无线电导航原理及系统3-11
第1章1 导航概论
• 相传公元前 约2600年， 涿鹿大战中， 黄帝部落发 明了指南车
• 有记载最早的用来指示方向的一种机械导航装置，主要采 用差动齿轮的传动原理，无论车体如何行进，都可根据车 轮的转动，由车上木人指示出固定方向（南向）。
第1章 导航概论
导航概论>概述>导航的来源>计里鼓
• 记里鼓车是中国古 代的一种距离测量 装置，它同样利用 齿轮机的差动原理， 通过对所行进的路 程进行计数，实现 “记里车行一里路， 车上木人击鼓，行 十里路，车上木人 击镯”的目的。
地形信息系统与惯导组合导航概论无线电导航的的应用及发展历史成熟阶段组合导航系统广域增强导航概论无线电导航的的应用及发展历史成熟阶段卫星导航系统的增强技术i命令通信控制信息系统的重要组成部分导航概论无线电导航的的应用及发展历史发展前景及军事应用无线电导航原理与系统黄智刚主编北京航空航天大学出版社2007年8月gps卫星导航定位原理与方法刘基余编著科学出版社2003年8月现代空中交通管理张军编著北京航空航天大学出版社2005年9月导航概论参考书磁北nm导航台运载体纵标出下图中的航迹角和偏流角
第1章 导航概论
导航概论>概述>导航的来源>天文导航
• 大约公元前一千年，天文星历导航开始应用。
第1章 导航概论
导航概论>概述>导航的来源>天文导航
• 公元前580－500年希腊哲学家毕达哥拉斯和 公元前504－450年帕梅尼德斯 （Parmenides），在科学上得出了地球是球 形的结论 • 公元前276－195年由埃拉托斯特尼 （Eratosthenes）确定了地球的大小。 • 公元前150－100年，著名天文学家喜帕恰斯 （Hipparkhos）提出了用地理纬度和经度来表 示地球上某点位置的方法，由此建立了近代天 文导航的基础。
机载电子设备-第八章_无线电导航设备与系统3
3.1 自动测向器(ADF)（3）
ADF指示的角度是飞机纵轴方向到地面导 航台的相对方位。因此，若要得到飞机相 对于导航台的方位，还必须获知飞机的航 向，这需要与磁罗盘或其他航向测量设备 相结合。 飞机上通常把磁罗盘和ADF的指示部分结 合在一起，构成无线电磁指示器（RMI, Radio Magnetic Indicator）。
利用两个地面导航台为飞机定位
判断飞机飞越导航台的时间
3.1 自动测向器(ADF)（5）
判断飞机飞越导航台的时间：当飞机飞向 导航台时，根据相对方位角的变化来判断 飞越导航台的时间。如方位指示由0 °转向 180 °的瞬间即为飞越导航台的时间； 利用方位指示保持沿预定航路飞行，即向/ 背台飞行； 由于工作于中长波段，可接收民用广播信 号，并可用于定向。
3.1 自动测向器(ADF)（7）
机载设备
自动测向接收机：一般为超外差式设计； 控制盒：用于控制各种工作状态的转换、 频率选择和远、近台的转换等，并可进行 调谐； 方位指示器 天线
3.1 自动测向器(ADF)（8）
机载天线
采用两个(正交)环形天线和一个垂直天线， 一个环形天线的环面与飞机纵轴垂直，当 飞机对准导航台时接收信号最小，另一个 环形天线的环面与飞机横轴垂直，当飞机 对准导航台时接收信号最大，即接收信号 的强弱随飞机的纵轴移动而变化，而接收 信号的相位在最小值时转换。这一信号再 与垂直天线(用于辨向)接收信号叠加即可 确定方位。
相对 方位 观测线
飞机到地面导航台的相对方位
3.1 自动测向器(ADF)（2）
系统的工作频率在150kHz～1800kHz范围 内，属中长波波段，因此主要依靠地波或 直达波传播。 地波的传播距离可以达到几百公里，但易 受到天波的污染，特别在夜间。只有当飞 机离地面导航台站较近时，方位读数才比 较可靠，测向精度可达2°左右。
导航系统无线电导航
2021年2月26日
23
传统导航—无线电导航 EHSI的指示
2021年2月26日
24
传统导航—无线电导航 甚高频全向信标（VOR）
2021年2月26日
25
传统导航—无线电导航
甚高频全向信标（VOR）
VOR系统概念
地面台与机载设备配合提供飞机相对地面台及地面台相对飞机的方 位角的系统。
磁航向、飞机的磁方位、VOR方位、相对方位
