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1、,导航原理与系统,Navigation Principles and Systems,倪育德,中国民航大学,第1章 无线电导航基本理论,1.1 无线电导航的定义与任务,1.2 无线电导航的发展简史和发展趋势,1.3 导航的分类,1.4 无线电导航系统的分类,1.5 无线电导航系统的布局,Navigation Principles and Systems,1.6 无线电导航实现的基础,1.7 无线电导航信号的传播方式,1.8 无线电导航系统的技术指标,中国民航大学 CAUC,1.1 无线电导航的定义与任务,一、导航与无线电导航的定义,在各种复杂的气象条件下，采用最有效的方法并以规定的RNP（所需
2、导航性能）引导航行体（飞机、导弹、宇宙飞船、船舶、车辆等）以及个人从出发点到目的地的过程称为导航。,无线电导航指利用无线电技术实现的对航行体的导航。,用以实现无线电导航的装置即为无线电导航系统。,中国民航大学 CAUC,二、无线电导航的任务,1）引导航行体飞离航线起点，进入并沿预定航线航行；,2）引导航行体在夜间和各种复杂气象条件下安全着陆或进港；,3）为航行体准确、安全完成航行任务提供所需的其他导引及情报咨询服务；,4）确定航行体当前所处的位置及其航行参数（速度、加速度等）。,1.1 无线电导航的定义与任务,中国民航大学 CAUC,1.2 无线电导航的发展简史和发展趋势,一、第一阶段（从20
3、世纪初至二战前）,自动定向机（ADF）无方向信标（NDB）,仪表着陆系统（ILS）,无线电高度表（LRRA）,四航道信标,扇形无线电信标,中国民航大学 CAUC,二、第二阶段（从二战至20世纪60年代初）（1）,1.台卡系统（DECCA）主要用于航海；英国台卡导航仪公司研制；1937年提出，1944年研制成功；1954年开始普及（在欧洲应用最为广泛）；随着罗兰C的建设和发展，台卡用户逐渐减少。,1.2 无线电导航的发展简史和发展趋势,中国民航大学 CAUC,1.2 无线电导航的发展简史和发展趋势,二、第二阶段（从二战至20世纪60年代初）（2）,2.罗兰系统（LORAN）主要用于航海，美国研制
4、；罗兰A，罗兰-C；罗兰A 1945年投入使用，上世纪80年代停用；罗兰C 1957年建成，1960年以后得到大力发展；罗兰C目前还在使用。,中国民航大学 CAUC,1.2 无线电导航的发展简史和发展趋势,二、第二阶段（从二战至20世纪60年代初）（3）,3.奥米伽系统（OMEGA）用于航空与航海，美国研制；1947年设计，1975年在部分区域开始工作，1982年完成全部的建台工作；1997年奥米伽系统宣布关闭。,中国民航大学 CAUC,1.2 无线电导航的发展简史和发展趋势,二、第二阶段（从二战至20世纪60年代初）（4）,4.多普勒导航雷达自主式航空导航系统；1945年开始发展；20世纪5
5、070年代得到了广泛的应用。,中国民航大学 CAUC,1.2 无线电导航的发展简史和发展趋势,二、第二阶段（从二战至20世纪60年代初）（5）,5.甚高频全向信标（VOR）非常重要的民航测角导航系统，美国研制；1946年VOR成为美国标准航空导航系统；1949年被ICAO批准为国际标准航空导航系统；20世纪60年代，联邦德国研制成功多普勒VOR（DVOR）。,中国民航大学 CAUC,1.2 无线电导航的发展简史和发展趋势,二、第二阶段（从二战至20世纪60年代初）（6）,6.测距机（DME）非常重要的民航测距导航系统，英国研制；DME是在二战中随着雷达的发展而出现的；1949年被ICAO批准为
6、国际标准航空导航系统；精密DME（DME/P）是微波着陆系统（MLS）的组成设备。对于民用航空，DME/P可与下滑台（GS）合装在一起，为飞机提供精确的距离信息。,中国民航大学 CAUC,1.2 无线电导航的发展简史和发展趋势,二、第二阶段（从二战至20世纪60年代初）（7）,7.战术空中导航系统塔康（TACAN）军用测距测角系统，美国海军1955年研制；TACAN在功能上相当于民航的VOR和DME；TACAN台安装在航母或地面上，可为飞机同时提供距地面台（航母）的方位和距离信息；TACAN系统体积小，便于机动，在军事上得到了广泛应用。,中国民航大学 CAUC,1.2 无线电导航的发展简史和发
