導航基本的原理和系統(tǒng)簡介

1、導航基本的原理和系統(tǒng)簡介第1章 無線電導航基本理論1.1 無線電導航的定義與任務(wù)1.2 無線電導航的發(fā)展簡史和發(fā)展趨勢1.3 導航的分類1.4 無線電導航系統(tǒng)的分類1.5 無線電導航系統(tǒng)的布局Navigation Principles and Systems1.6 無線電導航實現(xiàn)的基礎(chǔ)1.7 無線電導航信號的傳播方式1.8 無線電導航系統(tǒng)的技術(shù)指標中國民航大學 CAUC1.1 無線電導航的定義與任務(wù)一、導航與無線電導航的定義 在各種復雜的氣象條件下，采用最有效的方法并以規(guī)定的RNP（所需導航性能）引導航行體（飛機、導彈、宇宙飛船、船舶、車輛等）以及個人從出發(fā)點到目的地的過程稱為導航。 無線電導

2、航指利用無線電技術(shù)實現(xiàn)的對航行體的導航。 用以實現(xiàn)無線電導航的裝置即為無線電導航系統(tǒng)。中國民航大學 CAUC二、無線電導航的任務(wù) 1） 引導航行體飛離航線起點，進入并沿預定航線航行； 2） 引導航行體在夜間和各種復雜氣象條件下安全著陸或進港； 3） 為航行體準確、安全完成航行任務(wù)提供所需的其他導引及情報咨詢服務(wù)； 4） 確定航行體當前所處的位置及其航行參數(shù)（速度、加速度等）。1.1 無線電導航的定義與任務(wù)中國民航大學 CAUC1.2 無線電導航的發(fā)展簡史和發(fā)展趨勢一、第一階段（從20世紀初至二戰(zhàn)前） 自動定向機（ADF）無方向信標（NDB） 儀表著陸系統(tǒng)（ILS） 無線電高度表（LRRA） 四

3、航道信標 扇形無線電信標中國民航大學 CAUC二、第二階段（從二戰(zhàn)至20世紀60年代初）（1）1. 臺卡系統(tǒng)（DECCA）主要用于航海；英國臺卡導航儀公司研制；1937年提出，1944年研制成功；1954年開始普及（在歐洲應(yīng)用最為廣泛）；隨著羅蘭C的建設(shè)和發(fā)展，臺卡用戶逐漸減少。1.2 無線電導航的發(fā)展簡史和發(fā)展趨勢中國民航大學 CAUC1.2 無線電導航的發(fā)展簡史和發(fā)展趨勢二、第二階段（從二戰(zhàn)至20世紀60年代初）（2）2. 羅蘭系統(tǒng)（LORAN）主要用于航海，美國研制；羅蘭A，羅蘭-C；羅蘭A 1945年投入使用，上世紀80年代停用；羅蘭C 1957年建成，1960年以后得到大力發(fā)展；羅蘭

4、C目前還在使用。中國民航大學 CAUC1.2 無線電導航的發(fā)展簡史和發(fā)展趨勢二、第二階段（從二戰(zhàn)至20世紀60年代初）（3）3.奧米伽系統(tǒng)（OMEGA）用于航空與航海，美國研制；1947年設(shè)計，1975年在部分區(qū)域開始工作，1982年完成全部的建臺工作；1997年奧米伽系統(tǒng)宣布關(guān)閉。中國民航大學 CAUC1.2 無線電導航的發(fā)展簡史和發(fā)展趨勢二、第二階段（從二戰(zhàn)至20世紀60年代初）（4）自主式航空導航系統(tǒng)；1945年開始發(fā)展；20世紀5070年代得到了廣泛的應(yīng)用。中國民航大學 CAUC1.2 無線電導航的發(fā)展簡史和發(fā)展趨勢二、第二階段（從二戰(zhàn)至20世紀60年代初）（5）5.甚高頻全向信標（V

