無線電導航

無線電導航系統是利用了無線電波傳播的基本原理：無線電信號在自由空間中用直線方式以光速傳播，只要確定了無線電波從發射機到接收機之間的傳播時間，便可以確定收發機間的距離為光速與傳播時間之積。通常，導航應由導航系統完成，包括裝在運載體上的導航設備以及裝在其他地方與導航設備配合使用的導航台。凡導航台與移動載體間用無線電方式為媒介來實現導航的，稱為無線電導航。 ^[1] 

從導航台的所在位置來判定導航的性質，主要有陸基導航系統和星基導航系統。 ^[1] 

陸基導航系統導航台位於陸地上，導航台與導航設備之間用無線電波聯繫，如甚高頻全向信標（VOR）、微波着陸系統、羅蘭、歐米伽導航系統。 ^[1] 

星基導航系統導航台設在人造衞星上，覆蓋範圍大大擴大，如美國的GPS（全球定位系統）和俄羅斯的GLONASS等衞星導航系統。 ^[1] 

無線電導航發展歷史

20世紀20~30年代無線電測向是航海和航空僅有的一種導航手段而且一直沿用至今,不過它後來已成為一種輔助手段. ^[2] 

第二次世界大戰期間,無線電導航技術迅速發展,出現了各種導航系統,雷達也開始在艦船和飛機上用作導航手段 ,飛機着陸開始使用雷達和儀表着陸系統. ^[2] 

60年代出現子午儀衞星導航系統.70年代微波,着陸引導系統研製成功. ^[2] 

80年代,同步測距全球定位系統研製成功. ^[2] 

無線電導航主要利用電磁波傳播的基本特性：電磁波在在均勻理想媒質中，沿直線（或最短路徑）傳播;電磁波在自由空間的傳播速度是恆定的;電磁波在傳播路線上遇到障礙物或在不連續媒質的界面上時會發生反射。 ^[3] 

無線電導航就是利用上述特性，通過無線電波的接收、發射和處理，導航設備能測量出所在載體相對於導航台的方向、距離、距離差、速度等導航參量（幾何參量）。通過測量無線電導航台發射信號(無線電電磁波)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，從而確定運動載體與導航台之間的相對位置關係，據此實現對運動載體的定位和導航。 ^[4] 

優點：不受時間、天氣限制，精度高，作用距離遠方,定位時間短，設備簡單可靠； ^[2] 

缺點：必須輻射和接收無線電波而易被發現和干擾，需要載體外的導航台支持，一旦導航台失效，與之對應的導航設備無法使用；同時,易發生故障. ^[2] 

第一次世界大戰前後，是無線電導航的發明階段。1912年，航海用無線電羅盤和信標(0.1~1.75MHz)。1929年，航空用四航道信標(0.2~0.4MHz)。航空用無線電羅盤和信標。以測向技術為主，航海應用為主，稍後出現航空應用。 ^[4] 

1943 年 羅蘭—A（Loran-A ）脈衝信號，脈衝載頻為2MHz ，雙曲線定位，作用範圍約400 n mile

1955 年 羅蘭—C （Loran-C ）脈衝信號，脈衝載頻為100kHz ，雙曲線定位，作用範圍約1000 n mile ，單次定位精度為460m ，重複定位精度18~90m ，數據更新速率10~20 次。

1958 年 奧米伽（Omega ）連續波信號，頻率為10~14kHz ，雙曲線體制，穿透水下10m 以上，定位精度2~4 n mile ，數據更新速率0.1 次/ 分，8 個導航台，全球覆蓋。

