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1、第四篇无线电导航系统第4篇 无线电导航系统第1章 无线电测向仪基本要求1了解无线电指向标的设置、发射频率范围；2了解无线电测向仪的基本原理及基本组成；3了解无线电测向仪的误差产生原因、消除方法及注意事项；4掌握无线电测向仪的使用及其日常维护。教学内容1.1 无线电测向系统无线电测向系统是一种采用中频、近程、时分制、振幅测向的无线电导航系统。由无线电测向仪和无线电发射台（或称无线电信标台和示标台）两部分组成。无线电测向仪可以测定无线电发射台的方向，用于船舶的救助、定位和导航等方面。国际海上人命安全公约（SOLAS）规定：1 600总吨以上的船舶必须装备具有500 Hz和2 182 kHz遇险呼救

2、频率的无线电测向仪。无线电测向系统特点：1）系统作用范围距离较近，白天100 n mile，夜间50 n mile；2）测向仪测向精度较低， 2 5 ；3）测向仪可测任何无线电发射台的方位，通用性强，设备简单，使用方便，成本较低，对发射台无特殊要求。1.1.1无线电信标台的设置1信标台配置通常无线电信标台设置在沿海岸边或岛屿海岸边缘处，发射信号传播的主方向与海岸线的交角为90；每个台以所在地的地名命名；一般由2 6个台组成一个台组，称为一个台链。2信标台发射频率无线电信标台发射信号的频率范围为255 525 kHz。分配给航海无线电信标的频段为285 325 kHz，常用的发射频率为291.5

3、 318.5 kHz。每个台链的信标台均以同一频率发射等幅或调幅电报波信号，以区分台链。3信号发射格式无线电信标台先发射莫尔斯码识别信号，再发射测向信号。1）信号调制方式A1A（旧式符号为A1）调制方式：无线电信标使用键控未进行音频调制的载波发射信号。使用无线电测向仪时，将差拍振荡器开关BFO置于ON位置。A2A（旧式符号为A2和A2）调制方式：无线电信标使用键控音频调制载波发射信号。使用无线电测向仪时，参照说明书转换差拍振荡器开关的位置，通常将差拍振荡器开关BFO置于OFF位置。NON A2A（旧式符号为A0、A2）调制方式：无线电信标使用键控音频调制连续载波发射信号。使用无线电测向仪时，参

4、照说明书转换差拍振荡器开关的位置，识别时BFO置于OFF位置，测向时BFO置于ON位置。2）信号发射格式船舶主要使用RC类型的航海无线电信标，台链中的每个信标台是以时间分割制即严格按照一定的时间顺序依次发射同一载频的无线电信号的。台链中一个台发射，其它台均处于静默（无信号）状态，避免相互之间产生干扰。例如，由6个台组成的台链，开始发射时间为整小时，以1 min作为时间单位，每个无线电信标台按照顺序依次发射1 min信号，6 min重复一次，整个台链的工作周期为6 min。不足6个台的台链，发射格式另定；也有其它工作周期的台链。1.1.2无线电信标台分类1根据发射的方向分类1）不定向无线电信标（

5、RC）：设在沿岸及岛屿上，是一种向四周均匀辐射电磁波的无线电信标；2）定向无线电信标（RD）：设在港口及航道附近，是一种向一定方向辐射电磁波的无线电信标；3）旋转式无线电信标（RW）：设在港口及航道附近，是一种电磁波辐射方向旋转的无线电信标；4）对空不定向无线电信标（Aero RC）：是一种向四周均匀辐射电磁波的航空无线电信标，为飞机提供测向；5）康索尔信标（Consol）：航海、航空两用无线电信标；6）指点无线电信标（Marker BN）：2根据用途分类1）航海用无线电信标（Marine）；2）航空用无线电信标（Aero）；3）雾中导航用无线电信标（Fog）4）校准船上无线电测向仪用的无线电

