识别信息，就需要 在发射的连续等幅波信号中调制识别信号。这个识别信号是一组莫尔 斯码它由码元“点”“划”组成，、“点”是宽约为 125ms 的脉冲，“划”脉冲的

8、宽度是“点”脉冲的三倍。为了能在“点”“划”期间产生音、频信号以便飞行员的耳机中出现音响，需要用这些“点”“划”脉冲、控制一个音频振荡器工作，所以所产生的键控音频信号再去调制中频 中频连续波信号，这样中波导航机发射的信号就成为了键控调幅波，即在发“点”“划”期间，导航台发射调幅信号，在“点”“划”之、间发射等幅信号，信号始终连续发出，测向不会中断。中波导航机除主要为无线电罗盘提供测向信号外，还可作为应急 通信电台使用，实施单向对空联络，这时他可发等幅电报（直接键控 激励器）、调幅电报进行地空通话。进行地空通话是，只需要将语音 信号对高频信号直接调频，经天线辐射出去即可。第四章 伏尔系统 概述

9、伏尔是甚高频全方位测向（Very High Frequency Omni directional Range）英文缩写 VOR 的汉语译音名称。伏尔系统是一种由机载设备 直接导出导航参量近程无线电导航测角系统，属于他备式主动导航系 统，导出的导航参量是飞机相对于伏尔信标台的磁方位角（即飞机磁 方位角）。目前已是空中交通管制不可分割的一部分，是陆地上无线 电近程导航和飞精密进近的国际标准系统。系统组成、功用和配置 伏尔系统由地面设备和机载设备两大部分组成。地面设备是伏尔信 标，工作在 108-118MHz 甚高频波段，在 360范围内发射方位信号，故又称为全向信标；与之配套的机上设备称为伏尔接受

10、机，采用无方 向性接受天线，测量的角度信息用表头予以指示或传送给机上计算 机。伏尔系统的功用是通过机载伏尔接收机接受地面伏尔信标发射的 信号，经处理获得飞机相对于伏尔信标台的磁方位角，在空中给飞机 提示飞机方向，以引导飞机沿着预定的航线飞行，在现代飞机上，可以预先吧沿着航线的各个 VOR 地面台的位置、发射频率、应飞的航 线等 逐项输入飞机管理系统或自动飞行系统，在计算机的控制下，飞机就按输入的数据自动飞行，并最终到达目的地。该系统通常用于 航路导航，也可在机场用于引导飞机归航和非精密进近。伏尔信标通常架设在某航路点或机场终端区域。伏尔信标从用途 上可分为航路伏尔和终端伏尔。航路伏尔（VOR-

11、C）台址通常选在附 近区域无障碍物的航路点上，如山的顶部，以尽量减少因地形效应引 起的测角误差。在一条“空中航路”上，根据航路的长短，规定的航 路宽度和伏尔系统的精度可以设置多个 VOR-C 台，每个 VOR-C 台可辐 射无限多的方位线或径向线作为预选航道，飞机沿着预选的航道可以 飞向或飞离 VOR-C 台，并指出飞机偏离航道的方向（左或右）和角度，实现飞机安全巡航。VOR-C 台还可以作为航路检查点，为实行交通管 制服务。终端伏尔（VOR-T）安装在机场跑道附近或跑道次着陆端中 线延长线上，引导飞机归航和进场着陆。第五章 地美仪系统 概述 地美仪是测距器（Distance Measurin

12、g Equipment,DME）英文缩写 的汉语译音名称。DME 系统是一种无线电测距导航系统，是目前民用 航空广泛运用的一种近程航空无线电导航系统。系统组成、功用与配置 DME 系统是询问-回答式脉冲测距系统，主要由设置在地面的应 答器和机上的询问其构成。DME 系统的功能是采用询问-回答式脉冲 测距方式，测量飞机相对于地面应答器所在位置的距离（斜距），用 于飞机提供距离导航信息。DME 系统的地面应答器架设在航路点或机场的已知地理位置，为 DME 机载设备提供测距应答信号，既可用于航路导航，也可以用于机 场终端区域的导航，为了某些特殊用途，DME 应答设备还可以安装在 大型军舰或大型飞机上

