整理地面与空中导航设备的导航性能.docx

1、整理地面与空中导航设备的导航性能地面与空中导航设备的导航性能第一章 导航设备的发展历史1.2 无线电罗盘用于导航指南针（也叫罗盘）作为中国的中华民族的四大发明之一，在古代以其先进的导航性能为世界文明的发展做出卓越的贡献。随着科学技术的发展，人们开始利用无线电波来确定船只在大海中的航向，这就是无线电测向仪，由于它起到了罗盘的作用，所以称为“无线电罗盘”。无线电导航的出现，使导航系统成为航行中真正可以依赖的工具，因此具有划时代的意义。无线电导航是所有导航手段中最重要的一种，它是根据电磁波在理想均匀媒质中按直线传播，且速度为常数，并在任何两种媒质介面上一定产生反射，入射波和反射波在同一铅垂面内的特性

2、，进行导航定位。近一个世纪以来，无线电罗盘与信标系统在世界航空史上谱写了光辉的一页，但是由于科学技术的不断发展和新的导航系统的出现，无线电罗盘和信标系统在不久的将来也会逐步退出历史舞台。1.2 无线电导航设备出现随着无线电导航的应用越来越成熟，导航设备也越来越多样化。其技术性能也越来越完善，具体上已经出现了陆基导航系统和进场着陆系统两个分类。陆基导航系统中的甚高频全向信标，测距器和精密测距器，塔康系统，高度表，罗兰C 系统与进场着陆系统中的仪表着陆系统，雷达着陆系统，微波着陆系统成为航空导航中最重要的设备。这些导航设备或者单独使用，或者与其他导航设备组合使用，为航空事业的发展起着不可替代的作用

3、。1.3 自备式导航设备问世陆基无线电导航系统的优点是把整个导航系统的复杂性集中在导航台上，使机载用户设备比较简单，价格低廉。然而，从作战使用的角度来看，由于它要有导航台并依赖电波在空间的传播，对系统的生存能力、抗干扰、抗欺骗能力都不大有利。于是自备式导航系统被研究出来，它使用机载的测速和测向仪来推算出飞机的位置，因此就没有上面的问题，由于它不依赖地面导航台，所以称之为自备式导航系统。在这期间出现的自备式导航系统主要有多普勒导航仪，惯性导航系统，地形辅助导航系统。地形辅助导航系统由于其配置过于昂贵并且维护复杂的主要用于军用。而多普勒导航仪，惯性导航系统则成为现在大部分飞机的必备导航系统1.4

4、组合导航系统迅速发展随着航空事业的快速发展，航空安全越来越受到重视，而一套单一的导航系统如果出问题，那么飞机的飞行安全就会受到严重威胁，在此基础上，人们研制出了组合导航系统。所谓组合导航系统，是指把两种或两种以上不同的导航设备以适当的方式组合在一起，利用其性能上的互补特性，以获得比单独使用任一系统时更高的导航性能。在高科技现代化战争中，任何单一的导航系统往往难于满足各种导航要求。组合导航技术是一种崭新的导航技术，它综合两个或两个以上导航传感器的信息，使它们优势互补，以期提高整个系统的导航性能，来满足各类用户的多种需求。组合导航系统可分为重调式和滤波处理式两大类。若从设备类型分，组合导航系统又可

5、分为无线电导航系统间的组合和惯性导航系统与无线电导航系统(或天文导航)之问组合两大类。在此期间出现的典型组合导航系统有惯性多普勒导航系统组合系统，惯性，天文组合系统。1.5 GPS导航系统投入使用太空一直是人类梦想涉足的一个领域，随着各种卫星被一颗颗的送入太空，用太空中的卫星来导航成为一种现实中与技术上的可能，于是卫星导航系统出现了。卫星导航系统是以人造卫星作为导航台的星基无线电导航系统，能为全球陆、海、空、天的各类军民载体，全天候、24小时连续提供高精度的三维位置、速度和精密时间信息。从无线电导航到卫星导航是导航史上的一次飞跃。卫星导航以其卓越的性能当之无愧的将成为下一代导航设备的主流。目前