6、信标（Calib）。3根据测向业务分类1）固定无线电信标；2）临时无线电信标（R）。位于沿海的航空无线电信标也可供船舶使用，但其对应于向海方向的传播路径不是最佳的，使用时应注意其可靠性。1.2 无线电测向原理无线电测向是利用具有方向性的天线来接收无线电波，根据信号幅度与电波传播方向之间的关系，测出电波的传播方向。这种测向方法称为振幅测向法。无线电信标所发射的无线电波是垂直极化波，无线电测向仪使用环状天线和垂直天线。1.2.1天线方向性天线的方向性是指天线中产生感应电动势的相对振幅与电波传播方向之间的关系。据此关系所画的水平面几何图称为天线方向性图。1垂直天线的方向性设垂直天线所在处的电场强度有

7、效值为E，垂直天线的有效高度为h，电波的角频率为 ，则垂直天线上产生的感应电动势为由上式可见，垂直天线产生的感应电动势与电场强度和天线的有效高度成正比，与电波的来向无关，即用垂直天线收听来自任何方向等距离的电台信号时，若各台发射功率相等，则收听效果相同。垂直天线的方向性图用极坐标表示是一个圆形，如图1.2.1所示，将垂直天线称为不定向天线或无方向性天线。2环状天线的方向性假设电波来向与环状天线的环面夹角为 ，如图1.2.2所示。设环状天线的有效高度为heL，其中心的电场强度E，则环状天线产生的感应电动势为可见，环状天线产生感应电动势不仅与电场强度和有效高度成正比，还与电波的来向有关，即用环状天

8、线收听任何方向等距离的电台信号时，若各台发射功率相等，则收听效果与电波来向和环状天线环面夹角的余弦成正比。当电波来向与环状天线环面平行时，即 = 0或180时，其感应电动势最大；当电波来向与环状天线环面垂直时，即 = 90或270时，其感应电动势最小或零，此时无线电测向仪监听到的信号声音最小或监听不到信号的声音，称之为哑点。环状天线的方向性图是一个“”字形图，如图1.2.2所示。通常是利用环状天线感应电动势的最小值（哑点）来确定电波传播方向，因为最小值（哑点）附近感应电动势变化率较大，比较容易确定哑点的准确位置，测向精度高。由于环状天线“”字形方向性图有两个哑点，利用环状天线测出的无线电信标方

9、向可能相差180，即具有双值性。3复合天线的方向性在无线电测向过程中，需要确定环状天线“”字形方向特性两个相反的方向中哪一边是无线电信标的正确方向，这个过程称为定边。定边的方法是引入垂直天线。将环状天线和垂直天线组合在一起后的天线称之为复合天线。设环状天线和垂直天线产生的感应电动势的振幅相等并且相位相同，则复合天线的感应电动势为式中Vm为感应电动势的最大值。复合天线的方向性图为一个心形图或叫心脏形图，有一个感应电动势最小点（哑点）和一个最大点，如图1.2.3所示。1.2.2测向原理在无线电测向过程中，环状天线的“”字形方向特性的哑点比复合天线的心形方向特性的哑点尖锐，故用“”字形方向特性进行精

10、确测向，而用心形方向特性定边，以判断无线电信标的方向。1）转动环状天线，当信号幅值最小时，垂直环状天线平面的方向即电波方向，但存在两个方向双值性；2）加上垂直天线后组成复合天线，用复合天线心形方向特性的哑点来定边，消除双值性，确定电波的来向，也就是确定了无线电信标的方向。由于受噪声干扰、仪器灵敏度和人耳辨别力的限制，用无线电测向仪测向时，只有当偏离哑点的角度达到使信号强度超过噪声时，才能觉察出信号，这个偏离的角度称之为偏离角。在哑点两侧不能觉察信号的角度范围称为无声角。无声角是偏离角的2倍。在良好的收听条件下，无声角宽度（亦称哑点宽度或静默角宽度）约为2。1.2.3测角器转动无线电测向仪环状天

11、线将哑点对准电波来向测出无线电信标的方向是不现实的，也不是唯一的。采用两个固定环状天线和一个测角器，同样可使方向特性旋转，测出信标台的方向。1测角器结构测角器系统是由正交的两个环状天线和测角器组成。测角器由两个互相垂直的固定线圈A、B和一个可绕中心轴转动的寻向线圈组成。两个固定线圈分别与对应的环状天线A、B相连接。原理图如图1.2.4所示。为了使测角系统的方向特性图保持无畸变的“”字形方向特性，寻向线圈必须处在固定场线圈的均匀磁场中，寻向线圈在转动时与场线圈的耦合按正弦或余弦规律变化。寻向线圈的轴上装有指针，它在方位刻度盘上的示度就是被测无线电信标的方位。2工作原理无线电信标发射的信号，在两个