1941 年 儀表着陸系統（ILS ）精密近進雷達（PAR ）

1942 年 台卡（Decca ）連續波信號，頻率為70~129kHz

1946 年 伏爾（VOR ）甚高頻全向信標，108~118MHz ，連續波體制，只有方位，精度約為4~5

1949 年 測距器（DME ）近程航空導航系統，960~1215MHz ，只有距離，精度約為0.5 n mile

1955 年 塔康（TACAN ）戰術航空導航系統，960~1215MHz ，脈衝體制，主要為軍用（如機場、航空母艦等）

自從無線導航技術在第一次世界大戰前後誕生以來，由於軍事需要，在第二次世界大戰中得到了迅速發展，戰後在此基礎上得到了進一步的發展和完善，並基本形成了當前的格局。航海用的無線導航系統以雙曲線定位體制為主，航空導航以測距— 測向體制為主。某些系統可以同時兼顧航海、航空導航的需要。從50 年代後以來，各種無線導航系統基本完成了全球覆蓋。目前雖然GPS 已經廣泛應用，但陸基導航系統還在繼續使用，並且還在繼續發展之中。 ^[4] 

20 世紀50~70 年代，東西方兩大陣營的冷戰時期，軍備競賽激烈。美國和前蘇聯為了滿足本國以及盟國在軍事和航天方面的實際需要。美國和前蘇聯分別代表的資本主義陣營和社會主義陣營在政治宣傳上的需要。

1957 年前蘇聯成功發射第一顆人造地球衞星。衞星開始用於通信、偵察等領域，推動了天技術發展、電子信息技術的發展、時間基準和傳遞、大地測繪等基礎技術的發展。 ^[4] 

子午儀(Transit) 是美國海軍導航衞星系統Navy NavigationSatellite System (NNSS) ，世界上第一個投入使用的全球衞星定位系統。Transit 主要由美國Johns Hopkins Applied Physics Laboratory（JHAPL ）設計，經費由the Advanced Research ProjectsAgency (ARPA) 提供。主要目的是為潛艇和水面艦艇提供全球導航定位。1958 年開始研製，1964 年投入使用，1964 年開始民用，1988年發射最後一顆衞星，經過32 年的連續運行後，1996 年底Transit 結束使命。同時揭開了衞星定位時代的序幕。 ^[4] 

20世紀70、80年代美國國防部研製並由美國軍方控制的一個全球定位系統，是一個由24 顆人造地球衞星、地面控制系統和用户設備構成的星基無線電定位系統，也就是GPS。GPS 的功能：在全世界任何地方、任何氣象條件下為用户提供實時、連續、高精度的三維位置、速度和時間信息（PVT ）。GPS 的意義：（1 ）解決了無線定位系統覆蓋範圍和定位精度之間的矛盾。（2 ）除了美國及其盟國軍用以外，還可供世界各國民用。 ^[4] 

無線電導航所使用的設備或系統有無線電羅盤、伏爾導航系統、塔康導航系統、羅蘭C導航系統、奧米加導航系統、多普勒導航系統、衞星導航系統以及發展中的“導航星”全球定位系統等。 ^[2] 

無線電信號中包含4個電氣參數:振幅、頻率、時間和相位。無線電波在傳播過程中，某一參數可能發生與某導航參量有關的變化。通過測量這一電氣參數就可得到相應的導航參量。根據所測電氣參數的不同，無線電導航系統可分為振幅式、頻率式、時間式（脈衝式）和相位式 4種。也可根據要測定的導航參量將無線電導航系統分為測角（方位角或高低角）、測距、測距差和測速 4種。現代還根據無線電導航設備的主要安裝基地分為地基（設備主要安裝在地面或海面）、空基（設備主要安裝在飛行的飛機上）和衞星基（設備主要裝在導航衞星上） 3種。根據作用距離分為近程、遠程、超遠程和全球定位4種。 ^[2] 

利用無線電波直線傳播的特性，將飛機上的環形方向性天線轉到使接收的信號幅值為最小的位置,從而測出電台航向(見無線電羅盤),這屬於振幅式導航系統。同樣，也可利用地面導航台發射迅速旋轉的方向圖，根據飛機不同位置接收到的無線電信號的不同相位來判定地面導航台相對飛機的方位角（見伏爾導航系統），這屬於相位式導航系統。測角系統可用於飛機返航（保持某導航參量不變，例如保持電台航向為零,引導飛機飛向導航台)。幾何參數（角度、距離等）相等點的軌跡稱為位置線。測角系統的位置線是直線(角度參量保持恆值的飛機所在錐面與地平面的交線)。測出兩個電台的航向就可得到兩條直線位置線的交點，這交點就是飛機的位置（圖1）。 ^[2] 