5、OR）非常重要的民航測角導航系統(tǒng)，美國研制；1946年VOR成為美國標準航空導航系統(tǒng)；1949年被ICAO批準為國際標準航空導航系統(tǒng)；20世紀60年代，聯(lián)邦德國研制成功多普勒VOR（DVOR）。中國民航大學 CAUC1.2 無線電導航的發(fā)展簡史和發(fā)展趨勢二、第二階段（從二戰(zhàn)至20世紀60年代初）（6）6.測距機（DME）非常重要的民航測距導航系統(tǒng)，英國研制；DME是在二戰(zhàn)中隨著雷達的發(fā)展而出現(xiàn)的；1949年被ICAO批準為國際標準航空導航系統(tǒng)；精密DME（DME/P）是微波著陸系統(tǒng)（MLS）的組成設(shè)備。對于民用航空，DME/P可與下滑臺（GS）合裝在一起，為飛機提供精確的距離信息。中國民航大學

6、 CAUC1.2 無線電導航的發(fā)展簡史和發(fā)展趨勢二、第二階段（從二戰(zhàn)至20世紀60年代初）（7）7.戰(zhàn)術(shù)空中導航系統(tǒng)塔康（TACAN）軍用測距測角系統(tǒng)，美國海軍1955年研制；TACAN在功能上相當于民航的VOR和DME；TACAN臺安裝在航母或地面上，可為飛機同時提供距地面臺（航母）的方位和距離信息；TACAN系統(tǒng)體積小，便于機動，在軍事上得到了廣泛應(yīng)用。中國民航大學 CAUC1.2 無線電導航的發(fā)展簡史和發(fā)展趨勢三、第三階段（從20世紀60年代中期至今） 1.廣泛采用數(shù)字技術(shù)和計算機技術(shù)，提高已有的性能優(yōu)良的導航系統(tǒng)的數(shù)字化程度，提高其導航性能，并使系統(tǒng)具備故障診斷能力。 2.發(fā)展組合導航

7、系統(tǒng)，如INS/GNSS組合系統(tǒng)。 3.研制新的更先進的導航系統(tǒng)，如MLS、GPS、GLONASS、GALILEO、北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)。 4.衛(wèi)星導航系統(tǒng)的增強技術(shù)，如陸基增強系統(tǒng)（GBAS）、星基增強系統(tǒng)（SBAS）、飛機增強系統(tǒng)（ABAS）。中國民航大學 CAUC一、觀測導航1.定義：利用肉眼或觀測儀器經(jīng)常地或連續(xù)地對所熟悉地地物進行觀測，來確定運動體的位置和運動方向 。1.3 導航的分類2.舉例：目視導航3.特點：簡單可靠，誤差大，受氣候及環(huán)境條件影響大。中國民航大學 CAUC1.3 導航的分類二、推算導航1.定義：根據(jù)運動體在該點的航向、航速和時間，從過去已知的位置來推算當前的位置，或預

8、測將來的位置 。2.舉例：慣性導航（INS）3.特點：為自主式導航，保密性強，不受氣候及環(huán)境影響，位置積累誤差隨航行時間越來越大。中國民航大學 CAUC1.3 導航的分類三、天體導航1.定義：通過觀測兩個以上星體的位置參數(shù)（如仰角），來確定觀察者在地球上的位置，從而引導運動體航行 。2.舉例：通過觀測兩顆星的仰角來確定航行體的位置。3.特點：為自主式導航，保密性強，定位精度高，受氣候及環(huán)境影響，定位時間較長，比較適合航海導航。中國民航大學 CAUC1.3 導航的分類四、無線電導航1.定義：利用運動體上的電子接收設(shè)備接收和處理無線電波來獲得導航參數(shù)，從而確定航行體的位置 。2.舉例：ADF-ND

