1、 2.1 角測量原理 2.2 距離測量原理 2.3 定位原理 2.4 時間同步 2.5 無線電導航系統工作區 無線電導航 通過測量電磁波在空間傳播時的電信號參量（如電波的幅度、頻率及相位等）進行。 構建機制 使得實際中測量的無線電電參量與著幾何上的角度（電臺方位角、載體姿態角）、距離（距離、距離差、和）等幾何參量建立對應關系，這些參量稱為導航幾何參量。 導航通常是相對于某一具體目的地而言的，因此用空間極坐標（角度和距離）是方便和合理的，也是便于無線電測量的。 介紹上述兩類基本幾何參量的電測量原理及導航定位方法。 導航中的角參量可以分為兩類： 一類是用于描述載體與導航臺站之間的相對角度關系的，如

2、電臺方位，跑道方位等； 另一類用于描述載體的飛行狀態，如航向、俯仰、橫滾等。 角度測量兩種方法：振幅法和相位法 振幅法主要用于第一類角的測量 相位法根據系統構制的不同可以進行兩類角的測量。 振幅法的基本出發點是利用天線的方向性圖實現振輻與導引角的對應關系，有兩種實現體制。 站臺主動式 導航站臺采用方向性天線發射信號，用戶采用無方向性天線接收； 用戶主動式 導航臺站采用無方向性天線發射信號，用戶端采用方向性天線接收 注意：注意： 1、基準線的方向、基準線的方向可以可以是地理是地理北向北向，也可以是，也可以是某一特定方向（如飛機某一特定方向（如飛機的的跑道方向跑道方向）。）。 2、僅僅依靠上面測量

3、、僅僅依靠上面測量的角度是無法單獨完成的角度是無法單獨完成載體的出航和歸航的，載體的出航和歸航的，必須必須結合結合載體上的載體上的航向航向測量設備測量設備進行角度的比進行角度的比對。對。 在用戶主動式中，導航電臺利用無方向性天線發射全向信號。 載體的測向器可以利用載波信號的振幅變化或者載波信號的調制深度的變化來測定角參量，通常前者稱之為E型工作方式，后者稱之為M型工作方式。 利用具有方向性函數的接收天線，對地面導航臺的無方向性調幅波信號進行接收，接收到的信號為 ： 可見，在E型工作方式中，調制深度保持不變，載波信號的幅度E與導航角參量建立一定的映射關系 ttmGEeocos*)cos*1 (*

4、)(*)(EE 要獲得一個調制深度與角參量發生對應關系的電波信號，需要用一個方向性天線和一個無方向性天線（如垂直天線）共同來完成。 假定導航臺發射的是等幅非調制波，垂直天線上收到的信號相當于載波分量，環狀天線的接收信號相當于傍頻分量，二者在迭加器中合成為一個調幅波 ： 合成信號的調制系數（表現為調幅波包絡）隨測向器相對于導航臺站方向的變化而變化，而載波幅度恒定保持不變 ttmEeeemcoscos*)(1 *121)()(12GEEmmm 利用方向性圖測導引角，有三種方法： 1、最大值法、最大值法 若導航臺站發射無方向性電波信號，用戶的接收天線采用針狀方向性圖的接收天線 當轉動接收天線使得接收

5、信號最強時，天線轉過的角度即為導航臺站相對于機軸的方位。 實際的測量過程中，由于測量方法和設備的不完善以及干擾與噪聲的存在，使得方向性圖的最大值在的范圍內無法覺察出方向的偏離，通常將這個角度區域稱為不靈敏區 為減小不靈敏區，要求接收天線的方向性圖足夠尖銳，并且輸入信噪比盡量高。 將接收天線的最小值對準來波方向，天線中心所轉過的角度也就是導航臺站相對于機軸方向的方位。 理想的最小值應為零值點，但在零值點附近也存在一個不靈敏區。 與最大值法相比，一般最小值法的不靈敏區較小，故其測角靈敏度要比最大值法高。 如果將構成天線方向性圖的兩個波束，部分的重疊起來，則可以獲得一條等訊號線，如圖所示。 轉動天線

