1、航空电子导航设备,北京航空航天大学电子信息工程学院,北京航空航天大学电子信息工程学院航空电子导航设备课件,概 述,航空电子学是研究电子技术在航空工程中应用的学科。它是在航空技术和电子技术发展过程中逐渐形成的。电子技术的主要成果都很快被应用到航空方面。由各种电子设备组成了航空电子系统，主要有航空通信、导航、雷达、自动飞行控制等。航空电子导航是指利用无线电引导飞行器沿规定航线、在规定时间达到目的地的航行技术。亦称无线电导航。导航和定位密切相关 ，连续定位实质上就是导航。利用无线电波的传播特性可测定飞行器的导航参量（方位、距离和速度），算出与规定航线的偏差，由驾驶员或自动驾驶仪操纵飞行器消除偏差以保
2、持正确航线。,北京航空航天大学电子信息工程学院航空电子导航设备课件,发展概况早期的飞机主要靠目视导航。20世纪20年代开始发展仪表导航。飞机上有了简单的仪表，靠人工计算得出飞机当时的位置。30年代出现无线电导航，首先使用的是中波四航道无线电信标和无线电罗盘。40年代初开始研制超短波的伏尔导航系统和仪表着陆系统。50年代初惯性导航系统用于飞机导航。50年代末出现多普勒导航系统。60年代开始使用远程无线电罗兰 C导航系统，作用距离达到2000公里。为满足军事上的需要还研制出塔康导航系统，后又出现伏尔塔克导航系统及超远程的奥米加导航系统，作用距离已达到10000公里。1963年出现卫星导航,70年代
3、以后发展全球定位导航系统。,北京航空航天大学电子信息工程学院航空电子导航设备课件,导航方法 导航的关键在于确定飞机的瞬时位置。确定飞机位置有目视定位、航位推算和几何定位三种方法。 目视定位：由驾驶员观察地面标志来判定飞机的位置，这在起飞和着陆过程中特别需要。 航位推算：根据已知的前一时刻飞机位置和测得的导航参数推算当时飞机的位置。例如根据测出的真实空速和飞机的航向，在给定风速和风向条件下利用航行速度三角形计算出地速，再把地速对时间进行积分，代入起始条件前一时刻的位置，即可得到当时的飞机位置。多普勒雷达能直接测出地速和偏流角，经过积分也可得到飞机的位置。惯性导航实质上也是进行航位推算,由惯性元件
4、测得加速度,经过两次积分得到位置信息。航位推算是近代导航的主要方法，利用这种方法的导航系统只依靠飞机上的仪器而与外界无关，且不易受无线电干扰，可进行全球导航。,北京航空航天大学电子信息工程学院航空电子导航设备课件,几何定位：以某导航点为基准确定飞机相对于导航点的位置，从而定出飞机的位置线（即某些几何参数如距离、角度保持不变的航迹）。再确定飞机相对于另一导航点的位置，定出另一条位置线。两条位置线的交点就是飞机所在的位置。图中示出三种位置线：相对方位角为恒值的位置线是一条通过导航点的直线；距离为恒值的位置线是以导航点为中心的圆周；到两个导航点的距离差为恒值的位置线是双曲线。也可用雷达来确定飞机的位
5、置。,北京航空航天大学电子信息工程学院航空电子导航设备课件,导航系统 飞机导航系统依工作原理的不同可分为多种。 仪表导航系统：利用飞机上简单仪表所提供的数据通过人工计算得出各种导航参数。这些仪表是空速表、磁罗盘、航向陀螺仪和高度表等。后来由人工计算发展为自动计算而有了自动领航仪。各种简单仪表也逐渐发展成为航向姿态系统和大气数据计算机等。 无线电导航系统：利用地面无线电导航台和飞机上的无线电导航设备对飞机进行定位和引导。无线电导航系统按所测定的导航参数分为5类：测角系统,如无线电罗盘和伏尔导航系统；测距系统，如无线电高度表和测距器(DME);测距差系统,即双曲线无线电导航系统,如罗兰C导航系统和
