陸基導航技術研究(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 論基礎。本章主要介紹了陸基導航中 VOR、 DME 及 TACAN 系統的工作 8 原理進行了闡述，并對 VOR 和 DME 導航系統的測量誤差進行分析，為后面進行定位精度分析奠定理論基礎。 第三章 對陸基導航組合系統的組合方式及定位原理進行闡述，并對 VORDME、DMEDME 兩種組合導航系統的定位誤差進行分析。 第四章 對區域導航的概念進行闡述，并對區 域導航中的各種誤差進行分析。并對區域導航的導航誤差進行研究。 最后是工作總結及展望， 總結本課題的研究重點，得到的研究成果以及需要繼續完善和改進的地方。 9 第二章 陸基導航系統工作原理和測量誤差分析 本章系統的闡述了 陸基導航系統中 VOR、 DME 以及 TACAN 的工作原理及誤差分析，為后續章節內容做鋪墊。 陸基導航系統工作原理 陸基導航系統定位精度比較差，但其信號發射功率大 ,不易受干擾，數據更新率較高等衛星導航系統所不具備的優點。目前，陸基導航系統仍然是國際通用的民航導航系統，特別是 VORDME 系統 在民用航空中使用的尤為普遍，我國民航導航系統主要是VORDME 系統，在此領域有很好的基礎。塔康導航系統是一種組合陸基導航手段，同時也是我軍未來主要的發展方向。一個塔康臺相當于一個 VORDME 組合臺，能夠在用戶飛行高度已知的條件下完成定位。塔康信標臺主要配置在野戰機場、臨時航路點及機場較密集地區導航點，可同時為空中 100 架飛機提供導航方位信息、距離信息和識別信息。 陸基導航系統主要有測角和測距兩種定位手段，分別由 VOR 和 DME 兩種導航系統來實現， VOR 測量飛機相對臺站的磁方位角， DME 測量飛機與地面 DME 臺間的斜距 。單一的陸基導航臺站無法實現對飛行器的定位，但通過 VORDME 組合或DMEDME 組合的方式共同觀測可以實現飛行器的定位。 VOR 系統工作原理 ? 原理 VOR 是甚高頻全向信標 ( very high frequency omni directional range ,VOR)的縮寫，又稱作伏爾系統，由美國從 20 世紀 20 年的“旋轉信標”發展而來， 1946 年作為美國航空標準導航系統， 1949 年被 ICAO 采納為國際標準民用導航系統， VOR 的裝備量在世界范圍內呈上升趨勢，早已在國內外機場普遍使用 。它是一種近程的無線電相位測角系統，由地面發射臺和機載接收設備組成，地面臺發射信號，記載設備只接收信號，為飛機提供相對于地面臺的磁北方位角。 這種系統為飛機提供相對地面信標臺的方位。工作頻率為 ，作用距離數百公里，測角精度優于 176。[7][8]。 伏爾導航系統的缺點是發射電波受視線限制和測向精度受場地影響較大。 10 圖 1 VOR接收機原理框圖 VOR 系統可以向飛機提供導航所需的相對方位信息， VOR 系統的原理是根據可變相信號與基準相位信號的相位差來導航。導航臺發射以 30 轉 /秒旋轉的心臟線 方向圖，在機載接收機輸出端產生 30Hz 的正弦波，其相位隨飛機相對導航臺的位置而變化，成為可變相位信號。與此同時，導航臺還發射一個以固定 30Hz 參考頻率調制的全向信號。在機載接收機輸出端又得到一個不變相位的 30Hz 正弦波，成為基準相位信號。 在接收端，外來信號經放大、調幅檢波后分成三路：一路經副載頻濾波、限幅、鑒頻和 30Hz濾波后輸入比相器，這是固定相位信號；一路經 30HZ 濾波直接至比相器，這是可變相位信號；再一路是莫爾斯識別碼和話音輸出。比相器對兩個相位信號比相，得出飛機對伏爾地面臺的磁方位角。 基準相位信號的 相位在發射臺的各個方位上相同；可變相位信號的相位隨發射臺的徑向方位而變化。飛機磁方位決定于基準相位信號與可變相位信號之間的相位差。可變相與基準相信號同步發射 ,磁北極兩者相位相差 0176。 ，隨著飛行器相對于地面臺水平面方位的不同，兩者的相位差從 0176。 ~360176。 變化。機載設備接收來自地面臺的發射信號，并測量出這兩個信號的相位差，就可得到飛機相對地面的磁方位角，再加 180176。 就是方位角。 由于兩個信號安排的在地面臺磁北方向上同相，所以接收機測到的是飛機相對地面臺的磁方位角。 