6、到兩個波束的接收訊號強度相等的方向，即可確定出被測導航臺的方位。 靈敏度介于最大值法和最小值法之間。 天線是振幅式無線電導航系統的關鍵部件之一，正是依靠它才建立起接收信號幅度與導航角參量之間的對應關系。 因此，天線需要有一定特性的方向性圖。 下面介紹幾類常用天線的方向特性。 垂直天線是最簡單的一類天線，也就是我們常說的線狀天線，如圖所示。 假設天線的長度為l,電波的磁場方向始終在水平面內，則由圖可以容易得到接受天線所感應的電動勢為： tElecoscos*0 矩形環狀天線ABCD如圖所示，天線的高度為h，寬為b,并處于正常極化的電磁場內，仍假定電波磁場方向在水平面內，同樣以天線的相位中心為原點

7、建立空間坐標系如圖所示。 如圖所示，分集天線由兩個垂直天線構成 可以把天線A,B看作環狀天線的兩個垂直邊，水平面方向性圖仍是8字型。 分集天線比環狀天線省去了水平邊，對消除極化誤差很有利。 一、方位測量 無線電波傳播時，相位與方位角之間沒有直接的對應關系。 一般多采用旋轉天線方向性圖和旋轉無方向性天線兩種方法。 假若發射心型方向性圖，在水平面內順時針旋轉；這樣在空間任意一點接收到的場強將是包絡調制信號。相位與接收點的方位相關，稱為可變相位信號。 同時在方向性圖最大值為某一事先確定的方位（航路VOR通常采用地磁北向方位，終端VOR通常采用跑道方位）時通過全向天線輻射基準相位信號。 通過測出包絡相

8、位和基準相位之間的相位差就可得到載體相對于基準方向的方位角。 基準相位信號的相位在各個方位上是相同的。輻射場為： 可變相位信號是采用兩個互相垂直環形天線來產生。tttmEennmcos)coscos(1 11ttEttEttEeeecos)cos(cossinsincoscoscos32000 無方向性天線在輻射或接收電磁波時，本身是不含角坐標信息的。 如果在一個平面內以一個固定的角頻率旋轉，則無論發射臺（信標）還是接收臺（測向器），其輻射或接收信號的相位，都將被天線的轉動所調制。 所調制的相位與觀測點的角坐標有著一一對應的關系，這就是旋轉無方向性天線進行測角的依據（DVOR）。 由于旋轉天線

9、的多普勒效應，天線輻射（或接收）的信號頻率將被天線的轉速所調制，相當于對信號進行了頻率調制，這種調制使信號的相位發生相應變化，產生包絡線相位與方位有一定關系的調相輻射場，從中可以確定運載體的方位，因而稱為多普勒伏爾。 在O點設置一等幅發射機，同時將高頻信號饋送到在水平面內沿半徑為R的圓周運動的無方向性天線A。 基線方式的相位法的測方位角原理如圖所示 如圖，沿確定的基準方向AB并以一定的距離D放置兩個無方向性天線A、B，它們發射同相的電磁波。 用戶處于天線A、B的遠場U點，通過接收A、B的信號并比較它們的相位，則可得到SU相對于基準軸AB的角度，其關系如下 ：cos2DAB 1、與振幅法不同，相

10、位法并不要求天線有尖銳的方向性，用無方向性天線即可。 2、一般的相位計只能夠測量0到360度范圍內的相位值，而由上式確定的相位差的范圍則可能超過360度（D），存在測相的模糊性（多值性） 當D時，則不存在多值問題 設計基線時，為消除其多值性，其長度D應當盡量小于發射電波的波長。 與基線方式相反，如果將基線固定在載體上，那么就可以實現姿態的測量。 由于 姿態的三個角度：航向（yaw、）、俯仰(pitch、p)、橫滾(roll、r)是互相獨立的，因此為了闡述的方便，以航向和俯仰為主介紹其測量方法。 如下圖所示： 上面我們研究了角度的測量問題，下面上面我們研究了角度的測量問題，下面我們介紹矢徑長度也

11、就是我們介紹矢徑長度也就是距離的測量距離的測量問問題。題。 無論是距離，還是距離差、距離和的測量，無論是距離，還是距離差、距離和的測量，它們的都是利用電磁波在均勻介質空間中傳它們的都是利用電磁波在均勻介質空間中傳播式的播式的直線性和等速性直線性和等速性。 距離主要有距離主要有相位相位、頻率頻率和和脈沖脈沖（時間）（時間）三種測量方法。三種測量方法。 相位測距（差）是通過測量電磁波在運載體和電臺之間信號相位的變化來確定距離（差）。 A、B兩點電波的相位差是: 通常在測距時為了避免時間同步問題，常常測的是雙程相位差，即電波往返于AB間的相位差。 在三維空間中，以運載體或導航臺為基準，畫出等相位的曲