6、备受世人瞩目的是美国的GPS系统和俄罗斯的GLONASS系统：此外还有国际移动卫星组织构想和规划的全球导航卫星系统(GNSS)。GPS系统是由美国国防部负责研制，主要满足军事需求，用于地球表面及近地空间用户(载体)的精确定位、测速和作为一种公共时间基准的全天候星基无线电导航定位系统。但由于政治和军方的原因，民用的GPS导航精度受到美国人为的限制，为此国际移动卫星组织构想和规划的全球导航卫星系统(GNSS)正在大力发展，GNSS将为提供比GPS更先进更精确的控制导航。1.6 以GPS为主的组合导航系统快速发展随着卫星导航系统的发展，出现了卫星与各类导航设备相结合的组合导航系统，其中有INS与GP

7、S的组合系统、多普勒导航系统(DNS)与GPS的组合系统、罗兰C与GPS的组合系统及由两种以上导航设备相组合的多传感器组合导航系统等。而INS与GPS的组合系统又备受世界瞩目，这不仅因为两者都是全球、全天候、全时间的导航设备，而且它们都能提供十分完全的导航数据。两者优势互补并能消除各自的缺点，使GPS/INS的应用越来越广泛。第二章 重要导航设备简介2.1 无方向性信标(NDB) 无方向性信标是所能获得的最基本的助航方式.其传输的频率范围为190-535千赫兹,NDB发射一个全向信号,其发射范围可至185.31公里以上,这依赖于其功率的大小:飞机上自动定向机(ADF)的接收机通过接收NDB的信

8、号,在经过计算处理后即可决定飞机相对于地面台的方位.NDB相对来说比较便宜,简单,容易安装,而且非常可靠.他们的主要缺陷是其在雷雨等特殊大气时性能的不稳定.NDB在二十世纪三十年代开始使用,由此组成了最基本的航路结构.在过去的儿十年里,NDB已逐渐地被VOR台所替代,现在,大多数的NDB只用作进近定位信标和在小的机场支持非精密进近系统。2.2甚高频全向信标(VOR)与测距机(DME)VOR导航现在己成为一种最为广泛的导航方式,现在世界上大多数国家的空域都在VOR台的覆盖范围之内.其作频率范围在108-118MHZ, VOR在向台和背台方式可提供精度达到土3度的方位信号,其覆盖范围可达150海里

9、以上,.绝大多数的VOR台都与DME配对安装,当DME与VOR配对安装时,则将其称之为VOR /DME。VOR已证明了它是一种杰出的可靠的助航方式,且基本上不受特殊天气的影响.当其与VOR配对使用时,己能作为一种单一的助航方式.另一个优点是,其频率范围与ILS的频率相近,因而可以将VOR和工LS接收机做在一个单一组件中,因此其在驾驶舱中的显示也可在一个仪表中实现. VOR唯一的缺点是它的视距信号限制,其性能将受到地理环境的影响,特别是在群山区域影响更大。VOR 工作原理VOR台站发射机发送的信号有两个：一个是相位固定的基准信号；另一个信号的相位是变化的，同时像灯塔的旋转探照灯一样向360度的每

10、一个角度发射，而向各个角度发射的信号的相位都是不同的，它们与基准信号的相位差自然就互不相同。向360度发射的信号（指向磁北极）与基准信号是同相的，而向180度发射的信号（指向磁南极）与基准信号相位差180度。飞机上的VOR接收机根据所收到的两个信号的相位差就可判断飞机处于台站向哪一个角度发射的信号上。测距机(DME)不像其他一些地面助航台连续发送信号, DME实际上是一种应答机系统, DME地面台在接收到一个从DME询问机发出的信号之后再发射信号,飞机上的DME询问机在接收到从地面来的响应信号之后,通过计算信号来回的时间,即可计算出飞机与地面台所相隔的距离.其频率范围为950到1215兆赫,D

11、ME与VOR一样,也是一种视距信号,其典型的定位精度在600到1000米.在大部分时候，VOR与DME是装在一起，VOR测量飞机磁方位角；DME测量飞机与地面DME台间的斜距。DME作用距离为300500公里，最远700公里，测距误差为0.10.74公里。VOR/DME组成近距无线电导航系统，在其信号覆盖区内还可与惯导组合，以提高飞机区域导航或进场着陆前所需导航信息的精度。2.3 自动定向机(ADF)自动定向机ADF也称无线电罗盘，是一种利用无线电技术进行测向的设备，它与地面无线电台配合，可测量无线电波的来波方向。这种设备通常装在飞机上。它的主要功用有（1）测量飞机纵轴方向到地面导航台的相对方