13、。第六章 塔康系统 概述 塔康是战术空中导航（Tactical Air Navigation）引文缩写 TACAN 的汉语译音名称。由于该系统的有效作用距离在近程范围内，且只用 于航空导航，所以又称为航空近程导航系统。系统组成、功用与配置 塔康系统组成一般包括两大基本设备，即塔康信标和机载设备。完善 的塔康系统配置除信标和机载设备外，还配有信标监测器，信标模拟 器和塔康指示控制设备等。塔康信标以旋转天线方向性图的形式向作 用空域发射无线电信号，为安装塔康机载设备的飞机提供方位测量信 息，同时作为测距应答机，接受并回答机载设备发来的测距询问信号。塔康机载设备接受塔康信标发射的方位信号，实现方位角

14、的测量，同 时作为测距询问机发射和接受测距信号，实现距离数据测量，所测得 的距离和方位数据既可以通过机载设备指示器直观显示，也可以通过 导航计算机计算获得位置坐标数据，供显示或助航。塔康信标监测器是用于监视和测量塔康信标主要性能指标的配 套设施，是保证信标可靠工作的重要专用仪器组合；塔康信标模拟器 是检查、测试和校准塔康机载设备主要性能指标的专用设备，它模拟 产生塔康信标发射的方位信号和距离回答信号等，并准确提供方位距 离射频信号电平等数据，方位和距离变化率，具有完善的测试和控制 功能；塔康指示控制设备，有时也称为塔康机载设备测试仪，它是测 试塔康机载设备收/发主机的必备配套设备，能为测试塔康

15、机载设备 提供指示控制等全套从属部件及适当的接口，可以方便与塔康信标模 拟器配合，对机载设备主机进行全面测试。塔康系统的功能是为飞机提供方位角和距离导航信息实现为飞 机指向极坐标定位，可用于建立航线、归航、空中战术机动和作为位 置坐标传感器。塔康信标通常架设在机场或航路点的已知地理位置，为塔康机载 设备提供方位信号及测距应答信号。，所以常称为塔康地面信标（或 塔康地面设备）。为了某些特殊用途塔康信标还可装在大型军舰、大 型飞机上，称为舰载塔康信标、机载塔康信标。第七章 俄制近程导航系统 概述 俄制近程导航系统勒斯波恩系统的重要组成部分，该系统除具有塔康 系统的极坐标定位功能外，还有地面监视和进

16、场着陆引导以及空/空 相对导航等功能，是一个多功能综合导航系统。系统组成、功用和配置 俄制近程导航系统组成与塔康系统类似，也是由地面设备和机载设备 两大部分构成，完善的系统配置还包括地面设备模拟器和机载指示控 制设备等。地面设备及其附属设备构成台站，通常称为俄制近程导航 台。俄制近程导航系统机载设备也是勒斯波恩系统机载设备的重要组 成部分。勒斯波恩系统机载设备是一部极坐标定位功能机载设备和地 面监视功能机载应答器以及俄制仪表着陆功能的机载设备，空/空导 航定位功能的机载设备多合一的综合体，是一个比较复杂的机载多功 能系统，不仅具有复合显示器，还和其他导航系统有接口关系，可进 行程序控制。机载综

17、合设备的基本功能包括：与俄制近程导航地面 1 2 设备配合实施区域导航；与俄制仪表着陆航向、下滑信标及测距 3 应答器配合引导飞机精密进近着陆；实现飞机之间的相对导航。可见，这个机载综合设备具有一机多用的能力，是机上电子设备综合 的一个典型应用范例。俄制近程导航系统主要具有三大功能：一是极坐标定位功能。该功能类似于塔康正常工作模式的极坐标定位功能，在这种工作方式 下，飞机利用已知地面台进行主动测距、测向和台识别，实现极坐标 定位。二是地面监视功能。该功能相当于地面监视二次雷达，即俄制 近程导航系统可以再地面通过平面位置显示器（PPI）显示飞机相对 台站的位置，并可识别飞机，这一功能是塔康系统所

18、不具备的。三是 空/空相对导航功能，及飞机与飞机之间能够进行相对导航定位。俄 制近程导航系统地面设备如同塔康信标一样，一般配置在机场或航路 点。第八章 罗兰罗兰-C 系统 概述 罗兰一词是英文“远程导航”（Long Range Navigation，LORAN）词头缩写的译音。罗兰C 系统是由美国最先研制使用的双曲线远程 无线电导航系统，由用户设备直接导出位置等导航参量，属于陆基、低频、中远程、主动精密无线电导航系统。系统组成、功用与配置 罗兰C 系统主要由地面设备和用户设备两部分组成。地面设备 包括发射台链、工作区监测站和台链控制中心。发射台链是由一组发 射台形成的网络，用于向用户提供无线电

