1、第八章 复合无线电导航系统 无线电导航原理与系统一.复合无线电导航基本概念复合体制的运用及意义 电磁场强度可以用公式 来表示，根据与被测导航参量发生联系的是哪一个电气参量（、或t），分别称为振幅式、相位式、频率式或脉冲/时间式导航系统。以前所讨论的每一种导航系统或设备都只用了上述四个参量中的一个来获取导航信息，其它的三个参量虽然都不可避免地存在于无线电波中，但却未加以利用。同时利用电磁波的几个参量，分别建立起与不同导航参量之间的关系，得到更加完善的、在功能上加强或在性能上提高的无线电导航系统，是复合无线电导航系统的基本思路。)sin(tEeE一.复合无线电导航基本概念复合体制导航举例相位无线电
2、导航系统测距离和距离差的精度很高多值性缺点（多值性的周期 等于相位循环的周期）脉冲无线电导航系统不存在多值性问题 测量精度不高两种系统在信息质量方面互补，复合成一种测量精度高、没有多值性系统。雷达 雷达是另一种测角测距系统，它用来测定到目标的方位角（或高低角）和距离，这时方位角是由方向性图很尖锐的天线波束确定的，即是用振幅来测定的；而距离则是用反射脉冲来测定的，是利用时间法测量的。除此以外，在许多雷达站中，还利用多普勒效应来识别运动目标。一.复合无线电导航基本概念复合无线电导航系统的工作原理（一）测向测距的振幅时间复合系统（a）说明了振幅时间复合设备的工作原理。（b）中的（i）、（ii）和（i
3、ii），表示运载体处于和给定方向不同位置时的指示。振幅时间复合系统 一.复合无线电导航基本概念复合无线电导航系统的工作原理（二）测向测距的相位时间复合系统相位时间复合系统 在运载体上装设脉冲询问器，而在地面安装信标回答器。信标回答器的接收方向性图是全向的，而发射方向性图在最简单的情况下可采用心脏形的方向性图 这种复合方式利用脉冲幅度来传送运载体相对于回答器的方位信息，距离信息仍由脉冲之间的时间间隔来传送。一.复合无线电导航基本概念复合无线电导航系统的工作原理（三）精密测距的相位时间复合系统利用相位测量使脉冲读数更准确的相位-时间复合系统 图中脉冲A出现在上面一行扫描线上，脉冲B出现在下面一行扫
4、描线上。下扫描线相对于上扫描线的延迟时间是和被测距离（或距离差）成比例的。上、下脉冲的位置调整的愈准确（重合得愈准确），则测量精度愈高。一.复合无线电导航基本概念复合无线电导航系统的工作原理（四）测距测距差的时间复合系统复合时间系统（测距测距差系统）的构制原理 系统的测距功能可以按下述方式实现:在运载体上对高稳定度振荡器的振荡分频，产生重复频率等于电台A的脉冲重复频率的稳定脉冲。设运载体从A点开始起飞，且机上的基准脉冲调整到和电台A的脉冲在时间上一致。在飞行过程中，随着运载体离开地面台A距离的增大，脉冲A对机上基准脉冲的时间滞后将愈来愈大，且和运载体到电台A的距离成正比。测出这一时间间隔，就得
5、到了运载体和电台A之间的距离。一.复合无线电导航基本概念复合无线电导航系统的工作原理（五）振幅频率时间复合系统振幅频率时间复合系统的典型应用为用于选择运动目标的雷达系统，它用时间（脉冲）法测量到目标的距离（由入射脉冲和反射脉冲的时间间隔来确定），由接收发射天线的尖锐方向性图确定目标的方位，利用反射信号的多普勒频移来选择运动目标。综上所述，无线电波的四个参量根据实际需要可以复合成各种不同类型的导航系统，在实践中也都得到了较好地应用。目前被广泛采用的是：相位时间复合的测角测距系统（TACAN系统）相位时间复合的精密测距差系统（LORAN-C系统）二.TACAN测角测距系统 概述 塔康（TACAN）
6、是战术空中导航系统（Tactical Air Navigation System）的简称，是美国1955年研制并投入装备的近程无线电导航系统。TACAN属于相位时间复合系统，从导航参量来看属于测角测距系统，其特点是只需要一个导航台 TACAN系统由塔康地面设备（或塔康信标台）和机载设备组成，可以为以导航台为中心、半径350370km范围内的飞机提供导航服务，可连续给出飞机所在点相对于信标台的方位角和距离（斜距）。二.TACAN测角测距系统 塔康工作原理 塔康系统采用极坐标方式定位，图中已知点O为塔康信标，B点为装载了机载设备的飞机。在B点，以磁北N为参照方向，测量出顺时针方向的角和OB的距离D
7、，即定出了飞机（B）相对于信标（O）的位置。塔康工作原理图二.TACAN测角测距系统 方位测量方位测量塔康系统借鉴了第七章中伏尔系统测向的基本原理，即采用将方向性图加以旋转的方法实现方位的测量，并且对其进行了改进，提高了测量方位的精度。旋转的心脏形图形用于方位测量 二.TACAN测角测距系统 方位测量（续）当图示的心脏形方向性图以f=15Hz（即15rs）顺时针方向旋转时，函数可表示为：式中 。并且系统在函数值为最大值且与Ox重合的时刻，发射测量的参考脉冲N。这样，在该坐标系内的每个方向都可得到一个随扫描时间t变化的正弦波形，频率为15Hz，而参考脉冲N恰好在该正弦波的相位出现。如在方位角=0