11 圖 2 伏爾導航系統基準相位信號和可變相位信號的相位關系 測量的基本原理是測量地面臺發射的基準相位 30Hz 信號和可變相位 30Hz 信號的相位差 ,接收臺的徑向方位變化正比于這兩個 30Hz 信號的相位差變化，提取二者的相位差是 VOR 系統信號處理的關鍵所在。 圖 3 VOR定位原理 ? 性能與特點 伏爾導航系統應用在航路上和終端區。在航路上 ,它構成航道和航道網的基準 ,也是儀表飛行時的必要裝備。航路上使用的伏爾臺的輻射功率為 200 瓦，作用距離隨飛行高度而變化。在小高度上僅 30 海里，大高度上最遠可達 200 海里。終端區伏爾臺用于引導飛機進場 ,輻射功率 50 瓦，作用距離 25 海里以上。終端伏爾臺與儀表著陸系統中的航向信標使用相同頻段，即 108～ 112 兆赫。 伏爾導航系統與 DME 導航系統 合裝在一起成為極坐標導航方式，既提供方位，又 12 提供距離。 DME 導航系統與 塔康導航 系統 的測距部分完全相同，伏爾導航系統與塔康導航系統合裝在一處，就是 伏爾塔克導航系統 ，屬于軍用和民用共用系統。 伏爾導航系統的計算準確度為 177。 176。 (95％ 概率 )，實際準確度為 177。 176。 （ 95％ 概率）。伏爾用于監測站監視信號狀態。現代伏爾地面系統由遙測遙控站 進行管理，機上設備帶有視覺告警裝置。 伏爾臺發射信號存在多徑反射干擾的缺點，對選擇設臺場地有一定要求。多普勒伏爾導航系統對于環境要求有所降低。為了提高伏爾導航系統的準確度，可改用多瓣伏爾導航系統，即精密伏爾導航系統。現代伏爾地面系統正以 固態電子器件 取代電子管。 圖 4 全向信標和 VOR臺實物圖 (右側為澳大利亞 AWA公司 VRB52D DVOR) DME 系統工作原理 ? 組成 DME(Distance Measurement Equipment)直譯為距離測量設備或測距器，用于測量載體到某固定點的直線距離，由于采用詢問 — 應答的工作方式 來測量距離 ，也稱為應答 /測距系統。 1959 年，成為 ICAO 批準的標準測距系統。 它由機載 DME 機（也是詢問器）和地面 DME 臺（應答器）組成 ，形成極坐標近程定位導航系統 。 13 DME 的工作波段為 962~1213MHz，每隔 1MHz 安排一個工作頻段，機載 DME 詢問器的載頻 安排在 1025~1150MHz 范圍內，共有 126 個詢問頻率；地面應答器的載波頻率安排在 962~1213MHz 范圍內，共有 252 個應答頻率。 按 ICAO 的規定， DME的系統精度為177。 370m（ 95%） [7][8]。 距 離 測 量 電 路接 收 機發 射 機距 離 讀 數機 載 詢 問 器天 線天 線接 收 機固 定 延 時發 射 機 地 面 應 答 器 圖 5 DME系統工作示意圖 ? 原理 由于電磁波具有恒速直線傳播的特點，因此距離的測量可以通過測定電磁波發射點到接收點的傳播時間來確定。在飛機導航中，詢問器通常安裝在載體上，應答器安裝在地面固定點，即 DME 臺站。其基本工作 原理 為：機載設備 發出成對 的詢問脈沖 ，地面臺應答器 接收到之后 ，經 過一定的時延（一般為 50181。s）發出成對應答脈沖。應答信號被機載設備接收到后，將發出詢問和收到應答信號之間所經過的時間減去地面臺的時延，便可算出飛機和地面臺的距離。 DME 記載設備和地面臺之所以發射的都是脈沖對，是為了減少由其他脈沖系統所造成的干擾。 詢問器接收到的信號相對于發射信號的延遲時間將為： 02r rttC?? () 14 所以0()2 rCr t t??，式中 C 為光速； rt 為信號傳播時間； r 為測量斜距。 無線電導航測距系統的位置線是一個圓周，它由地面導航臺等距的圓球位置面與飛機所在高度的地心球面相交而成。利用測距系統可引導飛機在航空港作等待飛行，或由兩條圓位置線的交點確定飛機的位置。定位的雙值性（有兩個交點）可用第三條圓位置線來消除。測距系統可以是脈沖式的、相位式的或頻率式的。 圖 6 DME定位示意圖 ? 性能和特點 DME 導航系統使用 126 個頻道，可與 伏爾導航系統 配對使用。 DME 導航系統詢問和應答脈沖對編碼的間隔原來只有 12 微秒。近年來增加了一種詢問脈沖對間隔 36 微秒，應答脈沖對間隔 30 微秒的編碼。 12 微秒編碼稱為 X 模式， 36 微秒編碼稱為 Y 模式。