導(dǎo)航原理第三章導(dǎo)航的物理基礎(chǔ)一、導(dǎo)航信號(hào)描述其中：是振幅部分，它是時(shí)間的函數(shù)；為收發(fā)之間距離(傳播距離)；為傳播速度，在空氣或真空中即為光速；為傳播延遲時(shí)間；為角頻率；為初相角。3.1導(dǎo)航信號(hào)導(dǎo)航原理第三章導(dǎo)航的物理基礎(chǔ)(1)信號(hào)幅值部分為連續(xù)波調(diào)幅方式3.1導(dǎo)航信號(hào)導(dǎo)航原理第三章導(dǎo)航的物理基礎(chǔ)為離散信號(hào)調(diào)制方式不同形式的脈沖信號(hào)和編碼信號(hào)3.1導(dǎo)航信號(hào)導(dǎo)航原理第三章導(dǎo)航的物理基礎(chǔ)

載頻為常數(shù)載頻為變數(shù)(3)相位部分

調(diào)制信號(hào)相位載頻相位(4)延遲時(shí)間在某些特定條件下，時(shí)間可攜帶導(dǎo)航信息。(2)載頻部分3.1導(dǎo)航信號(hào)導(dǎo)航原理第三章導(dǎo)航的物理基礎(chǔ)無(wú)線電導(dǎo)航使用的頻率范圍為(10kHz～20GHz)3.1導(dǎo)航信號(hào)導(dǎo)航原理第三章導(dǎo)航的物理基礎(chǔ)序號(hào)名稱頻率范圍研制時(shí)間原理備注1奧米加Omega(10～14)kHz1960年相位雙曲線超遠(yuǎn)程2臺(tái)卡Decca(70～130)kHz1944年相位雙曲線近程3羅蘭-CLoran-C(90～110)kHz1957年脈沖/相位雙曲線遠(yuǎn)程4羅蘭-ALoran-A(1750～1950)kHz1943年脈沖雙曲線中程5無(wú)線電羅盤(pán)(100～1750)kHz1912年振幅式近程6伏爾系統(tǒng)VOR(108～ll8)MHz1946年振幅相位式近程7儀表著陸系統(tǒng)ILS航向(108～118)MHz下滑(329～335)MHz1939年比幅式著陸引導(dǎo)8地美儀DME(962～1213)MHz四十年代脈沖測(cè)距近程9塔康Tacan(962～1213)MHz1952年極坐標(biāo)定位近程10微波著陸系統(tǒng)MLS(5031～5090.7)MHz1970～1980年時(shí)問(wèn)基準(zhǔn)波束掃描著陸引導(dǎo)11多普勒導(dǎo)航DopplerNavigation(8000～13500)MHz1954年多普勒測(cè)速、推算自主式12精密進(jìn)場(chǎng)雷達(dá)PAR9370MHz1940年測(cè)角／測(cè)距著陸引導(dǎo)13子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)Transit(NNSS)149.988MHz399.968MHz1964年多普勒測(cè)距差全球定位14全球定位系統(tǒng)GPS1575.42MHz1227.60MHz1994年定位、測(cè)速、授時(shí)全球定位15各種雷達(dá)(300～20000)MHz測(cè)角／測(cè)距近程中程3.1導(dǎo)航信號(hào)導(dǎo)航原理第三章導(dǎo)航的物理基礎(chǔ)（1）發(fā)射源運(yùn)動(dòng),接收端固定的多普勒效應(yīng)徑向運(yùn)動(dòng)非徑向運(yùn)動(dòng)二、多普勒效應(yīng)3.2多普勒效應(yīng)導(dǎo)航原理第三章導(dǎo)航的物理基礎(chǔ)（2）發(fā)射源不動(dòng),接收端相對(duì)發(fā)射源運(yùn)動(dòng)的多普勒效應(yīng)3.2多普勒效應(yīng)導(dǎo)航原理第三章導(dǎo)航的物理基礎(chǔ)

（3）發(fā)射源和接收端均在同一載體A上相對(duì)

反射目標(biāo)B運(yùn)動(dòng)時(shí)的多普勒效應(yīng)①A發(fā)射的信號(hào)在B點(diǎn)引起的反射信號(hào)產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)

