无线电导航的发展历程.docx
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无线电导航的发展历程
1．无线电导航的发展历程
无线电导航是20世纪一项重大的发明
电磁波第一个应用的领域是通信，而第二个应用领域就是导航。
早在1912年就开始研制世界上第一个无线电导航设备，即振幅式测向仪，称无线电罗盘（Radiocompass），工作频率0.1一1.75兆赫兹。
1929年，根据等信号指示航道工作原理，研制了四航道信标，工作频率为0.2一0.4兆赫兹，已停止发展。
1939年便开始研制仪表着陆系统（ILS）,1940年则研制脉冲双曲线型的世界第一个无线电定位系统奇异（Gee），工作频率为28一85兆赫兹。
1943年，脉冲双曲线型中程无线电导航系统罗兰A（Loran-A）投入研制，1944年又进行近程高精度台卡（Dessa）无线电导航系统的研制。
1945年至1960年研制了数十种之多，典型的系统如近程的伏尔（VOR）、测向器（DME）、塔康（Tacan）、雷迪斯特、哈菲克斯（Hi-Fix）等;中程的罗兰B（Loran-B）、低频罗兰（LF-Loran）、康索尔（Consol）等;远程的那伐格罗布（（Navaglohe）、法康（Facan）、台克垂亚（Dectra）、那伐霍（Navarho）,罗兰C（Loran-C）和无线电网（Radionrsh）等;超远程的台尔拉克（Delrac）和奥米加（Omega）与。
奥米加;空中交通管制的雷康（Rapcon）、伏尔斯康（VOLSCAN）、塔康数据传递系统（Tacandata-link）和萨特柯（（Satco）等，另外还有多卜勒导航雷达（Dopplernavigationtadar），这期间主要保留下来的系统如表1
表1主要地基无线电导航系统运行年代表
1．1无线电导航发展的重大突破
1960年以后，义发展了不少新的地基无线电导航系统。
如近程高精度的道朗（（TORAN）、赛里迪斯（SYLEDIS）、阿戈（ARGO）、马西兰（MAXIRAN）、微波测距仪（TRISPONDER）以及MRB-201,NAV-CON,RALOG-20,RADIST等等;中程的有罗兰D（Loran-D）和脉冲八（Pulse8）等;远程的恰卡（Chayka）;超远程的奥米加（（Omega与α）;突破在星基的全球导航系统，还有新的飞机着陆系统。
同时还开始发展组合导航与综合导航系统，以及地形辅助导航系统等。
表2列出几种常用的系统及主要性能与用量。
表2几种常用的地基系统性能与用量
*D为飞行距离。
1.2无线电导航发展概括
无线电导航是所有导航手段中最重要的一种。
由于电磁波的传播特性，发展异常迅速，迄今约有100个系统投人使用，而且已由陆基发展到星基，由单一功能发展到多功能;作用距离也由近及远并发展至全球;定位精度则由粗到精，高达厘米量级;应用领域则由军事领域步入国民经济以及国计民生诸领域了。
随着电子科学技术的飞速发展，大规模与超大规模集成电路的问世，以及微处理器的普遍采用等，使得导航设备业已进人小型化，数字化与全自动化，进而使导航台站实现了无人值守，下面介绍目前世界上正在使用的典型的无线电导航系统。
2.几个典型的无线电导航系统
2.1无线电信标
1929年问世，精度3一100（2drms），目前全球约有10000余个信标台，其中美国航空与航海信标分别为1800个与200个，各拥有美国用户18万与50万个。
我国第一个指向标台是1927年在长江花鸟山建成，1933年在山东成山头建第二座。
目前约有各种信标台6000余座，上万台无线电罗盘和信标台接收机，船用测向仪也有1000台左右。
虽然该类系统技术陈旧，精度又低，但价格低廉，使用简单，工作可靠，大量的民用飞机和小型船舶都用它。
因此，它将作为一种低成本与备份导航系统保留到了21世纪。
2.2台卡系统
面世于1944年，作用距离370公里，定位精度可达15米，主要在欧洲使用。
