無線電導(dǎo)航系統(tǒng)（第2版）課件 第5、6章 地美儀系統(tǒng)、塔康系統(tǒng)

地美儀系統(tǒng)通信與導(dǎo)航專業(yè)系列教材無線電導(dǎo)航系統(tǒng)(第2版)第五章01概述地美儀是測距器（DistanceMeasuringEquipment，DME）英文縮寫的漢語音譯名稱。DME系統(tǒng)是一種無線電測距導(dǎo)航系統(tǒng)，是目前民用航空廣泛運用的一種近程無線電導(dǎo)航系統(tǒng)。概述系統(tǒng)組成、功能與配置DME系統(tǒng)的功能是采用詢問一回答式脈沖測距方式，測量飛機(jī)相對于地面應(yīng)答器所在位置的距離（斜距），用于為飛機(jī)提供距離導(dǎo)航信息。DME系統(tǒng)地面應(yīng)答器架設(shè)在航路點或機(jī)場的已知地理位置，為DME機(jī)載設(shè)備提供測距應(yīng)答信號，既可用于航路導(dǎo)航，也可用于機(jī)場終端區(qū)域的導(dǎo)航。為了某些特殊地面應(yīng)答器用途，DME系統(tǒng)應(yīng)答設(shè)備還可安裝在大型軍艦（如航空母艦、大型驅(qū)逐艦等）或大型飛機(jī)（如空中加油機(jī)）上。概述DME系統(tǒng)是詢問一回答式脈沖測距系統(tǒng)，主要由設(shè)置在地面的應(yīng)答器與機(jī)上的詢問器構(gòu)成，其系統(tǒng)組成如圖5-1所示。概述DME系統(tǒng)是在第二次世界大戰(zhàn)中隨著雷達(dá)的出現(xiàn)發(fā)展起來的。其中10頻/10碼測距系統(tǒng)在1952年被國際民航采納，但沒有得到廣泛應(yīng)用。與此同時，美國開發(fā)了塔康系統(tǒng)（一種近程戰(zhàn)術(shù)航空導(dǎo)航系統(tǒng)，將在第6章中進(jìn)行介紹）。系統(tǒng)應(yīng)用和發(fā)展概述（1）定位。DME系統(tǒng)提供的距離信息以自動飛行控制系統(tǒng)傳感器數(shù)據(jù)輸出形式送到飛行管理計算機(jī)系統(tǒng)（FMCS），與其他方位信息或多個距離信息聯(lián)合，用于飛機(jī)的精確定位。（2）航路間隔。為確保飛機(jī)的飛行安全，所有在航路飛行的飛機(jī)均必須按指定的高度層和一定的距離間隔飛行，這種航路上的間隔可利用DME系統(tǒng)提供的距離信息來保證。（3）進(jìn)近到機(jī)場。概述（4）避開保護(hù)空域。（5）在指定位置等待。駕駛員可根據(jù)航站DME系統(tǒng)所提供的距離信息，保持DME系統(tǒng)距離指示器讀數(shù)為常數(shù)，即作圓周飛行，以等待進(jìn)場著陸。（6）計算地速和到臺時間。依據(jù)測量的距離可獲得單位時間飛行走過的路程，從而獲得飛行的地速，并依據(jù)這個地速計算預(yù)計到達(dá)DME地面臺的時間。概述圖5-2DME系統(tǒng)在飛機(jī)導(dǎo)航中的應(yīng)用。概述DME系統(tǒng)工作頻率和波道的劃分見圖5-3。概述02系統(tǒng)工作原理無線電導(dǎo)航測距依據(jù)的是無線電波在均勻媒質(zhì)中傳播的勻速性和直線性，通過測量電波在空間的傳播時間（電波在空間的傳播速度已知近似為光速）就可實現(xiàn)對指定目標(biāo)的距離測量。距離測量一般有脈沖式、相位式、頻率式以及碼相關(guān)式等多種方式。測距原理系統(tǒng)工作原理DME系統(tǒng)的測距采用的是一種詢問/回答式脈沖測距技術(shù)，又稱二次雷達(dá)測距技術(shù)，這種技術(shù)是通過測量無線電脈沖信號在詢問器和應(yīng)答器之間的往返時間獲得距離信息。