【文章內(nèi)容簡介】 理陸基導航系統(tǒng)定位精度比較差，但其信號發(fā)射功率大,不易受干擾，數(shù)據(jù)更新率較高等衛(wèi)星導航系統(tǒng)所不具備的優(yōu)點。目前，陸基導航系統(tǒng)仍然是國際通用的民航導航系統(tǒng)，特別是 VORDME 系統(tǒng)在民用航空中使用的尤為普遍，我國民航導航系統(tǒng)主要是 VORDME 系統(tǒng)，在此領(lǐng)域有很好的基礎(chǔ)。塔康導航系統(tǒng)是一種組合陸基導航手段，同時也是我軍未來主要的發(fā)展方向。一個塔康臺相當于一個 VORDME 組合臺，能夠在用戶飛行高度已知的條件下完成定位。塔康信標臺主要配置在野戰(zhàn)機場、臨時航路點及機場較密集地區(qū)導航點，可同時為空中 100 架飛機提供導航方位信息、距離信息和識別信息。陸基導航系統(tǒng)主要有測角和測距兩種定位手段，分別由 VOR 和 DME 兩種導航系統(tǒng)來實現(xiàn)，VOR 測量飛機相對臺站的磁方位角，DME 測量飛機與地面 DME 臺間的斜距。單一的陸基導航臺站無法實現(xiàn)對飛行器的定位，但通過 VORDME 組合或 DMEDME 組合的方式共同觀測可以實現(xiàn)飛行器的定位。 VOR 系統(tǒng)工作原理? 原理VOR 是甚高頻全向信標( very high frequency omni directional range ,VOR)的縮寫，又稱作伏爾系統(tǒng)，由美國從 20 世紀 20 年的“旋轉(zhuǎn)信標”發(fā)展而來，1946 年作為美國航空標準導航系統(tǒng)，1949 年被 ICAO 采納為國際標準民用導航系統(tǒng)，VOR 的裝備量在世界范圍內(nèi)呈上升趨勢，早已在國內(nèi)外機場普遍使用。它是一種近程的無線電相位測角系統(tǒng)，由地面發(fā)射臺和機載接收設(shè)備組成，地面臺發(fā)射信號，記載設(shè)備只接收信號，為飛機提供相對于地面臺的磁北方位角。這種系統(tǒng)為飛機提供相對地面信標臺的方位。工作頻率為 ，作用距離數(shù)百公里，測角精度優(yōu)于 176。[7][8]。伏爾導航系統(tǒng)的缺點是發(fā)射電波受視線限制和測向精度受場地影響較大。10圖 1 VOR 接收機原理框圖VOR 系統(tǒng)可以向飛機提供導航所需的相對方位信息，VOR 系統(tǒng)的原理是根據(jù)可變相信號與基準相位信號的相位差來導航。導航臺發(fā)射以 30 轉(zhuǎn)/秒旋轉(zhuǎn)的心臟線方向圖，在機載接收機輸出端產(chǎn)生 30Hz 的正弦波，其相位隨飛機相對導航臺的位置而變化，成為可變相位信號。與此同時，導航臺還發(fā)射一個以固定 30Hz 參考頻率調(diào)制的全向信號。在機載接收機輸出端又得到一個不變相位的 30Hz 正弦波，成為基準相位信號。在接收端，外來信號經(jīng)放大、調(diào)幅檢波后分成三路：一路經(jīng)副載頻濾波、限幅、鑒頻和 30Hz濾波后輸入比相器，這是固定相位信號；一路經(jīng) 30HZ 濾波直接至比相器，這是可變相位信號；再一路是莫爾斯識別碼和話音輸出。比相器對兩個相位信號比相，得出飛機對伏爾地面臺的磁方位角。基準相位信號的相位在發(fā)射臺的各個方位上相同；可變相位信號的相位隨發(fā)射臺的徑向方位而變化。飛機磁方位決定于基準相位信號與可變相位信號之間的相位差?？勺兿嗯c基準相信號同步發(fā)射,磁北極兩者相位相差 0176。，隨著飛行器相對于地面臺水平面方位的不同，兩者的相位差從 0176。~360176。變化。機載設(shè)備接收來自地面臺的發(fā)射信號，并測量出這兩個信號的相位差，就可得到飛機相對地面的磁方位角，再加 180176。就是方位角。由于兩個信號安排的在地面臺磁北方向上同相，所以接收機測到的是飛機相對地面臺的磁方位角。