其空中用户有1000个，海上用户30000有余，由于英国及其周围地区业已使用习惯，加上系统又作了技术改造，因此，它作为这一区域性导航系统可望用到2014年。
我国1973年研制成功，称“长河三号”。
它采用低频连续波相位双曲线定位体制，共生产固定岸台34套，定位接收机253台。
主要用于海上石油勘探和多次执行高精度重大科学试验任务。
2.3伏尔/测距器
分别诞生于1946年和1959年，作用距离在视线距离之内，重复精度与相对精度分别约0.35︒（2drms）和185米（2drms）。
现在全球约有VOR台2000个，用户不下20万个;DME用户约9万个。
由于GPS的起用，它们的作用就大大下降了。
甚高频全向信标（（VOR）和超高频测距器（（DME）两种系统配套工作可为飞机提供相对于正北的方位和到地面台的距离。
我国先后研制成功这两种无线电导航系统，一共建设有176套VOR和DME投人使用，使它成为我国民用航空的主要无线电导航系统。
2.4塔康
频段和精度与OVR/DME相近，塔康军用，VOR民用，二者组合则VORTAC。
系统1954年建成，现有用户约1.7万个，舰基塔康将继续使用下去。
1965年我国成功研制了超高频测向/测距系统—TACAN，它在一个频段上实现了同时测向、测距，更适合军事上使用。
80年代又研发了Ⅲ型地面台和机载设备以及机动式的塔康地面台，并进行了小批生产和装备。
目前整个地面台生产装备了约65套，机载设备约793台。
该体制已成为我国军航的主要装备体制。
2.5罗兰A
问世于40年代，工作频率为1950千赫，用于海上，作用距离白天700海里，夜间450海里;定位精度白天0.5海里，夜间数海里。
全球建有83个台，罗兰C问世后该系统陆续退出历史舞台。
1968年我国研制成功，叫“长河一号”工程，双曲线定位体制，覆盖我国沿海1000公里海域，从北部海域到海南岛沿海岸建设了10座导航台，昼夜发射导航信号。
舰船上安装“长河一号”船载定位仪，便可导航定位。
共计生产了4581台定位仪。
系统一直使用到1995年是当时我国军民舰船的主要导航设备。
2.6罗兰C
第一个台链1957年建成。
作用距离地波2000公里，天波4000公里，定位精度地波460米（2drms），重复与相对精度为18-90米（2drms）。
目前，全球共建了大小台链约20个，近100个地面台，拥有用户已超过100万个，而且还在大量增加。
系统也还在发展，它作为军用已在美国完成历史使命，但作为民用将还在继续效力。
原苏联的类似系统叫“恰卡”。
1987年我国研制成功，称“长河二号”工程，它采用脉冲、相位双曲线定位体制，覆盖我国沿海全部海域，从南到北共建设六座脉冲功率为2兆瓦的大功率地面导航台，它们分布在广西省境内二座，广东、江苏、山东、吉林省境内各一座，组成了我国南海、东海、北海三个导航定位台链，形成了我国独立自主控制使用的远程无线电导航系统。
1993年东海、北海台链建成投入使用。
共生产“长河二号”导航定位接收机4500多台。
罗兰-C和奥米加分别是低频段（100kHz）和甚低频段（10～14kHz）含标准时间频率信息的双曲线导航、定位系统。
它们的作用距离大，覆盖面广，导航、定位精度高，在全球范围内得到广泛应用。
罗兰-C是低频、脉冲式的双曲线无线电导航与定位系统，它是在40年代由美国麻省理工学院应美国陆军的要求而研制的。
当时要求是能全天候导引飞机，能远距离工作（离发射台926km），并且在一万多米的高空也能收到信号。
首批布站83个，称作罗兰-A，主要在太平洋地区，覆盖了北大西洋、北太平洋、北海和墨哥墨西哥湾。
两个站发射相同频率的信号，用户据此可确定自己的位置，精度可达到2.8km/926km，12.9～3.7km/2222.4km。
战后美国海岸警卫队把它的应用扩展到海上导航。