12、环状天线中产生感应电动势，使测角器的固定场线圈产生感应电流，进而产生磁场。由于寻向线圈在磁场中转动，则在寻向线圈中产生幅度相位变化的感应电动势，这样便可根据寻向线圈中感应电动势的变化确定无线电信标的方位。假设被测电台发射电波的传播方向与纵向环A的夹角为 ，而与横向环B的夹角为90- 。两个环状天线中产生的感应电动势分别为vA cos 和vB sin ，其将在测角器的固定场线圈中产生感应电流，因而产生的磁场为Hy cos 和Hx sin 。由于设置时保证了环状天线与测角器相应回路的各种特性一致，因此，Hym = Hxm= Hm。这样固定线圈产生的合成磁场为如果合成磁场与场线圈B平面的夹角为 ，则

13、 所以 = 上式说明合成磁场的方向与电波的来向角度相等。若能找出合成磁场的方向 ，则可求出电波的传播方向。由此，只要旋转寻向线圈并根据其输出信号的强弱变化，找出其最小值便可确定电台的方位。由图1.2.4可知，寻向线圈在合成磁场中旋转，合成磁场垂直于寻向线圈的分量使寻向线圈产生感应电动势，若寻向线圈平面与场线圈B平面的夹角为 ，则寻向线圈中的感应电动势为上式说明，当寻向线圈转到 = 时，感应电动势为零，即找到被测电台来波的“哑点”，通过寻向线圈带动的指针指示的位置读出被测电台的方位 ，即无线电舷角。1.3 无线电测向误差无线电测向误差包括仪器误差、附近导体的干扰误差（无线电自差）、电波传播误差和

14、测定误差等。1.3.1仪器误差仪器误差是无线电测向仪本身结构、电路的不完善及安装不当等所产生的误差。其主要的误差有直接接收效应、位移电流效应、测角器误差和垂直天线效应等。1直接接收效应由于接收机的调谐线圈、导线等直接接收电波时所产生的误差。2位移电流效应在两匝以上的环状天线中，因环圈间存在分布电容而产生位移电流所引起的误差。3测角器误差由于测角器的结构、耦合等因素所产生的误差。4垂直天线效应由于环状天线本身及其电路特性上的不对称或屏蔽不良等原因，致使环状天线具有与垂直天线等效的非定向接收的效应，引起哑点偏移和哑点模糊，因此产生的误差。1.3.2电波传播误差电波传播误差主要有夜间效应（或称极化误

15、差）及海岸效应两种。1夜间效应由于椭圆极化的天波对线极化的地波的干涉使测向产生的误差，称之为夜间效应或极化误差。无线电测向仪主要采用垂直极化的地波信号测向。在夜间，离无线电信标台超过20 n mile时，测向仪还能接收到较强的天波信号。而天波是椭圆极化波，其振幅、相位和极化程度是变化的，传播方向与地面有个倾角，从而使接收到的信号衰减和不稳定，测向零点产生漂移和模糊，引起测向误差。日出日没前后1小时，夜间效应最严重；距离越远、频率越高，夜间效应越大。在使用目测式测向仪时，由于夜间效应的影响，椭圆轴的长度随时改变，应在图象摆动不大时，求取平均方位读数；在使用伺服指针式测向仪时，由于夜间效应的作用，

16、伺服指针随时摆动变化，在指针摆动不大时，求取平均方位读数。消除夜间效应的根本方法是尽量避免接收天波，选择频率低、距离近的信标台，并在测定时注意读取平均值。2海岸效应电波通过海岸线时，由于电波等相位面发生扭曲而引起传播方向的改变，从而产生测向的误差称之为海岸效应。由于陆地和海面的电气参数不同，电波通过海岸线时，传导性能剧变，地波相速发生变化。如果传播方向与海岸线不垂直，等相位面的不同部分到达海岸线的时间不一致，便会引起海岸线附近过渡区域内的等相位面扭曲，形成海岸折射，从而引起测向误差。距离海岸越近，频率越高，海岸效应越显著。当距离海岸线大于10 （ ：电波波长）时，海岸效应可忽略不计。1.3.3