11圖 2 伏爾導航系統(tǒng)基準相位信號和可變相位信號的相位關(guān)系測量的基本原理是測量地面臺發(fā)射的基準相位 30Hz 信號和可變相位 30Hz 信號的相位差,接收臺的徑向方位變化正比于這兩個 30Hz 信號的相位差變化，提取二者的相位差是 VOR 系統(tǒng)信號處理的關(guān)鍵所在。圖 3 VOR 定位原理? 性能與特點伏爾導航系統(tǒng)應(yīng)用在航路上和終端區(qū)。在航路上,它構(gòu)成航道和航道網(wǎng)的基準,也是儀表飛行時的必要裝備。航路上使用的伏爾臺的輻射功率為 200 瓦，作用距離隨飛行高度而變化。在小高度上僅 30 海里，大高度上最遠可達 200 海里。終端區(qū)伏爾臺用于引導飛機進場,輻射功率 50 瓦，作用距離 25 海里以上。終端伏爾臺與儀表著陸系統(tǒng)中的航向信標使用相同頻段，即 108～112 兆赫。 伏爾導航系統(tǒng)與 DME 導航系統(tǒng)合裝在一起成為極坐標導航方式，既提供方位，又12提供距離。DME 導航系統(tǒng)與塔康導航系統(tǒng)的測距部分完全相同，伏爾導航系統(tǒng)與塔康導航系統(tǒng)合裝在一處，就是伏爾塔克導航系統(tǒng)，屬于軍用和民用共用系統(tǒng)。伏爾導航系統(tǒng)的計算準確度為177。176。(95％概率)，實際準確度為177。176。（95％概率） 。伏爾用于監(jiān)測站監(jiān)視信號狀態(tài)?，F(xiàn)代伏爾地面系統(tǒng)由遙測遙控站進行管理，機上設(shè)備帶有視覺告警裝置。 伏爾臺發(fā)射信號存在多徑反射干擾的缺點，對選擇設(shè)臺場地有一定要求。多普勒伏爾導航系統(tǒng)對于環(huán)境要求有所降低。為了提高伏爾導航系統(tǒng)的準確度，可改用多瓣伏爾導航系統(tǒng)，即精密伏爾導航系統(tǒng)?，F(xiàn)代伏爾地面系統(tǒng)正以固態(tài)電子器件取代電子管。圖 4 全向信標和 VOR 臺實物圖(右側(cè)為澳大利亞 AWA 公司 VRB52D DVOR) DME 系統(tǒng)工作原理? 組成DME(Distance Measurement Equipment)直譯為距離測量設(shè)備或測距器，用于測量載體到某固定點的直線距離，由于采用詢問—應(yīng)答的工作方式來測量距離，也稱為應(yīng)答/測距系統(tǒng)。1959 年，成為 ICAO 批準的標準測距系統(tǒng)。它由機載 DME13機（也是詢問器）和地面 DME 臺（應(yīng)答器）組成，形成極坐標近程定位導航系統(tǒng)。DME 的工作波段為 962~1213MHz，每隔 1MHz 安排一個工作頻段，機載 DME 詢問器的載頻安排在 1025~1150MHz 范圍內(nèi)，共有 126 個詢問頻率；地面應(yīng)答器的載波頻率安排在 962~1213MHz 范圍內(nèi)，共有 252 個應(yīng)答頻率。按 ICAO 的規(guī)定，DME 的系統(tǒng)精度為177。370m（95%） [7][8]。距離測量電路接收機發(fā)射機距離讀數(shù)機載詢問器天線天線接收機固定延時發(fā)射機 地面應(yīng)答器圖 5 DME 系統(tǒng)工作示意圖? 原理由于電磁波具有恒速直線傳播的特點，因此距離的測量可以通過測定電磁波發(fā)射點到接收點的傳播時間來確定。在飛機導航中，詢問器通常安裝在載體上，應(yīng)答器安裝在地面固定點，即 DME 臺站。其基本工作原理為：機載設(shè)備發(fā)出成對的詢問脈沖，地面臺應(yīng)答器接收到之后，經(jīng)過一定的時延（一般為 50181。s）發(fā)出成對應(yīng)答脈沖。應(yīng)答信號被機載設(shè)備接收到后，將發(fā)出詢問和收到應(yīng)答信號之間所經(jīng)過的時間減去地面臺的時延，便可算出飛機和地面臺的距離。