19、导航信号；工作区监测站和 台链控制中心用于监视和控制系统的工作情况与信号质量，使其满足 系统的要求。用户设备包括各种类型的接收机，接受来自发射台的导 航信号，进而获取位置和信号与其他导航信息。罗兰C 系统利用沿地波传播的中长波信号，通过测量来自两个 基台的无线电信号相位差获取两基台的距离差，从而获得以两基台为 焦点的双曲线，得到两条这样的双曲线就实现了双曲线相交定位。罗 兰C 系统信号覆盖区可深达水下，不仅可用于船舰、飞机、车辆等 导航和定位，也可以用于水下潜艇的导航和定位。罗兰C 系统同一发射台链中的发射台组具有共同的时间基准并 位于同一地理区域。为了实现用户的定位，一个发射台链至少由三个

20、发射台组成，其中一个发射台称为主台，其余的各台称为副台。通常 主台都用英文大写字母“M”表示，副台用大写字母“W”“X”“Y”、“Z”等表示，台链中副台的数量一般不超过 5 个。台链中个发射台 之间位置相互关系，包括发射台之间的距离和方位，称作台链的配置。台链配置形状取决于主要感兴趣的服务区域。为了使得在感兴趣的那 些区域具有标胶好的位置先交角和较高的信噪比，从而得到较高的定 位精度，常见的台链配置有三角形，Y 形和星形三种。第九章 卫星导航系统 卫星导航系统是以人造卫星作为导航台的天基无线电导航系统，能为 全球陆、海、空、天的各类军民载体提供的全天候，24 小时连续高 精度的三维位置，速度和

21、精密时间信息。与地基无线电导航系统相比，由于卫星导航系统具有收外界条件限制较小、导航定位精度高等优 点，因而得到了迅速的发展。特别全球定位系统的发展和应用范围不 断扩大，使传统的地基无线电导航系统受到了被替代的威胁。全球定位系统 研究人员在对人造卫星所发射的无线电信号进行监听时发现，当地面 接收站的位置一定时，在卫星通过地面接收站视野的时间内，所接受 的信号的多普勒频移曲线与卫星轨道有一一对应的关系。这意味着固 定于地面的接收站只要测得卫星通过其视野期间的多普勒频移曲线，就可以确定卫星的轨道。反过来，若卫星运行轨道是已知的，那么根 据接受站测得的多普勒频移曲线，便能确定接收站在地面的位置。于

22、是研究人员提出了研制卫星导航系统的建议。系统组成、功用与配置 全球定位系统（GPS）是至今为止世界最具有代表性的卫星导航系统。卫星导航系统通常是由卫星组成的空间部分，监测站和控制站组成的 控制部分及各种类型用户接收机组成的用户部分三大部分构成。1.空间部分 GPS 星座有 24 颗工作卫星组成，军分布在 6 个倾角为 55的轨道上，每个轨道有四颗卫星，此外，四颗有源备份卫星在轨运行。卫星运行 在地球表面以上约 20230km 的近圆轨道，运行周期为 12h。这种由多 颗卫星组成的星座，可在全天任何时间为地球任何地方提供 4-8 颗仰 角在 15以上的同时可观测卫星。如果将遮蔽仰角（在此角度之上

23、 的卫星才能被用户观测）降到 10,最多颗观测到 10 颗卫星；若将 遮蔽仰角进一步下降到 5，那么最多可同时见到 12 颗卫星。2.控制部分 GPS 控制部分由一个主控站、个全球监测站和三个地面控制站组成，5 主要任务是跟踪所有的卫星以进行轨道和时钟测定、预测修正模型参 数、同步卫星时间和为卫星加载数据电文等。（1）主控站 主控站从各监测站收集对卫星的跟踪数据，计算卫星的轨道和时钟 参数，然后，将这些结果送到 3 个地面控制站中，以便最终向卫星加 载数据。此外，主控站还担负对卫星的控制和系统运行管理等任务。（2）监测站 监测站均配装有精密的绝钟和能够连续测量到所有可见卫星伪距的 接收机。所测