12、線，則是一組以基準點為球心、半徑為r的球位置面。 若一般只考慮二維水平面的情況，則r常數時，相當于以基準點為圓心、r為半徑的圓弧，即為圓位置線。 crAB/*crAB/* 相位法測量距離差測量導航臺站A、B發射電波的相位差。 由于導航臺站之間是嚴格同步的，因此相位的不同完全是由電波傳播的行程差引起的。BABBBCAAACcrcr/*/*)(ABBCACrrc20ABrrr 由于兩個臺站（或載體與用戶）之間的距離較大，從上面的介紹我們不難發現，相位法測距中存在多值性問題。 影響到準確度與作用距離的提高，為此需要采取相應祛除多值模糊的措施。 1、連續不斷地測量、計算并記錄完整相位循環數是一種比較簡

13、單的方法。 根據計數器的指示，可確定出相位巷道的序號；根據相位計的指示，可確定出小于的相位讀數。 該方法的應用必須保證 首先是容易得到相位巷道的初始值， 其次保證高的可靠性，因為一旦丟失接收信號或設備出現臨時斷電等情況，都將使相位巷道的序號記錄丟失或產生混亂，導致更大的定位誤差。 2、消除相位多值性的另一種方法是寬、窄相位巷道配合工作的方法。 在加寬的巷道中，取得相位低精度讀數，獲得原相位巷道的序號； 在窄相位巷道中讀取相位高精度讀數，獲得距離或距離差。 展寬巷道的方法有很多種，其共同的特點是改變被測信號的頻率。 相位巷道的數目取決于距離，即： 若將頻率減小K倍，其波長加大K倍，則相位巷道將相

14、應加寬K倍。這時，地面臺除了輻射頻率f0的信號外，同時還要輻射頻率f1的信號： 這時相位接收機在f0-f1的頻率上進行粗測，在f0對應的巷道里進行精測。既可以消除多值性，又能同時獲得必要的測量精度。012rn )/11 (01Kff 頻率測距通常是利用發射信號與反射信號的差頻來進行測量的。 因此作為頻率測距系統，必須要有一定的反射面，頻率測距通常用來進行高度的測量。 頻率測高的原理示意圖如下所示： 線性調頻比較直觀的體現了頻率和距離之間的關系， 但是一般說來頻率調制信號可以是任意周期的時間函數。 bmfTfTffch/2000102bmffcTh20 脈沖法測距，實質上是用尖銳的脈沖對時間軸進

15、行標定，然后通過脈沖間隔讀取時間，進而測量距離。 通常，脈沖測距有兩種方式：有源方式和無源方式。下面我們分別來介紹這兩種方式。 所謂的有源測距指的是信號在用戶和導航臺站之間經歷了往、返兩個傳播過程，然后通過測量信號的往返時間計算出用戶和導航臺站之間的距離。 ctD*2 通常測距詢問脈沖由用戶發出，該詢問脈沖需要經過特殊的編碼以區別是哪個用戶的詢問脈沖，導航臺站收到該脈沖后，延遲一定的時間 后向用戶發射應答脈沖 由用戶接收并測量詢問脈沖和應答脈沖之間的時間間隔 ，便可以測量載體和導航臺站之間的距離，即： tctD*2 需要注意的是，在上述的測量中，沒有對用戶和導航臺站的時鐘同步提出要求，也沒有要

16、求用很高精度的用戶時鐘。 但是，也并不是任何時鐘都是允許的，需要根據距離的測量精度指標安裝符合要求的時鐘。 譬如，如果要求距離的測量精度不大于30米，系統的工作半徑為300公里，則時鐘的穩定度不能低于 。 較好的石英晶體基本上都可以滿足。因此，有源測距對時鐘性能要求比較低，但是存在電磁暴露的問題。55105103230 無源測距指的是用戶僅僅接收導航臺站發射的脈沖信號來測得傳播延遲。 要求用戶的時鐘與導航臺站的時鐘基準嚴格同步，它們的時鐘震蕩源之間既同頻又同相，既無頻差又無鐘差。 因此，嚴格意義的無源測距往往需要在測距之前已經在用戶和導航臺站之間進行了大量的時鐘同步工作。 在用戶和導航臺站的時鐘同步之后，導航臺站發射測距脈沖，同時在測距脈沖中對發射時刻以電文的形式傳輸。 用戶收到測