DME 記載設(shè)備和地面臺之所以發(fā)射的都是脈沖對，是為了減少由其他脈沖系統(tǒng)所造成的干擾。詢問器接收到的信號相對于發(fā)射信號的延遲時間將為：14 ()02rttC??所以 ，式中 C 為光速； 為信號傳播時間； 為測量斜距。0()rt?rtr無線電導航測距系統(tǒng)的位置線是一個圓周，它由地面導航臺等距的圓球位置面與飛機所在高度的地心球面相交而成。利用測距系統(tǒng)可引導飛機在航空港作等待飛行，或由兩條圓位置線的交點確定飛機的位置。定位的雙值性（有兩個交點）可用第三條圓位置線來消除。測距系統(tǒng)可以是脈沖式的、相位式的或頻率式的。圖 6 DME 定位示意圖? 性能和特點DME 導航系統(tǒng)使用 126 個頻道，可與伏爾導航系統(tǒng)配對使用。DME 導航系統(tǒng)詢問和應(yīng)答脈沖對編碼的間隔原來只有 12 微秒。近年來增加了一種詢問脈沖對間隔 36微秒，應(yīng)答脈沖對間隔 30 微秒的編碼。12 微秒編碼稱為 X 模式，36 微秒編碼稱為 Y模式。這樣，系統(tǒng)的工作頻道已由原來的 126 個擴展為 252 個。15圖 7 DME 臺實物澳大利亞 AWA 公司 LDB102詢問器發(fā)射的脈沖峰值功率為 200 瓦至 1000 瓦。應(yīng)答器發(fā)射的脈沖峰值功率為100 瓦至 1000 瓦，小功率臺用于終端，大功率臺用于航路。DME 導航系統(tǒng)的測距準確度，近距為177。185 米，遠距為177。370 米。導航系統(tǒng)測出的飛機至地面臺的距離為斜距。如果飛機在地面臺的 1 海里之外，飛行高度在 300 米以上,則斜距與地面水平距離的差別可以忽略。DME 導航系統(tǒng)發(fā)射信號由于多徑反射，機上可能遇到假鎖定。假鎖定產(chǎn)生的距離誤差有時可大到幾海里。采用多路徑波抑制技術(shù)后，可消除多徑反射影響。DME 導航系統(tǒng)與伏爾導航系統(tǒng)同臺結(jié)合成為 VOR－DME 導航系統(tǒng)，屬極坐標式導航定位系統(tǒng)，可同時提供飛機對地面臺的方位和距離。 TACAN 系統(tǒng)工作原理塔康（TACAN：Tactical Air Navigation 戰(zhàn)術(shù)空中導航系統(tǒng)）是戰(zhàn)術(shù)空中導航的縮寫，由于該系統(tǒng)的有效作用距離在近程范圍內(nèi)且只用于航空導航，所以又稱為航空近程導航系統(tǒng)。是由美國海軍在1956年發(fā)展的，也是世界上第一個為飛機提供方位和距離信息的系統(tǒng)。塔康系統(tǒng)能夠直觀提供方位、距離指示，并實現(xiàn)單臺定位，能夠直接導出位置坐標。是現(xiàn)代軍用飛機重要的航空電子設(shè)備，作為軍用標準導航系統(tǒng)，其主要功能是建立航線、歸航、空中戰(zhàn)術(shù)機動和作為位置坐標傳感器。? 組成塔康導航系統(tǒng)是一種近程極坐標式無線電導航系統(tǒng)。由地面信標臺（地面臺）和記載設(shè)備組成。地面信標臺可架設(shè)于機場、航路點或航空母艦上，機載塔康設(shè)備安裝在飛機上與塔康信標配合工作，其組成原理如圖8所示。它與航向系統(tǒng)等交聯(lián)后能夠為350千米400千米范圍內(nèi)飛機連續(xù)提供飛機相對于地面信標臺以磁北為基準的全向方位角和斜距，從而確定飛機所處地理坐標即飛機位置。主要完成導航方式下測量飛機相16對于地面信標臺的方位和距離，在著陸狀態(tài)下與地面著陸信標臺配合工作，確定至著陸點的距離及預定航向偏差、預定下滑道偏差；在空中會和方式下，確定飛機間距離和飛機相對方向，即飛機間同時測量距離和方位。測向原理與伏爾導航系統(tǒng)相似，測距原理與測距器相同，工作頻段為9601215兆赫。系統(tǒng)測距采用詢問應(yīng)答方式，測角是通過基準脈沖信號和脈沖包絡(luò)信號之間的相位關(guān)系來實現(xiàn)的。