机载电子设备-第八章_无线电导航设备与系统6
机载电子设备-第六章_无线电通信系统
3. 无线电波与天线(2)
电波的传播 随后，天线附近空间中的电磁能量将按一 定的规律扩散，不断向远方传播。天线在 空间A点所形成的交变电场，将在B点产生 交变磁场，而A点的交变磁场将在B点产生 交变电场；这样，A点的交变电磁场就推进 到B点。到达B点的交变电场和交变磁场， 又会在距天线略远的C点产生交变磁场和交 变电场。如此继续，电磁能量不断向远处 传播。
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波束宽度
天线平面波瓣图
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3. 无线电波与天线(15)
波束宽度：天线辐射能量是否集中，可用 波束宽度表示。它定义为主波瓣两侧半功 率点之间夹角。天线方向性越好，辐射能 量越集中，表现为方向图愈尖锐，波束宽 度缩小，使到达接收点的辐射场强得到提 高。 天线增益：在设定方向上产生相同辐射场 强前提下，实际天线与理想无方向性天线 输入功率之比。增益系数越大，在输入功 率一定的条件下，同一方向同一距离处的 信号能量越强，则通信距离越远。
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4. 机载无线通信系统(2)
机载无线电系统 从系统功能角度，现代民航飞机上的无线 电系统可分为通信、导航和雷达系统。由 于雷达一般用于导航目的，机载无线电系 统即可分为通信系统和导航系统两大类。
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4. 机载无线通信系统(3)
甚高频(VHF COMM)通信系统 最重要也是应用最广泛的机载无线通信系 统。它主要用于飞机驾驶员在起飞着陆期 间以及飞机通过管制空域时与地面管制人 员之间的双向语音通信。甚高频信号只能 以直达波的形式在视距内传播，所以通信 距离较近，并受飞行高度影响。
交变电流
电磁场
传输线张开形成天线（偶极子天线） 传输线张开形成天线（偶极子天线）
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3. 无线电波与天线(12)
天线接收电磁波的基本原理 当接收天线处于由发射信号所形成的电磁 场中，信号电磁场中与接收天线轴线平行 的电场分量，将引起天线导体中自由电子 的运动。这种运动的方向与电子流的密度 随外来信号电场变化而产生交变，因而在 天线中产生了与信号电场频率相同的高频 交变电流。信号电磁场中与天线相垂直的 磁场分量不断切割天线，在天线中产生交 变的感应电势。天线中所产生的交变电流 与电势的能量，来源于空间信号电磁场。
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。
无线电导航设备与系统
无线电导航设备与系统概述无线电导航是借助于载体上的电子设备接收和处理无线电波在空间传播时的无线电信号参量（如幅度、频率及相位等）获得载体相对导航台的导航参量（如方位、距离、速度等），从而获取载体的实时位置信息，以保障载体安全、准确、及时地到达目的地的一种导航手段。
无线电导航具有不受时间、天气的限制；精度高；定位时间短；设备简单、可靠等优点。
无线电导航的主要缺点在于它必须辐射和接收无线电波因而易被发现和干扰，且绝大多数无线电导航设备需要载体外的导航台支持工作，一旦导航台失效，将使与之相应的无线电导航设备在此期间无法使用。
航空导航系统所必备●确定所产生的信号特性的方法；●带有天线的发射机，用来产生和发射无线电波；●飞机接收设备和天线，用来截获信号并对接收到的信号进行选择和译码；●为驾驶员提供的适当的视觉显示装置，用来对接收到的信号进行适当的评价。
导航参量●用于描述载体的航行状态●载体航行状态指的是载体作为一个刚体在空间运动时所表现的物理状态，通常与一定的参照系（如载体坐标系、当地地理坐标系等）相联系，它们可以从不同的角度来进行描述，如方位、距离、位置、速度、姿态等，而狭义的航行状态通常仅仅局限于速度和姿态的描述。
