1、导航原理与系统导航原理与系统Navigation Principles and Systems中国民航大学 CAUC第七章 无线电高度表7.1 组成与概况7.2 测高原理7.3 典型无线电高度表中国民航大学 CAUC 1. 概述 无线电高度表是一种测距导航设备，利用普通雷达工作原理，以地面为反射体在飞机上发射电波，并接收回波以测定飞机到地面的高度。 按测量范围分 大高度表 30000FT 小高度表 LRRA 按测量方法分 脉冲测距原理 频率测距原理7.1 7.1 组成与概况组成与概况中国民航大学 CAUC用来测量飞机离开地面的实际高度，提供预定高度和决断高度的声音和灯光信号。它是在进近着陆过程
2、中保证飞行安全的重要设备。配合ILS完成着陆任务。系统的范围是20到2500英尺 。低高度无线电高度表LRRA-Low Range Radio Altimeter7.1 7.1 组成与概况组成与概况中国民航大学 CAUC民航上应用的是 LRRA，配合ILS完成着陆任务。指示随地形而变，与地面的覆盖层大气条件无关。几个高度概念7.1 7.1 组成与概况组成与概况中国民航大学 CAUC2.功用测量飞机相对地面的真实高度或叫垂直高度测高范围为-202500英尺，属于低高度无线高度表主要用于飞机和起飞阶段。7.1 7.1 组成与概况组成与概况中国民航大学 CAUC3 3、地面对电波的反射的类型、地面对
3、电波的反射的类型： 镜面反射 散射（漫反射） 漫反射的条件： 地面不平度波长 因此，无线电高度表应使地面 成漫反射，而不是用镜面反 射。若地面为镜面反射时，飞 机倾斜或俯仰时，接收不到地 面反射信号7.1 7.1 组成与概况组成与概况中国民航大学 CAUC4.工作频率：4300MHz（c波段） 使用较高频率，使地面成漫反射。5. 类型 根据测量电波传播时间t的方法不同，可分为 普通FMCW高度表 频率无线电测距系统 等差频FMCW高度表 频率无线电测距系统 脉冲式高度表 脉冲测距系统7.1 7.1 组成与概况组成与概况中国民航大学 CAUC6. 无线电高度表的组成无线电高度表的组成发射天线 宽
4、波束（2040）方向性天线接收天线收/发机组件高度指示器7.1 7.1 组成与概况组成与概况中国民航大学 CAUC7.1 7.1 组成与概况组成与概况中国民航大学 CAUC无线电高度表的测高基础： 测高原理：LRRA天线向地面发射无线电波，经地面反射后，再返回飞机。测高是测量电波往返传播的时间t。式中：H 飞机离地高度 c 电波传播速度测高利用无线电的两个特性： 无线电从地面的反射特性 电波传播速度是常数 （3108米/秒）cHt27.2 7.2 测高原理测高原理中国民航大学 CAUC7.1 7.1 组成与概况组成与概况中国民航大学 CAUC一、调频连续波（一、调频连续波（FMCW）高度表）高
5、度表调制器产生一个对称的三角波线性调制电压，对发射机进行调频，发射波是三角波线性调频的连续波普通FMCW高度表原理块图 7.3 典型无线电高度表中国民航大学 CAUC设：中心频率为4300MHz，调制频率FM为100Hz，频移F为100MHz普通FMCW高度发射信号 7.3 典型无线电高度表中国民航大学 CAUC测高原理 发射机发射信号一路经宽方向性天线发射到地面，取样部分发射信号 直接加到接收机信号混频器（直达信号），与反射信号相混频。 t1时刻，发射频率为f1，经反射在t2时刻被接收。 t =t2-t1就是电波往返传播的时间 t2时刻，发射频率为f2, 即在t2-t1时间内，发射频率从f1
6、到f2,从而可 用Fb= f2-f1来测量高度7.3 典型无线电高度表中国民航大学 CAUC差频与高度的关系 若发射频率为 ，电波从地面返回到接收天线时，相对发射信 号延时t，但接收信号频率 = （不变）。这时经t时间 后，发射频率变为 因为在调频发射信号中，F、FM是常数，差频Fb与飞机真实高 度H成正比。高度越高，差频越大，因此可用差频的大小来测量 高度。 HcFFftdtdffffFMrrtb41MMFFTFdtdf241211frf1f2rdffftdt7.3 典型无线电高度表中国民航大学 CAUC例如，发射信号的调制频率为100Hz，频移为100MHz，则： (Hz/米) 频率刻度为