24、伪距每 更新一次，利用电离层和气象数据，15min 每 进行一次数据平滑，然后发送给主控站。（3）地面控制站 地面控制站有时也称作地面天线(GA)。地面控制站与卫星之间有通 信联络，主要有地面天线组成。由主控站传来的卫星星历和时钟参数 以 S 波形射频链上行注入到各个卫星，上行注入每天一次或两次。如 果某地面站发生故障，那么在各卫星中预存的导航信息还可用一段时 间，但导航精度却会逐渐降低。3.用户部分 用户设备用于卫星信号的捕获、信号处理、数据调节、坐标转换、导 航计算、人/机接口等工作。现已为 GPS 的用户研制出多种类型的接 收机，从最简单的单通道便携式接收机到性能完善的多通道接收机。不同

25、类型和不同结构的接收机适应于不同的精度要求，不同的载体运 动特性和不同的抗干扰环境。一次定位时间也从几秒钟至几分钟不 等，这取决于接收设备的结构完善程度。尽管各种类型的接收机的结 构复杂程度不同，但必须完成下列基本功能：选择卫星、捕获信号、跟踪和测量导航信号，校正传播效应，计算导航解，显示及传输定位 信息。第十章 自主无线电导航系统 自主无线电导航系统是一种不需要运行体之外的设备配合，由用户自 主完成导航任务而独立配备的无线电设备或与其他设备的组合。多普 勒导航系统和无线电高度表等都是典型的航空自主无线电导航系统 自主无线电导航系统因其具有的不依赖外部设施、能够主动完成导航 任务的特性，使其具

26、有了隐蔽导航、远程使用等优越能力，从而在军 事领域有着广泛的应用。多普勒导航系统 多普勒导航系统作为频率测速推算导航系统，它能连续地输出飞机相 对于某航路点的位置，是一种基于多普勒效应的自主式无线电导航系 统。系统的基本测量部件是多普勒雷达、通过测量载体的运动过程中 发射到地面并反射回来的信号频率偏移或变化，计算出地速和偏流 角，并在航姿系统的辅助下完成飞机位置的推算功能。由于可以提供 精确地地速测量，多普勒导航广泛应用于飞机的导航定位，使许多军 用、民用飞机自主远程导航的必选设备之一。系统组成与功用 多普勒导航系统以多普勒效应为基础，采用频率测速基本原理，可自 动连续地测量雷达载机相对地面运

27、动的地速和偏流角，进行导航参数 计算，是一种用推算法定位的自主无线电导航系统。多普勒导航系统由多普勒雷达、航姿系统、导航计算机、显示控 制装置等组成。其中航姿系统包括航向姿态基准、陀螺磁罗盘或惯性 平台，负责提供航向信息。多普勒雷达是多普勒导航系统的核心测量部件，它由工作频率在 的收发机和多个天线组成，通过发射并 回波信号，测量各个天线波束上首发信号之间的频率偏移，解算出载体坐标系中 三个轴向的速度分量 vx,vy,vz。这三个速度分量是对飞机坐标系来说 的，但在推算法导航中应求的三个速度分量应以地平坐标为基准，而 多普勒雷达本身不能提供坐标转换的信息。一个简单的解决办法是将 天线在飞机前后纵

28、倾和左右滚动时稳定起来，即当飞机姿态变化时，天线纵轴总是指向飞机的航迹方向，实现“航迹稳定”，在这种情况 下相对地平坐标速度分别等于载体坐标系中各轴向的速度，这时天线 相对飞机是可动的，称为“可动天线系统”多普勒雷达。而对于“固 定天线系统”的多普勒雷达，其天线系统固定在飞机上。飞机坐标速 度分量与地平坐标速度分量是不相等的，必须引入航姿系统的角度信 息进行坐标转换，即利用飞机的纵向俯仰角，横滚角，航向角进行换 算。导航计算机就负责将雷达测量的载体坐标系中的速度分量转换到 地平坐标系，并根据给定的起飞点地理坐标值，完成推算导航定位 任务。导航计算机输出的导航信息以及飞行控制数据送往指示器或直 接送给自动驾驶仪，实现导航及飞行控制。