②B端的反射信號(hào)作為發(fā)射源在A端接收時(shí)產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)3.2多普勒效應(yīng)導(dǎo)航原理第三章導(dǎo)航的物理基礎(chǔ)1.極化形式線極化（垂直極化和水平極化），圓極化，橢圓極化。二、無(wú)線電波3.3無(wú)線電信號(hào)導(dǎo)航原理2.天線方向圖天線的定義：用來(lái)輻射和接收無(wú)線電波的裝置，其本質(zhì)是一種導(dǎo)行波與自由空間波之間的換能器，即通過(guò)發(fā)射天線內(nèi)的電子運(yùn)動(dòng)激發(fā)光子，再作用于接收天線激起電流，實(shí)現(xiàn)收發(fā)天線間的電子動(dòng)能交換。發(fā)射天線輻射電場(chǎng)強(qiáng)度或接收天線感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨方位、仰角變化的情況稱為天線的方向性函數(shù)，天線方向圖是方向性函數(shù)的圖形表示，對(duì)發(fā)射天線而言它可以形象描述天線輻射場(chǎng)在空間的分布情況。第三章導(dǎo)航的物理基礎(chǔ)3.3無(wú)線電信號(hào)導(dǎo)航原理典型的對(duì)稱振子天線：在包含振子所在平面(E面)上的天線方向圖為“8”字形，即場(chǎng)強(qiáng)隨角θ的變化而變化；而在垂直于振子長(zhǎng)度方向的平面(H面)內(nèi)，天線的方向圖為圓形，即與天線等距處場(chǎng)強(qiáng)處處相等。第三章導(dǎo)航的物理基礎(chǔ)3.3無(wú)線電信號(hào)導(dǎo)航原理“8”字形天線方向圖歸一化方向性函數(shù)為：第三章導(dǎo)航的物理基礎(chǔ)3.3無(wú)線電信號(hào)導(dǎo)航原理若令

則得第三章導(dǎo)航的物理基礎(chǔ)3.3無(wú)線電信號(hào)導(dǎo)航原理在通常情況下>>b

，則常將天線方向性函數(shù)表示成為歸一化形式，即若將兩個(gè)環(huán)狀天線相互垂直放置第三章導(dǎo)航的物理基礎(chǔ)3.3無(wú)線電信號(hào)導(dǎo)航原理具有水平心臟形方向圖的天線其方向性函數(shù)為：在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，常常將心臟形方向性圖以順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。第三章導(dǎo)航的物理基礎(chǔ)3.3無(wú)線電信號(hào)導(dǎo)航原理在天線周圍任何一點(diǎn)觀察，其信號(hào)幅度均是受調(diào)制的。這里，是調(diào)幅包絡(luò)信號(hào)相位，與觀察點(diǎn)P的位置有關(guān)。給天線饋入等幅信號(hào)，旋轉(zhuǎn)輻射后空間接收信號(hào)成為調(diào)幅信號(hào)。tE(t)第三章導(dǎo)航的物理基礎(chǔ)3.3無(wú)線電信號(hào)導(dǎo)航原理

主要利用窄波束方向性天線指向性強(qiáng)的特點(diǎn)，進(jìn)行最大值法（單瓣）或最小值法（雙瓣）測(cè)角。第三章導(dǎo)航的物理基礎(chǔ)3.3無(wú)線電信號(hào)導(dǎo)航原理為了解決強(qiáng)定向性與大范圍覆蓋的矛盾問(wèn)題N元直線陣相掃天線工作原理

設(shè)各輻射元為無(wú)方向性的點(diǎn)輻射源，且同相等幅饋電。各自間距為d。窄波束方向性天線以旋轉(zhuǎn)掃描的方式工作第三章導(dǎo)航的物理基礎(chǔ)3.3無(wú)線電信號(hào)導(dǎo)航原理N元直線陣相掃天線工作原理

以0號(hào)單元為相位基準(zhǔn)，在遠(yuǎn)區(qū)某一點(diǎn)的接收信號(hào)為各單元輻射場(chǎng)的矢量和：為各單元在遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)強(qiáng)的大小是兩相鄰單元間波程差引起的相位差因等幅饋電，故遠(yuǎn)區(qū)各單元的輻射場(chǎng)強(qiáng)基本相等，Ek可用E表示。按等比級(jí)數(shù)求和并運(yùn)用尤拉公式，得：第三章導(dǎo)航的物理基礎(chǔ)3.3無(wú)線電信號(hào)導(dǎo)航原理N元直線陣相掃天線工作原理取絕對(duì)值并歸一化，得歸一化方向函數(shù)

天線最大輻射方向?yàn)樘炀€法線方向第三章導(dǎo)航的物理基礎(chǔ)3.3無(wú)線電信號(hào)導(dǎo)航原理設(shè)各單元移相器相移量分別是0、φ、2φ、……（N-1）φ接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)為

最大輻射方向在偏離法線一個(gè)θ0角的方向上N元直線陣相掃天線工作原理

為了使波束在空間迅速掃描，可在每個(gè)輻射源后面接一個(gè)可變移相器第三章導(dǎo)航的物理基礎(chǔ)3.3無(wú)線電信號(hào)導(dǎo)航原理式（2-14）變?yōu)樵诜较蛏希?/p>