9、B，VOR，DME，ILS，LRRA3.特點：不受時間、氣候的限制，定位精度高，定位時間短，容易受到干擾，保密性不強。 現(xiàn)代航空中，最基本、核心的導航手段是無線電導航。沒有無線電導航，就沒有現(xiàn)代航空！中國民航大學 CAUC一、常用無線電導航術(shù)語（1）1.4 無線電導航系統(tǒng)的分類1.有關(guān)角度NN電臺1234相對方位線1：飛機（磁）方位（角）2：電臺（磁）方位（角）3：電臺（磁）航向（角）/相對方位角4：飛機（磁）航向（角）中國民航大學 CAUC一、常用無線電導航術(shù)語（2）2.導航參數(shù)（1） 表示飛機位置與基準點（一般為導航臺）之間關(guān)系的一些參數(shù)，如飛機的磁方位、飛機離基準點的距離、飛機與兩個基準

10、點距離之差、飛機的高度、航向及航速等。NNABrArBBAh飛機方位: A， B距離差：r=rArB飛機高度: h1.4 無線電導航系統(tǒng)的分類距離：rA，rB中國民航大學 CAUC一、常用無線電導航術(shù)語（3）2.導航參數(shù)（2）無線電信號：e(t)=Emcos (t)= Emcos(t+0) 用無線電波的哪個參數(shù)與導航參數(shù)建立關(guān)系是導航的核心問題。1.4 無線電導航系統(tǒng)的分類導航參數(shù)飛機方位距離差r飛機高度h電參數(shù)Em (t)t建立一一對應(yīng)關(guān)系距離r中國民航大學 CAUC一、常用無線電導航術(shù)語（4）3.位置線（面）某一導航參數(shù)等于某一常數(shù)的點的集合。NNrAA=常數(shù)的點的集合r=常數(shù)的點的集合1

11、.4 無線電導航系統(tǒng)的分類中國民航大學 CAUC一、常用無線電導航術(shù)語（5）4.非自主式（他備式）導航系統(tǒng)包括航行體上的無線電導航系統(tǒng)和地面導航臺才可完成導航任務(wù)的導航系統(tǒng)。ADF-NDB，VOR，DME，ILS，MLS，GPS。5.自主式（自備式）導航系統(tǒng)只包括航行體上的無線電導航系統(tǒng)就能完成導航任務(wù)的導航系統(tǒng)。LRRA，INS（非無線電導航系統(tǒng)）。1.4 無線電導航系統(tǒng)的分類中國民航大學 CAUC一、常用無線電導航術(shù)語（6）6.導航臺 具有確定位置、輻射與導航參數(shù)有關(guān)的有規(guī)定信號格式的發(fā)射/接收處理系統(tǒng)。7.航跡 飛機重心在空間運動的軌跡。8.航線 飛機的航跡在地面的投影。1.4 無線電導

12、航系統(tǒng)的分類中國民航大學 CAUC一、常用無線電導航術(shù)語（7）9.大圓航線 沿著大圓弧線航行的航線稱為大圓航線。兩點之間的大圓弧線是這兩點之間的最短距離，故大圓航線有時又叫最經(jīng)濟航線。 無線電導航臺所給出的航線就是大圓航線。10.空速（VTAS） 飛機相對于它周圍空氣的運動速度。1.4 無線電導航系統(tǒng)的分類中國民航大學 CAUC一、常用無線電導航術(shù)語（8）11.地速（Vg） 飛機相對于地面的運動速度。Vg= VTAS + VW ， VW為風速。1.4 無線電導航系統(tǒng)的分類中國民航大學 CAUC二、無線電導航系統(tǒng)的分類（1）1.按所測量的電氣參量劃分振幅式無線電導航系統(tǒng)。（ADF-NDB，ILS

