【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 理陸基導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度比較差，但其信號(hào)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(dǎo)航系統(tǒng)所不具備的優(yōu)點(diǎn)。目前，陸基導(dǎo)航系統(tǒng)仍然是國(guó)際通用的民航導(dǎo)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(guó)民航導(dǎo)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(dǎo)航系統(tǒng)是一種組合陸基導(dǎo)航手段，同時(shí)也是我軍未來主要的發(fā)展方向。一個(gè)塔康臺(tái)相當(dāng)于一個(gè) VORDME 組合臺(tái)，能夠在用戶飛行高度已知的條件下完成定位。塔康信標(biāo)臺(tái)主要配置在野戰(zhàn)機(jī)場(chǎng)、臨時(shí)航路點(diǎn)及機(jī)場(chǎng)較密集地區(qū)導(dǎo)航點(diǎn)，可同時(shí)為空中 100 架飛機(jī)提供導(dǎo)航方位信息、距離信息和識(shí)別信息。陸基導(dǎo)航系統(tǒng)主要有測(cè)角和測(cè)距兩種定位手段，分別由 VOR 和 DME 兩種導(dǎo)航系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，VOR 測(cè)量飛機(jī)相對(duì)臺(tái)站的磁方位角，DME 測(cè)量飛機(jī)與地面 DME 臺(tái)間的斜距。單一的陸基導(dǎo)航臺(tái)站無法實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器的定位，但通過 VORDME 組合或 DMEDME 組合的方式共同觀測(cè)可以實(shí)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(biāo)( very high frequency omni directional range ,VOR)的縮寫，又稱作伏爾系統(tǒng)，由美國(guó)從 20 世紀(jì) 20 年的“旋轉(zhuǎn)信標(biāo)”發(fā)展而來，1946 年作為美國(guó)航空標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)航系統(tǒng)，1949 年被 ICAO 采納為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)民用導(dǎo)航系統(tǒng)，VOR 的裝備量在世界范圍內(nèi)呈上升趨勢(shì)，早已在國(guó)內(nèi)外機(jī)場(chǎng)普遍使用。它是一種近程的無線電相位測(cè)角系統(tǒng)，由地面發(fā)射臺(tái)和機(jī)載接收設(shè)備組成，地面臺(tái)發(fā)射信號(hào)，記載設(shè)備只接收信號(hào)，為飛機(jī)提供相對(duì)于地面臺(tái)的磁北方位角。這種系統(tǒng)為飛機(jī)提供相對(duì)地面信標(biāo)臺(tái)的方位。工作頻率為 ，作用距離數(shù)百公里，測(cè)角精度優(yōu)于 176。[7][8]。伏爾導(dǎo)航系統(tǒng)的缺點(diǎn)是發(fā)射電波受視線限制和測(cè)向精度受場(chǎng)地影響較大。10圖 1 VOR 接收機(jī)原理框圖VOR 系統(tǒng)可以向飛機(jī)提供導(dǎo)航所需的相對(duì)方位信息，VOR 系統(tǒng)的原理是根據(jù)可變相信號(hào)與基準(zhǔn)相位信號(hào)的相位差來導(dǎo)航。導(dǎo)航臺(tái)發(fā)射以 30 轉(zhuǎn)/秒旋轉(zhuǎn)的心臟線方向圖，在機(jī)載接收機(jī)輸出端產(chǎn)生 30Hz 的正弦波，其相位隨飛機(jī)相對(duì)導(dǎo)航臺(tái)的位置而變化，成為可變相位信號(hào)。與此同時(shí)，導(dǎo)航臺(tái)還發(fā)射一個(gè)以固定 30Hz 參考頻率調(diào)制的全向信號(hào)。