●方位：以经线北端为基准，顺时针测量到水平面上某方向线的角度。
●相对方位：以飞机纵轴的前端与观测线在水平面上的夹角来表示目标的方向。
方位相对方位基本原理在二维或三维空间中，若导航台的位置已知，相对于该位置的某一导航参量相同的点的轨迹应为一条曲线或一个曲面，该曲线或曲面称为位置线或位置面；单值确定载体的位置，至少需要测定两条位置线（在二维空间内）或三个位置面（在三维空间内），根据相交定位法实现定位。
位置线(a)圆位置线;(b)直线位置线;(c) 等高线;(d)双曲线位置线相交定位 位置线定位原理☐ 如果通过无线电方式测量到了三个独立的几何参量，则可以得到，三个独立的位置面方程：⎪⎩⎪⎨⎧===),,(),,(),,(332111z y x f u z y x f u z y x f u☐ 因而可以得到载体在空间中的三维位置。
飞机导航系统(机电)机电设备维修 电子设备维修 电子设备舱 机务专用 教育
• 测试（TEST） • 用于测试定向 • 机系统。
3、方位指示器
无线电方位磁指示器RMI
4、天线
• 环形天线 接收电磁波磁场部分 • 环形天线是一种有方向性的天线，用
来提供方位信息。其方向性图为以环形 天线为中心的“8 ”字图形。 • 垂直天线 接收电磁波电场部分 • 无方向性天线，接收信号来调谐接收 机并与环形天线信号叠加实现单值定向。
无线电磁指示器（RMI）： 可指示磁航向、VOR方位、 相对方位角。 • 水平状态显示器（EHSI） 如下图。
4、天线
VOR/LOC接收天线安装在飞机垂直安 定面的顶部，可接收VOR信标和航向LOC 信标的108-117.95MHz的甚高频信号。
三、基本工作原理
有关的角度定义
•
1、 VOR方位角
• 现代机载自动定向机大多采用超外差式调 幅接收电路。
2、控制盒与定向机的工作方式
• 功用：用来选择接收机的工作频率和工作方式。 • 定向（ADF）方式 • 此时定向机可利用方向性天线（环形天线）和垂直天线（无方
向性天线）的信号实现自动定向。
• 天线（ANT方式） • 当方式开关置于天线方式时，只有垂直天线所接收的信号可以
2、着陆标准等级
• Ⅰ类设施的运用性能：在跑道视距不小于800m 的条件下，以高的进场成功概率，能将飞机引 导至60m的决断高度。
• Ⅱ类设施的运用性能：在跑道视距不小于400m 的条件下，以高的进场成功概率，能将飞机引 导至30m的决断高度。
• Ⅲ类设施的运用性能：没有决断高度限制，在跑道 视距不小于200m的条件下，着陆的最后阶段凭外界 目视参考，引导飞机至跑道表面。因此目叫“看着 着陆”（see to land）。
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”。
无线电导航系统概论
无线电导航系统概论——发展简史
10、其它导航系统 （1）前苏联及俄国建设情况 ①曾建立相应的双曲线定为系统，包括 BRAS
（ Б р а с ） 、 RS-10 （ р с -10 ） 、 MARS-75 、 Chayka (ЧАЙКА)、 α 系统。 BRAS ： 相 当 于 DECCA 系 统 ， 精 度 达 12m （ 双 距 ） 12～60m（双曲线），包括1主台2副台，使用1660～2115 kHz，有6个频率，初始定位时间8～10分钟，提供位置间 隔1分钟。 RS-10类似于BRAS，但有5～6个副台。
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无线电导航系统概论——发展简史
（2）欧洲卫星导航系统建设情况 ①Navsat卫星导航系统 欧洲空间局于1982年提出建议,想通过国际合 作，研制满足海、空导航、搜索、营救、进出港、 民航机着陆等要求的民用卫星导航系统－Navsat卫 星导航系统。 特点：卫星网计划24颗星，提供三维定位、三 维速度和时间，定位精度分为10米和100米。
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无线电导航系统概论——定位原理
它可利用天线灵 敏度最小(理论灵敏 度为零)来确定电波 传播方向； 也利用天线方向性图的最大值来确定来波方向。 (2) 相位法