7、133Hz/米，也就是说高度变1米，差频变化 133Hz。 因为1米=3.28英尺，所以频率刻度为40.5Hz/英尺。在整 个测高范围02500尺内，差频范围是0101KHz。HHFb133103100101004867.3 典型无线电高度表中国民航大学 CAUC 普通FMCW高度表阶梯误差 测高的实质是测量单位时间内差频信号电压所形成的脉冲个数，再将脉冲数转换成直流高度电压或高度信息。但当飞机高度连续变化时，差频信号电压所形成的脉冲个数只能一个一个跳变（脉冲个数不能为小数），因而出现测高误差。 阶梯误差：一个调制周期内，一个脉冲（差频）所代表的高度 44MbMFFFHFHTcc7.3 典型无
8、线电高度表4MbFFFHc4bcHFF4NcHNF114NcHNF4chF 中国民航大学 CAUC放大器：宽带放大器，增益随差频频率增加而增大，补偿由于高度增加而引起的接收信号幅度减小。限幅器：差频信号电压上下限幅形成技术脉冲 7.3 典型无线电高度表中国民航大学 CAUC二、等差频二、等差频FMCW高度表高度表 1、测高原理在等差频FMCW高度表中，保持差频Fb和频段F不变，而调制周期TM是随飞机高度变化的。由于发射信号是调频连续波，而且差频保持不变，故叫等差频FMCW高度表。由于当飞机高度增加飞机高度增加时电波往返传播时间t增加，因此需增大调频波增大调频波的调制周期的调制周期TMTM才能保
9、持差频Fb不变。反之，当飞机高度减小高度减小时，电波往返传播时间t也减小，因此需减小调频波的调制周期减小调频波的调制周期。所以这种高度表实际上是用调制周期TM的大小来测量高度的。7.3 典型无线电高度表4MbFFFHc中国民航大学 CAUC 2 2、发射信号特性、发射信号特性 发射频率是线性锯齿波调频的连续波，发射信号的中心频率是4300MHz，频移是123MHz，发射信号的调制周期随飞机高度变化（250us50ms）。高度越高，调制周期越长，保持差频等于25KHz不变（选定差频为25KHz） 高度H（t）与调制周期TM的关系 bMFFtF7.3 典型无线电高度表2bMFFHcT中国民航大学
10、CAUC7.3 典型无线电高度表中国民航大学 CAUC工作状态1、搜索状态 当收发机所测得的差频偏离25KHz较远时，系统处 于搜索状态。此时积分器输出一个变化的电压，经指数 变换器变换后，使调制锯齿波的周期由小到大变化着 。 由于调制锯齿波的周期由小到大变化，调频发射信号的 频率由快到慢变化，所测差频频率也随之改变，当差频 接近25KHz时，系统就进入跟踪状态。 7.3 典型无线电高度表中国民航大学 CAUC7.3 典型无线电高度表中国民航大学 CAUC2、跟踪状态 当飞机保持一定高度飞行时，收发机所测得的差频保持25KHz，跟踪鉴别器输出的误差信号为零。积分器输出不变，调制锯齿波周期不变，
11、高度处理器输出的高度电压不变。 当飞机高度升高时，电波往返传播时间t增大，差 频频率Fb( )高于25KHz，此时跟踪鉴别器输出一 个正的误差电压，加到积分器，使锯齿波控制电压增 加，调制锯齿波周期增长，调频波的频率变化率 （ ）减小，差频频率减小。直到差频加到25KHz。 这时高度处理器输出的高度电压也增加。同理，当飞机高度下降时，调制锯齿波的周期减小，高度电压也减小。tTFMMTF7.3 典型无线电高度表中国民航大学 CAUC跟踪鉴别器工作特性 7.3 典型无线电高度表中国民航大学 CAUC三、影响、影响LRRA性能的因素性能的因素1、飞机安装延时（AID）校正 飞机停在地面上时，地面反射
12、信号相对发射信号令产生传播延时，这个延时所产生的高度叫安装延时高度，它决定于收发电缆长度，收发天线之间距离和飞机停在地面上天线离地高度。安装延时产生的高度 P当飞机在地面上时，发射天线和接收天线到地面的总的最小长度。)(21rtccKPAID7.3 典型无线电高度表中国民航大学 CAUC2、发射机对接收机泄漏信号的影响 因此，发射功率不能太大，通常小于0.5瓦，接收机灵敏度不能太高，这就限制了无线高度表的测高范围 收发天线分离安装,至少要有75dB的空间衰减量。7.3 典型无线电高度表中国民航大学 CAUC3、多路径发射干扰多路径反射的弱信号也会被放大，而产生虚假的高度指示 减小多路干扰的方法