罗兰-A由于其台站的过时和维持费用的增加，在1980年退出使用，在改善的基础上研制了罗兰-B，罗兰-B使用3个台发射相同的频率信号，本想为港口和海湾提供精密导航，由于技术上的原因阻碍了其发展，1958年，罗兰-C投入使用。
罗兰-C是一种远距离（1850km）、低频（100kHz）的双曲线无线电导航系统，它使用两个同步发射器信号到达的时间差来定位。
较低的频率允许地波沿地球表面曲面传播较远的距离，多脉冲允许接收机把天波与地波区分开来。
根据不同的几何条件、接收机测时精度及传播条件，罗兰-C可以提供100～200m的精度。
在60年代中期，美国空军开始研制罗兰-D，它是C型的一种短距、战术型的版本，作用距离限制在1100km。
2.7奥米加
甚低频系统，全球8个地面台，于1982年全面建成，作用距离1.5万公里，精度3.7一7.4公里（2drms）。
全球用户约2.7万个，80%以上为民用用户，美国已于1997年关闭。
类似系统俄罗斯叫“α”，仍在工作。
我国曾进行过研究与试验，经仔细论证没必要发展而停止工作。
一、概念
奥米加导航系统（Omeganavigationsystem），是以地面为基准、工作在10～14千赫频段的无线电双曲线导航系统，是唯一基本上能覆盖全球的导航系统。
奥米加导航系统（Omeganavigationsystem）是一种超远程双曲线无线电导航系统。
其作用距离可达1万多公里。
只要设置8个地面台，其工作区域就可覆盖全球。
1972年，美国在北达科他州建立第一个奥米加正式导航台；1982年，在澳大利亚伍德赛德建成最后一个台，共8个台。
这8个奥米加导航台由多个国家管理,分布在美国的夏威夷和北达科他州以及挪威、利比里亚、留尼汪岛、阿根廷、澳大利亚和日本。
二、原理和性能
奥米加导航系统是由8个台组成的覆盖全球的甚低频连续波比相双曲线系统，没有主台和副台之分。
每台都以由4个铯钟组成的钟阵作为频率基准，都同步在统一的美国海军天文台标准频率上。
全系统共有4个导航频率，其中10.2千赫是导航基本频率，其他3个辅助导航频率是13.6、11劆和11.05千赫。
另外各台还发送各自的识别频率。
各台均按规定的程序发射导航电磁波。
奥米加导航系统采用时分工作体制。
在10秒周期内轮流发射信号，每个周期分8个节段,同一节段内各台发射信号的频率不同（见表）。
奥米加导航系统在同载频上比相而产生多值性。
在10.2千赫上比相，产生巷宽为8海里的巷道（1/2波长为一巷道）。
为了扩展巷宽,利用与3个辅助频率的差拍作用，将巷道分别展宽到24、72和288海里。
接收机用机内振荡器产生的基准信号来测量2个或更多个台信号的相位。
内部振荡器可存储相位信息，使不同台的相对相位互比，输出是以百分周表示的相位差，可在记录器上连续记录。
用户在大区域内常能收到4～6个台的信号，可选用两对双曲位置线交角最佳的台。
奥米加台交错发射信号，发射时间长短不一,从0.9至1.2秒,但发射休止时间均为0.2秒。
每台均用150千瓦发射机和467米铁塔天线（日本台用500米铁塔），挪威台使用跨度达3公里的山谷天线。
规定的天线辐射功率为10千瓦。
奥米加导航系统的准确度，决定于甚低频信号在甚长传播路径上的相位稳定性和预测准确性。
奥米加导航系统作用距离在5000海里以上。
甚低频传播模式是天波传播模式，受电离层变动影响很大，使相速不稳定，产生昼夜和季节变化。
此外，猝发电离干扰和极冕吸收会引起很大的误差。
奥米加导航系统在全球设有40个监测台，长期分别收集数据，以供产生传播修正模型。
奥米加导航系统设计预期准确度为2～4海里
（2）。
另一种奥米加定位模式是圆-圆方式,要求接收机具备高精度频率源，但使用两台就能定位。
全球有若干个大功率甚低频军用通信台，都采用铯频标,均可按圆-圆导航方式定位。
奥米加导航系统发射的电磁波有入水能力，但深度仅约为10米。
奥米加信号还是良好的授时手段。
差转奥米加 奥米加频率在甚长传播路径上传播时，不同区段有不同的变化，但在很短区段内的变化很小或者基本相同。