13、）相位式無線電導航系統(tǒng)。（VOR）頻率式無線電導航系統(tǒng)。（LRRA）脈沖（時間）式無線電導航系統(tǒng)。（DME）復合無線電導航系統(tǒng)。（TACAN）1.4 無線電導航系統(tǒng)的分類中國民航大學 CAUC二、無線電導航系統(tǒng)的分類（2）2.按所測量的導航參數(shù)劃分測角無線電導航系統(tǒng)。（ADF-NDB，VOR，ILS）測距無線電導航系統(tǒng)。（DME，LRRA）測距差無線電導航系統(tǒng)。（OMEGA）測距、測角無線電導航系統(tǒng)。（TACAN）1.4 無線電導航系統(tǒng)的分類中國民航大學 CAUC二、無線電導航系統(tǒng)的分類（3）3.按有效作用距離劃分近程導航系統(tǒng)：有效作用距離在500km之內(nèi)。（ADF-NDB，VOR，DME，I

14、LS，LRRA）遠程導航系統(tǒng)：有效作用距離大于500km。（OMEGA）4.按系統(tǒng)中機載設(shè)備獨立情況劃分自主式無線電導航系統(tǒng)。（LRRA）非自主式無線電導航系統(tǒng)。（ ADF-NDB，VOR，DME，ILS， LRRA）1.4 無線電導航系統(tǒng)的分類中國民航大學 CAUC二、無線電導航系統(tǒng)的分類（3）5.按導航臺的安裝地點劃分陸基無線電導航系統(tǒng)。（ADF-NDB，VOR，DME，ILS）星基無線電導航系統(tǒng)（GPS，GLONASS，GALILEO，北斗）6.根據(jù)飛機的飛行階段劃分航路導航系統(tǒng)。終端區(qū)導航系統(tǒng)。1.4 無線電導航系統(tǒng)的分類中國民航大學 CAUC7.按工作方式劃分二、無線電導航系統(tǒng)的分類

15、（4）有源工作方式導航系統(tǒng)。（DME）無源工作方式導航系統(tǒng)。（ ADF-NDB，VOR，ILS ）1.4 無線電導航系統(tǒng)的分類中國民航大學 CAUC1.5 無線電導航系統(tǒng)的布局中國民航大學 CAUC一、地面無線電導航系統(tǒng)的布局（1）1. 航路上的導航系統(tǒng)（導航臺）1.5 無線電導航系統(tǒng)的布局 NDB，VOR，DME地理坐標（經(jīng)度，緯度）工作頻率識別碼（沒有識別碼，就沒有地面信標！）工作時間中國民航大學 CAUC1.5 無線電導航系統(tǒng)的布局一、地面無線電導航系統(tǒng)的布局（2）2. 終端區(qū)導航系統(tǒng)引進系統(tǒng)：ADF-NDB，VOR，DME著陸系統(tǒng)：ILS，MLS，GBAS中國民航大學 CAUC1.5

16、無線電導航系統(tǒng)的布局二、機載無線電導航系統(tǒng)的布局（1）中國民航大學 CAUC1.5 無線電導航系統(tǒng)的布局二、機載無線電導航系統(tǒng)的布局（2）中國民航大學 CAUC1.6 無線電導航實現(xiàn)的基礎(chǔ)一、無線電導航的依據(jù)無線電導航的基本任務(wù)是：測距和測向1）在同一介質(zhì)中，無線電波按直線傳播；2）在同一介質(zhì)中，無線電波的傳播速度為常數(shù)；3）無線電波具有反射性。 無線電波的上述3個基本特性為測距和測角奠定了基礎(chǔ)。中國民航大學 CAUC1.6 無線電導航實現(xiàn)的基礎(chǔ)二、無線電導航的定位方法（1）1. 定位NNABBAMLALB 飛機離導航臺的距離越遠，由測角誤差導致的飛機位置誤差將迅速增大。中國民航大學 CAUC