2π 4π ∆φ = 2 rd = D AB cos θ λ λ
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无线电导航系统概论——定位原理
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无线电导航系统概论——发展简史
地面系统： 主要由2个位于欧洲的Galileo控制中心（GCC） 和20个分布全球的Galileo传感器站（GSS）组 成，另外还有一个用于进行控制与卫星之间数 据交换的分布全球的5个S波段上行站和10个C波 段上行站。控制站与传感器站之间通过冗余通 信网络连接。
无线电导航原理与系统无线电脉冲时间导航系统
❖下面介绍几个应答/测距系统工作中涉及到的 几个基本概念：
定时脉冲和定时点
测距系统的信号是脉冲对编码信号，脉冲形状是高 斯形（对于测距器）或者cos—cos2形 （对于精密测 距器）。
2) 由于脉冲极窄，上升前沿很陡，所以测高精度比 较高，不存在普通调频体制高度表所固有的阶梯 误差。
3) 采用脉冲前沿跟踪技术，能够跟踪最近回波的前 沿，因而飞机在复杂地面上空飞行时，所测高度 为最近点目标的距离，能够更好地保证飞行的安 全，克服了调频高度表由于采用天线照射面积上 的平均高度所造成的测量偏差。
间无线电导航系统。
四.时基波束扫描微波着陆系统MLS
时基波 束扫描微 波着陆系 统测角原 理示意图
四.时基波束扫描微波着陆系统MLS
微波着陆系统基本工作原理
➢ 航向台天线辐射的波束以恒定角速度沿规定方向扫描，作短暂固定时 间的停歇后，再沿相反方向，以同样的角速度回扫到起始位置。如此 周而复始地对既定空间进行扫描。
二. 脉冲无线电高度表
无线电脉冲测量高度表组成
➢接收机
➢ 组成：本振、平衡混频器、中放、视放、自 动增益控制（AGC）电路和灵敏度距离控制 （SRC）电路 。
➢ 作用：与由接收天线接收到的回波信号进行 混频。混频后产生的双极性中频脉冲加到中 放级进行放大，再由桥式检波器变为单极性 的视频脉冲，经视频放大后输出。
四.时基波束扫描微波着陆系统MLS
微波着陆系统概念
微波着陆系统是一种全天候精密进场着陆 系统，采用时间基准波束扫描的原理工作。 系统分地面设备与机载设备两大部分
无线电导航原理和机载设备简介及使用
★无线电导航原理和机载设备简介★导航概述早期的飞行器在空中飞行仅依靠地标导航--飞行中盯着公路、铁路、河流等线状地标；山峰、灯塔、公路交汇点等点状地标；湖泊、城镇等面状地标。
后来，空勤人员利用航空地图、磁罗盘、计算尺、时钟等工具和他们的天文、地理、数学知识，根据风速、风向计算航线角，结合地标修正航线偏差，这种工作叫做“空中领航”。
这种方法虽然“原始”，但航空先驱林伯当年就是依靠这些东西驾驶一架活塞式单发动机飞机“圣路易斯精神号”独自由美国西海岸起程，直接飞越大西洋到达巴黎的，他飞越茫茫大西洋时还通过观察海上的洋流、夜空中的星座来辨别方向、确定位置。
空中领航学是飞行员的一门必修课，其核心是用矢量合成原理修正风对飞行航迹的影响。
随着无线电技术的发展，各式各样的电子设备为飞行器提供精确的导航信息：有用于洲际导航的奥米加导航系统（OMEGA）、适用于广阔海面的罗兰系统（LORAN-A，LORAN-C）、用于近距导航的甚高频全向无线电信标导航系统（VORTAC），另外还有一些专为军事用途开发的导航信标和雷达系统。
现在，利用同步卫星工作的全球定位系统（GPS）已开始广泛使用。
但 VORTAC 仍是近距导航的主流，绝大多数现代军民用飞机，包括民航客机、小型通用飞机都配备有VOR接收机（VOR，very high frequency ommi-directional range）。
VORTAC是VOR/DME和TACAN的统称。
VOR/DME是民用系统，TACAN是为适应舰载、移动台站而开发的军用战术空中导航系统（即塔康导航系统）。
两者的工作原理和技术规范都不同，但使用上它们是完全一样的。
事实上，有的VOR/DME和TACAN发射台站是建在一起、使用同一个频率的，对空勤人员来说，只是一个VOR信标。