系統(tǒng)工作原理機(jī)載設(shè)備收到回答信號后，根據(jù)詢問發(fā)射和回答接收之間的時間間隔，就可算出詢問器和應(yīng)答器之間的距離（見圖5-4）。系統(tǒng)工作原理信號格式DME系統(tǒng)采用的是脈沖測距方式，因此，其基本信號形式為射頻脈沖，且地面應(yīng)答器與機(jī)載詢問器都發(fā)射相同包絡(luò)形狀的射頻脈沖信號。系統(tǒng)工作原理圖5-5給出了DME系統(tǒng)所采用的脈沖包絡(luò)波形，可見，包絡(luò)的形狀近似為高斯鐘形，這是一種窄帶信號形式，壓縮了信號頻譜寬度，具有良好的頻率利用能力。系統(tǒng)工作原理基本編碼從理論上說，實現(xiàn)脈沖間隔時間的測量采用單脈沖即可，然而DME系統(tǒng)測距脈沖信號均為基本編碼脈沖對，這主要是從抗干擾的角度考慮采取的一種信號格式。我們都知道，單脈沖的接收很容易受到來自有意和無意的無線電千擾源的影響。而具有特定編碼格式的雙脈沖接收受到干擾影響的可能性就會大大降低，就如同在生活中你可能較容易見到很相像的兩個人，但要見到很相像的兩對雙胞胎的概率就非常之小了。系統(tǒng)工作原理當(dāng)飛行員選定了波道，就確定了相應(yīng)的測距地面臺，通過耳機(jī)就能聽到該地面臺發(fā)射的識別音響信號，從而判定所選臺址的正確性。每個地面應(yīng)答器所在的臺站都有一組規(guī)定的代碼，用莫爾斯碼表示。識別信號系統(tǒng)工作原理03系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)測距應(yīng)答器主要由收/發(fā)天線、接收機(jī)和發(fā)射機(jī)組成，其中接收機(jī)包括預(yù)選器、混頻器、中頻放大單元，以及視頻處理和譯碼單元；發(fā)射機(jī)包括編碼單元、調(diào)制單元、射頻產(chǎn)生和放大單元。夭線通過一個T型同軸接頭與接收機(jī)和發(fā)射機(jī)相連，T型同軸接頭在收/發(fā)共用天線時能夠隔離收發(fā)機(jī)，使接收的信號送到接收機(jī)，發(fā)射的信號送到天線。系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)此后，接收的詢問信號饋給一個高Q值調(diào)諧帶通濾波器，即預(yù)選器，使收發(fā)信號得到進(jìn)一步的隔離。經(jīng)過預(yù)選器，接收的詢問信號被送至第一混頻器，混頻后得到63MHz的中頻信號。系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)測距應(yīng)答器是DME系統(tǒng)的地面設(shè)備，其組成框圖如圖5-6所示。系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)DME系統(tǒng)距離測量的任務(wù)主要是在機(jī)載設(shè)備上完成的。由于DME系統(tǒng)機(jī)載詢問器在測距時不僅要收到本機(jī)詢問的回答信號，而且還要收到其他飛機(jī)的回答信號。為了從這些信號中確認(rèn)“自己的”回答信號，測距電路需要具有對自身回答信號的搜索、捕獲和跟蹤能力，并且在實現(xiàn)跟蹤后，當(dāng)回答信號暫時丟失時還要具有一定的記憶能力。這就是脈沖測距原理中的所謂“四大環(huán)節(jié)”一搜索亠捕獲一跟蹤一記憶。機(jī)載詢問器系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)搜索、捕獲狀態(tài)詢問器所發(fā)射的鐘形脈沖對，其重復(fù)頻率與工作狀態(tài)有關(guān)。在搜索期間，為減少搜索時間，詢問速率應(yīng)當(dāng)高些，最大速率可達(dá)150對/秒。