這樣，系統的工作頻道已由原來的 126 個 擴展為 252 個。 圖 7 DME臺實物 澳大利亞 AWA公司 LDB102 15 詢問器發射的脈沖峰值功率為 200 瓦至 1000 瓦。應答器發射的脈沖峰值功率為 100瓦至 1000 瓦，小功率臺用于終端，大功率臺用于航路。 DME 導航系統的測距準確度，近距為177。 185 米，遠距為177。 370 米。導航系統測出的飛機至地面臺的距離為斜距。如果飛機在地面臺的 1 海里之外，飛行高度在 300 米以上 ,則斜距與地面水平距離的差別可以忽略。 DME 導航系統發射信號由于多徑反射，機上可能遇到假鎖定。假鎖定產生的距離誤差有時可大到幾海里。采用多路徑波 抑制技術后，可消除多徑反射影響。 DME 導航系統與伏爾導航系統同臺結合成為 VOR－ DME 導航系統，屬極坐標式導航定位系統，可同時提供飛機對地面臺的方位和距離。 TACAN 系統工作原理 塔康（ TACAN： Tactical Air Navigation 戰術空中導航系統）是戰術空中導航的縮寫，由于該系統的有效作用距離在近程范圍內且只用于航空導航，所以又稱為航空近程導航系統。是由美國海軍在 1956年發展的，也是世界上第一個為飛機提供方位和距離信息的系統。塔康系統能夠直觀提供方位、距離指示，并實現單臺定 位，能夠直接導出位置坐標。是現代軍用飛機重要的航空電子設備，作為軍用標準導航系統，其主要功能是建立航線、歸航、空中戰術機動和作為位置坐標傳感器。 ? 組成 塔康導航系統是一種近程極坐標式無線電導航系統。由地面信標臺（地面臺）和記載設備組成。地面信標臺可架設于機場、航路點或航空母艦上，機載塔康設備安裝在飛機上與塔康信標配合工作，其組成原理如圖 8所示。它與航向系統等交聯后 能夠為 350千米 400千米范圍內飛機連續提供飛機相對于地面信標臺以磁北為基準的全向方位角和斜距，從而確定飛機所處地理坐標即飛機位置。主要完成導航 方式下測量飛機相對于地面信標臺的方位和距離，在著陸狀態下與地面著陸信標臺配合工作，確定至著陸點的距離及預定航向偏差、預定下滑道偏差；在空中會和方式下，確定飛機間距離和飛機相對方向，即飛機間同時測量距離和方位。 測向原理與伏爾導航系統相似，測距原理與測距器相同，工作頻段為 9601215兆赫。 系統測距采用詢問應答方式，測角是通過基準脈沖信號和脈沖包絡信號之間的相位關系來實現的。當飛機位于塔康地面臺不同方位時，其機載塔康設備所接收到的基準信號和脈沖包絡信號之間存在著不同的相位關系，經過信號處理就可以確定出飛機相對 于塔康地面臺的方位角。 16 導 航 計 算 機代 碼 轉 換 單 元測 距 電 路測 角 電 路發 射 機 天 線 開 關 接 收 機發 射 機天 線 轉 動接 收 機信 號 處 理地面臺飛機 圖 8 塔康系統組成原理框圖 地面臺的天線是圓筒形的，是由中心天線陣列和內外調制圓筒組成，它在水平方向輻射場形成一個心臟形圖，上附有九瓣調制，當它以 15Hz勻速旋轉時，在它周圍空間的任意一點形成一個其振幅變化規律以 15Hz為頻率的正弦波，這樣，將以地面臺為中心的周圍空間化為一個 15Hz正弦波 360度的相位空間。由于又疊加了 9個波瓣，即相當于將15Hz正弦波 360度的相位空間分成 9個 40度空間，每個 40度相位空間相當于一個 135Hz正弦波 360度的相位空間。這樣使得地面臺發射的信號又增加 15Hz和 135Hz可變方位信息。方位測量就是機載設備接收地面臺發的方位信號為主，即主、輔基準信號及 15Hz和135Hz調制信號，取它們合成包絡的相位差而換算出來。 從飛機上每秒發射 30對、間隔為 12微秒的詢問脈沖對（成對發射的脈沖），地面臺收到詢問脈沖對后發射同樣間隔的回答脈沖對。在飛機上把收到回答脈沖對的時間與詢問脈沖對的時間相比較，得出脈沖電波在空間傳播的時間，從而得到飛機到地面臺的距離，并加以顯示。地面臺天線發射電波的方向圖呈有 9個波瓣的 心臟形，并以 900轉 /分轉動。飛機接收到的脈沖信號是調幅形式的，這一調幅包絡包括由旋轉心臟形方向圖產生的 15Hz方位信號和由 9個波瓣旋轉產生的 135赫方位信號，這兩個信號的相位與地面臺相對飛機的空間方位有關。為測定相位需要有基準信號，因此當心臟形方向圖轉過正東 17 方向時，發射一組由 12個脈沖對組成的基準脈沖信號，當 8個波瓣