VOR信标是世界上最多、最主要的无线电导航点。
许许多多的VOR台站相隔一定距离成网络状散点分布，当飞机上的接收机收到VOR信标的信号，飞行人员就可通过专用仪表判断飞机与该发射台站的相对位置，如果台站信号是带测距的（DME，distance measuring equitment），还可知道飞机与台站的距离，从而确定飞机当前的位置，并知道应以多少度的航线角飞抵目的地。
无线电导航设备培训课程
无线电导航设备培训课程1. 介绍本文档旨在为参与无线电导航设备培训课程的学员们提供所需的基础知识和技能。
无线电导航设备是一种在航空、航海等领域中广泛应用的技术，通过无线电信号进行定位和导航。
在本课程中，我们将深入探讨无线电导航设备的原理、操作方法以及相关的安全注意事项。
2. 课程内容2.1 无线电导航设备的原理• 2.1.1 电磁波和频率• 2.1.2 无线电信号的传播• 2.1.3 调制和解调2.2 常见的无线电导航设备• 2.2.1 VOR（全向信标）系统• 2.2.2 DME（距离测量设备）系统• 2.2.3 ILS（仪表着陆系统）• 2.2.4 GPS（全球定位系统）2.3 无线电导航设备的操作• 2.3.1 基本操作界面• 2.3.2 信息显示与解读• 2.3.3 预设航路和航线规划• 2.3.4 故障排查和应急操作2.4 安全注意事项• 2.4.1 电磁干扰• 2.4.2 频率冲突避免• 2.4.3 维护保养与定期检查3. 学习目标通过本课程的学习，学员将能够：•理解无线电导航设备的基本原理和工作原理；•熟练操作常见的无线电导航设备；•能够解读并应用无线电导航设备上显示的信息；•掌握无线电导航设备的维护与故障排查技能；•遵守相关安全规范和注意事项。
4. 学习方法本课程采用理论教学与实际操作相结合的方法，学员将通过授课、示范和实践演练等方式进行学习。
•理论教学：介绍无线电导航设备的原理和操作方法，讲解相关的安全知识。
•示范演示：展示无线电导航设备的操作流程和常用功能。
•实践演练：学员将参与模拟演练，通过实际操作提升操作技能。
5. 培训评估为了评估学员对本课程的掌握情况，我们将进行以下评估活动：•理论测试：通过选择题、判断题等形式测验学员对无线电导航设备相关知识的理解程度。
•操作考核：要求学员在模拟环境中独立操作无线电导航设备，完成特定任务。
6. 结束语本培训课程将为学员提供一系列全面的无线电导航设备知识与操作技能，以支持他们在航空、航海等领域的工作。
航空航天航空电子技术的机载电子设备与仪器
航空航天航空电子技术的机载电子设备与仪器航空航天航空电子技术是现代工业中的一项重要的基础技术，包括了航空器、航天器等飞行器的设计、制造、维护和管理。
其中，机载电子设备与仪器是航空航天航空电子技术的重要组成部分，同时也是航空发展的关键因素之一。
机载电子设备与仪器是指安装在飞行器上，用于监控、控制、导航、通讯和数据处理的各种电子设备和仪器。
这些设备和仪器以数据和信息为核心，能够提高飞行器的飞行效率、可靠性和安全性，是保障航空安全的重要手段。
一、机载电子设备与仪器的基本类型机载电子设备与仪器的种类繁多，可以根据其功能和用途进行分类。
常见的机载电子设备和仪器主要包括以下几类：1.导航设备：用于飞行器的导航、定位和路径规划等，包括GPS（全球定位系统）、惯性导航系统等。
2.通讯设备：用于飞行器与地面、其他飞行器、无线电站进行通讯，包括电台、卫星通信系统、自动话音广播系统等。
3.监测和控制设备：用于飞行器的监测、控制和安全保障，包括飞行数据记录仪、黑匣子、自动驾驶仪、飞行控制系统、引擎控制系统等。
4.客舱设备：用于提供乘客服务，包括空调系统、座椅、娱乐系统、食品系统等。
5.防撞设备：用于飞行器的安全保障，包括雷达防撞系统、氧气系统等。
机载电子设备与仪器作为飞行器的“大脑”，其功能和性能的稳定和可靠性直接关系到飞行器的飞行安全和效率。
因此，其技术要求日益提高。
二、机载电子设备与仪器的发展趋势随着航空航天航空电子技术不断发展以及应用的需要，机载电子设备与仪器的发展也在不断演变。
未来的机载电子设备与仪器将更加智能化、集成化、可靠化以及节能环保。
1.智能化：随着大数据、人工智能、云计算等技术的不断进步，未来的机载电子设备与仪器将更加智能化。