6、奥米加导航系统；测角测距系统,如塔康导航系统和伏尔-DME系统；测速系统，如多普勒导航系统。作用距离在 400公里以内的为近程无线电导航系统，达到数千公里的为远程无线电导航系统,1万公里以上的为超远程无线电导航系统和全球定位导航系统。全球定位导航则借助于导航卫星。此外，利用定向和下滑无线电信标可组成仪表着陆系统。,北京航空航天大学电子信息工程学院航空电子导航设备课件,惯性导航系统：利用安装在惯性平台上的,3个加速度计测出飞机沿互相垂直的3个方向上的加速度,由计算机将加速度信号对时间进行一次和二次积分，得出飞机沿3个方向的速度和位移,从而能连续地给出飞机的空间位置。测量加速度也可不采用惯性平台，
7、而把加速度计直接装在机体上，再把航向系统和姿态系统提供的信号一并输入计算机，计算出飞机的速度和位移，这就是捷联式惯性导航系统。 天文导航系统：以天体（如星体）为基准，利用星体跟踪器测定水平面与对此星体视线间的夹角（称为星体高度角）。高度角相等点构成的位置线是地球上的一个大圆。测定两个星体的高度角可得到两个大圆，它们的交点就是飞机的位置。 组合导航系统：由以上几种导航系统组合起来所构成的性能更为完善的导航系统。,北京航空航天大学电子信息工程学院航空电子导航设备课件,无线电导航同其他定位、导航方法相比的优点是：全天候，定位精度和可靠性较高，作用距离较远，因而在导航技术中愈来愈占重要地位。但是无线电
8、导航必须依靠导航台的信息，易受自然或人为干扰，并且难免发生故障，因此不能完全代替航迹推算、陆标定位和天文定位等基本方法。,北京航空航天大学电子信息工程学院航空电子导航设备课件,导航设备或系统 无线电导航所使用的设备或系统有无线电罗盘、伏尔导航系统、塔康导航系统、罗兰C导航系统、奥米加导航系统、多普勒导航系统、全球卫星定位导航系统等。无线电信号中包含4个电气参数:振幅、频率、时间和相位。无线电波在传播过程中，某一参数可能发生与某导航参量有关的变化。通过测量这一电气参数就可得到相应的导航参量。根据所测电气参数的不同，无线电导航系统可分为振幅式、频率式、时间式（脉冲式）和相位式 4种。也可根据要测定
9、的导航参量将无线电导航系统分为测角（方位角或高低角）、测距、测距差和测速 4种。现代还根据无线电导航设备的主要安装基地分为地基（设备主要安装在地面或海面）、空基（设备主要安装在飞行的飞机上）和卫星基（设备主要装在导航卫星上） 3种。根据作用距离分为近程、远程、超远程和全球定位4种。,北京航空航天大学电子信息工程学院航空电子导航设备课件,无线电导航测角系统利用无线电波直线传播的特性，将飞机上的环形方向性天线转到使接收的信号幅值为最小的位置，从而测出电台航向(见无线电罗盘)，这属于振幅式导航系统。同样，也可利用地面导航台发射迅速旋转的方向图，根据飞机不同位置接收到的无线电信号的不同相位来判定地面导
10、航台相对飞机的方位角（见伏尔导航系统），这属于相位式导航系统。测角系统可用于飞机返航（保持某导航参量不变，例如保持电台航向为零，引导飞机飞向导航台)。几何参数（角度、距离等）相等点的轨迹称为位置线。测角系统的位置线是直线(角度参量保持恒值的飞机所在锥面与地平面的交线)。测出两个电台的航向就可得到两条直线位置线的交点，这交点就是飞机的位置（图1）。,北京航空航天大学电子信息工程学院航空电子导航设备课件,北京航空航天大学电子信息工程学院航空电子导航设备课件,无线电导航测距系统 利用无线电波恒速直线传播的特性。在飞机和地面导航台上各安装一套接收、发射机。飞机向地面导航台发射询问信号，地面导航台接收并