2021年2月26日
50
传统导航—无线电导航
ADF指示器
RMI
EFIS
2021年2月26日
51
传统导航—无线电导航 仪表着陆系统(ILS)
2021年2月26日
52
传统导航—无线电导航
仪表着陆系统---ILS
1. 作用：使用地面台和机载设备，能够对飞机进近到跑 道提供水平、垂直和距离引导。
2. 系统组成：2021源自2月26日26传统导航—无线电导航 甚高频全向信标（VOR）
VOR的功用：测量飞机磁方位QDR。
VOR系统的组成
地面设备
航路VOR台（A类）
终端VOR台（B类）
机载VOR设备： 控制盒、天线、接收机和指示器
2021年2月26日
27
传统导航—无线电导航
甚高频全向信标（VOR）
航路VOR台（A类） 频率112.00——118.00MHZ(频率间隔50KHZ)，功率
➢ 机载设备
定向接收机、控制盒、方位指示器、环形大线和垂直天线。
➢ 选用中长波的原因
ADF定向主要使用地面波（天波，由于电离层变化，不稳定）， 中长波地波衰减少。
2021年2月26日
8
传统导航—无线电导航
无线电导航系统(第2版)-教学大纲、授课计划 吴德伟
《无线电导航系统（第2版）》教学大纲一、课程信息课程名称：无线电导航系统（第2版）课程类别：素质选修课/专业基础课课程性质：选修/必修计划学时：64计划学分，4先修课程：无选用教材：《无线电导航系统（第2版）》，吴德伟主编，2023年，电子工业出版社教材。
适用专业：本课程可作为导航专业课程教学的课程，也可供其他相关专业学生和工程技术人员阅读参考，还可作为导航理论的培训课程。
课程负责人：二、课程简介无线电导航是在20世纪初发展起来的导航门类口第二次世界大战以后，尤其是进入21世纪后，由于军、民用航空导航的需求日益增多和电子技术的飞速发展，无线电导航成为各种导航手段中应用最广、发展最快的种7成为导航中的支柱门类。
本课程从系统的角度完整地介绍了军、民用现代无线电导航系统，内容包括导航的基本概念、相关知识，无线电导航系统的任务、构成、性能和发展；用于近程航空导航的中波导航系统、超短波定向系统、伏尔系统、地美仪系统、塔康系统、俄制近程导航系统，用于远程航空导航的罗兰-C系统、卫星导航系统和自主无线电导航系统：用于飞机着陆引导的米波仪表着陆系统、分米波仪表着陆系统、微波着陆系统和精密进场霄达系统。
三、课程教学要求求与相关教学要求的具体描述。
“关联程度”栏中字母表示二者关联程度。
关联程度按高关联、中关联、低关联三档分别表示为“H”“U”或"1”。
”课程教学要求”及“关联程度”中的空白栏表示该课程与所对应的专业毕业要求条目不相关。
四、课程教学内容五、考核要求及成绩评定六、学生学习建议(-)学习方法建议1.依据专业教学标准，结合岗位技能职业标准，通过案例展开学习，将每个项目分成多个任务，系统化地学习。
2.通过每个项目最后搭配的习题，巩固知识点。
3.了解行业企业技术标准，注重学习新技术、新工艺和新方法，根据教材中穿插设置的智能终端产品应用相关实例，对己有技术持续进行更新。
4.通过开展课堂讨论、实践活动，增强的团队协作能力，学会如何与他人合作、沟通、协调等等。
无线电导航设备讲解
3、指点信标系统
过内、中、外台时，相应的灯（白色、琥珀色、蓝 色）燃亮，同时出现对应的音频信号（3000HZ、 1300HZ 、400HZ），以便于飞行员判断着陆飞机离跑道 头预定点（内、中、外指点标台上空）的距离。
为了满足进场和航路两种情况下使用的要求，飞机 上设置有高-低灵敏度控制开关，以控制接收机灵敏度， 便于判断过台时机。一般情况下，指点标灵敏度控制开 关置于低位（L）
有的航向信标台天线发射双向辐射场，既提供跑道 方向的辐射场，又提供跑道反方向的辐射场。若ILS指 示器上无反航道电门，用基本的航道偏离指示器（CDI） 指示，当飞机沿正航道进近时，CDI指示偏右，表示航 向道在飞机右侧；当飞机沿ILS反航道进近时，CDI指 示偏右，表示航向道在飞机的左侧。
2、下滑信标的工作原理
小结
仪表着陆系统的地面设备包括提供横向指引的航向 信标台（LOC）、提供垂直指引的下滑信标台（GS）和 提供距离指引的指点信标台（MB）。HSI和ADI上将显 示偏离情况。