利用無線電波恆速直線傳播的特性。在飛機和地面導航台上各安裝一套接收、發射機。飛機向地面導航台發射詢問信號，地面導航台接收並向飛機轉發回答信號。飛機接收機收到的回答信號比詢問信號滯後一定時間。測出滯後時間就可算出飛機與導航台的距離。利用電波的反射特性，測定由地面導航台或飛機的反射信號的滯後時間也可求出距離。無線電導航測距系統的位置線是一個圓周，它由地面導航台等距的圓球位置面與飛機所在高度的地心球面相交而成。利用測距系統可引導飛機在航空港作等待飛行，或由兩條圓位置線的交點確定飛機的位置（圖2）。定位的雙值性（有兩個交點）可用第三條圓位置線來消除。測距系統可以是脈衝式的、相位式的或頻率式的。 ^[2] 

在飛機上安裝一台接收機，地面設置2～4個導航台。各導航台同步地（時間同步或相位同步）發射無線電信號，各信號到達飛機接收機的時間滯後與導航台到飛機的距離成比例。測出它們到達的時間差就可求得距離差。與兩個定點保持等距離差的點的軌跡是球面雙曲面，因此這種系統的位置線是球面雙曲面與飛機所在高度的地心球面相交而成的雙曲線。利用3或4個地面導航台可求得兩條雙曲線。根據兩條雙曲線的交點即可定出飛機的位置（圖3）。定位的雙值可用第三條雙曲線來消除。現代使用的測距差系統大多是脈衝式或相位式的。 ^[2] 

這種系統大多是利用多普勒效應工作的。安裝在飛機上的多普勒導航雷達以窄波束向地面發射釐米波段的無線電信號。由於存在多普勒效應，飛機接收到由地面反射回來的信號頻率與發射信號頻率不同,存在一個多普勒頻移,測出多普勒頻移就可求出飛行器相對於地面的速度（見多普勒導航系統）。再利用飛機上垂直基準和航向基準給出的俯仰角和航向角，將徑向速度分解出東向速度和北向速度，分別對時間求積分即可得出飛機當時的位置。多普勒測速系統的位置線也是雙曲線，它是由等多普勒頻移的錐面與飛機所在高度的地心球面相交而成的。多普勒導航測速系統屬於頻率式（見飛機導航系統）。 ^[2] 

我國目前正在使用的主要有兩類。一類叫無方向信標，也叫中波導航台，英文縮寫為NDB；另一類是甚高頻全向信標(縮寫為VOR)和測距儀(縮寫為DME)組成的系統。 ^[5] 

在中波導航台系統中，飛機使用可以轉動的環狀天線接收信號，當測到電波最強的方向時，天線停止轉動，於是就測出電台與飛機之間的方位。飛機按這個方向飛行，就能準確地飛到電台所在的位置。中波導航台準確性低並且容易受到天氣的影響，但它價格便宜，設備結實耐用，所以世界上很多中小型機場和發展中國家的多數機場還在使用它。我國廣大的西部地區的機場也在使用這種系統。 ^[5] 