在跟蹤期間，為了充分利用地面應(yīng)答器的工作容量，要盡量減少發(fā)射詢問脈沖，以便能使更多的飛機(jī)進(jìn)行詢問。因此，詢問器在跟蹤期間發(fā)射脈沖對的重復(fù)頻率一般為24對/秒左右。系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)跟蹤、記憶狀態(tài)一旦詢問器確認(rèn)了屬于它自己的同步回答，詢問器捕獲該信號并保持鎖定，距離門將跟隨因飛機(jī)運動而導(dǎo)致的回答脈沖移動。此時，詢問器即處于跟蹤狀態(tài)，輸出和顯示所測距離。為了減輕地面應(yīng)答器的工作負(fù)荷，或者說為了提高地面應(yīng)答器有可能服務(wù)的飛機(jī)架數(shù)，在跟蹤時應(yīng)盡量降低詢問率。系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)一種機(jī)載詢問器的原理框圖如圖5-7所示。系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)塔康系統(tǒng)通信與導(dǎo)航專業(yè)系列教材無線電導(dǎo)航系統(tǒng)(第2版)第六章01概述塔康是戰(zhàn)術(shù)空中導(dǎo)航（TacticalAirNavigation）英文縮寫TACAN的漢語音譯名稱。由于該系統(tǒng)的有效作用距離在近程范圍內(nèi)，且只用于航空導(dǎo)航，所以又稱為航空近程導(dǎo)航系統(tǒng)。概述系統(tǒng)組成、功能與配置塔康系統(tǒng)一般包括兩大基本設(shè)備，即塔康信標(biāo)和機(jī)載設(shè)備。完善的塔康系統(tǒng)配置除信標(biāo)和機(jī)載設(shè)備外，還配有信標(biāo)監(jiān)測器、信標(biāo)模擬器和塔康指示控制設(shè)備等。塔康信標(biāo)以旋轉(zhuǎn)天線方向圖的形式向作用空域發(fā)射無線電信號，為安裝有塔康機(jī)載設(shè)備的飛機(jī)提供方位測量信息，同時作為測距應(yīng)答機(jī)，接收并回答機(jī)載設(shè)備發(fā)來的測距詢問信號。概述塔康系統(tǒng)組成示意圖如圖6-1所示。概述應(yīng)用情況：塔康系統(tǒng)通過測距功能可以獲得圓位置線，通過測向功能可以獲得直線位置線，兩位置線的交點就是目標(biāo)的位置，屬于極坐標(biāo)定位系統(tǒng)。因此，塔康系統(tǒng)可直觀提供方位、距離指示，并實現(xiàn)單臺定位，能夠直接導(dǎo)出位置坐標(biāo)。系統(tǒng)應(yīng)用和發(fā)展概述4）正常逆模式。五種主要應(yīng)用形式：5）空/空逆模式。1）正常工作模式。2）空/空距離模式。3）空/空距離+方位模式。概述這五種模式的示意圖如圖6-2所示。概述系統(tǒng)發(fā)展塔康系統(tǒng)是根據(jù)軍事需求，由美軍從民用導(dǎo)航系統(tǒng)的伏爾（VOR）系統(tǒng)和地美儀（DME）系統(tǒng)演變發(fā)展起來的。該系統(tǒng)把VOR測向（測角）和DME測距結(jié)合起來，讓VOR在原來的U/V波段提高到DME的L波段上工作，以縮小工作在超高頻波段的VOR全向信標(biāo)（特別是它的天線）的體積，以便能裝在艦船、飛機(jī)、甚至坦克和卡車上。概述它受到電波傳播特性和有關(guān)設(shè)備特性的制約，圖6-3所示為塔康系統(tǒng)的工作區(qū)。概述（1）單臺定位。塔康系統(tǒng)利用測距獲得的圓位置線和測向獲得的直線位置線相交即可實現(xiàn)極坐標(biāo)定位，這對于單一測向設(shè)備或單一測距設(shè)備都是無法實現(xiàn)的，這一點對軍用系統(tǒng)極為重要。