在機(jī)載接收機(jī)輸出端又得到一個(gè)不變相位的 30Hz 正弦波，成為基準(zhǔn)相位信號(hào)。在接收端，外來信號(hào)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(hào)；一路經(jīng) 30HZ 濾波直接至比相器，這是可變相位信號(hào)；再一路是莫爾斯識(shí)別碼和話音輸出。比相器對(duì)兩個(gè)相位信號(hào)比相，得出飛機(jī)對(duì)伏爾地面臺(tái)的磁方位角?；鶞?zhǔn)相位信號(hào)的相位在發(fā)射臺(tái)的各個(gè)方位上相同；可變相位信號(hào)的相位隨發(fā)射臺(tái)的徑向方位而變化。飛機(jī)磁方位決定于基準(zhǔn)相位信號(hào)與可變相位信號(hào)之間的相位差?？勺兿嗯c基準(zhǔn)相信號(hào)同步發(fā)射,磁北極兩者相位相差 0176。，隨著飛行器相對(duì)于地面臺(tái)水平面方位的不同，兩者的相位差從 0176。~360176。變化。機(jī)載設(shè)備接收來自地面臺(tái)的發(fā)射信號(hào)，并測(cè)量出這兩個(gè)信號(hào)的相位差，就可得到飛機(jī)相對(duì)地面的磁方位角，再加 180176。就是方位角。由于兩個(gè)信號(hào)安排的在地面臺(tái)磁北方向上同相，所以接收機(jī)測(cè)到的是飛機(jī)相對(duì)地面臺(tái)的磁方位角。11圖 2 伏爾導(dǎo)航系統(tǒng)基準(zhǔn)相位信號(hào)和可變相位信號(hào)的相位關(guān)系測(cè)量的基本原理是測(cè)量地面臺(tái)發(fā)射的基準(zhǔn)相位 30Hz 信號(hào)和可變相位 30Hz 信號(hào)的相位差,接收臺(tái)的徑向方位變化正比于這兩個(gè) 30Hz 信號(hào)的相位差變化，提取二者的相位差是 VOR 系統(tǒng)信號(hào)處理的關(guān)鍵所在。圖 3 VOR 定位原理? 性能與特點(diǎn)伏爾導(dǎo)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(zhǔn),也是儀表飛行時(shí)的必要裝備。航路上使用的伏爾臺(tái)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(yuǎn)可達(dá) 200 海里。終端區(qū)伏爾臺(tái)用于引導(dǎo)飛機(jī)進(jìn)場(chǎng),輻射功率 50 瓦，作用距離 25 海里以上。終端伏爾臺(tái)與儀表著陸系統(tǒng)中的航向信標(biāo)使用相同頻段，即 108～112 兆赫。 伏爾導(dǎo)航系統(tǒng)與 DME 導(dǎo)航系統(tǒng)合裝在一起成為極坐標(biāo)導(dǎo)航方式，既提供方位，又12提供距離。DME 導(dǎo)航系統(tǒng)與塔康導(dǎo)航系統(tǒng)的測(cè)距部分完全相同，伏爾導(dǎo)航系統(tǒng)與塔康導(dǎo)航系統(tǒng)合裝在一處，就是伏爾塔克導(dǎo)航系統(tǒng)，屬于軍用和民用共用系統(tǒng)。伏爾導(dǎo)航系統(tǒng)的計(jì)算準(zhǔn)確度為177。176。(95％概率)，實(shí)際準(zhǔn)確度為177。176。（95％概率） 。伏爾用于監(jiān)測(cè)站監(jiān)視信號(hào)狀態(tài)?，F(xiàn)代伏爾地面系統(tǒng)由遙測(cè)遙控站進(jìn)行管理，機(jī)上設(shè)備帶有視覺告警裝置。 伏爾臺(tái)發(fā)射信號(hào)存在多徑反射干擾的缺點(diǎn)，對(duì)選擇設(shè)臺(tái)場(chǎng)地有一定要求。多普勒伏爾導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)于環(huán)境要求有所降低。為了提高伏爾導(dǎo)航系統(tǒng)的準(zhǔn)確度，可改用多瓣伏爾導(dǎo)航系統(tǒng)，即精密伏爾導(dǎo)航系統(tǒng)。現(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(biāo)和 VOR 臺(tái)實(shí)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(cè)量設(shè)備或測(cè)距器，用于測(cè)量載體到某固定點(diǎn)的直線距離，由于采用詢問—應(yīng)答的工作方式來測(cè)量距離，也稱為應(yīng)答/測(cè)距系統(tǒng)。