7、展趋势,三、第三阶段（从20世纪60年代中期至今）,1.广泛采用数字技术和计算机技术，提高已有的性能优良的导航系统的数字化程度，提高其导航性能，并使系统具备故障诊断能力。,2.发展组合导航系统，如INS/GNSS组合系统。,3.研制新的更先进的导航系统，如MLS、GPS、GLONASS、GALILEO、北斗卫星导航系统。,4.卫星导航系统的增强技术，如陆基增强系统（GBAS）、星基增强系统（SBAS）、飞机增强系统（ABAS）。,中国民航大学 CAUC,一、观测导航,1.定义：利用肉眼或观测仪器经常地或连续地对所熟悉地地物进行观测，来确定运动体的位置和运动方向。,1.3 导航的分类,2.举例：
8、目视导航,3.特点：简单可靠，误差大，受气候及环境条件影响大。,中国民航大学 CAUC,1.3 导航的分类,二、推算导航,1.定义：根据运动体在该点的航向、航速和时间，从过去已知的位置来推算当前的位置，或预测将来的位置。,2.举例：惯性导航（INS）,3.特点：为自主式导航，保密性强，不受气候及环境影响，位置积累误差随航行时间越来越大。,中国民航大学 CAUC,1.3 导航的分类,三、天体导航,1.定义：通过观测两个以上星体的位置参数（如仰角），来确定观察者在地球上的位置，从而引导运动体航行。,2.举例：通过观测两颗星的仰角来确定航行体的位置。,3.特点：为自主式导航，保密性强，定位精度高，受
9、气候及环境影响，定位时间较长，比较适合航海导航。,中国民航大学 CAUC,1.3 导航的分类,四、无线电导航,1.定义：利用运动体上的电子接收设备接收和处理无线电波来获得导航参数，从而确定航行体的位置。,2.举例：ADF-NDB，VOR，DME，ILS，LRRA,3.特点：不受时间、气候的限制，定位精度高，定位时间短，容易受到干扰，保密性不强。,现代航空中，最基本、核心的导航手段是无线电导航。没有无线电导航，就没有现代航空！,中国民航大学 CAUC,一、常用无线电导航术语（1）,1.4 无线电导航系统的分类,1.有关角度,1：飞机（磁）方位（角）,2：电台（磁）方位（角）,3：电台（磁）航向（
10、角）/相对方位角,4：飞机（磁）航向（角）,中国民航大学 CAUC,一、常用无线电导航术语（2）,2.导航参数（1）,表示飞机位置与基准点（一般为导航台）之间关系的一些参数，如飞机的磁方位、飞机离基准点的距离、飞机与两个基准点距离之差、飞机的高度、航向及航速等。,飞机方位:A，B,距离差：r=rArB,飞机高度:h,1.4 无线电导航系统的分类,距离：rA，rB,中国民航大学 CAUC,一、常用无线电导航术语（3）,2.导航参数（2）,无线电信号：e(t)=Emcos(t)=Emcos(t+0),用无线电波的哪个参数与导航参数建立关系是导航的核心问题。,1.4 无线电导航系统的分类,中国民航大
11、学 CAUC,一、常用无线电导航术语（4）,3.位置线（面）,某一导航参数等于某一常数的点的集合。,1.4 无线电导航系统的分类,中国民航大学 CAUC,一、常用无线电导航术语（5）,4.非自主式（他备式）导航系统,包括航行体上的无线电导航系统和地面导航台才可完成导航任务的导航系统。,ADF-NDB，VOR，DME，ILS，MLS，GPS。,5.自主式（自备式）导航系统,只包括航行体上的无线电导航系统就能完成导航任务的导航系统。,LRRA，INS（非无线电导航系统）。,1.4 无线电导航系统的分类,中国民航大学 CAUC,一、常用无线电导航术语（6）,6.导航台,具有确定位置、辐射与导航参数有
12、关的有规定信号格式的发射/接收处理系统。,7.航迹,飞机重心在空间运动的轨迹。,8.航线,飞机的航迹在地面的投影。,1.4 无线电导航系统的分类,中国民航大学 CAUC,一、常用无线电导航术语（7）,9.大圆航线,沿着大圆弧线航行的航线称为大圆航线。两点之间的大圆弧线是这两点之间的最短距离，故大圆航线有时又叫最经济航线。无线电导航台所给出的航线就是大圆航线。,10.空速（VTAS）,飞机相对于它周围空气的运动速度。,1.4 无线电导航系统的分类,中国民航大学 CAUC,一、常用无线电导航术语（8）,11.地速（Vg）,飞机相对于地面的运动速度。,Vg=VTAS+VW，VW为风速。,1.4 无线
