飞行器制造无线电测距原理.doc

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1、北京理工大学珠海学院 2020届本科生毕业论文北京理工大学珠海学院毕业设计（论文）学 院 航空学院专 业：姓 名：指导老师：飞行器制造工程刘子昂学 号：职 称：163701101380李长伟副教授中国珠海二二 年 五 月诚信承诺书本人郑重承诺：我所呈交的毕业论文无线电测距原理是在指导教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，论文使用的数据真实可靠。承诺人签名： 日期： 2020 年 5 月 日 无线电测距原理摘要作为无线电导航的基本任务之一，无线电测距有着非常广泛的应用，很多应用场景都需要有很高的测距和定位精度。它具有测距定位精度高的特点,所

2、以测量系统误差是影响测距精度的重要因素。近些年，无线电测距已经不仅是军事上不可缺少的一部分，更是被广泛地被使用在国民经济的各个领域中。随着无线电测距应用的迅速发展，其对与探测范围、精度和对周围环境的抵抗能力的要求越来越高。为了深入学习无线电测距，详细了解测距系统组成和原理是基础也是关键所在。关键词： 无线电测距；塔康；测距器 Abstract Radio ranging is one of the basic tasks of radio navigation, which has a very wide range of applications, there are many applic

3、ation scenarios which need a high ranging and positioning accuracy. Radio ranging has the characteristics of high ranging and positioning accuracy, so the measurement system error is an important factor affecting the ranging accuracy. With the rapid development of the application of radio ranging, i

4、t need a higher requirement of detection range, accuracy and resistance to the surrounding environment. We have to understand the composition and principle of the ranging system In order to learn more about radio ranging. Keywords: Radio ranging; Tacan; Rangefinder 目 录摘要IAbstractII一、本论11. 无线电测距概述12.

5、 测距基本原理21) 频率无线电测距原理 22) 相位无线电测距原理 43) 脉冲无线电测距原理 83. 塔康系统91) 塔康系统概述 92) 塔康系统基本构成 103) 塔康系统测距过程 104. 测距器测距系统 121) 测距器系统概述 122) 测距器系统基本构成 123) 测距器系统基本构成 125. 远距测距系统 131) 远距导航概述 132) 双曲线测距系统 133) 罗兰导航系统 15二、结论.17参考文献18致谢19 一 无线电测距概述航空无线电测距，即用无线的方法测定飞机距地面或空中某一定目标的直线距离，或测定飞机距离地面的真实距离。作为无线电导航的基本任务之一，无线电导航

6、测距被广泛地应用各种无线电导航设备和系统中。无线电测距方法可以用于单独的设备或系统，以解决某一规定的导航任务，也可以作为雷达系统、-综合导航系统、双曲线导航系统的技术基础，在航空无线电导航中占有重要的地位。无线电测距在航空导航方面的作用按其主要目的可分为：测高、定位、空中管制、测距。无线电测距的分类方式有以下几种：（一）按电波在传播的路径分类1.双程测距：电波在所测距离上往返一次，即电波经由了双路程或双倍所测距离2.单程测距：电波在所测距离上只传播一次，即经由了一个单路程（二） 按电信号体制分类1. 脉冲式测距：利用脉冲信号或其编码来测电波从一点到另一点的传播延时，从而算得两点之间的距离2.

7、频率式测距：利用时变频率源的频率随时间变化的特定函数关系f（t）和电波从一点到另一点传播期间该频率源的频率变化量f（t）来测量两点间的距离3. 相位式测距：利用电信号从一点到另一点的传播期间的相位延迟来测量两点距离4. 码相关测距：利用相关特性优良的伪码序列从一点到另一点的码序列延迟相关测量来测量两点之间距离20二 测距基本原理2.1调频无线电测距原理调频测距系统的基本方块图如图2-1所示超高频振荡器调频级基准振荡器频率计低频放大器差拍检波器目标R图2-1 调频测距系统方块图以最基本的正弦余弦为例，研究直达波调频信号与反射波调频信号经差拍检波后的差拍电压频率与被检距离R的关系，求出变换部分的比