1959 年，成為 ICAO 批準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)距系統(tǒng)。它由機(jī)載 DME13機(jī)（也是詢問器）和地面 DME 臺(tái)（應(yīng)答器）組成，形成極坐標(biāo)近程定位導(dǎo)航系統(tǒng)。DME 的工作波段為 962~1213MHz，每隔 1MHz 安排一個(gè)工作頻段，機(jī)載 DME 詢問器的載頻安排在 1025~1150MHz 范圍內(nèi)，共有 126 個(gè)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(gè)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(cè)量電路接收機(jī)發(fā)射機(jī)距離讀數(shù)機(jī)載詢問器天線天線接收機(jī)固定延時(shí)發(fā)射機(jī) 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(diǎn)，因此距離的測(cè)量可以通過測(cè)定電磁波發(fā)射點(diǎn)到接收點(diǎn)的傳播時(shí)間來確定。在飛機(jī)導(dǎo)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(diǎn)，即 DME 臺(tái)站。其基本工作原理為：機(jī)載設(shè)備發(fā)出成對(duì)的詢問脈沖，地面臺(tái)應(yīng)答器接收到之后，經(jīng)過一定的時(shí)延（一般為 50181。s）發(fā)出成對(duì)應(yīng)答脈沖。應(yīng)答信號(hào)被機(jī)載設(shè)備接收到后，將發(fā)出詢問和收到應(yīng)答信號(hào)之間所經(jīng)過的時(shí)間減去地面臺(tái)的時(shí)延，便可算出飛機(jī)和地面臺(tái)的距離。DME 記載設(shè)備和地面臺(tái)之所以發(fā)射的都是脈沖對(duì)，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(hào)相對(duì)于發(fā)射信號(hào)的延遲時(shí)間將為：14 ()02rttC??所以 ，式中 C 為光速； 為信號(hào)傳播時(shí)間； 為測(cè)量斜距。0()rt?rtr無線電導(dǎo)航測(cè)距系統(tǒng)的位置線是一個(gè)圓周，它由地面導(dǎo)航臺(tái)等距的圓球位置面與飛機(jī)所在高度的地心球面相交而成。利用測(cè)距系統(tǒng)可引導(dǎo)飛機(jī)在航空港作等待飛行，或由兩條圓位置線的交點(diǎn)確定飛機(jī)的位置。定位的雙值性（有兩個(gè)交點(diǎn)）可用第三條圓位置線來消除。測(cè)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(diǎn)DME 導(dǎo)航系統(tǒng)使用 126 個(gè)頻道，可與伏爾導(dǎo)航系統(tǒng)配對(duì)使用。DME 導(dǎo)航系統(tǒng)詢問和應(yīng)答脈沖對(duì)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(duì)間隔 36微秒，應(yīng)答脈沖對(duì)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(gè)擴(kuò)展為 252 個(gè)。15圖 7 DME 臺(tái)實(shí)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(tái)用于終端，大功率臺(tái)用于航路。DME 導(dǎo)航系統(tǒng)的測(cè)距準(zhǔn)確度，近距為177。185 米，遠(yuǎn)距為177。370 米。導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)出的飛機(jī)至地面臺(tái)的距離為斜距。如果飛機(jī)在地面臺(tái)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(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)由于多徑反射，機(jī)上可能遇到假鎖定。