无线电导航

'.

第一章绪论

1.1.1导航与导航系统的基本概念

1.导航

导航的基本含义是引导运行体从一地到另一地安全航行的过程。

导航强调的是“身在何处，去向哪里”是对继续运动的指示。导航之所

以定义为一个过程，是因为它贯穿于运动体行动的始终，遍历各个阶

段，直至确保运行达成目的。应当说大部分运行体都是由人来操纵的，

而对那些无人驾驶的的运行体来说，控制是由仪器或设备来完成的，

这时的导航就成为了制导。近年来人们将定位于导航并列提出。事实

上定位提供的位置参量是一个标量，只有将其与方向数据联合起来成

为矢量，才能服务于运行体的航行。因此定位与测角、测距一样是导

航的技术之一，通过定位可以实现导航。也可以说定位是静态用户

要求的；但对动态用户而言要求的是导航。

2.导航系统

导航系统是用于对运行体实施导航的专用设备组合或设备的统称。

导航系统是侧重于实现特定导航功能的设备组合体，组合体内的各部

分必须按约定的协调方式工作才能实现系统功能，而导航设备一般是

指导航系统中某一相对独立部分或产品，或实现某一导航功能的单

机。

1.1.3导航及无线电导航系统的分类

导航是一门基于“声、光、电、磁、力”的综合性的应用科学，实现导

;.

'.

航的技术手段很多，按其工作原理或主要应用技术可分为下述类别：

（1）天文导航——利用观测自然天体（空中的星体）相对于运行体

所在坐标系中的某些参量实现的导航称为天文导航。

（2）惯性导航——利用牛顿力学中的惯性原理及相应技术实现的导

航称为惯性导航。

（3）无线电导航——利用无线电技术实现的导航称为无线电导航。

（4）地磁导航——利用地球磁场的特性和磁敏器件实现的导航称为

地磁导航。

（5）红外线导航——利用红外线技术实现的导航称为红外线导航。

（6）激光导航——利用激光技术实现的导航称为激光导航。

（7）声纳导航——利用声波或超声波在水中的传播特性和水声技术

实现的导航（用于对水下运行体的导航）称为声纳导航。

（抽烟的英语 8）地标或灯标导航——利用观测（借助光学仪器或目视）已知位

置的地标或灯标实现的导航称为地标或灯标导航。

2.无线电导航系统的分类

无线电导航是导航中的一大分支，是当今应用最广、发展最快、在导

航家族中站主导地位的一类导航技术。下面介绍几种常用的无线电导

航系统分类：

（1）按用户使用时相对依从关系分类

○

1自备式（或自主式）导航系统。这类导航系统仅依靠装在运行体

上的导航设备就能独立自主地为该运行体提供导航服务。

;.

'.

○

2他备式（非自主式）导航系统。这类导航系统必须有运行体以外

且安装位置已知的导航设备相配合才能实现对该运行体的导航。这些

居于运行体之外的配合实现导航功能的导航设备及其附属设备通常

称为导航台站，而装在运行体上的导航如何给文档加密 设备通常称为该导航系统的用

户设备或载体设备。可见、他备式（非自主式）导航系统是由台站和

用户设备共同组成的，所以它的用户设备必须依赖于台站，这与自备

式导航系统明显不同。

（2）按无线电导航台站安装地点分类

○

1地基无线电导航系统。这种导航系统的导航台站安装在地球表面

的某一确知位置上。

2空基无线电导航系统。这种导航系统的导航台站安装在空中某一特○

定载体上。

3星基无线电导航系统。这种导航系统的导航台站安装在人造地球卫○

星或自然星体上。

（3）按无线电导航系统最大作用距离分类（参考数据以航空导航为

主）

○

1近程导航系统。作用距离在500km以内。

○

2远程导航系统。作用距离在500km以上，活在地球上任何地点都

是该系统的有效作用范围。

（4）按系统提供的导航参量（或位置线形状）分类

1无线电测角导航系统（直线位置线）。○

2无线电风水传说 测距导航系统（圆位置线）。○

;.