航向信标台工作频率范围为108-112MHZ，且小数 点第一位为奇数。
航向信标台天线产生的辐射场在通过跑道中心延长 线的垂直平面内，形成航向面或称航向道。有的航向信 标台天线发射双向辐射场，既提供跑道方向的辐射场， 又提供跑道反方向的辐射场。
所需的天线比长波要小，发射设备也较 为简单
3.短波
短波传播的主要特点是：地波衰减快，天 波不稳定。但其能以较小功率获得较远的传 播距离 。 主要以天波传播。
4.超短波
它主要以空间波进行传播，其有效传播 距离一般限于视线范围。
传播受天电干扰小，其信号较稳定；频 带很宽，可以容纳大量的电台；容易获 得高增益的方向性天线 。
VOR的机载设备包括天线、控制盒、接收机和指示 器。通过机上的预选航道选择器可选择一条要飞的方位 线，即预选航道。
无线电导航原理与系统-
引导各种运载体飞机船舶车辆等以及个人按既定航线航行的过程称为导航它是保证运载体安全准确地沿着选定路线准时到达目的地的一种手段无线电导航系统一般由装在运载体上的导航设备和设在地面或卫星上的导航台站组成通过在导航设备和导航台站之间的无线电信号传播和通信获得导航信息给飞机或船只指示出它们的实时位置或方位使运载体在不同的运动空间和环境不同的气象气候条件下都能够顺利地完成导航任务确定运载体当前所处的位置及其航行参数包括航向速度姿态等实时运动状态
二. 无线电导航的基本知识
导航系统的分类 按所测量的电气参量 振幅式，相位式，频率式， 脉冲（时间）式，复合式 测角 ，测距 ，测距差
按所测量的几何参量 按系统的组成情况
自主式（自备式） ，非自主 式（它备式） 按无线电导航台（站）的 陆基 ，空基，星基 安装地点 按有效作用距离 近程 ，远程
按工作方式 有源 ，无源
三.无线电导航的应用及发展历史
②
GPS和GLONASS卫星导航系统：
1973 年美国国防部开始研制第二代卫星导 航 系 统 ， 即 现 在 的 GPS （ Navigation Satellite Timing And Ranging/Global Positioning System, NAVSTAR GPS），其全称为“导航星授时和测距 全球定位系统”。 GPS 于 1994 年部署完毕，全部 24 颗卫星升 空， 1996 年进入“完全工作能力（ FOC）阶段”。
GPS的工作原理和运用
测绘工程导论之GPS的原理及应用教学班级：4（土木088班）学生：王海龙学号：200802524指导教师：魏冠军GPS的工作原理和运用摘要1973年美国国防部开始GPS实验计划，由于GPS可向全球用户提供连续、快速定时的、高精度的三维坐标、三维速度和时间信息，所以得到美国政府和三军的高度重视，并列为美国重点空间计划之一，成为继阿波罗登月计划、航天飞机计划之后的第三项庞大空间计划。
整个计划耗资300亿美元以上，目前已基本完成。
本文将简单介绍关于GPS的基本组成原理和在社会科学各个领域的应用，以及GPS在未来发展中的前景。
1.GPS的组成及原理GPS是由三个部分组成，分别是：空间段（空间卫星），控制段（地面监控系统）和用户段（用户设备）。
1.1卫星空间GPS布放在空间的卫星是由24颗组成，工作卫星21颗，备用卫星3颗，其运行轨道参数如下：（a）分布在六条近似圆形轨道上（b）各轨道面在赤道面上相互间隔60度（c）相对赤道面倾角均为55度（d）轨道平均高度20200千米（e）卫星运行周期11小时58分钟（f）每个轨道原则上布放4颗卫星这种轨道参数及配置，可以保证在地球上和地球上空任一处，一天24小时任何时候都可以看到4颗以上的GPS卫星，这有利于全球范围内进行实时定位，有利于提高定位精度。
1.2地面监控系统地面监控系统是由1个主控站，3个注入站及5个检测站组成。
1.3用户设备GPS的接受设备用于卫星信号的捕获，信号处理，数据调节，坐标转换，导航计算，人/机接口等工作。
用户设备一般包括GPS接收天线，用户接收处理机和控制显示设备三部分，核心是接收处理机，简称GPS接收机。
由于卫星的位置精确可知，在GPS观测中，我们可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置(X,Y,Z)。