17、1.6 無線電導航實現(xiàn)的基礎(chǔ)二、無線電導航的定位方法（2）2. 定位NABMCrArBrCLALBLC 飛機離導航臺的距離越遠，由測距誤差導致的飛機位置誤差的增大比 定位法的小。中國民航大學 CAUC1.6 無線電導航實現(xiàn)的基礎(chǔ)二、無線電導航的定位方法（3）3. 定位NMLALBVOR/DME 定位誤差介于 定位法與 定位法之間。中國民航大學 CAUC1.6 無線電導航實現(xiàn)的基礎(chǔ)三、無線電導航定位方法的優(yōu)先級選擇 定位1. ICAO推薦的優(yōu)先級 定位 定位2. FAA推薦的優(yōu)先級 定位 定位 定位高低高低中國民航大學 CAUC1.6 無線電導航實現(xiàn)的基礎(chǔ)四、基本的定位系統(tǒng)導航參數(shù)，r，r導航T

18、x電參數(shù)Em(x)，(x) ，(x)，t(x)導航Rx位置線1定位位置線2導航參數(shù)，r，r地面部分機載部分基準坐標基準坐標中國民航大學 CAUC1.6 無線電導航實現(xiàn)的基礎(chǔ)五、機載導航系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)確定位置推算位置無線電導航傳感器慣性導航傳感器最佳位置估算位置速度下一航路點計算機距離，方位控制信號至顯示器至自動駕駛儀中國民航大學 CAUC1.7 無線電導航信號的傳播方式一、無線電頻段劃分及導航信號所占頻譜序號頻段名稱甚低頻（VLF）波段名稱330kHz12346785頻率范圍低頻（LF）中頻（MF）高頻（HF）甚高頻（VHF）超高頻（UHF）特高頻（SHF）極高頻（EHF）30300kHz30

19、0kHz3MHz3MHz30MHz30MHz300MHz300MHz3GHz330GHz30300GHz甚長波長波中波短波超短波分米波厘米波毫米波微波波段 如果把雷達納入導航之內(nèi)，則無線電導航信號幾乎占滿了這8個頻段。中國民航大學 CAUC1.7 無線電導航信號的傳播方式二、無線電波的傳播方式（1）1. 無線電波傳播的主要方式地波傳播天波傳播視距傳播波導模傳播磁層模傳播散射傳播中國民航大學 CAUC1.7 無線電導航信號的傳播方式二、無線電波的傳播方式（2）2. 地波傳播（1）Ground-wave propagation中國民航大學 CAUC1.7 無線電導航信號的傳播方式二、無線電波的傳播

20、方式（2）2. 地波傳播（2）傳播方式：沿地球表面?zhèn)鞑ミm合頻段：VLF，LF，MF特點：傳播距離較遠信號穩(wěn)定可靠定位精度較高輻射效率較低受雷電產(chǎn)生的大氣噪聲影響較大地波適合傳播導航信號導航系統(tǒng)：ADF-NDB，羅蘭A/C中國民航大學 CAUC1.7 無線電導航信號的傳播方式二、無線電波的傳播方式（3）3. 天波傳播（1）Ionospheric Propagation中國民航大學 CAUC1.7 無線電導航信號的傳播方式二、無線電波的傳播方式（4）3. 天波傳播（2）傳播方式：通過電離層反射傳播適合頻段：VLF，LF，MF，HF特點：傳播距離很遠信號極不穩(wěn)定既不能完成測距，也不能完成測向天波不適合傳播導航信號，而是一種干擾。中國民航大學 CAUC1.7 無線電導航信號的傳播方式二、無線電波的傳播方式（5）4. 視距傳播（1）Direct-wave propagation中國民航大學 CAUC1.7 無線電導航信號的傳播方式二、無線電波的傳播方式（6）4. 視距傳播（2）傳播方式：收發(fā)天線處在直視范圍內(nèi)，能相互“看見”的電波傳播。適合頻段：VHF及VHF以上特點：信號穩(wěn)定可靠，干擾源少輻射效率高，發(fā)射天線小可以產(chǎn)生很窄的脈沖及尖銳的方向性圖，故測距、測向的精度很高不能提供地平線以下