12、位角（2）对于飞机进行地位测量（3）判断飞机飞越导航台时间（4）当飞机飞越导航台以后，可利用自动定向机的方位指示保持沿预定航线飞行，即向台/背台飞行。ADF是飞机上最简单的导航设备。2.4 惯性导航系统(INS)惯性导航系统INS 是利用惯性设备测量航空器运动的速度和坐标从而形成指令信息来导引航空器的系统，其基本原理是应用惯性加速度计在三个互相垂直轴的方向上测量出导弹重心运动的加速度分量然后用相应的积分装置得到速度分量和坐标分量导弹发射点的坐标和初速度已知可以计算出导弹在每一时刻的速度值和坐标值并把这些值与程序值比较得出偏差量进行修正使导弹沿着预定的运动程序飞向目标INS 由一个惯性组合加速度

13、计和陀螺仪及一台导航计算机组成计算机除了计算传感器的测量值和地心引力之外主要输出导弹随时间变化的位置速度和姿态角现代常用的INS 有两种类型平台式惯性导航系统和捷联式惯性导航系统平台式INS 是把加速度计安放在陀螺稳定平台上利用此平台提供一个空间稳定不变的加速度测量基准陀螺稳定平台通过减震装置安装在导弹上主要用于战略导弹捷联式INS 是直接把陀螺仪和加速度计与导弹弹体连接用大容量高速度运算的计算机来处理导弹姿态角变化对加速度计输出的影响主要用于战术导弹与平台式INS 相比其优点是体积小成本低可靠性高惯性导航的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础的，即在载体内部测量载体运动加速度，经积分运算后得到

14、载体的速度和位置等导航信息。惯性导航是一种完全自主的导航方法，其主要缺点是导航定位误差随时间增长，因而难以长时间独立工作。解决这一问题的途径有两个：一是提高惯导系统本身的精度，一是采用组合导航技术。而实践证明，主要通过软件技术来提高导航精度的组合导航，是一种行之有效的方法。目前在飞机上的通常作法是，在一种中等精度惯导仪基础上，通过卡尔曼滤波器结合进一个或多个辅助传感器，这些传感器将为惯导提供有界信息，从而最终构成一种对短期和长期稳定性以及系统精度都是最佳的组合2.5 全球卫星定位系统(GPS)GPS是英文Navigation Satellite Timing and Ranging / Glo

15、bal Positioning System的缩写,意为利用卫星导航进行测时和测距,以构成全球卫星定位系统。GPS系统向有适当接收设备的全球范围用户提供精确、连续的三维位置和速度信息，同时也广播一种形式的世界协调时(UTC)。系统包括三大组成部分:空间部分GPS卫星星座;地面控制部分地面监控系统;用户设备部分GPS信号接收机。GPS系统卫星星座由安排在6个轨道平面上的24颗卫星组成。每个平面上4颗，卫星以高精度的星载原子频率标准做基准进行发射，而星载原子频率是与内在的GPS系统时基准同步的。卫星码分多址的技术在两个频率 (L,=1575.42MHZ,Lz=1227.6MHZ )上广播测距码和导

16、航数据。导航数据提供给接收机，以确定卫星在发射信号时的位置，而测距码使用户接收机能够确定信号的传输延时，从而确定卫星到用户的距离。GPS工作原理GPS是以三角测量定位原理来进行定位的。它采用多星高轨测距体制，以接收机至GPS卫星之间的距离作为基本观测量。当地面用户的GPS接收机同时接收到3颗以上卫星的信号后，通过使用伪距测量或载波相位测量，测算出卫星信号到接收机所需要的时间、距离，再结合各卫星所处的位置信息，将卫星至用户的多个等距离球面相交后，即可确定用户的三维（经度、纬度、高度）坐标位置以及速度、时间等相关参数第三章 导航设备主要性能研究3.1 导航信号覆盖范围导航设备的信号覆盖范围是其很重

