陆基导航技术研究毕业论文(编辑修改稿)

陆基导航技术研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

进展与完成情况，将由四章来说明误差分析及 仿真结果分析，其结构安排如下： 第一章 绪论。 本章首先介绍了本课题的来源背景及在实际中的意义，然后介绍了区域导航系统在国内外的研究现状，最后概述本文的主要研究内容。 第二章 理论基础。 本章主要介绍了陆基导航中 VOR、 DME 及 TACAN 系统的工作 8 原理进行了阐述，并对 VOR 和 DME 导航系统的测量误差进行分析，为后面进行定位精度分析奠定理论基础。 第三章 对陆基导航组合系统的组合方式及定位原理进行阐述，并对 VORDME、DMEDME 两种组合导航系统的定位误差进行分析。 第四章 对区域导航的概念进行阐述，并对区 域导航中的各种误差进行分析。 并对区域导航的导航误差进行研究。 最后是工作总结及展望， 总结本课题的研究重点，得到的研究成果以及需要继续完善和改进的地方。 9 第二章 陆基导航系统工作原理和测量误差分析 本章系统的阐述了 陆基导航系统中 VOR、 DME 以及 TACAN 的工作原理及误差分析，为后续章节内容做铺垫。 陆基导航系统工作原理 陆基导航系统定位精度比较差，但其信号发射功率大 ,不易受干扰，数据更新率较高等卫星导航系统所不具备的优点。 目前，陆基导航系统仍然是国际通用的民航导航系统，特别是 VORDME 系统 在民用航空中使用的尤为普遍，我国民航导航系统主要是VORDME 系统，在此领域有很好的基础。 塔康导航系统是一种组合陆基导航手段，同时也是我军未来主要的发展方向。 一个塔康台相当于一个 VORDME 组合台，能够在用户飞行高度已知的条件下完成定位。 塔康信标台主要配置在野战机场、临时航路点及机场较密集地区导航点，可同时为空中 100 架飞机提供导航方位信息、距离信息和识别信息。 陆基导航系统主要有测角和测距两种定位手段，分别由 VOR 和 DME 两种导航系统来实现， VOR 测量飞机相对台站的磁方位角， DME 测量飞机与地面 DME 台间的斜距。 单一的陆基导航台站无法实现对飞行器的定位，但通过 VORDME 组合或DMEDME 组合的方式共同观测可以实现飞行器的定位。 VOR 系统工作原理  原理 VOR 是甚高频全向信标 ( very high frequency omni directional range ,VOR)的缩写，又称作伏尔系统，由美国从 20 世纪 20 年的“旋转信标”发展而来， 1946 年作为美国航空标准导航系统， 1949 年被 ICAO 采纳为国际标准民用导航系统， VOR 的装备量在世界范围内呈上升趋势，早已在国内外机场普遍使用。 它是一种近程的无线电相位测角系统，由地面发射台和机载接收设备组成，地面台发射信号，记载设备只接收信号，为飞机提供相对于地面台的磁北方位角。 这种系统为飞机提供相对地面信标台的方位。 工作频率为 ，作用距离数百公里，测角精度优于 176。 [7][8]。 伏尔导航系统的缺点是发射电波受视线限制和测向精度受场地影响较大。 10 图 1 VOR 接收机原理框图 VOR 系统可以向飞机提供导航所需的相对方位信息， VOR 系统的原理是根据可变相信号与基准相位信号的相位差来导航。 导航台发射以 30 转 /秒旋转的心脏线 方向图，在机载接收机输出端产生 30Hz 的正弦波，其相位随飞机相对导航台的位置而变化，成为可变相位信号。 与此同时，导航台还发射一个以固定 30Hz参考频率调制的全向信号。 在机载接收机输出端又得到一个不变相位的 30Hz 正弦波，成为基准相位信号。 在接收端，外来信号经放大、调幅检波后分成三路：一路经副载频滤波、限幅、鉴频和 30Hz滤波后输入比相器，这是固定相位信号；一路经 30HZ 滤波直接至比相器，这是可变相位信号；再一路是莫尔斯识别码和话音输出。 比相器对两个相位信号比相，得出飞机对伏尔地面台的磁方位角。 基准相位信号的 相位在发射台的各个方位上相同；可变相位信号的相位随发射台的径向方位而变化。 飞机磁方位决定于基准相位信号与可变相位信号之间的相位差。 可变相与基准相信号同步发射 ,磁北极两者相位相差 0176。 ，随着飞行器相对于地面台水平面方位的不同，两者的相位差从 0176。 ~360176。 变化。 