甚高頻全向信標台使用甚高頻電波，直線傳播，不受天氣影響，準確度高。VOR的天線在發射時不停地轉動， 發射出的信號按方向改變而改變。飛機收到VOR信號時，機上的儀表按照信號的頻率和強度變化自動指示出正北方向和飛機相對於發射台的方向。VOR的作用有效範圍在200千米以內。通常在航路上每隔150千米左右建立一個VOR台。飛機根據航空地圖上標出的VOR台的位置， 就可以在航路上順利地飛行了。在使用VOR航路飛行時，駕駛員只能知道發射台的方向，但不能確定飛機與發射台之間的距離。當測距儀系統與VOR配套使用後，這個問題就解決了。DME的地面發射台和VOR台建在同一地點或建在機場附近。它所使用的頻率是超高頻，頻率在1000兆赫左右。這套系統由飛機上的詢問機和地面台站上的應答機構成。飛機上的詢問機向地面發出一對脈衝信號，這脈衝之間的間隔是隨機的，使不同飛機發出的信號都是不同的。地面應答機接受到這對脈衝信號後發回同樣的一對脈衝信號。把發出信號和收到返回信號所消耗的時間與無線電波傳播的速度相乘，就可以算出飛機與地面站之間的距離。測距儀可以測量出的距離最遠可達500千米，誤差僅為200米左右。在天空中飛行的各架飛機在詢問時所發出的脈衝對的間隔不同，在接收時只接收自己所發出的脈衝信號。同時有幾架飛機向地面站詢問時，它們的信號彼此不會混淆。VOR--DME系統的無線電波在天空中劃出一條明確的通道，這條空中通道就叫航路。飛機在航路上飛行，隨時可以從儀表上得知自己的航向和位置，根據地面管制員的調度，一個接一個地按航路點飛行，一直飛完全程。VOR--DME導航系統保證了飛機能安全有秩序地飛行，極大地提高了空中的交通流量和飛行安全。現在這個系統成為世界上大部分地區主要的導航手段。 ^[5] 

建設VoR—DME的航路，費用很高。不可能把地面上所有台站之間都建立起航路。一般只能在中心城市之間或中心城市到一般城市之間設立航路。果飛機在兩個沒有航路的一般城市之間飛行，為了保證飛行安全，這時飛機不得不採取從一個城市沿着已有的航路飛到中心城市，再沿另一條航路飛往所要去的一般城市。這樣飛行不但浪費了燃油和時間，又使航路變得擁擠。在飛機上應用了電子計算機以後，才解決了這個問題。從兩個以上的VOR地面台站收到的信號經過飛機上的電子計算機處理後得出一條實際上沒有地面台站的航線，在這條航線上設置出假想的航路點，飛機按照這條航線飛行，同樣也可順利抵達目的地。這種專門設計的計算機被稱為航線計算機。飛機上配備了這種計算機後，就可以在能收到兩個以上VOR地面台站所發出的信號的地方，按照計算機計算出來的航線飛行，這種方法叫區域導航。它把VOR的導航範圍由幾條航路擴展為一個平面，這個平面就是各個VOR導航台站無線電信號所能覆蓋的整個平面。 ^[5] 

VOR--DME系統使用的甚高頻和超高頻電波是直線傳播的，作用距離在200千米之內。在浩瀚的大洋或大面積的無人區中，是無法建造出聯接一條航路的諸多VOR站的。為了滿足遠距離導航的需要，又開發出羅蘭系統和歐米加系統。這兩種系統使用了低頻和甚低頻的無線電波，作用距離都在2500千米以上。在地球表面只要建立起不多的這類台站，就可以為飛機飛越大洋或遼闊的無人區導航。這種導航的缺點是精確度不夠高，而且需要功率非常強大的發射台。20世紀60年代以後，有關專業人士們又開始尋找更好的方式以取代無線電導航系統。 ^[5] 

北斗衞星導航系統正式進入國際海事組織全球無線電導航系統。 ^[6] 

11月17日至21日，國際海事組織海上安全委員會第94次會議在英國倫敦召開，交通運輸部組團參會，並代表中國政府向國際海事組織承諾我國北斗衞星導航系統的服務性能和運行維護管理要求，以及北斗衞星導航系統在國際海事領域的應用政策，表達了我國政府的責任與態度。 ^[6] 

交通運輸部有關負責人指出，我國作為國際海事組織A類理事國，此次國際海事組織對北斗衞星導航系統的認可，將帶動北斗衞星導航系統在航海領域的國際化、產業化。北斗衞星導航系統也正式成為全球無線電導航系統的組成部分，取得面向海事應用的國際合法地位。這也是我國北斗衞星導航系統標準首次獲得國際組織的系統認可。 ^[6] 

此次國際海事組織認可後，我國將繼續全面推進國際電工委員會、國際航標組織、國際海事無線電技術委員會、國際電信聯盟等國際技術組織的標準、規範、指南文件的制定和修訂，以實現北斗系統進一步在國際海事領域的全方位應用。 ^[6]