17、附近导体的干扰误差（无线电自差）无线电测向仪天线附近的导体（船体、烟窗、桅杆、通信天线、金属索具等），在高频电磁场中会产生感应电动势，产生高频电流，从而在其周围产生二次感应场；这样环状天线在收到信标台信号的同时，又收到二次辐射的影响，使测定电台方位时产生偏差，此偏差称之为无线电测向仪自差。设电台真舷角为p，无线电测得舷角为q，则无线电测向仪的自差f为f = p q为了掌握无线电测向仪的自差，船舶备有无线电测向仪自差曲线和自差表、自差公式，记载经自差补偿后的剩余自差值，其大小和方向随着无线电舷角的变化而变化。测向时，应将测得的无线电舷角读数加上自差值，才能得到准确的无线电舷角值。1.3.4测向定

18、位误差测向定位误差主要与观测方位误差和测向位置线的交角有关，主要因素有：1无线电信标的位置和周围环境；2所测无线电方位线的交角；3无线电测向仪的性能，无声角宽度；4夜间效应、海岸效应的影响；5无线电测向仪自差测定精度；6操作者测定方位和读取无线电测向读数的经验。1.4 无线电测向仪1.4.1无线电测向仪的种类船舶通常采用工作在中频波段有固定式双环天线的目测式无线电测向仪（自动无线电测向仪ADF），使用人员只要将接收机频率调谐到信标台发射的无线电频率，然后记下指针所指的方位读数即可，测向过程是自动完成的。目测式无线电测向仪有阴极射线管目测式和伺服指针式无线电测向仪两种。1目测式无线电测向仪具有阴

19、极射线管的目测式测向仪又分为单波道（旋转调制式ADF）和双波道（振幅比较式ADF）两种。1）单波道目测式无线电测向仪（旋转调制式ADF）它是一种利用阴极射线管显示方向性图的测向仪，由环状天线、垂直天线、测角器、超外差式接收机、方位指示系统和电源等组成，如图1.4.1所示环状天线和垂直天线用以产生感应电动势，引入无线电测向信号。环状天线由正交的两个环状天线组成，垂直天线为鞭状直立天线；测角器用以测定无线电信号方位角的装置，由无线电（高频）测角器和扫描（低频）测角器组成，并借助于微电机驱动作同步旋转。把两个正交环状天线的电波分量重新组合，用以测量电波方位的装置称为无线电测角器。将感应电动势分解为垂

20、直和水平两部分，输至阴极射线管以显示电波来向的装置称为扫描测角器；超外差式接收机是将接收的电波信号进行放大、检波、输至监视（阴极射线管）和监听（扬声器）的设备；方位指示器主要由阴极射线管及其电路组成，其作用是将接收放大的测向信号变成图像并指示出无线电方位；电源是将船舶电源变为无线电测向仪所需要的各种电源。测向时，荧光屏上出现一束与寻向线圈瞬时位置相对应的亮线，形成狭长的“螺旋桨”样图像，浆尖指示的刻度即为被测电台的方位；垂直天线定边时消除“螺旋桨”图像的一半。不接收测向信号时为一圆形图像。2）双波道目测式无线电测向仪（振幅比较式ADF）它也是一种利用阴极射线管显示方向性图的测向仪，由环状天线、

21、垂直天线、超外差接收机、方位指示系统和电源组成。2伺服指针式无线电测向仪这种类型的测向仪也称为具有跟踪系统的自动无线电测向仪，由环状天线与垂直天线、测角器、超外差接收机、方位指示系统和电源等组成，如图1.4.2所示。两个互相垂直的环状天线分别与无线电测角器定子线圈（场线圈）相联。无线电测角器寻向线圈输出的无线电测向信号经放大、移相后，使其与垂直天线的信号幅度相等、相位相同。该信号输至平衡调制器，受调制的环状天线信号与垂直天线信号在叠加回路中叠加。当旋转寻向线圈时，叠加信号的幅度随方位的变化在极坐标中呈心脏形。该信号经超外差式接收机的高放级、变频级、中放级和检波级后经伺服放大器输至伺服电机，伺服

