【正文】 定位原理 ? 性能與特點 伏爾導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用在航路上和終端區(qū)。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。終端區(qū)伏爾臺用于引導(dǎo)飛機(jī)進(jìn)場 ,輻射功率 50 瓦，作用距離 25 海里以上。 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。 伏爾導(dǎo)航系統(tǒng)的計算準(zhǔn)確度為 177。 (95％ 概率 )，實際準(zhǔn)確度為 177。 （ 95％ 概率）?，F(xiàn)代伏爾地面系統(tǒng)由遙測遙控站 進(jìn)行管理，機(jī)上設(shè)備帶有視覺告警裝置。多普勒伏爾導(dǎo)航系統(tǒng)對于環(huán)境要求有所降低?，F(xiàn)代伏爾地面系統(tǒng)正以 固態(tài)電子器件 取代電子管。 1959 年，成為 ICAO 批準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)測距系統(tǒng)。 13 DME 的工作波段為 962~1213MHz，每隔 1MHz 安排一個工作頻段，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。 370m（ 95%） [7][8]。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，即 DME 臺站。s）發(fā)出成對應(yīng)答脈沖。 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。 無線電導(dǎo)航測距系統(tǒng)的位置線是一個圓周，它由地面導(dǎo)航臺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。定位的雙值性（有兩個交點）可用第三條圓位置線來消除。 圖 6 DME 定位示意圖 ? 性能和特點 DME 導(dǎo)航系統(tǒng)使用 126 個頻道，可與 伏爾導(dǎo)航系統(tǒng) 配對使用。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。這樣，系統(tǒng)的工作頻道已由原來的 126 個 擴(kuò)展為 252 個。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。 185 米，遠(yuǎn)距為177。導(dǎo)航系統(tǒng)測出的飛機(jī)至地面臺的距離為斜距。 DME 導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)射信號由于多徑反射，機(jī)上可能遇到假鎖定。采用多路徑波 抑制技術(shù)后，可消除多徑反射影響。 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)。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(dǎo)出位置坐標(biāo)。 ? 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)。地面信標(biāo)臺可架設(shè)于機(jī)場、航路點或航空母艦上，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。主要完成導(dǎo)航 方式下測量飛機(jī)相對于地面信標(biāo)臺的方位和距離，在著陸狀態(tài)下與地面著陸信標(biāo)臺配合工作，確定至著陸點的距離及預(yù)定航向偏差、預(yù)定下滑道偏差；在空中會和方式下，確定飛機(jī)間距離和飛機(jī)相對方向，即飛機(jī)間同時測量距離和方位。 系統(tǒng)測距采用詢問應(yīng)答方式，測角是通過基準(zhǔn)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。 16 導(dǎo) 航 計 算 機(jī)代 碼 轉(zhuǎn) 換 單 元測 距 電 路測 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) 動接 收 機(jī)信 號 處 理地面臺飛機(jī) 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(dāng)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。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。 從飛機(jī)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。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。