考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和钟差，因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度和高程。
航空无线电导航系统
第一章绪论1.1.1导航与导航系统的基本概念1.导航导航的基本含义是引导运行体从一地到另一地安全航行的过程。
导航强调的是“身在何处，去向哪里”是对继续运动的指示。
导航之所以定义为一个过程，是因为它贯穿于运动体行动的始终，遍历各个阶段，直至确保运行达成目的。
应当说大部分运行体都是由人来操纵的，而对那些无人驾驶的的运行体来说，控制是由仪器或设备来完成的，这时的导航就成为了制导。
近年来人们将定位于导航并列提出。
事实上定位提供的位置参量是一个标量，只有将其与方向数据联合起来成为矢量，才能服务于运行体的航行。
因此定位与测角、测距一样是导航的技术之一，通过定位可以实现导航。
也可以说定位是静态用户要求的；但对动态用户而言要求的是导航。
2.导航系统导航系统是用于对运行体实施导航的专用设备组合或设备的统称。
导航系统是侧重于实现特定导航功能的设备组合体，组合体内的各部分必须按约定的协调方式工作才能实现系统功能，而导航设备一般是指导航系统中某一相对独立部分或产品，或实现某一导航功能的单机。
1.1.3 导航及无线电导航系统的分类导航是一门基于“声、光、电、磁、力”的综合性的应用科学，实现导航的技术手段很多，按其工作原理或主要应用技术可分为下述类别：（1）天文导航——利用观测自然天体（空中的星体）相对于运行体所在坐标系中的某些参量实现的导航称为天文导航。
（2）惯性导航——利用牛顿力学中的惯性原理及相应技术实现的导航称为惯性导航。
（3）无线电导航——利用无线电技术实现的导航称为无线电导航。
（4）地磁导航——利用地球磁场的特性和磁敏器件实现的导航称为地磁导航。
（5）红外线导航——利用红外线技术实现的导航称为红外线导航。
（6）激光导航——利用激光技术实现的导航称为激光导航。
（7）声纳导航——利用声波或超声波在水中的传播特性和水声技术实现的导航（用于对水下运行体的导航）称为声纳导航。
（8）地标或灯标导航——利用观测（借助光学仪器或目视）已知位置的地标或灯标实现的导航称为地标或灯标导航。
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一.空间坐标系
➢上述几种曲率半径有时可以直接应用，如已 知某载体的东、北向速度，则可以求得载体的 经、纬度为：
0
0
t
ve dt
0 RN h
t
vn dt
0 RM h
0 0 分别为载体的初始经、纬度，h为载体的海拔高度
一.空间坐标系
✓载体坐标转换 为地平坐标
二.无线电测量原理
一.空间坐标系
格林尼治子午线
Z
P(xe,ye,ze)
h
Y H
X
地理坐标示意图
一.空间坐标系
地平坐标系（g系）
➢ 定义：原点位于当地参考椭球的球面上，X 轴沿参考椭球卯酉圈方向并指向东，Y轴沿 参考椭球子午圈方向指向地球北极，Z轴沿 椭球面外法线方向指向天顶。
➢ 特点：该坐标系对地球表面处于地表及平流 层内的用户来说比较直观，因此适用于大多 数导航的应用，故又称为导航坐标系。
➢ 参考椭球面的大小和形状可以用两个几何参数来描述， 即长半轴a和扁率f。
一.空间坐标系
地球的几何形状及其参数
目前应用中两个比较重要的参考椭球系是克拉 索夫斯基椭球和WGS-84椭球。我国使用了40多年 的1954北京坐标系（京-54坐标系），就是基于克 拉索夫斯基椭球系。
椭球名称
克拉索夫斯基椭球
地平坐标系绕X轴顺时针旋转纬度角，然后绕Y轴旋转 经度角，就可以转换到地心地固坐标系；
载体坐标系绕航行体纵轴旋转横滚角，然后绕飞机横 向旋转俯仰角，最后绕航行体垂向旋转航向角，就可 以转换到当地地平坐标系。
一.空间坐标系
例
地固坐标 [ X e Ye Z e ]T转换为天球坐标 [ X i Yi Zi ]T