11、向飞机转发回答信号。飞机接收机收到的回答信号比询问信号滞后一定时间。测出滞后时间就可算出飞机与导航台的距离。利用电波的反射特性，测定由地面导航台或飞机的反射信号的滞后时间也可求出距离。无线电导航测距系统的位置线是一个圆周，它由地面导航台等距的圆球位置面与飞机所在高度的地心球面相交而成。利用测距系统可引导飞机在航空港作等待飞行，或由两条圆位置线的交点确定飞机的位置（图2）。定位的双值性（有两个交点）可用第三条圆位置线来消除。测距系统可以是脉冲式的、相位式的或频率式的。,北京航空航天大学电子信息工程学院航空电子导航设备课件,北京航空航天大学电子信息工程学院航空电子导航设备课件,无线电导航测距差系统
12、 在飞机上安装一台接收机，地面设置24个导航台。各导航台同步地（时间同步或相位同步）发射无线电信号，各信号到达飞机接收机的时间滞后与导航台到飞机的距离成比例。测出它们到达的时间差就可求得距离差。与两个定点保持等距离差的点的轨迹是球面双曲面，因此这种系统的位置线是球面双曲面与飞机所在高度的地心球面相交而成的双曲线。利用3或4个地面导航台可求得两条双曲线。根据两条双曲线的交点即可定出飞机的位置（图3）。定位的双值可用第三条双曲线来消除。现代使用的测距差系统大多是脉冲式或相位式的。,北京航空航天大学电子信息工程学院航空电子导航设备课件,北京航空航天大学电子信息工程学院航空电子导航设备课件,无线电导航
13、测速系统 这种系统大多是利用多普勒效应工作的。安装在飞机上的多普勒导航雷达以窄波束向地面发射厘米波段的无线电信号。由于存在多普勒效应，飞机接收到由地面反射回来的信号频率与发射信号频率不同，存在一个多普勒频移，测出多普勒频移就可求出飞行器相对于地面的速度（见多普勒导航系统）。再利用飞机上垂直基准和航向基准给出的俯仰角和航向角，将径向速度分解出东向速度和北向速度，分别对时间求积分即可得出飞机当时的位置。多普勒测速系统的位置线也是双曲线，它是由等多普勒频移的锥面与飞机所在高度的地心球面相交而成的。多普勒导航测速系统属于频率式。,北京航空航天大学电子信息工程学院航空电子导航设备课件,基础知识,无线电导
14、航主要利用电磁波传播的 3个基本特性：电磁波在自由空间的直线传播。电磁波在自由空间的传播速度是恒定的。电磁波在传播路线上遇到障碍物时会发生反射。通过测量无线电导航台发射信号(无线电电磁波)的时间、相位、幅度、频率参量，可确定运动载体相对于导航台的方位、距离和距离差等几何参量，从而确定运动载体与导航台之间的相对位置关系，据此实现对运动载体的定位和导航。,北京航空航天大学电子信息工程学院航空电子导航设备课件,电磁波的传播,频率从几十Hz（甚至更低）到3000GHz左右（波长从几十Mm到0.1mm左右)频段范围内的电磁波，称为无线电波。发射天线或自然辐射源所辐射的无线电波，通过自然条件下的媒质到达接