17、要的一个性能指标，导航设备据此可分为远程导航设备和近程导航设备。如VORDME系统只用于近距离导航，INS系统则多用于远距离导航，当然有些导航系统近距离远距离都很好的导航性能，如GPS系统。同时各个导航系统的作用范围又不同，所以对信号覆盖范围的研究是导航设备性能的一个很重要的研究方面。 NDB作为最早出现的无线电导航设备，它的作用范围是很有限的，根据NDB台的使用条件不同我国民用航空行业对NDB台的技术要求如下：可以看出。NDB的覆盖范围在50-149.99公里左右，所以NDB台只能用于飞机沿预定的航线飞行、归航和进场着陆。NDB在二十世纪三十年代开始使用,由此组成了最基本的航路结构.在过去的

18、儿十年里，NDB已逐渐地被VOR台所替代,现在,大多数的NDB只用作进近定位信标和在小的机场支持非精密进近.天线是NDB台最主要的接受和发射信号设备，它的安装方式和性能对NDB的信号覆盖范围有直接的影响。NDB的工作频段为长波高端和中波波段。由于长波和中波主要靠地表面波传播，需采用直极化波，所以，NDB天线都是垂直架设的，天线的有效辐射部分是天线的垂直线段。为使地表波达到最大辐射强度，采用半波天线即高度为14波长(入)的天线是最为理想的。现在的NDB台使用天线和鞭状天线2种之一。(一) 使用T型天线的NDB例：一个正常工作的近台，发射机输出功率100W，天线电流3A，工作频率300kHz，T型

19、天线几何高度2m、天线加顶长36m(有效高度按几何高度的80计，为96m)，根据公式和，其辐射电阻和有效辐射功率为：当要求的接收灵敏度为120|l Vm，在良好以上地面传播时，作用距离可达100 120km。这里可从表1以看到，发射机的输出功率是100W，而实际有效辐射功率仅13W，效率为13，这也是小功率NDB台的特征。根据经验，对于近距NDB台，当天线的有效辐射功率05W时，在常规传播条件下，一般均能满足5070km的覆盖要求。(二) 使用鞭状天线的NDB 表1和表2是原RACAL公司提供的小功率NDB配鞭状天线时的有关数据。从表1中可见， 同一发射机和天线，在不同的工作频率和调制频率时，

20、有效辐射功率是大不相同的。在天线有效高度较低、天线等效电容较小的情况下，工作频率越高、调制频率越低、地面传播条件越好，作用距离就越远。比较表1和表2可见，同样的发射机配置不同的天线，在相同的工作频率上，有效辐射功率和作用距离的差异是很大的VOR/DME是国际上使用最广泛的民用近程无线电导航设备之一,其作用是给飞机提供方位和距离引导信息。以华东地区为例，目前已有90%以上的通航机场和航路(航线)导航台配置或更新了VOR/DME，使航路无线电导航形成了较为完善的体系，高空航路基本实现了VOR/DME信号覆盖。VOR /DME 信号为视距传播，所谓视距传播，就是指发射天线和接收天线在能相互“看见”的

21、距离内，电波从发射点传播到接收点的一种传播方式。如图1所示，根据地球的球形及半径(r)，当地面天线高度较低、飞机距离较远时，视距(d)与飞机高度(h)的关系式为:但电波在低空大气层中传播时，受大气折射等的影响，使电波的传播轨迹有很大的弯曲，并以一定的角度凹向地面，相当于地球的半径增大了4/3倍，这种弯曲的视距称为无线电视距。在无线电视距中，式中可得,当飞机在9000m以上高度飞行时，沿着基准线，视距即可超过370km。虽然信号在低空大气层中传播时能使视距增大，但同时其损耗也相应增大，即在自由空间损耗的基础上又增加了附加损耗。以VOR为例，当信号作用距离达180km时，就会出现这种附加损耗;距离

22、越远、高度越低、损耗越大。在作用视距内，相对于不同的飞机高度，附加损耗值是在自由空间损耗的基础上再增加约0-50dB。这样，到达接收天线端的功率=有效辐射功率-自由空间损耗-附加损耗。有了自由空间损耗和附加损耗，就可估算任意一个VOR的作用半径。例如，地面台有效辐射功率为100W(20dBW)，飞机高度9000m，距VOR台280km。信号由天线辐射后，经280km的自由空间损耗(121.6d B)和附加损耗(约7dB)，到达飞机接收天线端的功率为-108.6d BW。以VOR工作频率的中间值115MHz计算，-108.6dBW-105.9d BW/m2，此值大于接收天线端所要求的功率密度-1