為測定相位需要有基準(zhǔn)信號，因此當(dāng)心臟形方向圖轉(zhuǎn)過正東 17 方向時，發(fā)射一組由 12個脈沖對組成的基準(zhǔn)脈沖信號，當(dāng) 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(zhǔn)脈沖信號。比較 135Hz方位信號和輔助基準(zhǔn)脈沖信號的相位即得到地面臺相對飛機(jī)精確的方位值 [9]。在國際民航目前采用的標(biāo)準(zhǔn)近程導(dǎo)航中采用兩套獨立的系統(tǒng)來分別完成。 DME和 VOR是兩個不同頻段，不同信號體制，相互獨立的單功能系統(tǒng)。 18 圖 10 塔康定位示意圖 塔康系統(tǒng)距離測量利用二次雷達(dá)原理，機(jī)載 TACAN設(shè)備發(fā)射詢問脈沖，地面臺收到詢問脈沖后經(jīng)固定延時再發(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進(jìn)行計算。它同飛機(jī)上塔康設(shè)備測得的無線電方位 α相差 180176。對于 VORDME來說，系統(tǒng)誤差指的是由于系統(tǒng)各部分性能原因?qū)y距或測角產(chǎn)生的誤差。隨機(jī)誤差指由于某種偶然因素引起的誤差，又稱偶然誤差 ， 隨機(jī)誤差一般不能補(bǔ)償。 19 而且由于大氣的氣壓、溫度、濕度以及介電常數(shù)實際上是隨高度而變化的，因此電磁波傳播速率隨高度增大而變快，使電磁波傳播軌跡向下傾斜，而發(fā)生折射。此外由于測距系統(tǒng)內(nèi)部原因，會產(chǎn)生測量誤差。 對于 VOR系統(tǒng)來說，也會因為臺站及接收機(jī)等系統(tǒng)原因，加上電磁波在大氣中的傳播誤差等原因造成測角誤差。二是系統(tǒng)誤差，具有長的相關(guān)時間，而且系統(tǒng)誤差不能被完全補(bǔ)償?shù)簦钥蓪⑵淠Ｐ徒殡S機(jī)偏置。 VOR、 DME 除了都受臺站標(biāo)校和接收機(jī)性能影響外還各有不同的特點，總體來說VOR 誤差隨距離而線性增加，能夠連續(xù)提供角度信息，對反射多路徑比較敏感；而 DME誤差與距離無關(guān)，因而在 10nm 以外其精度要比 VOR 高，但不能提供連續(xù)的斜距信息，存在飽和現(xiàn)象。 1. 系統(tǒng)校準(zhǔn)誤差： 臺站要求，在 Flight Inspection Manual中規(guī)定：距離臺站 40nm 處徑向磁方位誤差要求在 度以內(nèi)，實際中往往調(diào)整為 1 度（ 1sigma），整個 VOR 臺站網(wǎng)的均值為 0，可以允許正負(fù) 1 度的臺站偏差。在實際操作中為 176。 2. 臺站誤差： 20 極化影 響： VOR 信號要求為水平極化，但存在一定的垂直極化分量， VOR 臺發(fā)射的垂直極化誤差會給轉(zhuǎn)彎中的飛機(jī)帶來誤差，飛機(jī)作 30 度傾斜轉(zhuǎn)彎時產(chǎn)生的誤差小于 2度。 不理想的發(fā)射機(jī)和發(fā)射天線：發(fā)射機(jī)在某種程度上依賴電壓和溫度的線性變化，當(dāng)輻射功率從一個天線向另一個天線依次轉(zhuǎn)換時，會引起能量的階梯跳變，由此產(chǎn)生的寄生調(diào)幅產(chǎn)生的 30Hz多余頻率成分將對接收機(jī)帶來不利影響。 4．傳播誤差： 美國 Ohio 大學(xué)對傳播誤差有如下研究結(jié)果： 降水的影響，在 1015 分鐘內(nèi)最大偏差達(dá) 度；其他飛行器的反射， VOR 臺附近飛行的飛行器會對遠(yuǎn)處視線內(nèi)的飛行器帶來 1 度的誤差，對在視線內(nèi)近處的飛行器可達(dá)3 度，大多偏差持續(xù) 3 秒以下。 5． 接收機(jī)處理誤差： 美國 Ohio 大學(xué)研究表明，接收機(jī)處理誤差是 VOR 系統(tǒng)誤差的主要來源。接收機(jī)對信號強(qiáng)度變化的敏感，當(dāng)信號微弱時將會產(chǎn)生比較明顯的影響，表現(xiàn)為短期波動或逐日漂移，這種敏感性可導(dǎo)致 1 度的誤差，依據(jù)不同的接收機(jī)而別。噪聲對微弱信號的干擾，由接收機(jī)產(chǎn)生的噪聲可帶來 度的誤差。由于 TACAN 在原有心形方向分布圖的基礎(chǔ)上疊加了九瓣 分布，從而降低了接收及處理誤差。 ? 下面從 VOR 信號的調(diào)制發(fā)射、解調(diào)接收原理作進(jìn)一步分析： (1). 系統(tǒng)誤差 21 VOR 地面發(fā)射機(jī)輸出等幅載頻信號，由天線向空間輻射。受旋轉(zhuǎn)心臟形方向性圖影響，用戶所接收的將是被 30 Hz 正弦信號調(diào)幅的載頻信號。 VOR 地面臺天線心臟形水平方向性圖的 方向性函數(shù)為 Q (H) =1 + KcosH () 其中 H 為方位角， K 為心臟形方向性圖的參數(shù)。 另外， VOR 地面臺產(chǎn)生一個與天線旋轉(zhuǎn)同步的頻率為 F 的基準(zhǔn)信號， 該基準(zhǔn)信號對副載頻 f1(f1=9960 Hz) 調(diào)頻， 其表達(dá)式為 1 1 1( ) c o s (2 s i n 2 )mfU t U f t m F t???? （ ） 其中 fm 為調(diào)頻指數(shù)。 