以電子學為基礎，利用電波傳播並結合運用天文、地理、海洋等有關知識，通過測量運動載體位置的有關參數實現對運動載體的導航和定位的技術。
基本介紹
- 中文名：無線電導航技術
- 本質：電波傳播
- 屬性：運用天文、地理、
- 對象：測量運動載體
正文,參考書目,
正文
電磁波傳播與導航無線電導航主要是利用電磁波傳播的三個基本特性：①電磁波在自由空間的直線傳播；②電磁波在自由空間的傳播速度是恆定的；③電磁波在傳播路線上遇到障礙物時會發生反射。
電磁波通過不同途徑（如地波、電離層反射等）傳播的損耗是不相同的，因而在其他條件相同情況下作用距離是不同的。在不同途徑上電磁波傳播速度有不同程度的偏差，從而不同程度地影響導航準確度。因此，波段選擇對導航系統的主要性能有很大影響。
①超長波波段（10～30千赫）：主要是在沿電離層與地表面之間形成的波導中傳播。這一波段的優點是傳播損耗較小，相位比較穩定而且可以預測，具有透入水下一定深度的能力；其缺點是存在多模干涉區，傳播速度隨季節和晝夜發生變化。因此，需要積累大量觀測數據，編出修正表對所測定區域的位置進行修正。超長波波段適用於遠程導航和在一定深度下的水下導航。奧米加導航系統就是採用10～14千赫的超長波波段。
②長波波段（30～300千赫）：大約在300公里範圍內以地波傳播為主；大約在2000～3000公里範圍內以天波傳播為主；處於兩者之間，天波和地波同時存在。地波傳播具有穩定、損耗小、受氣候影響小和無多徑干擾等優點,但存在海岸效應。天波的傳播隨電離層變化,幅度和相位都不穩定，又有多徑效應和電離層色散效應等缺點。因此，在導航中基本上採用地波傳播方式，很少使用天波。然而，由於天波傳播的距離遠，在允許降低準確度的前提下，也可作為地波傳播方式的補充。
③中波波段（300～3000千赫）:中波具有較穩定的傳播特性，白天，主要是利用地波傳播，天波被電離層所吸收。夜間，由於D層消失，天波經E層和F層反射,因而強度增加。中波適於中、近程導航，夜間在降低準確度要求的前提下可利用天波擴大工作區。
④超短波波段（30～300兆赫）:超短波除低端可被電離層反射外,一般都被電離層折射而透過電離層,從而可得到很尖銳的方向圖和實現脈衝方式工作。因此，它適用於視距傳播和透過電離層的地－空傳播的導航系統。視距傳播的優點是損耗小，缺點是作用距離受視線範圍的限制，並且存在直達波與地面反射波所引起的多徑效應。視距傳播適用於近程導航,地-空傳播適用於衛星導航，但對電離層和對流層的折射效應須進行補償。
⑤微波波段（300兆赫以上）:微波也是按視距和地-空路徑傳播的。視距傳播除 10吉赫以上的某些頻率因大氣吸收損耗較大外,一般衰減很小。輻射波束很窄,所以適用於導航雷達。地-空傳播則適用於衛星導航。
導航波段的選擇除考慮傳播特性外，還應符合國際組織關於頻率分配的規定。
位置線和工作區對運動載體測出的某個幾何參量具有同樣數值的點的軌跡,稱為幾何位置線,簡稱位置線。滿足系統需要的導航準確度時，系統能覆蓋的區域稱為工作區。通過測量無線電導航台發射信號的時間、相位、幅度、頻率參量，可確定運動載體相對於導航台的方位、距離和距離差等幾何參量，確定位置線即可確定運動載體與導航台之間的相對位置關係。運動載體就處在位置線的某一點上。最常見的位置線有直線、圓和雙曲線等。
方位線，即直線位置線（圖1）與通過導航台或運動載體的參考方向線保持不變。對於導航台A，運動載體M的方位為αM，對於運動載體M，導航台的方位為 αA。AM就是一條等方位的直線位置線。具有不同方位的位置線是一組通過導航台或運動載體的輻射形直線族。與導航台保持恆定距離的位置線是一條以導航台為中心的圓位置線（圖2）。具有不同距離的圓位置線是一組以導航台為中心的圓族。從運動載體 M測量到兩個導航台A、B的距離差Rd,Rd保持恆值的等距離差線是一條雙曲線位置線（圖3）。具有不同距離差值的位置線是一組以兩個導航台位置為焦點的共焦雙曲線族。