这种现象称为空间相关。
差转奥米加导航系统利用这一特点，在50海里以内的小区域内设立监测站，将理论计算的准确度与实测值的差值广播给小区域内用户作修正用，可把系统的准确度提高到0.2～0.4海里
（2）。
准确度随距离增加而下降,400海里之外已无意义。
国际海事组织已同意采用此法进行沿海导航，沿大西洋两岸已建立14个差转奥米加导航台。
三、补充
奥米加导航系统（Omeganavigationsystem），是全球范围的导航系统，定位精度为1.6～3.2公里，它由机上接收装置、显示器和地面发射台组成。
飞行器一般可接收到5个地面台发射的连续电磁波信号。
电波的行程差和相位差有确定的关系，测定两个台发射的信号的相位差，就得到飞行器到两个地面台的距离差。
对应恒定相位差（即恒定距离差）的点的轨迹是一条以这两个地面台为焦点的双曲线位置线（见飞机导航系统）。
同理，由另一对地面台得到另一条双曲线。
根据这两条双曲线的交点即可定出飞行器的位置。
由于连续电磁波是周期性的，相位差也作周期性变化，因而无法由相位差单值地确定距离差。
距离差与相位差存在单值关系的区域称为巷道宽度，其值为电波波长的1/2。
这样就存在一个巷道识别问题,可采用先粗测后精测的方法来解决。
各地面台先发射一个10.2千赫的信号，这时对应的精测巷道宽度为14.7公里。
为消除相位差周期性变化带来的多值性，须判断精测巷道的位置。
每个台再发射一个13.6千赫的信号，测出两个地面台两个第一差频（3.4千赫）的相位差,就得到粗测的距离差值。
第一个信号频率是第一差频的3倍,所以第一差频的巷道宽度是第一个信号频率巷道宽度的3倍,即44公里。
于是可在此粗测的44公里范围内，定出精测巷道的位置。
同理，各地面台再发射一个11.33千赫的信号,与第一个信号的差频为1.13千赫,可把粗测巷道宽度扩大到132公里。
每个地面台轮流发射频率为10.2、11.33、13.6千赫的3个信号。
在实际工作时,从接收机得到的是巷道的计数，可通过特制的导航图把奥米加巷道数字转换成以经纬度为单位的地理坐标位置。
由于基线（两个台之间的连线）长，奥米加导航系统测量位置线的几何误差较小。
这种系统的误差主要是电波传播速度因季节和昼夜而异所致（见无线电导航）。
导航员发现在太阳高年阶段的白天更难应用罗兰远程导航系统（LORAN-C）和奥米加导航系统（OMEGA）；相反，在太阳低年几乎没有问题。
这些耀斑的影响，主要是X射线，对于GPS的应用者来讲没有影响。
GPS信号通常不受电离层变化的影响而是对太阳X射线大量的注入有响应。
2.8仪表着陆系统
1939年研制成功，1949年定为国际标准着陆系统，其精度可满足I、Ⅱ、和Ⅲ类精密进场标准的要求。
但因工作频段低，天线庞大，场地要求严，通常很难达到,Ⅱ、Ⅲ类着陆标准等，越来越不适应现代航空的要求。
国际民航组织1978年4月决定用微波着陆系统取代它，2000年它将退役。
由于情况有变，至少得用到2020年，而非国际机场与中小民用机场将用到本世纪中期。
80年代以前，我国研制成功仪表着陆系统并装备了一些机场。
改革开放后又引进了技术和设备。
我国自行研制和生产的地面台约34套，机载设备约32套。
当前民航系统使用的地面台总共约139套。
它是目前我国民航机场的主要着陆引导保障设备。
2.9微波着陆系统
70年代，国际上要求改进仪表着陆系统呼声高涨,1978年国际民航组织投标确定微波着陆系统作为新一代国际标准着陆系统。
它具有覆盖范围大、受场地影响小，可任意选择下滑角着陆，可进行曲线进场，引导精度高。
1995年研制成功新一代微波着陆系统并完成了设计定型和进行小批生产，正在逐步推广使用。
另外还有着陆雷达，迄今我国共装备军民用各型雷达约425套。
海上应用的各种导航雷达，以及用于海上石油开发的脉冲八，还有越南战场使用过的罗兰D与某些近程高精度定位导航定位系统。