23、07dBW/m2,使机载接收机能正常工作一般 来 说 ，对于以高空巡航高度飞行的飞机，根据不同的地面发射天线高度、有效辐射功率及机载设备的接收灵敏度，VOR/DME的作用半径平原地区300-370km、山区为200-300km;而对中低空高度飞行的飞机，作用距离相对要小些。图2为典型的VOR发射天线离地高4.9米，在接收天线端获得-107dBW/m2 (-110dBW)功率密度时，不同的有效辐射功率和飞机高度、作用距离之关系。同理，也可得出DME的相应关系图。自动定向机(ADF)是陆基近程测角设备的一种，这里不在讨论其覆盖范围问题。惯性导航系统(INS) 通过惯性测量组件(IMU )测量载体相

24、对惯性空间的角速率和加速度信息，利用牛顿运动定律自动推算载体的瞬时速度和位置信息。因此惯性导航系统不存在覆盖范围问题。并且由于惯性导航系统的这个特点，在导航上它往往和GPS系统组成组合导航系统。从而更好的发挥两者的导航作用。全球卫星定位系统(GPS)最大的优点就是实现了全球范围定位，只要有3颗卫星，GPS系统就可以实现全球范围的导航定位，因此，对GPS系统的研究主要集中在如何保证更小的误差和更好的定位精度，这个问题将在下一章作为重点讨论3.2 导航精度与误差及影响因素导航设备的精度与误差是其又一个重要的性能指标，直接影响着导航设备的使用范围，不同的导航设备由于其不同的精度与误差应用于不同的领域

25、，比如军航要求的导航精度要明显高于民航，由此，军航导航设备的选择也不同于民航。此外，导航设备的精度直接影响着飞行的安全与效率，比如高精度的导航设备可以最大化的利用空域，合理的对飞机进行安全有效的导航。因此，对导航设备精度与误差的研究也是一个十分有意义也很重要的项目、3.2.1 NDB的导航精度与误差及影响因素NDB是出现的比较早的导航设备之一，根据表1可以看出，影响其导航精度的主要因素之一是天线的抖动。若NDB抖动超出范围，则导航精度差，飞机测向就不准，从而影响飞机导航，危及飞行安全，该台将被迫关闭。因此如何减少NDB抖动，从而提高导航精度是一个很重要的方面。众所周知，NDB的工作频段在l9o

26、_700KHz，为中长波，以地波传播为主，这就决定了地形，地物是造成NDB抖动的主要原因。飞机在航路上收到NDB发来的导航信号的同时，也收到了从地面山体、金属矿藏、大片森林等地形反射、再反射的导航信号，它干扰或影响机载无线电罗盘的正常接收和测向，引起定向误差，指针抖动。造成NDB抖动的主要原因概括起来不外乎：(1)NDB设备系统本身原因；(2)外界地形、地物等原因；(3)飞机本身仪表存在的误差等原因。l NDB设备系统本身原因造成的NDB抖动NDB设备系统本身原因造成的NDB抖动，主要来源于天线系统。由于NDB的信号都是由天线发射接收的，并且天线都是外设的，因此外界环境的变化对天线的影响是很明

27、显的，当天线受到外界温度，湿度，风速等的影响时，其性能会变的不稳定，从而影响NDB台的导航精度2 外界地形、地物等原因造成NDB抖动(1)台站周围环境对NDB抖动的影响及解决在选建导航台台址时其场地泥土最好选择为粘土，尽可能不选用沙石或岩石场地。以天线为中心，半径100米以内，须平坦开阔、宜选地势较高点建台，以达到尽量避免因周围地形、地物等回波干扰NDB，造成NDB抖动增加。(2) 其它干扰源对NDB抖动的影响。对NDB导航台的有害干扰源是广泛存在的，要全部清除是不可能的，也是没有必要的。如中波广播电台、无线传呼、移动通信等干扰，只要这些干扰源远离导航台，对NDB的抖动影响是不大的。再如雷电信