例如，飞行控制系统可以通过实时监测环境因素、飞机状态和机组成员行为等多种信息，自动化地控制飞行器的航向和飞行方式。
2.集成化：为了满足航空行业节约空间和重量的要求，未来的机载电子设备与仪器将更加集成化。
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3. 航空无线电导航系统
自动测向器（ADF） 全向信标系统（VOR） 仪表着陆系统（ILS） 测距器（DME） 无线电高度表（RA） 多普勒导航雷达 罗兰-C系统 GPS （全球定位系统）
3.8 GPS（全球定位系统）(1)
3.8 GPS（全球定位系统）(9)
GPS信号捕获与跟踪 关于扩频码相位/延时与载波相位（多普勒 频移）的二维捕获与跟踪。 导航电文 卫星提供给用户的信息，包括卫星状态、 卫星星历、卫星钟偏差修正参数等信息内 容。
导航电文结构
3.8 GPS（全球定位系统）(10)
差分GPS 目的是提高用户的定位精度（从约10m提高 到cm量级）。 其基本原理是在地面已知精确位置设置基 准站，通过基准站的GPS接收机测量其自 身位置，并与已知精确位置比较，将误差 值以规定时间间隔向用户发送，用户据此 修正位置解，以获得精确的定位结果。
差分GPS原理
GPS定位基于无源伪距测距原理，使用4颗 卫星的测量距离，即可确定用户位置。
i ( xi xu ) 2 ( yi yu ) 2 ( zi zu ) 2 bu
对于GPS，卫星的位置是已知的，可通过 从卫星传输来的导航数据中获得。
测量距离 接收机 时钟偏差
位置及 时间
GPS控制站网络
3.8相应的处理。
GPS信号：二进制移相键控调制的直接序 列扩频CDMA，其最重要的特性为相关性： 弱信号的自相关峰值必须强于强信号的互 相关峰值 ，从而可以在在强信号背景下探 测到弱信号 。如果是正交码，互相关结果 为0；准正交则互相关的结果为小数值。
卫星导航系统是将导航台设置在人造地球 卫星上的无线导航系统。由于卫星的离地 高度高，因此所辐射的无线电波覆盖的区 域很大，只要有一定数量的导航卫星，即 可为全球提供不受天球、时间变化影响的 导航服务。
3.8 GPS（全球定位系统）(2)
美国的GPS系统和俄罗斯的GLONASS系统 是现行的两大全球卫星导航系统。 正在建设中的全球卫星导航系统，包括欧 盟的的“伽利略（Galileo）”系统和我国 的“北斗”卫星导航系统。
3.8 GPS（全球定位系统）(4)
GPS服务于美国军方，并兼顾民用，提供 两个级别的定位服务，即精密定位服务 （即PPS，通过加密技术控制使用权限，面 向军用）和标准定位服务（即SPS，开放的， 面向民用）。 目前，GPS可提供标准定位服务，其定位 精度可达到10m左右。
3.8 GPS（全球定位系统）(5)
GPS定位基本原理
3.8 GPS（全球定位系统）(6)
GPS系统组成
空间段（卫星星座）：24颗GPS卫星分处6 个轨道，即每个轨道4颗卫星。每个轨道面 与赤道形成55度角。卫星轨道半径约为 26,560km，在一个恒星日内，卫星围绕地 球旋转两圈，旋转周期为11小时57分57.26 秒。
GPS卫星星座
GPS卫星(BlockII)
3.8 GPS（全球定位系统）(7)
控制段：包括5个控制站，其中1个是主控 站，主控站位于美国科罗拉多州Falcon空军 基地。其它控制站分布于全球上多个经度， 全年维持工作状态。控制站的主要目的是 监测GPS卫星的工作性能。从卫星采集到 的数据，由控制站传给主控站进行处理。 主控站负责星座控制和管理的各个方面， 其基本操作目标包括：（1）监控GPS性能， 以维持全部的性能标准；（2）生成导航数 据，并上载到卫星；（3）及时检测到并响 应卫星异常或失效。
3.8 GPS（全球定位系统）(3)
GPS（Global Positioning System）由美国国 防部历时20年（1973年至1993年）建成， 是一个包含24颗卫星的星基无线电导航系 统。 GPS覆盖全球，具备连续/全天候工作能力， 以及为高动态平台提供服务的能力，能为 其使用适当接收设备的用户提供精确、连 续的三维位置、速度和时间信息。