3.无线电导航发展的重大突破—卫星导航面世
简单地说，卫星导航就是把地面导航台搬至空中人造地球卫星的无线电导航系统。
3.1第一代卫导系统—子午仪
子午仪卫星导航系统，又叫海军卫星导航系统（（NNSS）。
它最初是美国为海军弹道导弹潜艇的惯导系统校准而设计的，1958年开始研制，1964年投人使用，1967年向民用开放。
系统由空间卫星、地面站和用户设备三部分组成。
空中6颗卫星分布在6条离地面约1080公里的园形轨道上;地面建有4个跟踪站，两个注人站和一个计算中心;用户设备包括导航接收机和计算机，广泛用于美国国内外商船与军舰上。
由于它不能连续定位，且两次定位之间间隔比较长等，加之先进的真正的全球卫星导航系统GPS的问世。
因此，子午仪业已从1990年就开始被淘汰，到1996年底就终止使用。
届时，第一代卫星导航系统将永远退出历史舞台，但它把地面导航台搬至空中的历史性功绩也将永远载人史册。
原苏联的类似系统称“奇卡达”。
70年代末，我国研制了091甲子午仪卫星导航接收机，曾几次装舰远渡重洋，执行国家重大科学试验和考察任务。
1980年、1982年和1984年三次分别参加重大发射试验，圆满完成任务，受嘉奖。
3.2第二代全球卫星导航系统
3.2.1GPS
GPS是NavstarGPS的简称。
美国于1973年开始研制，到1994年3月10日正式完成（21+3）的卫星星座配置，当年4月18日正式投人运行。
提供标准定位业务（（SPS）和精密定位业务（PPS）,SPS的定位精度（含SA）水平为100米（（95%的概率），不含SA为20一30米，定时精度340毫微秒;PPS可在10米以内。
SA技术美国于2000年5月1日已经取消。
3.2.2系统组成
系统十分庞大，由空间、地面和用户设备三部分组成。
空间包括配置在6条轨道卜的高度为20183公里的24颗工作卫星和3颗备份卫星，星上装在300万年才相差一秒的铯原子钟。
发射伪码调制扩频信号:
L1=1575.42兆赫;L2=1227.6兆赫，伪码为P码、Y码与C/A码。
地面部分含一个主控站、5个监测站和3个数据注人站。
用户设备:
海、陆、空、导航、测速、时间同步、精密测绘及制导等各种用途的各型用户设备。
俄罗斯类似的系统为GLONASS,1995年12月投入使用。
GPS和GLONASS相继建成，投人运行后，在我国得到了极为广泛的应用。
并研制出了一系列GPS接收机和GPS,GLONASS兼容机，以及为远望号各船提供GPS授时、测频、导航仪。
同时研发了一系列卫星一导航技术应用工程研究项目，并投人了使用。
3.2.3差分GPS
·DGPS概念
简言之，将一已精确测定的已知点作为差分基准点，在这点上安装GPS接收机，且连续接收GPS信号，通过处理，再与已知的精确位置作比较，不断地确定当前的误差，即准确的修正值。
然后通过广播或数据链的方式将这些修正数据送至该地区的所有用户，用来修正定位解，从而大大提高了定位精度。
甚至可提高一个数量级，主要是不少误差消去了，即使二者相距900公里，效果令人满意。
一般是伪距差分，也可是位置差分。
差分有普通差分、广域差分还有增强型。
·中国的RBN/DGPS
1993年开始着手准备利用美国的GPS卫星C/A码信号资源和我国沿海现有的22座无线电信标台建立我沿海RBN/DGPS差分导航网。
该系统经过充分的可行性与系统方案论证，信标台的技术改造或新建，正式在19%年初开始建设，工程分三期，迄今业已建成包括20个台站的导航网投人使用。
系统定位精度（（2司为:
100公里内优于1.0米;
150公里内优于1.2米。
·系统发展
世界上第一个实用的RBN/DGPS系统是由芬兰和瑞典开发的，它为自斯德哥尔摩到赫尔辛基的飞机和船舶提供连续的导航服务。
美国自1985年开始研究，1993年开始布台，在其东部和南部沿海岸布了17个台，北部大湖沿岸14个台，西部及阿拉斯加与夏威夷海域有17个台，是由美国警卫队（（USCG）实施的。