當飛機位于塔康地面臺不同方位時，其機載塔康設(shè)備所接收到的基準信號和脈沖包絡(luò)信號之間存在著不同的相位關(guān)系，經(jīng)過信號處理就可以確定出飛機相對于塔康地面臺的方位角。導航計算機代碼轉(zhuǎn)換單元測距電路測角電路發(fā)射機 天線開關(guān) 接收機發(fā)射機天線轉(zhuǎn)動接收機信號處理地面臺飛機圖 8 塔康系統(tǒng)組成原理框圖地面臺的天線是圓筒形的，是由中心天線陣列和內(nèi)外調(diào)制圓筒組成，它在水平方向輻射場形成一個心臟形圖，上附有九瓣調(diào)制，當它以15Hz勻速旋轉(zhuǎn)時，在它周圍空間的任意一點形成一個其振幅變化規(guī)律以15Hz為頻率的正弦波，這樣，將以地面臺為中心的周圍空間化為一個15Hz正弦波360度的相位空間。由于又疊加了9個波瓣，即相當于將15Hz正弦波 360度的相位空間分成9個40度空間，每個40度相位空間相當于一個135Hz正弦波 360度的相位空間。這樣使得地面臺發(fā)射的信號又增加15Hz和135Hz可變方位信息。方位測量就是機載設(shè)備接收地面臺發(fā)的方位信號為主，即主、輔基準信號及15Hz和135Hz調(diào)制信號，取它們合成包絡(luò)的相位差而換算出來。17從飛機上每秒發(fā)射30對、間隔為12微秒的詢問脈沖對（成對發(fā)射的脈沖） ，地面臺收到詢問脈沖對后發(fā)射同樣間隔的回答脈沖對。在飛機上把收到回答脈沖對的時間與詢問脈沖對的時間相比較，得出脈沖電波在空間傳播的時間，從而得到飛機到地面臺的距離，并加以顯示。地面臺天線發(fā)射電波的方向圖呈有 9個波瓣的心臟形，并以900轉(zhuǎn)/分轉(zhuǎn)動。飛機接收到的脈沖信號是調(diào)幅形式的，這一調(diào)幅包絡(luò)包括由旋轉(zhuǎn)心臟形方向圖產(chǎn)生的15Hz方位信號和由9個波瓣旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的135赫方位信號，這兩個信號的相位與地面臺相對飛機的空間方位有關(guān)。為測定相位需要有基準信號，因此當心臟形方向圖轉(zhuǎn)過正東方向時，發(fā)射一組由12個脈沖對組成的基準脈沖信號，當8個波瓣(除去與心臟形最大值重合的那個波瓣)中每一個的最大值轉(zhuǎn)過正東方向時，還發(fā)射一組由6對脈沖組成的輔助基準脈沖信號。比較15Hz方位信號和基準脈沖信號的相位，得到地面臺相對飛機的粗略方位，用它來消除精測方位時的多值性。比較 135Hz方位信號和輔助基準脈沖信號的相位即得到地面臺相對飛機精確的方位值 [9]。圖 9 發(fā)射天線方向圖和調(diào)制包絡(luò)波形圖? 定位原理塔康定位的基礎(chǔ)是測距和測角。在國際民航目前采用的標準近程導航中采用兩套獨立的系統(tǒng)來分別完成。測距利用DME測距系統(tǒng)，它和塔康測距功能的信號體制相類似，設(shè)備之間可以兼容；測角采用VOR（或DVOR ）系統(tǒng)，其測角方法與伏爾測角功能相類似，但信號體制根本不同，不能兼容。DME 和VOR 是兩個不同頻段，不同信號18體制，相互獨立的單功能系統(tǒng)。而塔康測距、測角則不然，它是在統(tǒng)一的頻道和信號體制基礎(chǔ)上來實現(xiàn)的。圖 10 塔康定位示意圖塔康系統(tǒng)距離測量利用二次雷達原理，機載TACAN設(shè)備發(fā)射詢問脈沖，地面臺收到詢問脈沖后經(jīng)固定延時再發(fā)距離回答脈沖，機上設(shè)備取詢問脈沖和回答脈沖之間的延時進行計算。其距離測量關(guān)系 ()0()/2RtC??其中，C ：電波在空間的傳播速度 T：測量延時時間 t0 ：應(yīng)答器固定延時 R：地面臺與飛機之間的斜距如圖10所示，θ是飛機真方位，即塔康地面臺所在位置的北向與它到飛機的連線順時針方向夾角的水平投影。它同飛機上塔康設(shè)備測得的無線電方位α相差180176。，飛機真方位θ