15、收天线的过程，就称为无线电波的传播。在传播过程中，无线电波有可能受到反射、折射、绕射、散射和吸收，并可能引起无线电信号的畸变。为了确定无线电导航系统的频率、功率、增益、灵敏度、信号噪声比、导航精度等指标，就需要对无线电波的传播特性有所了解。无线电波的频率，根据它们的特点可以划分为下列几个波段，不同波段无线电波的传播特性有很大差别。,北京航空航天大学电子信息工程学院航空电子导航设备课件,无线电波频段划分,北京航空航天大学电子信息工程学院航空电子导航设备课件,无线电波在自由空间内的传播,所谓自由空间，通常是指充满均匀，无耗媒介的无限空间。这种空间具有各向同性、电导率为零、相对介电系数和相对磁导率恒
16、为一的特点。设一点源天线（无方向性天线）置于自由空间中，若天线辐射功率Pr（W），均匀地分布在以点源天线为中心的球面上。离开天线r处的球面面积为 ，则此球面上的功率流密度（坡印廷矢量值）为在离开天线为r处的电场强度的值 可由电磁场的基本方程（即麦克斯韦方程组）解得为对于方向性天线，若以 表示天线的方向系数，其作用相当于在天线的最大辐射方向上把辐射功率提高到 倍。因此,北京航空航天大学电子信息工程学院航空电子导航设备课件,传播媒介对电波传播的影响,在电波传播空间中存在的媒介将对所传播的信号产生各种影响。使得通过它传输的电信号也随之产生附加的相应变化。（1）传输损耗 电波传播过程中，由于媒质对电波
17、的吸收式散射，或是存在障碍物时造成的绕射影响，都会使接收点场强小于自由空间时的场强。（2）衰落现象 一般是指信号电平（或传输损耗）由于传输媒介的随机变化所造成的随时间的随机起伏。造成衰落的一个原因可以是由于传输媒介电参数的变化使之对电波能量的吸收作用不同而产生的吸收型衰落，也可以是由于两点之间信号有若干条传输路径产生的随机多经干涉现象造成的干涉型衰落。信号的衰落现象对导航系统获取信息的可靠性会产生严重的影响。,北京航空航天大学电子信息工程学院航空电子导航设备课件,（3）传输失真 无线电波通过媒介传输时，由于媒介的等效相对介电系数可以是频率的函数，因此，不同频率无线电波的传输速度将不同，也将不能
18、保持发射时的相位关系，从而引起波形失真。这种失真称为色散效应。此外，当存在多径传输时信号波形将产生明显的畸变。（4）传播方向的变化 电波在自由空间内传播时，是沿直线传播的。但在实际传播路径中，电波可能通过不同的媒介，即使在同一媒介中传播，媒介也可以是不均匀的。因此由于电波的折射、散射和绕射将使接收到的电波方向发生变化。（5）干扰与噪声的影响 热噪声（导体中带电粒子在一定温度下的随机运动引起），串噪声（调制信号通过非线性元件所引起），干扰噪声。,北京航空航天大学电子信息工程学院航空电子导航设备课件,电波传播的方式,地面波传播 对于频率低于几MHz的无线电波，当天线架于地面，且最大辐射方向沿地面时
19、，无线电波主要沿地表面传播的方式。这种传播方式，信号稳定，没有多径效应，基本上不受气象条件的影响，但随着电波频率的增高传输损耗迅速加大。因此特别适宜于长波或超长波的传播。 天波传播 通常是指发射天线发出的电波在高空被电离层反射后到达接收点的传播方式，有时也称为电离层电波传播。长、中、短波都可以利用天波通讯。天波传播的主要特点是传输损耗小，但由于电离层是一种随机、色散，各向异性的媒介，电波在其中传播时会产生各种效应，例如多径传输、多普勒频移、极化面旋转，非相干散射等，都会对信号传输特别是对短波信号有较大的影响，有时还会因电离层暴等异常情况造成通讯中断。 视距传播 是指在发射天线和接收天线间能“看见”的距离内的传播方式。又称为直接波或空间波传播。在微波波段，由于频率很高，电波沿地面传播时衰减很大，遇到障碍时绕射能力很弱，投射到高空电离层时又不能反射回地面，因此视距传播是其主要传播方式。,