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○3无线电测距差导航系统（双曲线位置线）。

○4复合式（测角/测距、测距/测距差）无线电导航系统

（5）按系统中主要观测的电信号参量分类

○

1振幅式无线电导航系统。关于梦想的古诗

○

2频率式无线电导航系统。

○3相位式无线电导航系统。

○4脉冲式无线电导航系统。

○

5复合式无线电导航系统。

第二章中波导航系统

2.3系统技术实现

2.3.1地面设备

中波导航机是一种连续波发射器，通过直立天线全向发射中频信号，

以地波形式传播，其天线水平面方向图为圆形垂直面方向图为半8字

形。中波导航机主要有无方向性天线、功率放大器、调幅器、激励器、

识别信号键等组成。其中激励器产生频率为150—1700kHz的信号，

经调幅和功率放大器放大，通过无方向性天线辐射到空间去；音频振

荡器产生频率一定且收识别点马键控制的音频信号，对高频信号的幅

度进行调制，用于实现台识别；识别信号键产生的识别键控制信号，

还可以直接控制激励器工作，产生等幅报信号。中波导航机天线通常

采用“T型”或“T宠型”天线，辐射信号以地波形式传播。

中波导航机为了给无限电罗盘提供测向信号，它只需全向发射连

;.

'.

续等幅波中频信号即可。但为了给飞行人员提供台识别信息，就需要

在发射的连续等幅波信号中调制识别信号。这个识别信号是一组莫尔

斯码它由码元“点”、“划”组成，“点”是宽约为125ms的脉冲，“划”脉冲的

宽度是“点”脉冲的三倍。为了能在“点”、“划”期间产生音频信号以便飞

行员的耳机中出现音响，需要用这些“点”、“划”脉冲控制一个音频振荡

器工作，所以所产生的键控音频信号再去调制中频中频连续波信号，

这样中波导航机发射的信号就成为了键控调幅波，即在发“点”、“划”期

间，导航台发射调幅信号，在“点”、“划”之间发射等幅信号，信号始终

连续发出，测向不会中断。

中波导航机除主要为无线电罗盘提供测向信号外，还可作为应急

通信电台使用，实施单向对空联络，这时他可发等幅电报（直接键控

激励器）、调幅电报进行地空通话。进行地空通话是，只需要将语音

信号对高频信号直接调频，经天线辐射出去即可。

第四章伏尔系统

4.1概述

伏尔是甚高频全方位测向（VeryHighFrequencyOmnidirectional

Range）英文缩写VOR的汉语译音名称。伏尔系统是一种由机载设

备直接导出导航参量近程无线电导航测角系统，属于他备式主动导航

系统，导出的导航参量是飞机相对于伏尔信标台的磁方位角（即飞机

磁方位角）。目前已是空中交通管制不可分割的一部分，是陆地上无

;.

'.

线电近程导航和飞精密进近的国际标准系统。

4.1.1系统组成、功用和配置

伏尔系统由地面设备和机载设备两大部分组成。地面设备是伏尔信

标，工作在108-118MHz甚高频波段，在360范围内发射方位信号，

故又称为全向信标；与之配套的机上设备称为伏尔接受机，采用无方

向性接受天线，测量的角度信息用表头予以指示或传送给机上计算

机。

伏尔系统的功用是通过机载伏尔接收机接受地面伏尔信标发射的

信号，经处理获得飞机相对于伏尔信标台的磁方位角，在空中给飞机

提示飞机方向，以引导飞机沿着预定的航线飞行，，在现代飞机上，

可以预先吧沿着航线的各个VOR地面台的位置、发射频率、应飞的

航线等逐项输入飞机管理系统或自动飞行系统，在计算机的控制下，

飞机就按输入的数据自动飞行，并最终到达目的地。该系统通常用于

航路导航，也可在机场用于引导飞机归航和非精密进近。

伏尔信标通常架设在某航路点或机场终端区域。伏尔信标从用途

上可分为航路伏尔和终端伏尔。航路伏尔（VOR-C）台址通常选在

附近区域无障碍物的航路点上，如山的顶部，以尽量减少因地形效应

引起的测角误差。在一条“空中航路”上，根据航路的长短，规定的航

路宽度和伏尔系统的精度可以设置多个VOR-C台，每个VOR-C台

可辐射无限多的方位线或径向线作为预选航道，飞机沿着预选的航道

可以飞向或飞离VOR-C台，并指出飞机偏离航道的方向（左或右）

和角度，实现飞机安全巡航。VOR-C台还可以作为航路检查点，为

;.