8、、90、180、270位置上得到的正弦波形，参考脉冲N就正好在正弦信号的0、90、180、270相位上出现。因此只要解算出参考脉冲N所在处的正弦波相位，就可实现方位的测量。()1cos()At 2f二.TACAN测角测距系统 距离测量距离测量 塔康系统距离测量依据二次雷达工作原理。机载设备以80120Hz（搜索状态）或2030Hz（跟踪状态）的频率发射询问脉冲对信号，地面信标接收到询问脉冲信号后，经过一个固定延迟，再向机载设备发射应答脉冲对信号。机载设备接收到信标台发回的信号后，经过识别，选择出属于自己的测距应答脉冲，并测量出询问脉冲与应答脉冲之间的时间间隔，减掉固定延迟后，计算出机载设备与信
9、标台之间的距离。二.TACAN测角测距系统 TACAN系统参数 塔康系统工作于L波段，该频段的电波为直线传播方式，且不在高空电离层发生反射，因此其工作区域限定在信标的视区范围内。系统频率范围9621213MHz，共划分为252个波道，波道间隔1MHz。塔康信标台包括天线和主机两个部分，发射功率（脉冲峰值功率）大于500W（对机动台）或3000W（对固定台）。机载设备由天线、发射机、接收机、频率合成器、方位测量电路、距离测量电路及控制盒组成，发射功率（脉冲峰值功率）为700W或500W。二.TACAN测角测距系统 TACAN系统应用 美国最初设计的塔康系统用于为航空母舰舰载飞机提供导航服务，信标
10、天线安装于舰桥顶部，无论航母如何运动，飞机都可完成相对航母的方位和距离测量，用于对飞机归航的引导。塔康系统从50年代投入使用以来，经过几十年的广泛应用和发展，技术上取得了很大的进步，功能上得到了多方面的开发和完善，已发展成为一个较为完备的中近程无线电导航系统。该系统只采用了双脉冲编码，抗干扰性能不强；另外在系统布台时，选址也比较麻烦，这些是它需要进一步改进的地方。三.LORAN-C相位时间测距差系统 LORAN-C系统简介 LORAN（Long Range Navigation，LORAN）相位-时间测距差系统的工作机理与一般脉冲式测距差系统基本相同，但它由脉冲包线取得的读数只用作时间的粗测读
11、数，然后再通过对载波相位的测量得到精测读数，因而定位精度有较大提高。实际中使用的典型系统是LORAN-C，是由美国最先开发建设的中远程精密无线电导航系统，属于陆基、低频、远程、相位-时间的导航体制。LORAN-C系统为二维定位，定位精度约460m（0.25 n mile），相对定位精度1890m，定位速率1020次min，用户容量可以无限，系统可用性在99以上。三.LORAN-C相位时间测距差系统LORAN-C工作原理 系统采用双曲线无线电导航的定位方式，通过在其工作区内某点接收同一LORAN-C台链两个发射台信号到达的时间差转换为距离差，得到以两个发射台为焦点的一条双曲线；获取两条相交的双曲
12、线，其交点就是要确定的目标位置。台链配置示意图 三.LORAN-C相位时间测距差系统信号波形和信号格式 LORAN-C系统发射的是载频为100kHz的脉冲组信号，其发射的信号波形有严格的定义,包括下述内容：脉冲组与脉冲间隔脉冲组重复周期相位编码闪烁告警包周差双工台的封闭LORAN-C信号波形 三.LORAN-C相位时间测距差系统LORAN-C设备 LORAN-CLORAN-C系统三大部分：系统三大部分：地面发射台LORAN-C系统的核心，包括时频分系统、发射机分系统和发射天线 同步监测与控制设备从系统的角度去监视并控制主副台的同步工作，它包括系统工作区监测站、地面发射台的同步监测设备和系统控制
13、中心三部分。LORAN-C信号接收机实现和完成用户定位功能的最终设备，通常包括天线系统、射频信号处理单元、数字信号处理单元、键盘与显示单元以及供电电源等。三.LORAN-C相位时间测距差系统用户接收设备用户接收设备 TACAN 接收机原理方框图 三.LORAN-C相位时间测距差系统LORAN-C系统应用 1航空导航航空导航 LORAN-C作为一种远程无线电导航系统，主要应用是对海上舰船的导航定位，在航空导航方面也发挥着重要的作用。航路导航 非精密进近 机场的飞行跟踪2高精度授时高精度授时LORAN-C系统采用低频载波的脉冲发射，其地波信号相位十分稳定。如果使发射台的信号发射时间与国际或国家的标准时间建立同步关系，那么，在已知其地理位置的用户就可以借助接收LORAN-C系统的信号获取精确的时间信息。三.LORAN-C相位时间测距差系统LORAN-C系统应用 3差分应用差分应用采用差分LORAN-C可以大大提高用户的定位精度，其基本原理是利用LORAN-C地波信号传播变化的相关性来获取某一局部区域的时差修正值。差分的结果可以消除或部分消除台链的同步误差、信号传播的昼夜和季节变化误差、气象变化误差、接收机测量误差及各种干扰造成的传播误差等。作业147