假鎖定產(chǎn)生的距離誤差有時(shí)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(dǎo)航系統(tǒng)與伏爾導(dǎo)航系統(tǒng)同臺(tái)結(jié)合成為 VOR－DME 導(dǎo)航系統(tǒng)，屬極坐標(biāo)式導(dǎo)航定位系統(tǒng)，可同時(shí)提供飛機(jī)對(duì)地面臺(tái)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(dǎo)航系統(tǒng)）是戰(zhàn)術(shù)空中導(dǎo)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(dǎo)航，所以又稱為航空近程導(dǎo)航系統(tǒng)。是由美國(guó)海軍在1956年發(fā)展的，也是世界上第一個(gè)為飛機(jī)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(shí)現(xiàn)單臺(tái)定位，能夠直接導(dǎo)出位置坐標(biāo)。是現(xiàn)代軍用飛機(jī)重要的航空電子設(shè)備，作為軍用標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)航系統(tǒng)，其主要功能是建立航線、歸航、空中戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)和作為位置坐標(biāo)傳感器。? 組成塔康導(dǎo)航系統(tǒng)是一種近程極坐標(biāo)式無線電導(dǎo)航系統(tǒng)。由地面信標(biāo)臺(tái)（地面臺(tái)）和記載設(shè)備組成。地面信標(biāo)臺(tái)可架設(shè)于機(jī)場(chǎng)、航路點(diǎn)或航空母艦上，機(jī)載塔康設(shè)備安裝在飛機(jī)上與塔康信標(biāo)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?yàn)?50千米400千米范圍內(nèi)飛機(jī)連續(xù)提供飛機(jī)相對(duì)于地面信標(biāo)臺(tái)以磁北為基準(zhǔn)的全向方位角和斜距，從而確定飛機(jī)所處地理坐標(biāo)即飛機(jī)位置。主要完成導(dǎo)航方式下測(cè)量飛機(jī)相16對(duì)于地面信標(biāo)臺(tái)的方位和距離，在著陸狀態(tài)下與地面著陸信標(biāo)臺(tái)配合工作，確定至著陸點(diǎn)的距離及預(yù)定航向偏差、預(yù)定下滑道偏差；在空中會(huì)和方式下，確定飛機(jī)間距離和飛機(jī)相對(duì)方向，即飛機(jī)間同時(shí)測(cè)量距離和方位。測(cè)向原理與伏爾導(dǎo)航系統(tǒng)相似，測(cè)距原理與測(cè)距器相同，工作頻段為9601215兆赫。系統(tǒng)測(cè)距采用詢問應(yīng)答方式，測(cè)角是通過基準(zhǔn)脈沖信號(hào)和脈沖包絡(luò)信號(hào)之間的相位關(guān)系來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)飛機(jī)位于塔康地面臺(tái)不同方位時(shí)，其機(jī)載塔康設(shè)備所接收到的基準(zhǔn)信號(hào)和脈沖包絡(luò)信號(hào)之間存在著不同的相位關(guān)系，經(jīng)過信號(hào)處理就可以確定出飛機(jī)相對(duì)于塔康地面臺(tái)的方位角。導(dǎo)航計(jì)算機(jī)代碼轉(zhuǎn)換單元測(cè)距電路測(cè)角電路發(fā)射機(jī) 天線開關(guān) 接收機(jī)發(fā)射機(jī)天線轉(zhuǎn)動(dòng)接收機(jī)信號(hào)處理地面臺(tái)飛機(jī)圖 8 塔康系統(tǒng)組成原理框圖地面臺(tái)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(chǎng)形成一個(gè)心臟形圖，上附有九瓣調(diào)制，當(dāng)它以15Hz勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)，在它周圍空間的任意一點(diǎn)形成一個(gè)其振幅變化規(guī)律以15Hz為頻率的正弦波，這樣，將以地面臺(tái)為中心的周圍空間化為一個(gè)15Hz正弦波360度的相位空間。