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实行交通管制服务。终端伏尔（VOR-T）安装在机场跑道附近或跑道

次着陆端中线延长线上，引导飞机归航和进场着陆。

第五章地美仪系统

5.1概述

地美仪是测距器（DistanceMeasuringEquipment,DME）英文缩写西瓜单词

的汉语译音名称。DME系统是一种无线电测距导航系统，是目前民

用航空广泛运用的一种近程航空无线电导航系统。

5.1.1系统组成、功用与配置

DME系统是询问-回答式脉冲测距系统，主要由设置在地面的应

答器和机上的询问其构成。DME系统的功能是采用询问-回答式脉冲

测距方式，测量飞机相对于地面应答器所在位置的距离（斜距），用

于飞机提供距离导航信息。

DME系统的地面应答首字下沉怎么设置 器架设在航路点或机场的已知地理位置，

为DME机载设备提供测距应答信号，既可用于航路导航，也可以用

于机场终端区域的导航，为了某些特殊用途，DME应答设备还可以

安装在大型军舰或大型飞机上。

;.

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第六章塔康系统

6.1概述

塔康是战术空中导航（TacticalAirNavigation）引文缩写TACAN的

汉语译音名称。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。

6.1.1系统组成、功用与配置

塔康系统组成一般包括两大基本设备，即塔康信标和机载设备。完善

的塔康系统配置除信标和机载设备外，还配有信标监测器，信标模拟

器和塔康指示控制设备等。塔康信标以旋转天线方向性图的形式向作

用空域发射无线电信号，为安装塔康机载设备的飞机提供方位测量信

息，同时作为测距应答机，接受并回答机载设备发来的测距询问信号。

塔康机载设备接受塔康信标发射的方位信号，实现方位角的测量，同

时作为测距询问机发射和接受测距信号，实现距离数据测量，所测得

的距离和方位数据既可以通过机载设备指示器直观显示，也可以通过

导航计算机计算获得位置坐标数据，供显示或助航。

塔康信标监测器是用于监视和测量塔康信标主要性能指标的配

套设施，是保证信标可靠工作的重要专用仪器组合；塔康信标模拟器

是检查、测试和校准塔康机载设备主要性能指标的专用设备，它模拟

产生塔康信标发射的方位信号和距离回答信号等，并准确提供方位距

离射频信号电平等数据，方位和距离变化率，具有完善的测试和控制

功能；塔康指示控制设备，有时也称为塔康机载设备测试仪，它是测

;.

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试塔康机载设备收/发主机的必备配套设备，能为测试塔康机载设备

提供指示控制等全套从属部件及适当的接口，可以方便与塔康信标模

拟器配合，对机载设备主机进行全王国维 面测试。

塔康系统的功能是为飞机提供方位角和距离导航信息实现为飞

机指向极坐标定位，可用于建立航线、归航、空中战术机动和作为位

置坐标传感器。

塔康信标通常架设在机场或航路点的已知地理位置，为塔康机载

设备提供方位信号及测距应答信号。，所以常称为塔康地面信标（或

塔康地面设备）。为了某些特殊用途塔康信标还可装在大型军舰、大

型飞机上，称为舰载塔康信标、机载塔康信标。

第七章俄制近程导航系统

7.1概述

俄制近程导航系统勒斯波恩系统的重要组成部分，该系统除具有塔康

系统的极坐标定位功能外，还有地面监视和进场着陆引导以及空/空

相对导航等功能，是一个多功能综合导航系统。

7.1.1系统组成、功用和配置

俄制近程导航系统组成与塔康系统类似，也是由地面设备和机载设备

两大部分构成，完善的系统配置还包括地面设备模拟器和机载指示控

制设备等。地面设备及其附属设备构成台站，通常称为俄制近程导航

台。俄制近程导航系统机载设备也是勒斯波恩系统机载设备的重要组

;.

'.

成部分。勒斯波恩系统机载设备是一部极坐标定位功能机载设备和地

面监视功能机载应答器以及俄制仪表着陆功能的机载设备，空/空导

航定位功能的机载设备多合一的综合体，是一个比较复杂的机载多功

能系统，不仅具有复合显示器，还和其他导航系统有接口关系，可进

行程序控制。机载综合设备的基本功能包括：○1与俄制近程导航地面

设备配合实施区域导航；

○

2与俄制仪表着陆航向、下滑信标及测距应

答器配合引导飞机精密进近着陆；3实现飞机之间的相对导航。可见，

○

这个机载综合设备具有一机多用的能力，是机上电子设备综合的一个

典型应用范例。

俄制近程导航系统主要具有三大功能：一是极坐标定位功能。

该功能类似于塔康正常工作模式的极坐标定位功能，在这种工作方式

下，飞机利用已知地面台进行主动测距、测向和台识别，实现极坐标

定位。二是地面监视功能。该功能相当于地面监视二次雷达，即俄制

近程导航系统可以再地面通过平面位置显示器（PPI）显示飞机相对

台站的位置，并可识别飞机，这一功能是塔康系统所不具备的。三是

空/空相对导航功能，及飞机与飞机之间能够进行相对导航定位。俄

制近程导航系统地面设备如同塔康信标一样，一般配置在机场或航路

点。

第八章罗兰-C系统

8.1概述

;.