➢ 卫星的定轨通常是在地心地固坐标系中进行测量定位的， 但是为了研究卫星的运行轨道以及对轨道进行预测等需要， 往往将卫星在地心地固坐标系的位置转化为天球坐标系中 的位置坐标。
一.空间坐标系
坐标系转换
空间三维坐标的旋转通常可以分解为多次平面坐标的 旋转。
如地心地固坐标系转换为天球坐标系需要绕地球极轴 旋转由地球自转引入的角度；
一.空间坐标系
a、b、f分别为参考椭球的长半轴、短
半轴和扁率，它们之间的关系为：
tg
b2 a2
tg
(1
f
)2 tg
一.空间坐标系
➢ 在实际计算中，为了方便往往在某一范围内把椭球 面当作球面来处理，一般取该点所有方向的法截面 曲率半径的平均值作为近似球面半径，称为平均曲 率半径R，可推导出它的计算 ➢ 地心地固坐标系（e系） ➢ 地平坐标系（g系） ➢ 载体坐标系（b系）
一.空间坐标系
天球坐标系
天球坐标系（i系）
➢ 定义：原点在地球质心，X轴指 向平春分点，Z轴是天轴，平行 于平均 地球自转轴，Y轴垂直 于X、Z轴并构成右手坐标系。
➢ 特点：独立于地球之外的基本 稳定的坐标系（便于研究宇宙 航行和 天体运动时描述物体相 对于地球的运动 ）， 能够比较 直观地从地球的角度出发观察 和描述整个宇宙。
一.空间坐标系
地球的几何形状及其参数
➢ 地球是一个旋转椭球；但是地球又不是一个理想的旋 转椭球体，其表面起伏不平，很不规则，有高山、陆 地、大海等。
➢ 在实际应用中，人们采用一个旋转椭球面按照一定的 期望指标（如椭球面和真实大地水准面之间的高度差 的平方和为最小）来近似大地水准面，并称之为参考 椭球面。
WGS-84椭球
长半轴a
6378245m
6378137m
扁率f
1/298.3
1/298.257223563
常用参考椭球系的主要参数
一.空间坐标系
参考椭球上的主要面、线和曲率 半径
1 参考椭球的法截面和法截线 如图所示，O为参考椭球的中心。
过地面点P作椭球面的垂线PK，称之为法 线。
包含过P点的法线的平面叫法截面。 法截面与椭球面的交线叫做法截线。
一.空间坐标系
Zb
O Yb
Xb
载体坐标系示意图
一.空间坐标系
坐标系转换
航行体的导航参量是与特定的空间坐标系相关联的，坐标 系不同则导航参量将会发生变化
例：
➢ 利用卫星导航定位的飞机编队成员之间需要知道彼此的相 对位置关系，此时就需要将其它飞机在地心地固坐标系中 的位置坐标，转化为某编队成员所在的地平坐标系中的相 对位置坐标。
Xi
X e cos
Yi
Re i
Ye
sin
Zi
Z e 0
sin cos
0
0 X e
0
Ye
1 Z e
自学
其中 为地球自转引起的天球坐标系和地心地固坐标系的旋转角度。
✓地平坐标转换 为地固坐标
一.空间坐标系
地心地固坐标系（e系）
➢ 定义：原点在地球的质心，XOY平面与地球平赤道 面重合，X轴的指向穿过格林威治子午线和赤道的 交点，Z轴与地球平极轴重合。
➢ 特点：该坐标系在大地测量领域中应用较为广泛， 国际上常用的WGS- 84椭球就是该坐标系的近 似描述。
➢ 它是一个相对于地球自转静止的,固联在地球上的 坐标系。对宇宙天体的研究范围缩小到地球表面 附近 时适合采用此坐标系。
一.空间坐标系
Ze YL
P
O
ZL XL Ye
Xe
一.空间坐标系
载体坐标系（b系）
➢ 定义：以载体为中心、固联于载体上的坐标系， 称为载体坐标系。
➢ 载体坐标系的原点位于载体的质心，Y轴指向载体 的纵轴方向向前，Z轴沿载体的竖轴方向向上，X 轴与Y、Z轴构成右手坐标系。
➢ 特点：对于车辆、舰船，特别是飞机这样的载体， 其往往是群体运动中的一员，特别在飞机协同作 战的过程中，需要知道自己的运动速度以及其他 成员与自己的相对位置关系 ，载体坐标系适用于 此类应用。
无线电导航原理与系统
第三章 无线电导航理论基础
一.空间坐标系
无线电导航的基本任务就是确定被引导的航行 体在运动过程中的状态参数，包括位置、速度、 加速度、姿态等，这些参数是在一定的空间坐 标系内定义的，因此要进行导航首先必须建立 适当的参考坐标系。
地球是人类的活动中心，在选择导航空间坐标 系的时候，总是以地球为考虑的出发点。首先 介绍一下地球的几何形状及其参数, 以便于认 识和理解下面介绍的各种空间坐标系。