13、电导航系统的分类,中国民航大学 CAUC,二、无线电导航系统的分类（1）,1.按所测量的电气参量划分,振幅式无线电导航系统。（ADF-NDB，ILS）,相位式无线电导航系统。（VOR）,频率式无线电导航系统。（LRRA）,脉冲（时间）式无线电导航系统。（DME）,复合无线电导航系统。（TACAN）,1.4 无线电导航系统的分类,中国民航大学 CAUC,二、无线电导航系统的分类（2）,2.按所测量的导航参数划分,测角无线电导航系统。（ADF-NDB，VOR，ILS）,测距无线电导航系统。（DME，LRRA）,测距差无线电导航系统。（OMEGA）,测距、测角无线电导航系统。（TACAN）,1.4
14、无线电导航系统的分类,中国民航大学 CAUC,二、无线电导航系统的分类（3）,3.按有效作用距离划分,近程导航系统：有效作用距离在500km之内。（ADF-NDB，VOR，DME，ILS，LRRA）,远程导航系统：有效作用距离大于500km。（OMEGA）,4.按系统中机载设备独立情况划分,自主式无线电导航系统。（LRRA）,非自主式无线电导航系统。（ADF-NDB，VOR，DME，ILS，LRRA）,1.4 无线电导航系统的分类,中国民航大学 CAUC,二、无线电导航系统的分类（3）,5.按导航台的安装地点划分,陆基无线电导航系统。（ADF-NDB，VOR，DME，ILS）星基无线电导航系统
15、（GPS，GLONASS，GALILEO，北斗）,6.根据飞机的飞行阶段划分,航路导航系统。,终端区导航系统。,1.4 无线电导航系统的分类,中国民航大学 CAUC,7.按工作方式划分,二、无线电导航系统的分类（4）,有源工作方式导航系统。（DME）,无源工作方式导航系统。（ADF-NDB，VOR，ILS）,1.4 无线电导航系统的分类,中国民航大学 CAUC,1.5 无线电导航系统的布局,中国民航大学 CAUC,一、地面无线电导航系统的布局（1）,1.航路上的导航系统（导航台）,1.5 无线电导航系统的布局,NDB，VOR，DME,地理坐标（经度，纬度）,工作频率,识别码（没有识别码，就没有
16、地面信标！）,工作时间,中国民航大学 CAUC,1.5 无线电导航系统的布局,一、地面无线电导航系统的布局（2）,2.终端区导航系统,引进系统：ADF-NDB，VOR，DME,着陆系统：ILS，MLS，GBAS,中国民航大学 CAUC,1.5 无线电导航系统的布局,二、机载无线电导航系统的布局（1）,中国民航大学 CAUC,1.5 无线电导航系统的布局,二、机载无线电导航系统的布局（2）,中国民航大学 CAUC,1.6 无线电导航实现的基础,一、无线电导航的依据,无线电导航的基本任务是：测距和测向,1）在同一介质中，无线电波按直线传播；,2）在同一介质中，无线电波的传播速度为常数；,3）无线电
17、波具有反射性。,无线电波的上述3个基本特性为测距和测角奠定了基础。,中国民航大学 CAUC,1.6 无线电导航实现的基础,二、无线电导航的定位方法（1）,1.定位,飞机离导航台的距离越远，由测角误差导致的飞机位置误差将迅速增大。,中国民航大学 CAUC,1.6 无线电导航实现的基础,二、无线电导航的定位方法（2）,2.定位,N,飞机离导航台的距离越远，由测距误差导致的飞机位置误差的增大比 定位法的小。,中国民航大学 CAUC,1.6 无线电导航实现的基础,二、无线电导航的定位方法（3）,3.定位,定位误差介于 定位法与 定位法之间。,中国民航大学 CAUC,1.6 无线电导航实现的基础,三、无
18、线电导航定位方法的优先级选择,定位,1.ICAO推荐的优先级,定位,定位,2.FAA推荐的优先级,定位,定位,定位,中国民航大学 CAUC,1.6 无线电导航实现的基础,四、基本的定位系统,中国民航大学 CAUC,1.6 无线电导航实现的基础,五、机载导航系统的基本结构,中国民航大学 CAUC,1.7 无线电导航信号的传播方式,一、无线电频段划分及导航信号所占频谱,如果把雷达纳入导航之内，则无线电导航信号几乎占满了这8个频段。,中国民航大学 CAUC,1.7 无线电导航信号的传播方式,二、无线电波的传播方式（1）,1.无线电波传播的主要方式,地波传播,天波传播,视距传播,波导模传播,磁层模传播