冰岛的系统也开通，包括6个台，另外还有加拿大、丹麦、法国、德国、荷兰、挪威、英国和爱尔兰等国也都开通了RBN/DGPS网或建立了台站。
前已述及中国在沿海已建立了包括20个台站的RBN/DGPS导航网。
国际发展趋势由于无线电信标台是最早作为船舶航行和飞机归航的手段，应用量极大。
对于船舶而言，1974年国际上有关安全条约规定1600吨以上从事国际航行的船舶必须装备该系统设备。
就现代导航手段而言，信标系统的技术落后、精度又低，故退居备份或辅助了。
而这些地面台确是现存的，不用花很多钱进行技术改造，就能用作差分GPS的数据链发播台。
因此，世界各就利用它来建设RBN/DGPS系统。
鉴于卫星的可见性和空间的不相关性，就限制了单个DGPS基准台的工作范围，于是科技工作者们提出了导航网络的概念，具有实用价值有三种网络，即一是局域网，范围小;二是区域网，就是设置多个基准台和数据链，当然其中有一个主台，它的作用区域可相当于美国或西欧那样大;三是广域网，它可连续地估算所有卫星轨道和时钟校正值，一个广域网基本上就是一个卫星跟踪网，所以卫星通信符合广域网要求。
国际上目前重点发展的是区域网和广域网，并以大力发展以此为基础的增强型网络。
中国内陆建有用于飞机归航的无线电信标台就有1120座，那么对这些台进行技术改造，针对某些区域例如长江流域建立区域网，进而建立覆盖全国的广域网，并以此为基础，发展增强性区域网，乃至增强性广域网，以满足飞机、地面车辆及某些特殊用途的高精度导航以及农业、林业、测绘等等各种应用。
中国的高精度导航网，包括RBN/DGPS广域网及其增强型宜于国家统一规划、统一布署和统筹安排，避免各自为政，以减少乃至避免有限的物力、财力和人力资源的浪费，也有利于各行各业的应用和管理，充分发挥其系统的作用和效益。
3.3中国的卫星导航系统—“北斗一号”
系统覆盖我国及周边地区，自主定位方式，精度100米，差分定位精度可达20米。
容量54万户/时，定位响应时间1类用户<5秒;;2类<2秒;3类<1秒，一次定位成功率95%。
2000年10月31日与12月21日两颗北斗卫星升空，最近又发射一颗备份星，系统调试已基本完成，即可投人使用。
3.3.1系统组成
·导航通信卫星
即空间中继站，是两颗距地面36000Kn〕与地球同步的静止卫星，两者升交点赤经相差600。
卫星上带有信号转发装置，用于用户和地面站之间的转发通信。
·地面站组
包括主控站、计算中心、测轨站、测高站以及校准站等，主要用来对卫星定位、测轨和制备星历，调整卫星运行轨道、姿态，控制卫星的工作，测量和收集校正导航定位参量，以形成用户定位修正数据并对用户进行精确定位。
·用户设备
为仅带有定向天线的收/发器，用于接收中心站通过卫星转发来的信号和向中心站发射通信信息;不含定位解算处理器，设备比较简单。
3.3.2系统的工作原理
中心站通过测量信号在中心站一卫星一用户之间往返的时间延迟，从而测定用户和两颗卫星之间的距离，再利用用户的高度测量数据（或数字地图）经过解算就可以确定用户的位置。
3.3.3系统的特点
1）仅用两颗卫星就可以进行导航通讯，资金投入少;同时由于采用静止卫星，可以对大覆盖区内的用户进行连续实时定位;
2）用户设备比较简单，导航定位数据完全由中心站计算完成;
3）具有通信功能，信息高度集中，便于集中指挥控制和管理;
4）由于采用数字地图、用户数据修正等措施，使系统具有较高的定位精度。
同时该系统也有其局限性:
1）由于系统采用集中式处理，从而导致了该系统为节点系统。
一旦中心被毁坏，将导致整个系统瘫痪，这对于军事用户尤其重要;同时由于所有用户的定位都是在中心站完成，这就导致了对中心站设备的处理能力要求极高，而且也导致定位数据有较大的滞后误差;
2）系统采用的是有源工作方式，一方面导致军用用
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