机载设备接收来自地面台的发射信号，并测量出这两个信号的相位差，就可得到飞机相对地面的磁方位角，再加 180176。 就是方位角。 由于两个信号安排的在地面台磁北方向上同相，所以接收机测到的是飞机相对地面台的磁方位角。 11 图 2 伏尔导航系统基准相位信号和可变相位信号的相位关系 测量的基本原理是测量地面台发射的基准相位 30Hz 信号和可变相位 30Hz 信号的相位差 ,接收台的径向方位变化正比于这两个 30Hz信号的相位差变化，提取二者的相位差是 VOR 系统信号处理的关键所在。 图 3 VOR 定位原理  性能与特点 伏尔导航系统应用在航路上和终端区。 在航路上 ,它构成航道和航道网的基准 ,也是仪表飞行时的必要装备。 航路上使用的伏尔台的辐射功率为 200 瓦，作用距离随飞行高度而变化。 在小高度上仅 30 海里，大高度上最远可达 200 海里。 终端区伏尔台用于引导飞机进场 ,辐射功率 50 瓦，作用距离 25 海里以上。 终端伏尔台与仪表着陆系统中的航向信标使用相同频段，即 108～ 112 兆赫。 伏尔导航系统与 DME 导航系统 合装在一起成为极坐标导航方式，既提供方位，又 12 提供距离。 DME 导航系统与 塔康导航 系统 的测距部分完全相同，伏尔导航系统与塔康导航系统合装在一处，就是 伏尔塔克导航系统 ，属于军用和民用共用系统。 伏尔导航系统的计算准确度为 177。 176。 (95％ 概率 )，实际准确度为 177。 176。 （ 95％ 概率）。 伏尔用于监测站监视信号状态。 现代伏尔地面系统由遥测遥控站 进行管理，机上设备带有视觉告警装置。 伏尔台发射信号存在多径反射干扰的缺点，对选择设台场地有一定要求。 多普勒伏尔导航系统对于环境要求有所降低。 为了提高伏尔导航系统的准确度，可改用多瓣伏尔导航系统，即精密伏尔导航系统。 现代伏尔地面系统正以 固态电子器件 取代电子管。 图 4 全向信标和 VOR 台实物图 (右侧为澳大利亚 AWA 公司 VRB52D DVOR) DME 系统工作原理  组成 DME(Distance Measurement Equipment)直译为距离测量设备或测距器，用于测量载体到某固定点的直线距离，由于采用询问 — 应答的工作方式 来测量距离 ，也称为应答 /测距系统。 1959 年，成为 ICAO 批准的标准测距系统。 它由机载 DME 机（也是询问器）和地面 DME 台（应答器）组成 ，形成极坐标近程定位导航系统。 13 DME 的工作波段为 962~1213MHz，每隔 1MHz 安排一个工作频段，机载 DME 询问器的载频 安排在 1025~1150MHz 范围内，共有 126 个询问频率；地面应答器的载波频率安排在 962~1213MHz范围内，共有 252 个应答频率。 按 ICAO 的规定， DME的系统精度为177。 370m（ 95%） [7][8]。 距 离 测 量 电 路接 收 机发 射 机距 离 读 数机 载 询 问 器天 线天 线接 收 机固 定 延 时发 射 机 地 面 应 答 器 图 5 DME 系统工作示意图  原理 由于电磁波具有恒速直线传播的特点，因此距离的测量可以通过测定电磁波发射点到接收点的传播时间来确定。 在飞机导航中，询问器通常安装在载体上，应答器安装在地面固定点，即 DME 台站。 其基本工作 原理 为：机载设备 发出成对 的询问脉冲 ，地面台应答器 接收到之后 ，经 过一定的时延（一般为 50181。 s）发出成对应答脉冲。 应答信号被机载设备接收到后，将发出询问和收到应答信号之间所经过的时间减去地面台的时延，便可算出飞机和地面台的距离。 DME 记载设备和地面台之所以发射的都是脉冲对，是为了减少由其他脉冲系统所造成的干扰。 询问器接收到的信号相对于发射信号的延迟时间将为： 02r rttC () 14 所以0()2 rCr t t，式中 C 为光速； rt 为信号传播时间； r 为测量斜距。 无线电导航测距系统的位置线是一个圆周，它由地面导航台等距的圆球位置面与飞机所在高度的地心球面相交而成。 利用测距系统可引导飞机在航空港作等待飞行，或由两条圆位置线的交点确定飞机的位置。 定位的双值性（有两个交点）可用第三条圆位置线来消除。 测距系统可以是脉冲式的、相位式的或频率式的。 图 6 DME 定位示意图  性能和特点 DME 导航系统使用 126 个频道，可与 伏尔导航系统 配对使用。 