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罗兰一词是英文“远程导航”（LongRangeNavigation，LORAN）

词头缩写的译音。罗兰—C系统是由美国最先研制使用的双曲线远程

无线电导航系统，由用户设备直接导出位置等导航参量，属于陆基、

低频、中远程、主动精密无线电导航系统。

8.1.1系统组成、功用与配置

罗兰—C系统主要由地面设备和用户设备两部分组成。地面设备

包括发射台链、工作区监测站和台链控制中心。发射台链是由一组发

射台形成的网络，用于向用户提供无线电导航信号；工作区监测站和

台链控制中心用于监视和控制系统的工作情况与信号质量，使其满足

系统的要求。用户设备包括各种类型的接收机，接受来自发射台的导

航信号，进而获取位置和信号与其他导航信息。

罗兰—C系统利用沿地波传播的中长波信号，通过测量来自两个

基台的无线电信号相位差获取两基台的距离差，从而获得以两基台为

焦点的双曲线，得到两条这样的双曲线就实现了双曲线相交定位。罗

兰—C系统信号覆盖区可深达水下，不仅可用于船舰、飞机、车辆等

导航和定位，也可以用于水下潜艇的导航和定位。

罗兰—C系统同一发射台链中的发射台组具有共同的时间基准并

位于同一地理区域。为了实现用户的定位，一个发射台链至少由三个

发射台组成，其中一个发射台称为主台，其余的各台称为副台。通常

主台都用英文大写字母“M”表示，副台用大写字母“W”、“X”、“Y”、“Z”等表

示，台链中副台的数量一般不超过5个。台链中个发射台之间位置相互关系，包括发射台之间的距离和方位，称作台链的配置。台链配置

;.

'.

形状取决于主要感兴趣的服务区域。为了使得在感兴趣的那些区域具

有标胶好的位置先交角和较高的信噪比，从而得到较高的定位精度，

常见的台链配置有三角形，Y形和星形三种。

第九章卫星导航系统

卫星导航系统是以人造卫星作为导航台的天基无线电导航系统，能为

全球陆、海、空、天的各类军民载体提供的全天候，24小时连续高

精度的三维位置，速度和精密时间信息。与地基无线电导航系统相比，

由于卫星导航系统具有收外界条件限制较小、导航定位精度高等优

点，因而得到了迅速的发展。特别全球定位系统的发展和应用范围不

断扩大，使传统的地基无线电导航系统受到了被替代的威胁。

9.1全球定位系统

研究人员在对人造卫星所发射的无线电信号进行监听时发现，当地面

接收站的位置一定时，在卫星通过地面接收站视野的时间内，所接受

的信号的多普勒频移曲线与卫星轨道有一一对应的关系。这意味着固

定于地面的接收站只要测得卫星通过其视野期间的多普勒频移曲线，

就可以确定卫星的轨道。反过来，若卫星运行轨道是已知的，那么根

据接受站测得的多普勒频移曲线，便能确定接收站在地面的位置。于

是研究人员提出了研制卫星导航系统的建议。

9.1.1系统组成、功用与配置

全球定位系统（GPS）是至今为止世界最具有代表性的卫星导航系统。

卫星导航系统通常是由卫星组成的空间部分，监测站和控制站组成的

;.

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控制部分及各种类型用户接收机组成的用户部分三大部分构成。

1.空间部分

GPS星座有24颗工作卫星组成，军分布在6个倾角为55的轨道上，

每个轨道有四颗卫星，此外，四颗有源备份卫星在轨运行。卫星运行

在地球表面以上约20230km的近圆轨道，运行周期为12h。这种由

多颗卫星组成的星座，可在全天任何时间为地球任何地方提供4-8颗

仰角在15以上的同时可观测卫星。如果将遮蔽仰角（在此角度之上

的卫星才能被用户观测）降到10,最多颗观测到10颗卫星；若将遮

蔽仰角进一步下降到5，那么最多可同时见到12颗卫星。

2.控制部分

GPS控制部分由一个主控站、5个全球监测站和三个地面控制站组

成，主要任务是跟踪所有的卫星以进行轨道和时钟测定、预测修正模

型参数、同步卫星时间和为卫星加载数据电文等。

（1）主控站

主控站从各监测站收集对卫星的跟踪数据，计算卫星的轨道和时钟

参数，然后，将这些结果送到3个地面控制站中，以便最终向卫星加

载数据。此外，主控站还担负对卫星的控制和系统运行管理等任务。

（2）监测站

监测站均配装有精密的绝钟和能够连续测量到所有可见卫星伪距的

接收机。所测伪距每1.5s更新一次，利用电离层和气象数据，每15min

进行一次数据平滑，然后发送给主控站。

（3）地面控制站

;.