8、例尺。假设发射机的中心频率为f0，基准振荡器的频率为F（=2F）,调频的最大频率偏移为f，则发射调频信号的瞬时频率为 =cost反射信号的频率为： =cos(t-)式中，反射信号比直达信号在时间上滞后=。将其加入差拍检波器取得直达信号与反射信号检波器检波，输出差拍电压的瞬时频率为：=+cost-cos(t-) =cost(1-cost)-sint*sin大部分情况下取T ，T为调制周期，表示差频。因此=(/T)飞机速度，故可以认为信号的传播往返路程相等）到达机载设备天线进入接收机，这时终止计时并换算出距离，图3-1 塔康测距原理示意图 图3-1为塔康测距原理示意图。假设测距电路从发出询问到接收

9、回答，测得的总延时为,信号在距离R内的单程传播时间为,系统固定时延时（从信标台接收到询问信号到发出回答信号）为，可得以下： 总延时 =被测距离 =式中，c为电波在空间中的传播速度，取，信标台的固定延时为已知，只要测得询问脉冲和应答脉冲之间的总延时,便可计算出飞机到地面信标台的距离。由于飞机飞行时离地球表面有一定高度，因此机载设备测得飞机离信标台的距离是斜距。在远距离区域（飞行高度斜距时），可将近似认为飞机在地面上的投影点与信标台的距离。四 测距器测距系统4.1 测距器系统概述测距器系统简称DME(Distance Measure Equipment),DME也是采用“询问/回答”（二次雷达）式

10、脉冲测距方式，与塔康的原理非常相似。测距器的发展伴随着第二次世界大战中雷达的出现，但没有被广泛使用，国际民航组织在1959年才接纳了和塔康兼容的测距器，基本可以将其理解为塔康的民用版本。4.2测距器的组成测距器系统的也分别由地面设备和机载设备组成，地面设备有接收机、发射机、信号处理器和天线；机载设备有询问发生器、接收机、发射机、天线和距离计数器。4.3测距器工作原理 在测距器系统中，飞机上装备的测距设备会向所有方向发送一系列的双脉冲。假设飞机在测距器系统信标站的工作范围内，信标站就能接收到来自飞机的测距器询问脉冲信号，经处理后信标站再将应答信号发射粗去。由于飞机和信标站都不知道彼此的方位，信号

11、是向所有方向发射的。飞机发射的信号经信标站再次发射，再次被飞机接收，依靠发射和接受信号的时间差，就能算出飞机与信标站的斜距。以上所述的只是基本工作原理，属于理想状况，而实际工作并不如此简单。理想情况的公式为其中R是被测距离，c为电波传播速度，为发收时间总间隔，为固定延时。其原理与塔康相同。五 远距测距系统5.1概述远距导航系统中，目前最广为应用的是罗兰-C和奥米茄系统，罗兰（，），当时原意是远距离导航。由于现在已出现奥米加系统，所以现在它只能算是一种中距离导航系统。奥米茄（）系统是一种准确度较高的双曲线导航系统，他在甚低频频段工作，传播距离远且传播时相位较稳定。这两种系统都是双曲线导航系统，双

12、曲线导航的原理是测定航行体到两个导航台的距离之差得到距离差位置线。这用距离差位置线来确定航行位置的方法，称作测距差导航。因为距离差位置线为双曲线，所以又称为双曲线测距法。5.2双曲线导航系统(1)距离差位置线如下图5-1，M、S分别是两个导航台，其中M是主台，S是副台，P是航行体的位置。分别设P点到M与S两点的距离为和,则P点到M和S两点的距离差为=。当P点靠近M台时，为正；P点靠近S台时，为负。 导航台M和S两点的连接线称为基线，基线的垂直平分线称为中线，中线上各个点到M与S的距离相等，因此距离差=0，中线是一条特殊的双曲线。图5-1 测距差示意图在直角坐标系中，在平面上的双曲线位置线的方程

13、式可写成： 式中，x、y为飞机当时坐标；d为M、S信标台之间的距离，通常称为基线；为飞机瞬时位置P点与M、S信标台间的差值。(2)测距差系统的组成图5-2为测距差系统的组成框架图5-2 测距差系统组成框架(3)测量距差的方法本文使用的方式是最常用的脉冲法，即测定两个导航台发送的脉冲信号到达行形体的时间间隔，来表达相应的距离差值。方法如下图5-3：图5-3测距差原理M和S两个导航台，在时同时发射脉冲信号，在和时，两脉冲先后到达航行所在的P点处。P点与M、S两点的距离差和脉冲到达的时间差之间的关系可由以下式子表示：=式中c为电波传播速度，；脉冲到达时间差=。5.3罗兰导航系统(1)罗兰系统组成这里