DME 导航系统询问和应答脉冲对编码的间隔原来只有 12 微秒。 近年来增加了一种询问脉冲对间隔 36微秒，应答脉冲对间隔 30 微秒的编码。 12 微秒编码称为 X 模式， 36 微秒编码称为 Y 模式。 这样，系统的工作频道已由原来的 126 个 扩展为 252 个。 图 7 DME 台实物 澳大利亚 AWA 公司 LDB102 15 询问器发射的脉冲峰值功率为 200 瓦至 1000 瓦。 应答器发射的脉冲峰值功率为 100瓦至 1000 瓦，小功率台用于终端，大功率台用于航路。 DME 导航系统的测距准确度，近距为177。 185 米，远距为177。 370 米。 导航系统测出的飞机至地面台的距离为斜距。 如果飞机在地面台的 1 海里之外，飞行高度在 300 米以上 ,则斜距与地面水平距离的差别可以忽略。 DME 导航系统发射信号由于多径反射，机上可能遇到假锁定。 假锁定产生的距离误差有时可大到几海里。 采用多路径波 抑制技术后，可消除多径反射影响。 DME 导航系统与伏尔导航系统同台结合成为 VOR－ DME 导航系统，属极坐标式导航定位系统，可同时提供飞机对地面台的方位和距离。 TACAN 系统工作原理 塔康（ TACAN： Tactical Air Navigation 战术空中导航系统）是战术空中导航的缩写，由于该系统的有效作用距离在近程范围内且只用于航空导航，所以又称为航空近程导航系统。 是由美国海军在 1956年发展的，也是世界上第一个为飞机提供方位和距离信息的系统。 塔康系统能够直观提供方位、距离指示，并实现单台定 位，能够直接导出位置坐标。 是现代军用飞机重要的航空电子设备，作为军用标准导航系统，其主要功能是建立航线、归航、空中战术机动和作为位置坐标传感器。  组成 塔康导航系统是一种近程极坐标式无线电导航系统。 由地面信标台（地面台）和记载设备组成。 地面信标台可架设于机场、航路点或航空母舰上，机载塔康设备安装在飞机上与塔康信标配合工作，其组成原理如图 8所示。 它与航向系统等交联后 能够为 350千米 400千米范围内飞机连续提供飞机相对于地面信标台以磁北为基准的全向方位角和斜距，从而确定飞机所处地理坐标即飞机位置。 主要完成导航 方式下测量飞机相对于地面信标台的方位和距离，在着陆状态下与地面着陆信标台配合工作，确定至着陆点的距离及预定航向偏差、预定下滑道偏差；在空中会和方式下，确定飞机间距离和飞机相对方向，即飞机间同时测量距离和方位。 测向原理与伏尔导航系统相似，测距原理与测距器相同，工作频段为 9601215兆赫。 系统测距采用询问应答方式，测角是通过基准脉冲信号和脉冲包络信号之间的相位关系来实现的。 当飞机位于塔康地面台不同方位时，其机载塔康设备所接收到的基准信号和脉冲包络信号之间存在着不同的相位关系，经过信号处理就可以确定出飞机相对 于塔康地面台的方位角。 16 导 航 计 算 机代 码 转 换 单 元测 距 电 路测 角 电 路发 射 机 天 线 开 关 接 收 机发 射 机天 线 转 动接 收 机信 号 处 理地面台飞机 图 8 塔康系统组成原理框图 地面台的天线是圆筒形的，是由中心天线阵列和内外调制圆筒组成，它在水平方向辐射场形成一个心脏形图，上附有九瓣调制，当它以 15Hz匀速旋转时，在它周围空间的任意一点形成一个其振幅变化规律以 15Hz为频率的正弦波，这样，将以地面台为中心的周围空间化为一个 15Hz正弦波 360度的相位空间。 由于又叠加了 9个波瓣，即相当于将15Hz正弦波 360度的相位空间分成 9个 40度空间，每个 40度相位空间相当于一个 135Hz正弦波 360度的相位空间。 这样使得地面台发射的信号又增加 15Hz和 135Hz可变方位信息。 方位测量就是机载设备接收地面台发的方位信号为主，即主、辅基准信号及 15Hz和135Hz调制信号，取它们合成包络的相位差而换算出来。 从飞机上每秒发射 30对、间隔为 12微秒的询问脉冲对（成对发射的脉冲），地面台收到询问脉冲对后发射同样间隔的回答脉冲对。 在飞机上把收到回答脉冲对的时间与询问脉冲对的时间相比较，得出脉冲电波在空间传播的时间，从而得到飞机到地面台的距离，并加以显示。 地面台天线发射电波的方向图呈有 9个波瓣的 心脏形，并以 900转 /分转动。 飞机接收到的脉冲信号是调幅形式的，这一调幅包络包括由旋转心脏形方向图产生的。