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地面控制站有时也称作地面天线(GA)。地面控制站与卫星之间有通

信联络，主要有地面天线组成。由主控站传来的卫星星历和时钟参数

以S波形射频链上行注入到各个卫星，上行注入每天一次或两次。

如果某地面站发生故障，那么在各卫星中预存的导航信息还可用一段

时间，但导航精度却会逐渐降低。

3.用户部分

用户设备用于卫星信号的捕获、信号处理、数据调节、坐标转换、导

航计算、人/机接口等工作。现已为GPS的用户研制出多种类型的接

收机，从最简单的单通道便携式接收机到性能完善的多通道接收机。

不同类型和不同结构的接收机适应于不同的精度要求，不同的载体运

动特性和不同的抗干扰环境。一次定位时间也从几秒钟至几分钟不

等，这取决于接收设备的结构完善程度。尽管各种类型的接收机的结

构复杂程度不同，但必须完成下列基本功能：选择卫星、捕获信号、

跟踪和测量导航信号，校正传播效应，计算导航解，显示及传输定位

信息。

第十章自主无线电导航系统

自主无线电导航系统是一种不需要运行体之外的设备配合，由用户自

主完成导航任务而独立配备的无线电设备或与其他设备的组合。多普

勒导航系统和无线电高度表等都是典型的航空自主无线电导航系统

自主无线电导航系统因其具有的不依赖外部设施、能够主动完成导航任务的特性，使其具有了隐蔽导航、远程使用等优越能力，从而在军

;.

'.

事领域有着广泛的应用。

10.1多普勒导航系统

多普勒导航系统作为频率测速推算导航系统，它能连续地输出飞机相

对于某航路点的位置，是一种基于多普勒效应的自主式无线电导航系

统。系统的基本测量部件是多普勒雷达、通过测量载体的运动过程中

发射到地面并反射回来的信号频率偏移或变化，计算出地速和偏流

角，并在航姿系统的辅助下完成飞机位置的推算功能。由于可以提供

精确地地速测量，多普勒导航广泛应用于飞机的导航定位，使许多军

用、民用飞机自主远程导航的必选设备之一。

10.1.1系统组成与功用

多普勒导航系统以多普勒效应为基础，采用频率测速基本原理，可自

动连续地测量雷达载机相对地面运动的地速和偏流角，进行导航参数

计算，是一种用推算法定位的自主无线电导航系统。

多普勒导航系统由多普勒雷达、航姿系统、导航计算机、显示控

制装置等组成。其中航姿系统包括航向姿态基准、陀螺磁罗盘或惯性

平台，负责提供航向信息。

多普勒雷达是多普勒导航系统的核心测量部件，它由工作频率在

13.25-13.4GHz的收发机和多个天线组成，通过发射并回波信号，

测量各个天线波束上首发信号之间的频率偏移，解算出载体坐标系中

三个轴向的速度分量v

x

,v

y

,v

z

。这三个速度分量是对飞机坐标系来说

的，但在推算法导航中应求的三个速度分量应以地平坐标为基准，而

;.

'.

多普勒雷达本身不能提供坐标转换的信息。一个简单的解决办法是将

天线在飞机前后纵倾和左右滚动时稳定起来，即当飞机姿态变化时，

天线纵轴总是指向飞机的航迹方向，实现“航迹稳定”，在这种情况下

相对地平坐标速度分别等于载体坐标系中各轴向的速度，这时天线相

对飞机是可动的，称为“可动天线系统”多普勒雷达。而对于“固定天线

系统”的多普勒雷达，其天线系统固定在飞机上。飞机坐标速度分量

与地平坐标速度分量是不相等的，必须引入航姿系统的角度信息进行

坐标转换，即利用飞机的纵向俯仰角，横滚角，航向角进行换算。导

航计算机就负责将雷达测量的载体坐标系中的速度分量转换到地平

坐标系，，并根据给定的起飞点地理坐标值，完成推算导航定位任务。

导航计算机输出的导航信息以及飞行控制数据送往指示器或直接送

给自动驾驶仪，实现导航及飞行考研能报几个学校 控制。

;.