22、电机带动寻向线圈与方位指针旋转。当偏离零点接收方向时，驱动信号使测角器向零点位置转动；到达零点时，测角系统输出信号为零，伺服电机停转，此时方位指针指示出信标的正确舷角读数。这种测向仪自动测向时无需定边。1.4.2无线电测向仪的使用下面以日本KODEN公司生产KS541型测向仪为例说明使用，它是利用阴极射线管显示方向性图形的测向仪，即单通道CRT显示测向仪。其它具体型号的测向仪需要按照说明书进行操作。1控钮的作用KS541型测向仪的面板如图1.4.3 所示，简介如下：1）电源控钮：切断或接通电源及调整电压。2）航向同步旋钮及按钮：使陀螺罗经复示器的度数对准固定刻度盘的零度，用以测取无线电信标的真

23、方位。3）中心调节（机内）：调节“”字形叶瓣的中心对准方位标尺的中央。4）半径调节：控制图形在荧光屏上的大小。5）系统转换：置于“DF”时用做测向；置于“RCV”时用做收音。6）定边：扳到“自动”时自动定边，扳到“手动”时，再按手动定边按钮手动定边。7）音量：控制扬声器声音的大小。8）波段：选择被测无线电信标的频率范围。9）调谐：选择被测无线电信标的频率。10）工作方式：选择无线电信标信号的调制方式。11）增益：控制放大器对信号的放大量。测向时，调节增益使图像呈“”字形叶瓣。12）照准尺（方位）：调节方位指针对准“”字形叶瓣的两尖端。2操作使用1）接通电源开关。先扳至“A”位置预热2 min，

24、然后扳至“1”或“2”或“3”位置，使电表指示在标准刻度线上。2）调节航向同步旋钮，使可动航向刻度盘以航向值对准方位刻度盘的零。3）扳系统转换开关至“DF”，顺时针转动音量旋钮，置工作方式开关至所接收信号的调制方式，以便监听信号。4）转动“半径调节”使荧光屏上的圆形图的半径为荧光屏半径尺寸的3/4。5）扳波段开关，调主、细调谐旋钮至欲测无线电信标的频率。6）调节增益控制，荧光屏上的图形变为“”字形图形。调节主、细调谐使“”字形变得更尖锐，调谐指示偏转最大。7）调节照准尺旋钮，使标尺中线对准“”字形尖端，再调节增益旋钮、半径旋钮使“”字形清晰。8）定边：如果选择自动定边，则测向仪处于自动定边状态

25、；如果选择手动定边，则需要手动按下定边按钮进行定边。定边时，根据荧光屏上“”字形浆叶偏转方向来观察照准尺上的箭头指示方向，照准尺中线在此方向上的读数便是信标台方位。内圈为相对方位，外圈为真方位。3使用注意事项在使用无线电测向仪时，为了提高测向定位精度，应注意下列事项：1）在测定前，首先应检查无线电测向仪，并确认其工作状态良好。2）应尽可能选择100 n mile以内的无线电信标台进行测定，且本船和信标台之间不宜有其它船舶（近处）或明显高大建筑物，也不宜越过陆地、岛屿进行测定。3）当选用两个无线电信标台测定时，其位置线交角以接近90为最佳，不得小于30和大于150；当选用三个以上无线电信标台测定

26、时，应选择多个交点中间的最或然船位。4）本船收发信机及收音机天线均应处于绝缘状态；天线附近的金属索具等均应保持在测定自差时的状态，以免产生误差。5）注意避免夜间效应。在夜间，离信标台30 50 n mile范围进行测向，精度不低于白天；距离增大时，夜间效应增大，测向准确度大为降低；日出前后1 h内与日落前后1 h内，夜间效应最大，不宜进行测向；利用短波测向时，白天与晚上均存在夜间效应。6）当船与岸距离较近（小于10个波长），且船与信标台的连线与海岸线夹角小于20时，因海岸效应不宜测向。7）在恶劣条件下测向时，应多测几次，取其平均值计算定位；为减小船舶倾斜或吃水深度变化时船舶强烈摆动所引起的误差