式中σp為系統定位均方根誤差；σi為由第i個導航信號測量產生的測距均方根誤差;N為參與定位的導航發射信號源總數。GDOP的數值可由計算求得。顯然，GDOP=1時的幾何位置為最佳。幾何位置越差,GDOP值越大，用戶定位誤差就越大。
無線電導航信號含有導航信息的無線電信號。導航信號與導航系統所需要的頻頻寬度、信噪比和抗干擾能力等有關。它對系統的導航功能、定位準確度和設備的繁簡都有直接或間接的影響。因此，它與導航的幾何原理和工作頻率一樣，成為導航系統的重要因素之一。
連續波與脈衝波、調製波與未調波等各種信號波形，頻分多址、時分多址和碼分多址等信號格式，在導航中都得到廣泛的套用。
連續波是最簡單的導航信號。例如，無線電羅盤套用方向性天線,以接收信號的幅度測定來波的方位;台卡導航系統套用主副台相關連續波信號的比相來定位。調製的正弦信號也常被套用，如接收的伏爾台的可變信號就是調幅的，在機載接收機中與參考信號比相而獲得方位信息；調頻高度表則套用反射回波與部分發射信號混合產生同高度成比例的差頻信號進行測高。
脈衝波的套用也比較廣泛。例如，導航雷達採用脈衝波，塔康導航系統採用脈幅調製波,羅蘭C導航系統採用脈相調製波，偽隨機碼測距系統採用脈碼調製波。
各種導航系統在台站識別方面採用頻分多址、時分多址和碼分多址的信號格式，即不同台站採用不同的頻率、時間和編碼來相互區分。例如，頻分制套用於台卡和塔康等導航系統，時分制套用於微波著陸系統，碼分制套用於衛星導航系統等。也有把兩種信號體制混合使用的，如奧米加導航系統套用時分-頻分制,用多頻進行巷識別，用時間區分台站。
時頻基準與導航頻率非常穩定的振盪源可以用作頻率標準，在導航中常稱為頻率基準。由於時間和頻率互為倒數，所以頻率基準也可用作時間基準，一般統稱為時頻基準。
用於無線電導航中的時頻基準主要有石英振盪器及銫原子和銣原子頻率標準。
①石英振盪器：它的優點是簡單、體積小，並且具有良好的短期穩定度,可達到1×10/秒；缺點是有緩慢的頻率漂移。它常與原子頻率標準結合使用，作為由原子頻標高穩定度時頻基準控制的輸出接口。它廣泛用於導航接收設備中作為本地基準信號。
②銫原子頻率標準：也稱銫原子鐘，簡稱銫鐘。其特點是頻率準確度高,體積相當於一台普通電子儀器,並且能在衛星上可靠地工作，常用於雙曲線導航系統以作為台站的時頻基準。
③銣原子頻率標準：也稱銣原子鐘，簡稱銣鐘。其性能和體積介於石英振盪器和銫鐘之間。在導航中的套用不如前兩者普遍。
高穩定時頻基準在無線電導航系統中的套用有：①用作雙曲線導航系統地面台之間的同步基準，實現時間同步和相位同步。例如，羅蘭 C台站之間的同步精度要求達到0.1微秒，所以需要配備銫原子鐘作為同步基準。②在圓-圓導航系統中,用戶與導航台之間的偽距離是套用無源測距法通過測量電磁波傳播的時間來測量的。因此在時間上相差1微秒就會造成300米的誤差，這就需要在導航台站配備銫鐘。③在美國“子午儀”衛星導航系統中，衛星電文的長度是 2分鐘，電文的開始時刻與世界時的偶數分鐘開始的時刻同步。衛星地面注入站在時間上受到美國海軍天文台標準時間的控制。根據系統要求，衛星上和地面用戶設備中均裝有高穩定的石英晶體振盪器，其穩定度均為 10～10量級。④在衛星導航系統NAVSTAR/GPS中，每顆衛星都與“GPS系統時間”保持嚴格同步。衛星上都配備適於空間使用的穩定度很高的銫鐘。由於系統採用偽測距技術，接收機中只需採用石英晶體振盪器。⑤在飛機防撞系統中，利用精密時間同步使每架飛機都能測出同一空域中與其他飛機的距離和距離變化率，這也要在飛機上裝備高穩定的時頻基準。
參考書目
戚凌次編：《無線電觀測原理》上冊，北京科學教育出版社1961。
E.W.Anderson, Principles of Navigation, Hollis & Carter,London,1966.