28、号等极宽频谱的电磁波干扰，虽然它对NDB抖动影响比较大，但它仅是瞬间干扰，不会对飞机构成导航威胁。3 飞机本身仪表存在的误差等原因此原因不在本文讨论范围之列，在此不作过多阐述。3.2.2 VOR/DME的导航精度与误差及影响因素在无线电导航系统中，机载设备一般有两台VOR和两台DME接收机。当飞机在有VOR和DME信号覆盖的区域内飞行时，机载接收机向FMCS传送接收到的信号。其采用的定位方式有两种，测距定位(DMEDME，pp定位)和测距测向定位(DME VOR，p一0定位)，但根据软件的设置，FMCS选择导航数据的顺序为：(1)DMEDME：两个不同位置的DME台；(2)DMEVOR：同一位

29、置的DMEVOR台。即在正常情况下，FMCS优先选择的是pp定位。其工作原理是，飞机起飞后与FMCS有关的机载无线电导航系统开始工作，首先检索系统中存储的导航设备清单，对两个地理位置最好的DME台进行自动调谐。选择最佳对的原则，是要求两个台与飞机连线之间的夹角(a)要满足：30。a 150o，如图1所示。 图 l当机载接收机收到离这两个台的距离后，由于导航数据库内存有各台的经纬度，再加上其它渠道获得的飞机高度等信息，那么飞机的位置也就确定了。只有当DME接收机无法接收到两个符合条件的地面DME台信号时，才选用pe定位。可见，只要DME台工作正常，DME的利用率要大大高于VOR。而且，当FMCS

30、使用pp导航时，计算飞机速度的准确度可达55kmb时；而用pe导航时，计算的准确度为1lkmdx时，显然DMEDME优于DMEVOR。另外，FMCS采用PP或pe导航，可在两个机场或两个目标点之间采用大圆弧路径，得出最短的飞行距离，如再结合其它导航数据，可把飞机从点到点的一个狭窄的航线上解脱出来。只要在有VORDME信号覆盖的地方，都可为飞机提供足够的位置信息，因而实现区域导航。因此，在航路无线电导航中，可以得出这样的结论：在有符合条件的DME信号覆盖时，FMCS不会采用VORDME导航；在有符合条件的VORDME信号覆盖时，飞行员不会采用NDB导航。3.2.3 ADF的导航精度与误差及影响因

31、素ADF(自动定向机)是目前普遍使用的陆基近程测角设备之一，由于ADF系统原理上的原因。导致其在测量导航台相对于飞机纵轴的方位RB的过程中存在多种干扰，测量的RB值存在误差，影响定位的准确性。ADF的误差从其来源可划分成系统误差和偶然误差。由于本身原理上的、设备上的原因导致的，飞行员不可克服的只能根据仪表指示值进行心算修正的误差即系统误差；偶然误差指的是在飞行过程中由于时间、空间或者飞行员使用不当等原因引起的通过选择合适的时间和空间进行定向完全可以消除的误差。ADF的干扰和误差：ADF工作在中波波段(190kHzl 750 kHz)，由于中波的传播特性在电波传播和接收的过程中将导致ADF产生各

32、种各样的误差。根据这些误差是否可以消除划分成系统误差和偶然误差。如表1所列。表列的各种偶然误差飞行员都不能完全消除，只能避开这些误差出现的时间和空间，或者通过选择频率低、功率高的导航台。并注意定位的方向，从而尽量减小或消除其影响由于ADF的系统误差不能完全消除，因此，在利用ADF导航定位时飞行员必须根据指示仪表的指示值修正系统误差，尽量减小由其导致的各种判断偏差，避免差错。3.2.4 INS/GPS的导航精度与误差及影响因素惯性性导航系统(INS)是一种完全自主的导航系统，具有不依赖外界信息、隐蔽性好、抗辐射性强、全天候等优点，是机载设备中能提供多种导航参数的重要导航设备。但它的定位误差随时间而积累，长时间工作后会产生大的误差，使得惯性导航系统不宜作远距离导航。而全球定位系统(GPS)具有较高的导航精度，但是该系统不能提供如载体姿态等导航参数，而且在飞行载体上使用时，由于载体的机动运动，常使接收机不易捕获和跟踪卫星的载波信号，甚至对已跟踪的信号失锁。为克服这些