27、，应在无线电测向舷角为0、90、180、270时测向或者改变航向测向；在巨浪海况条件下，应偏重于利用无线电波沿着波浪方向传播的无线电信标进行测向。8）应正确操作无线电测向仪，尤其注意应进行精确调谐、平衡（双通道目测式测向仪）及对天线效应的补偿，使信号最小值（哑点）锐化。4保养与检查1）保养经常清洁无线电测向仪的外部，使面板清洁，指示器清晰；定期清洁测角器转动机件及加注润滑油；保持环状天线周围5米以内的金属索具等的状态与最近一次测定和校正无线电自差时的状态相同；保证天线牢靠，环状天线屏蔽管除绝缘部分外应涂油漆保护；天线应保持测定无线电自差时的状态，不得移做它用，不得与其它任何物体接触。保持电压正

28、常。2）检查了解保养执行情况和存在的问题，并加以处理；检查测向及定边情况；检查无线电自差曲线的图表是否符合要求；利用电表测量有关电压及电流，使其符合规定值；检查并保持开关、旋钮、继电器、插件、插板接触可靠。要点复习1基本概念：1）无线电测向系统；2）台链；3）时间分割制；4）信号发射格式；5）信号调制；6）环状天线、垂直天线、复合天线；7）天线方向性及方向性图；8）无声角、偏离角；9）测角系统、测角器；10）无线电自差；11）夜间效应、海岸效应；12）垂直天线效应。2无线电测向系统的组成、特点及用途。3无线电信标的分类。4无线电信标信号调制方式。5环状天线和复合天线的方向性图。6无线电测向仪测

29、向原理。7无线电测向仪的误差。8无线电测向仪的种类及简单工作过程。9无线电测向仪的操作使用。10提高测向定位精度注意事项。11无线电测向仪的保养检查第2章 罗兰C导航仪基本要求1了解脉冲时差双曲线定位原理；2了解罗兰C导航系统的配置及无线电信号格式；3了解罗兰C导航系统误差的产生原因；4掌握罗兰C接收机的使用及其维护。教学内容2.1 双曲线导航系统2.1.1双曲线定位基本原理由几何学知道，距球面上两定点的距离差为常数的点的轨迹是以这两个定点为焦点的球面双曲线。双曲线导航系统就是以这个几何原理为基础建立并命名的。若在两个焦点位置上各设置一个无线电信号发射台，同时发射无线电脉冲信号；船舶上的无线电

30、接收机接收这些脉冲信号，并根据接收到这些信号的时间差或相位差，测定出船舶与两个发射台之间的距离差，便可确定此时船舶的位置一定是在与所测定的距离差相对应的双曲线上。若设置两对无线电发射台，就可得到两组相互交叉的双曲线族。船舶上的接收机接收到两对无线电信号，得到两条双曲线船舶位置线；两条船位线的交点就是测量时船舶的位置。2.1.2双曲线导航系统种类众所周知，无线电波是等速直线传播的，只要测量出无线电信号传播的时间就可换算出距离差。双曲线导航系统根据测距差的方法分为相位测距差、脉冲测距差和脉冲-相位测距差三类。1相位测距差：台卡（Decca）和奥米伽（Omega）导航系统。2脉冲测距差：罗兰A（Lo

31、ran A）导航系统。3脉冲-相位测距差：罗兰C导航系统。2.2 罗兰C导航系统罗兰（Loran）一词是远程导航（Long Range Navigation）英文字头缩写的译音。是第二次世界大战开始研究发展的，先后有A、B、C、D多种类型，目前商船上主要使用罗兰C系统。罗兰C导航系统是一种远程、低频（长波）、脉冲-相位测距差式双曲线导航系统。系统由无线电信号发射台和罗兰C导航仪（接收机）两部分组成。导航仪的工作方式是先通过测量主、副台脉冲包络的时间间隔来粗测时间差，再通过比较载波的相位进行精测时间差。这种工作方式可以提高测量时间差的精度，从而提高了系统定位精度。罗兰C导航系统的特点：1）采用100 kHz的低频波段，无线电信号传播衰减小，覆盖范围大。白天地波作用距离为1 200 n mile，最佳定位精度可达几十米；夜间地波作用距离为700 n mile；夜间E1天波