，有主瓣存在，主瓣方向由

決定！，就可控制最大輻射方向，控制移相器的相移量從而形成波束掃描。

第三章導(dǎo)航的物理基礎(chǔ)3.3無(wú)線電信號(hào)導(dǎo)航原理第三章導(dǎo)航的物理基礎(chǔ)折射反射繞射漫射

一般在波長(zhǎng)比較長(zhǎng)的頻段內(nèi)發(fā)生，其繞射能力可用菲涅耳效應(yīng)分析。

只有在媒質(zhì)中出現(xiàn)局部區(qū)域不均勻突變情況下發(fā)生,導(dǎo)航中不能利用這種傳輸方式。3.傳播特性3.3無(wú)線電信號(hào)導(dǎo)航原理第三章導(dǎo)航的物理基礎(chǔ)地波直達(dá)波天波電離層多徑效應(yīng)3.3無(wú)線電信號(hào)導(dǎo)航原理第三章導(dǎo)航的物理基礎(chǔ)3.3無(wú)線電信號(hào)導(dǎo)航原理第三章導(dǎo)航的物理基礎(chǔ)

地物對(duì)信號(hào)的遮擋

地物對(duì)信號(hào)的反射和二次輻射3.3無(wú)線電信號(hào)導(dǎo)航原理第三章導(dǎo)航的物理基礎(chǔ)菲涅爾效應(yīng)3.3無(wú)線電信號(hào)導(dǎo)航原理第三章導(dǎo)航的物理基礎(chǔ)視距傳播3.3無(wú)線電信號(hào)導(dǎo)航原理第三章導(dǎo)航的物理基礎(chǔ)相對(duì)論及對(duì)時(shí)頻影響(1)根據(jù)狹義相對(duì)論原理,在一個(gè)參照系中靜止放置的鐘和一個(gè)相對(duì)作勻速直線運(yùn)動(dòng)的鐘之間,即使鐘結(jié)構(gòu)、性能完全一樣,由于它們之間存在相對(duì)速度，則兩鐘的走時(shí)快慢也不一樣?？捎孟率奖磉_(dá):V是相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，C是光速。γ是洛侖茲變換系數(shù),3.3無(wú)線電信號(hào)

通常，，

，A鐘慢。

靜止不動(dòng)的鐘A走得慢,運(yùn)動(dòng)中的鐘B走得快。導(dǎo)航原理第三章導(dǎo)航的物理基礎(chǔ)(2)根據(jù)廣義相對(duì)論原理，當(dāng)兩鐘之間存在加速度或所處的重力場(chǎng)位不同，則即使鐘結(jié)構(gòu)、性能完全一樣，其走時(shí)也不同。重力場(chǎng)對(duì)物體的作用，等效于在無(wú)條件下，物體作加速度運(yùn)動(dòng)，其方向和重力場(chǎng)相反，大小相等。

假如A、B兩鐘分處重力場(chǎng)位φA、φB，處在高位的鐘相對(duì)低位的鐘走的快，其關(guān)系為：3.3無(wú)線電信號(hào)導(dǎo)航原理第三章導(dǎo)航的物理基礎(chǔ)(3)時(shí)鐘的相對(duì)論效應(yīng)在衛(wèi)星導(dǎo)航中的表現(xiàn)

星上鐘和地面鐘之間，既存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，又存在重力場(chǎng)位的明顯差別，因而，狹義和廣義相對(duì)論效應(yīng)同時(shí)存在。設(shè)S為星上鐘，G為地面鐘，各自重力場(chǎng)位分別為φS、φG，相對(duì)地心參考系的速度分別為VS、VG，3.3無(wú)線電信號(hào)導(dǎo)航原理第三章導(dǎo)航的物理基礎(chǔ)(3)時(shí)鐘的相對(duì)論效應(yīng)在衛(wèi)星導(dǎo)航中的表現(xiàn)