14、以最新应用范围最广的罗兰-C系统为例。罗兰-C系统的基本组成分为四大部分：地面设施、用户设备、传播媒介和应用方法。其中，地面设施包括形成台链的一组发射台，工作区监测站和台链控制中心。一个台链由若干个发射台组成，对于双曲线定位体制的台链，它至少应包括三个发射台。对于圆定位体制的台链，它至少应包括两个发射台。用户设备指各种导航接收机，用户利用它们可以接收来自发射台的导航信号，进而获取他们所需要的各种定位和导航信息。(2)罗兰系统原理罗兰-C是双曲线无线电导航系统，它的基本工作原理和双曲线测距差相似，在工作区某点接收同一罗兰-C台链两个发射台的信号到达的时间差，利用电波传播速度稳定的原理，时间差可以

15、转换为距离差。具有相同距离差的点的轨迹是以发射台为焦点的一条双曲线，如果能获取两条相交的双曲线，则其交点就是要确定的位置。罗兰-C系统的发射台链是指一组发射台形成的网络，这些发射台具有共同的时间基准并位于同一地理区域。至少要有3个发射台才能组成一个双曲线台链，台链中的一个发射台定做主台，其余各台称副台。主台和每个副台都组成个台对，台链中副台的数量一般不超过5个。主台一般都用英文大写字母“M”表示，副台则用大写字母“W”、“X”、“Y”、“Z”等表示。台链中各发射台之间位置的相互关系，包括发射台间的距离和方位，称作台链的配置。常见的台链配置有三角形、Y形和星形三种，见图5-4。三角形的台链配置是

16、最简单的一种，也叫做个台组。在Y形和星形配置中，一个台链包含了若干个台组。例如，在图中，Y型配置台链含XMY、YMZ以及ZMX总计三个台组。图5-4 台链配置示意图基线指同一台链两个发射台之间的测地连线，近似等于两个发射台之间的大圆距离。基线用所连两个发射台的名称或字母来标识。例如，连接主台M和副台X的基线称XM基线。基线长度可以用海里（n mile）或公里（km）等长度单位表示，也可以用无线电信号传输过该基线所需要的时间来表示，这时基线长度也称基线电长度，常用的时间单位是微秒（）。总结随着电子科技和空间科技的不断发展完善，无线电导航已从路基发展到空基和星基，从单一的功能和系统的导航发展到多功

17、能多系统组合的导航，作用距离也越来越远并覆盖全球范围，其导航精度由粗到精，其应用也越来越广，已经成为军事上乃至于国民生活中不可缺少的一部分。作为无线电导航的重要一环，无线电测距既有其自身的特点，也常常与导航系统的其他系统合作无间。在如今，科技发展迅速，技术不应该总原地踏步。总是在某一关键技术被突破后，无线电测距系统就会飞速发展。或者根据客观需求来拟订一种新的测距系统方案，要求必须解决某些关键的技术问题，否则难以实现无线电测距系统的进步。因此必须了解无线电测距的种类、学习测距相关原理，以实现新技术的突破。参考文献 、干国强，邱致和.导航与定位.国防工业出版社.2004 2、袁信,俞济祥,陈哲导航

18、系统.北京：航空工业出版社，1993 3、张忠兴,李晓明,张景伟,金伟编,无线电导航理论与系统.西安:陕西科学技术出版社，1998 4、高宪军主编 航空无线电导航系统 吉林科技技术出版社 2007 5、张东平，无线电导航原理M，空军第二航空学院 1995年版。 6、朱新宇 民航飞机电气仪表及通信系统.西南交通大学出版 2009 7、周志雄：无线电导航原理，空军工程学院8、JayoneEdrasomGuo ，TACAN 塔康9、何世彪，孙宝刚，张力：一种提高无线电测距定位精度的有效办法.重庆人文科技学院 计算机工程学院 201910、吴振学主编.航空无线电导航系统.中国人民解放军海军航空部队.1997谢 辞走的最快的总是时间，来不及感叹，大学生活已近尾声，四年多的努力与付出，随着本次论文的完成，将要划下完美的句号。本论文设计在李长伟老师的悉心指导和严格要求下业已完成，从课题选择到具体的写作过程，论文初稿与定稿无不凝聚着李长伟老师的心血和汗水，在我的毕业设计期间，老师为我论文的指导有着启蒙的意义，我的论文稿无论在内容还是格式方面都有翻天覆地的变化。