13、是：等差频FMCW高度表，搜索要从零高度向高高度搜索，保证跟踪最先到的一次反射信号，就锁定到这个正确高度上（最短距离）。在普通FMCW高度表中，使用跟踪滤波器（频谱滤波器），跟踪最低差频，可滤除多路径反射信号产生的差频。7.3 典型无线电高度表中国民航大学 CAUC4、多设备安装干扰： 系统1可能接到系统2的信号（泄漏信 号、地面反射信号） 系统2可能接到系统1的信号解决：天线对之间有间隔 使用不同的调制频率 调制信号频率相位相反7.3 典型无线电高度表中国民航大学 CAUC7.3 典型无线电高度表调制信号频率相位相反差频频率超出差频放大器的带宽，而不能输出。中国民航大学 CAUC7.3 典型
14、无线电高度表 使用不同的调制频率60M1122 100 101457MHz145105fFTt 发射频率相差中国民航大学 CAUC5、飞机在倾斜、俯仰时能测到真实高度7.3 典型无线电高度表中国民航大学 CAUC7.4无线电高度表数据输出与显示高度数据飞行控制计算机自动油门计算机近地警告计算机机载防撞系统飞行数据获取组件气象雷达显示电子组件进近管制和低高度飞行起飞复飞和自动油门点火开启或关闭风切变预测功能和启动禁止显示和警告功能记录无线电高度值中国民航大学 CAUCTEST通过显示情况：EADI 先显示40英尺，接着显示RA故障旗。7.4无线电高度表数据输出与显示中国民航大学 CAUC非EFI
15、S飞机上，安装有专门的高度表指器2.高度显示飞行员选择确定的飞行员选择确定的DH转动转动DH旋钮时，旋钮时，DH指指针沿刻度盘滑动，当针沿刻度盘滑动，当RADH 时，时，DH灯亮灯亮自检，按下自检，按下TEST，警告旗出，警告旗出现，高度指针指示规定高度现，高度指针指示规定高度，若实验高度小于，若实验高度小于DH，DH灯亮，系统工作正常着陆式灯亮，系统工作正常着陆式，截获到，截获到LOC和和GS时，时，FCC输出抑制信号，防止实验高输出抑制信号，防止实验高度注入度注入7.4无线电高度表数据输出与显示中国民航大学 CAUCEFIS系统:EADI/PFD上高度显示跑道升起标志：飞机在起飞和着陆阶段
16、向驾驶员提供代跑道升起标志：飞机在起飞和着陆阶段向驾驶员提供代表飞机同跑道中心线二者空间位置的关系。表飞机同跑道中心线二者空间位置的关系。水平：，垂直：水平：，垂直：7.4无线电高度表数据输出与显示中国民航大学 CAUC7.4无线电高度表数据输出与显示中国民航大学 CAUC EADI 在进近着陆阶段显示RA和DH。 主要显示内容：上升的跑道符号上升的跑道符号 VHF NAV 系统波道上工作，LOC频率，飞机高度在200FT时有效升起。2500FT 显示 空白 7.3 典型无线电高度表中国民航大学 CAUC决断高度显示决断高度显示DH 显示在RA上方显示特点： 选择范围-20-999ft,显示范
17、围 0-999ft,绿色 DH 为负无显示；决断高度警戒：决断高度警戒： RADH 两个黄色DH字母闪亮3S，RA值为黄色决断高度警戒结束：决断高度警戒结束： 自动结束：飞机从比决断高度高75FT高度下降通过DH时： 飞机落地后自动复位。 人工复位：按压EFIS控制板上的RST键人工复位； 复位后：RA白色，DH绿色7.4无线电高度表数据输出与显示中国民航大学 CAUC收发天线收发天线 收、发天线可互换 工作频段 4300MHZ， 工作在微波波段，因此对电缆长度要求严格。EFIS 控制板 用于选择所要求显示的信息，显示在EADI、EHSI上。7.4无线电高度表数据输出与显示中国民航大学 CAUC无线电高度和决断高度原理图7.4无线电高度表数据输出与显示中国民航大学 CAUC7.5 无线电高度表自测试正常显示检测高度中国民航大学 CAUC使用 1、飞行高度低于2500英尺时，高度表开始 高度指示。 2、当飞行高度低于决断高度DH时，决断高 度灯亮；高于决断高度时，决断高度灯 灭。 3、ALT 4、升起的跑道符号 7.3 典型无线电高度表