當(dāng)兩鐘處在同一重力場(chǎng)位（即忽略重力場(chǎng)位不同）時(shí)，靜止鐘的走時(shí)為Δt0。根據(jù)狹義相對(duì)論，地面鐘G的走時(shí)為:星上鐘走時(shí)為:3.3無(wú)線電信號(hào)導(dǎo)航原理第三章導(dǎo)航的物理基礎(chǔ)(3)時(shí)鐘的相對(duì)論效應(yīng)在衛(wèi)星導(dǎo)航中的表現(xiàn)再考慮重力場(chǎng)的位差時(shí)，根據(jù)廣義相對(duì)論，星上鐘的實(shí)際走時(shí)為:3.3無(wú)線電信號(hào)導(dǎo)航原理第三章導(dǎo)航的物理基礎(chǔ)高速旋轉(zhuǎn)的對(duì)稱剛體，它的自轉(zhuǎn)軸能夠自由改變方向。陀螺儀（gyroscope）慣性傳感3.4陀螺與加速度計(jì)導(dǎo)航原理第三章導(dǎo)航的物理基礎(chǔ)二自由度陀螺3.4陀螺與加速度計(jì)導(dǎo)航原理第三章導(dǎo)航的物理基礎(chǔ)陀螺儀的定軸性：高速自轉(zhuǎn)的陀螺儀，不受外力矩作用時(shí)，則其自轉(zhuǎn)軸將相對(duì)慣性空間保持方向不變的特性。3.4陀螺與加速度計(jì)導(dǎo)航原理第三章導(dǎo)航的物理基礎(chǔ)陀螺儀的進(jìn)動(dòng)性：高速自轉(zhuǎn)的陀螺儀，在陀螺上施加外力矩時(shí)，會(huì)引起陀螺自轉(zhuǎn)軸相對(duì)慣性空間轉(zhuǎn)動(dòng)的特性。3.4陀螺與加速度計(jì)導(dǎo)航原理第三章導(dǎo)航的物理基礎(chǔ)3.4陀螺與加速度計(jì)導(dǎo)航原理第三章導(dǎo)航的物理基礎(chǔ)繞外環(huán)軸作用常值力矩Mx時(shí)陀螺儀的運(yùn)動(dòng)當(dāng)施加沿外環(huán)軸的力矩時(shí)，自轉(zhuǎn)軸繞內(nèi)環(huán)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。3.4陀螺與加速度計(jì)導(dǎo)航原理第三章導(dǎo)航的物理基礎(chǔ)當(dāng)施加沿內(nèi)環(huán)軸的力矩時(shí)，自轉(zhuǎn)軸繞外環(huán)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。繞內(nèi)環(huán)軸作用常值力矩My時(shí)陀螺儀的運(yùn)動(dòng)3.4陀螺與加速度計(jì)導(dǎo)航原理第三章導(dǎo)航的物理基礎(chǔ)請(qǐng)判斷進(jìn)動(dòng)方向？3.4陀螺與加速度計(jì)導(dǎo)航原理第三章導(dǎo)航的物理基礎(chǔ)進(jìn)動(dòng)性說(shuō)明：1、陀螺進(jìn)動(dòng)是由于自轉(zhuǎn)角動(dòng)量和外力矩的共同存在。2、陀螺的進(jìn)動(dòng)也是相對(duì)慣性空間的。3、陀螺進(jìn)動(dòng)的“無(wú)慣性”，即進(jìn)動(dòng)角速度的出現(xiàn)與外力矩的作用幾乎

同時(shí)發(fā)生、同時(shí)消失，同時(shí)增大和同時(shí)減小，即進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)是一種沒(méi)

有時(shí)間延遲的“無(wú)慣性運(yùn)動(dòng)”。（條件H足夠大）4、當(dāng)H一定時(shí)，外力矩越大，進(jìn)動(dòng)角速度越大；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大，

進(jìn)動(dòng)角速度越??；轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)角速度越大，進(jìn)動(dòng)角速度越小。5、進(jìn)動(dòng)角速度只允許繞外，內(nèi)環(huán)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。而且進(jìn)動(dòng)角速度與環(huán)架間的

夾角有關(guān)。環(huán)架只能保證轉(zhuǎn)子軸和內(nèi)環(huán)軸垂直，內(nèi)環(huán)軸和外環(huán)軸垂

直，而無(wú)法永遠(yuǎn)保證轉(zhuǎn)子軸和外環(huán)軸垂直（因?yàn)橛羞M(jìn)動(dòng)）。6、一般，進(jìn)動(dòng)角速度是“緩慢”的。3.4陀螺與加速度計(jì)導(dǎo)航原理第三章導(dǎo)航的物理基礎(chǔ)航向陀螺儀的原理示意圖航向陀螺儀指示器3.4陀螺與加速度計(jì)導(dǎo)航原理第三章導(dǎo)航的物理基礎(chǔ)6小時(shí)24小時(shí)18小時(shí)12小時(shí)0小時(shí)開(kāi)始ABABABAB3.4陀螺與加速度計(jì)導(dǎo)航原理第三章導(dǎo)航的物理基礎(chǔ)3.4陀螺與加速度計(jì)導(dǎo)航原理第三章導(dǎo)航的物理基礎(chǔ)3.4陀螺與加速度計(jì)導(dǎo)航原理第三章