0()Ut經(jīng)發(fā)射機(jī)放大輸?shù)教炀€，由旋轉(zhuǎn)天線向空間輻射。 由伏爾無線電信號上述調(diào)制發(fā)射機(jī)理可以看出，伏爾發(fā)射天線的質(zhì)量、信號調(diào)制的調(diào)頻調(diào)幅精度是系統(tǒng)誤差的源頭?？罩腥我稽c的合成信號隨其方位不同而有所變化，主要體現(xiàn)在解調(diào)出的 30Hz可變相位與基準(zhǔn)相位的相位差變化，如 圖 所示。 圖 11 VOR 信號波形 數(shù)字 VOR方位測量的基本原理是將基準(zhǔn)相位 30Hz正弦波和可變 30Hz 正弦波的相位差用計時器計時。 該相位差僅表示 VOR 臺的徑向方位 ,需要增加或減少 180 度才等于 VOR 方位。 數(shù)字信號處理的基本過程為： 178。對 30Hz 可變相位信號的零度檢測 ； 178。 178。 178。 23 VOR 數(shù)字信號處理的軟件流程 圖 如 圖 12 所 示。零度檢測與 A/D 轉(zhuǎn)換器精度、采樣頻率有關(guān)。其采樣頻率是由 VOR 方位角分辨率決定的， A/D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)由信號的幅度和 VOR 方位角分辨率兩者共同決定的。 當(dāng) a=177。 5V 時， n=8 就可以滿足要求。 由以上對伏爾測角原理的分析，我們可以得到：無線電信號頻率的穩(wěn)定度和信號 幅度的衰減以及相位差監(jiān)測時的計時精度是產(chǎn)生測量誤差的根源 [10][13]。 1n 為白噪聲 . 誤差模型以狀態(tài)空間法表示為： 22 100 0 0tn?? ? ??????? ? ??? ? ? ??? ????? ? ? ??? ? ? ? ????? （ ） ? ?11t t?? ???? ???? ? ?1 1 2( ) ( ) ( )E n t n t Q? ? ??? 2222/rQ ??? 其中 r? =176。 ? DME誤差統(tǒng) 計特性： 主要的誤差源為接收機(jī)與 DME 臺站之間的固定延時的波動，將導(dǎo)致偏置誤差，主要由器件漂移、溫度變化和電源供電波動引起。而噪聲對脈沖的干擾將會產(chǎn)生高頻的誤差分量。 26 ? ?( ) ( ) ( )D D DE n t n t Q? ? ??? （ ） 其中 2 3 202 / 7 1 0 ( ) / ( / / )DaQ n m r s k t??? ? ? Dn 為白噪聲。實際飛行軌跡如 圖14 所示。 校驗飛機(jī)主要采用環(huán)繞導(dǎo)航臺站與飛越導(dǎo)航臺站 的 兩種飛行方式，用以測試 VOR與 DME的實際工作精度。但采取飛躍臺站的飛行方式后， VOR與 DME誤差均有較為明顯的變化。 27 圖 15 用戶相對導(dǎo)航臺距離變化圖 比較 圖 15 、 圖 16 與 圖 17 可以明顯看出，每當(dāng)用戶接近導(dǎo)航臺時， DME誤差均出現(xiàn)明顯增長現(xiàn)象， VOR同時出現(xiàn)跳變。 0 1 2 3 4 5 6 7x 1 041 0 . 8 0 . 6 0 . 4 0 . 200 . 20 . 4D M E 測距誤差 圖 16 DME 誤差實測結(jié)果分析 28 0 1 2 3 4 5 6 7x 1 04 1 5 1 050510V O R 測距誤差 圖 17 VOR 誤差實測結(jié)果分析 本章小結(jié) 本章，對陸基導(dǎo)航系統(tǒng)中的 VOR、 DME、 TACAN 的工作 原理進(jìn)行了闡述，從理論角度對 VOR 及 DME 導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差特性進(jìn)行了分析并建立誤差模型，利用實測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析驗證。 DMEDME 組合方式 DMEDME組合方式定位是利用雙 DME系統(tǒng)測出到兩個地面臺的距離 Ar 和 Br ，根據(jù)兩條位置線的交點 M，就能定出載體的位置，如圖 14所示 。 其中一個 DME臺可用于修正另兩個 DME臺的誤差，即 由第三個臺來消除多值性， 因此整個系統(tǒng)的精度會較只有兩個 DME臺可用時提高。 定位原理如圖 15所示 ： 北ρθ東V O R / D M E 臺天 圖 15 VOR/DME 定位原理 圖 30 VOR、 DME 組合系統(tǒng)定位誤差分析 VORDME 定位誤差分析 ? 定位誤差計算 飛機(jī)y( 北 )rθV O R D M E( 0 , 0 )( x , y )x 圖 16 VORDME 定位誤差示意圖 方便起見，將 VORDME 臺站的坐標(biāo)設(shè)為原點 （ 0， 0） ，載體的坐標(biāo)設(shè)為 （ x， y） ，則估計坐標(biāo)為 ()xy??， 。 ? VORDME 導(dǎo)航有效區(qū)域的確定 VORDME 系統(tǒng)包括兩大工作單元： VOR 和 DME。因此