地基无线电导航发展历程

一、地基无线电导航发展历程

地基无线电导航是一种通过地基无线电信号进行目标定位和导航的方法。对无人机导航来说,机载无线电导航设备接收和处理导航台所发射的无线电波,并通过测量无线电信号某一电参量(如振幅、频率、相位),来获得导航参量,确定出无人机位置及飞往预定点的航向、时间,从而引导无人机沿预定航线正确、安全、经济地完成规定的飞行任务。

20世纪20年代以来,地基无线电导航的发展大致经历了以下3个阶段;

(1)20世纪初至第二次世界大战前夕,以定向为主的早期阶段。地基无线电导航发明于1912年,最早用于航海,引导船舶航行,类似海上灯塔。20世纪30年代,无线电信标用来提供机场的方位信息。这时期发展的无线电导航系统主要是方位系统,属于近中程导航,提供的位置线为大圆弧或恒位线,近距离可当作直线。

(2)第二次世界大战至20世纪60年代,全面开展、日趋完善的发展阶段。1941年,出现了仪表着陆系统(ILS),即盲降系统,是应用最为广泛的飞机精密进近和着陆引导系统。其作用是由地面发射的两束无线电信号实现航向道和下滑道指引,建立一条由跑道指向空中的虚拟路径,飞机通过机载接收设备,确定自身与该路径的相对位置,使飞机沿正确方向飞向跑道并且平稳下降高度,最终实现安全着陆。

1942年,发明了台卡(Decca),其采用连续波信号,频率为70~129 kHz,用于海上近程高精度定位的一种低频连续波相位双曲线定位系统。台卡导航系统是最早出现的以相位延迟原理进行工作的双曲线导航系统。该系统的发射台以连续波的形式发射同一频率的不同谐波信号,而不是发射脉冲信号。该系统主要适用对近海航行的潜艇定位。当接收机与发射台之间保持最佳几何关系时,其定位精度为400 m,最大定位误差不大于3.6 km。台卡导航系统的不足之处在于它仅仅是一个局部导航系统,无法在更大的范围内使用。

无线电双曲线导航系统蓬勃发展,提高了定位精度。1943年美国建成中程系统罗兰-A;1944年英国建成中近程系统台卡。在此基础上,20世纪50年代末美国建成远程系统罗兰-C。20世纪40年代中期德国研制成中远程方位系统桑尼,并由英国发展为更完善的康索尔。这些系统作用距离大大增加,可提供较高的定位精度。

(3)20世纪60年代至今,成熟阶段。至20世纪60年代,发展了超远程系统欧米伽(Omega)系统,此系统是超远程连续波双曲线相位差无线电导航系统。该系统采用连续波信号,频率为10~14 kHz,能穿透水下10 m以上,定位精度达2~4 n mile,数据更新速率0.1 次/min。该系统是在信号传输过程中衰减较小,作用距离可达929~ 1 296.4 km,定位准确度为1 852~3 704 m。欧米伽系统在全世界设置了8个发射台,工作区域可覆盖全球,能实现全天候、全球性无线电导航定位。欧米伽系统经过20多年的建设,其最后一个发射台于1983年正式投入使用。这一时期,近程高精度定位系统也得到进一步发展。近年来,还发展了近程甚高频无线电测向系统,与雷达配合使用,可在与对方用甚高频无线电话通信时,测定其方位。

地基无线电导航的发展历程见表4-1。

表4-1 地基无线电导航发展历程

由上可知,无线电导航技术在第一次世界大战前后就产生了,但到第二次世界大战才获得了迅速发展,战后在此基础上得到了进一步的发展和完善,并基本形成了现在的格局。航海用的无线电导航系统以双曲线定位体制为主,航空导航则以测距—测向体制为主。某些系统可以同时兼顾航海、航空导航的需要。20世纪50年代后,各种无线导航系统基本完成了全球覆盖。目前虽然GPS已经广泛应用,但陆基无线电导航系统还在继续使用,并且还在继续发展之中。

上述陆基无线电导航系统的精度为数千米,与天文导航系统相当。20世纪60年代中期,美国海军导航卫星系统(NAVSAT),即众所周知的子午仪(Transit)系统成功实施,为船舶和潜艇提供了更为精确的定位,开启了星基导航的先河。