由于又疊加了9個(gè)波瓣，即相當(dāng)于將15Hz正弦波 360度的相位空間分成9個(gè)40度空間，每個(gè)40度相位空間相當(dāng)于一個(gè)135Hz正弦波 360度的相位空間。這樣使得地面臺(tái)發(fā)射的信號(hào)又增加15Hz和135Hz可變方位信息。方位測(cè)量就是機(jī)載設(shè)備接收地面臺(tái)發(fā)的方位信號(hào)為主，即主、輔基準(zhǔn)信號(hào)及15Hz和135Hz調(diào)制信號(hào)，取它們合成包絡(luò)的相位差而換算出來。17從飛機(jī)上每秒發(fā)射30對(duì)、間隔為12微秒的詢問脈沖對(duì)（成對(duì)發(fā)射的脈沖） ，地面臺(tái)收到詢問脈沖對(duì)后發(fā)射同樣間隔的回答脈沖對(duì)。在飛機(jī)上把收到回答脈沖對(duì)的時(shí)間與詢問脈沖對(duì)的時(shí)間相比較，得出脈沖電波在空間傳播的時(shí)間，從而得到飛機(jī)到地面臺(tái)的距離，并加以顯示。地面臺(tái)天線發(fā)射電波的方向圖呈有 9個(gè)波瓣的心臟形，并以900轉(zhuǎn)/分轉(zhuǎn)動(dòng)。飛機(jī)接收到的脈沖信號(hào)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(hào)和由9個(gè)波瓣旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的135赫方位信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)的相位與地面臺(tái)相對(duì)飛機(jī)的空間方位有關(guān)。為測(cè)定相位需要有基準(zhǔn)信號(hào)，因此當(dāng)心臟形方向圖轉(zhuǎn)過正東方向時(shí)，發(fā)射一組由12個(gè)脈沖對(duì)組成的基準(zhǔn)脈沖信號(hào)，當(dāng)8個(gè)波瓣(除去與心臟形最大值重合的那個(gè)波瓣)中每一個(gè)的最大值轉(zhuǎn)過正東方向時(shí)，還發(fā)射一組由6對(duì)脈沖組成的輔助基準(zhǔn)脈沖信號(hào)。比較15Hz方位信號(hào)和基準(zhǔn)脈沖信號(hào)的相位，得到地面臺(tái)相對(duì)飛機(jī)的粗略方位，用它來消除精測(cè)方位時(shí)的多值性。比較 135Hz方位信號(hào)和輔助基準(zhǔn)脈沖信號(hào)的相位即得到地面臺(tái)相對(duì)飛機(jī)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(cè)距和測(cè)角。在國(guó)際民航目前采用的標(biāo)準(zhǔn)近程導(dǎo)航中采用兩套獨(dú)立的系統(tǒng)來分別完成。測(cè)距利用DME測(cè)距系統(tǒng)，它和塔康測(cè)距功能的信號(hào)體制相類似，設(shè)備之間可以兼容；測(cè)角采用VOR（或DVOR ）系統(tǒng)，其測(cè)角方法與伏爾測(cè)角功能相類似，但信號(hào)體制根本不同，不能兼容。DME 和VOR 是兩個(gè)不同頻段，不同信號(hào)18體制，相互獨(dú)立的單功能系統(tǒng)。而塔康測(cè)距、測(cè)角則不然，它是在統(tǒng)一的頻道和信號(hào)體制基礎(chǔ)上來實(shí)現(xiàn)的。圖 10 塔康定位示意圖塔康系統(tǒng)距離測(cè)量利用二次雷達(dá)原理，機(jī)載TACAN設(shè)備發(fā)射詢問脈沖，地面臺(tái)收到詢問脈沖后經(jīng)固定延時(shí)再發(fā)距離回答脈沖，機(jī)上設(shè)備取詢問脈沖和回答脈沖之間的延時(shí)進(jìn)行計(jì)算。其距離測(cè)量關(guān)系 ()0()/2RtC??其中，C ：電波在空間的傳播速度 T：測(cè)量延時(shí)時(shí)間 t0 ：應(yīng)答器固定延時(shí) R：地面臺(tái)與飛機(jī)之間的斜距如圖10所示，θ是飛機(jī)真方位，即塔康地面臺(tái)所在位置的北向與它到飛機(jī)的連線順時(shí)針方向夾角的水平投影。它同飛機(jī)上塔康設(shè)備測(cè)得的無線電方位α相差180176。，飛機(jī)真方位θ