（2）定位精度高。在極坐標(biāo)系統(tǒng)中，圓位置線與直線位置線交角總是直角。（3）適宜近程導(dǎo)航。概述02系統(tǒng)工作原理塔康系統(tǒng)通過測量飛機(jī)到地面信標(biāo)的距離和飛機(jī)方位角，獲得以信標(biāo)為參考點的圓位置線和直線位置線，采用極坐標(biāo)定位原理實現(xiàn)飛機(jī)的定位。其中距離測量采用的是詢問/回答式脈沖測距原理；方位角測量采用的是相位式旋轉(zhuǎn)天線方向圖法測角原理。系統(tǒng)工作原理塔康系統(tǒng)測角（也稱測向）采用的是相位式旋轉(zhuǎn)天線方向圖法測角原理，這與普通伏爾系統(tǒng)非常類似。這種原理就是地面信標(biāo)天線以其具有的特定方向圖全向輻射信號，天線方向圖以角速率Ω順時針旋轉(zhuǎn)。測角原理系統(tǒng)工作原理在第4章伏爾系統(tǒng)中我們已經(jīng)知道，當(dāng)給具有水平心臟形方向圖的天線饋送一等幅波信號，且使得該心臟形方向圖以Ω角速度順時針旋轉(zhuǎn)時，如圖6-4所示。系統(tǒng)工作原理圖6-5用圖示法給出了飛機(jī)在塔康信標(biāo)的東、南、西、北四個特殊方位上正弦包絡(luò)信號的初始相位值。系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)信號格式首先，脈沖序列種類包括測向基準(zhǔn)群脈沖、測距應(yīng)答脈沖、隨機(jī)填充脈沖、識別和平衡脈沖等。其次，編碼格式有脈沖對編碼（又稱基本編碼，采取基本編碼的原因在DME系統(tǒng)中已經(jīng)提到了）、基準(zhǔn)群編碼和識別信號編碼。系統(tǒng)工作原理這就是脈沖填充下的調(diào)幅信號，其復(fù)合信號形式如圖6-7所示。系統(tǒng)工作原理基準(zhǔn)群編碼包括主/輔基準(zhǔn)脈沖數(shù)、相鄰間隔時間，其編碼規(guī)定如表6-1所示。系統(tǒng)工作原理03系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)塔康信標(biāo)一般由天饋線系統(tǒng)、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、編/譯碼器等組成，其外形及組成框圖如圖6-8所示。系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)塔康信標(biāo)天饋線系統(tǒng)由天線陣和形成天線方向圖及旋轉(zhuǎn)掃描所需的控制驅(qū)動電路、環(huán)形器等組成。天線陣形成九瓣心臟形方向圖，并以恒定的15Hz速率順時針旋轉(zhuǎn)；天線方向圖形成及其旋轉(zhuǎn)可以是傳統(tǒng)的機(jī)械掃描，也可以是相位控制的電子掃描；塔康信標(biāo)發(fā)射機(jī)保證有大功率發(fā)射和較滿意的頻譜特性；接收機(jī)有較高的靈敏度及對數(shù)控制特性的自動增益控制（AGC）電路，能保證為遠(yuǎn)、近距離塔康機(jī)載設(shè)備的測距詢問信號提供可靠的延遲回答。系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)第一是在結(jié)構(gòu)上保證天線產(chǎn)生的方向圖在垂直面內(nèi)有較小的頂空盲區(qū)，在0°以下仰角有較小的能量輻射（主瓣具有銳截止特性），并且副瓣盡可能小。第二是在水平面內(nèi)，方向圖形成的15Hz和135Hz包絡(luò)調(diào)制深度及其兩個調(diào)制分量的相位偏差都應(yīng)控制在