19、,散射传播,中国民航大学 CAUC,1.7 无线电导航信号的传播方式,二、无线电波的传播方式（2）,2.地波传播（1）,Ground-wave propagation,中国民航大学 CAUC,1.7 无线电导航信号的传播方式,二、无线电波的传播方式（2）,2.地波传播（2）,传播方式：沿地球表面传播,适合频段：VLF，LF，MF,特点：,传播距离较远,信号稳定可靠,定位精度较高,辐射效率较低,受雷电产生的大气噪声影响较大,地波适合传播导航信号,导航系统：ADF-NDB，罗兰A/C,中国民航大学 CAUC,1.7 无线电导航信号的传播方式,二、无线电波的传播方式（3）,3.天波传播（1）,Ion
20、ospheric Propagation,中国民航大学 CAUC,1.7 无线电导航信号的传播方式,二、无线电波的传播方式（4）,3.天波传播（2）,传播方式：通过电离层反射传播,适合频段：VLF，LF，MF，HF,特点：,传播距离很远,信号极不稳定,既不能完成测距，也不能完成测向,天波不适合传播导航信号，而是一种干扰。,中国民航大学 CAUC,1.7 无线电导航信号的传播方式,二、无线电波的传播方式（5）,4.视距传播（1）,Direct-wave propagation,中国民航大学 CAUC,1.7 无线电导航信号的传播方式,二、无线电波的传播方式（6）,4.视距传播（2）,传播方式：收
21、发天线处在直视范围内，能相互“看见”的电波传播。,适合频段：VHF及VHF以上,特点：,信号稳定可靠，干扰源少,辐射效率高，发射天线小,可以产生很窄的脉冲及尖锐的方向性图，故测距、测向的精度很高,不能提供地平线以下的覆盖,存在多径干扰,导航系统：VOR，DME，ILS，MLS，LRRA，GNSS,对导航信号而言，视距传播是一种非常优秀的传播方式,中国民航大学 CAUC,1.7 无线电导航信号的传播方式,三、导航信号的传播方式,地波传播,视距传播,波导模传播（OMEGA系统）,中国民航大学 CAUC,1.8 无线电导航系统的技术指标,一、精度,导航系统的精度是指系统为运载体所提供的导航参数的误差
22、不超过给定值的能力。,P()=68%,P(2 2)=95%,误差服从高斯分布，为随机变量的均方差（标准差）。,中国民航大学 CAUC,1.8 无线电导航系统的技术指标,二、完好性,完好性是指系统在满足规定可靠性前提下，一旦发生故障而在规定的时间内及时提供告警的能力。,完好性是涉及到飞行安全最重要的指标。,对完好性描述的指标主要有：,告警时间,完好性冒险（风险）,保护电平（级别）,告警门限,中国民航大学 CAUC,1.8 无线电导航系统的技术指标,三、连续性,连续性是指在某特定的飞行阶段，导航系统提供连续而不发生中断的有效服务的概率。,连续性表明了系统可连续提供导航服务的性能。,连续性与在整个特
23、定的飞行阶段，导航系统提供规定精度、完好性的导航输出的能力有关。,在飞机的进近着陆阶段，连续性是一个特别重要的指标。,中国民航大学 CAUC,1.8 无线电导航系统的技术指标,四、可用性,可用性是指在某特定的飞行阶段，导航系统在任何时刻满足精度和完好性要求的的概率。,五、工作距离,工作距离是指在保证导航系统精度的前提下，飞机和导航台之间的最大距离。,六、覆盖范围,覆盖范围指的是一个面积或立体空间，那里的导航信号能够使导航用户以规定的精度定出运载体的位置。,中国民航大学 CAUC,1.8 无线电导航系统的技术指标,七、系统容量,系统容量是指在导航系统的覆盖范围内，系统可同时提供定位服务的用户的数量。,无源导航系统：理论上其容量是无限多,有源导航系统：其容量是有限多的（如DME的容量为100）,八、导航信息更新率,导航信息更新率是指导航系统在单位时间内可为运载体提供定位或其他导航数据的次数。,对着陆阶段的飞机，需要提供几十次每秒的高精度定位信息。,
