ADF测角原理
利用无线电技术确定空间目标（如飞机）相对于地面导航台的角度坐标，实际上是确定发射或接收无线电波的传播方向。无线电波在空间的传播方向可以用仰角γ和相对方位角θ来表示，如图4-17所示。
当采用中长波测向时，由于是表面波传播，又因地球表面空气介质的不均匀性（如随高度的增加，介电系数减小等）以及上层空气游离的影响，所以电波的传播轨道在垂直平面内发生弯曲，因此在确定仰角γ时将有很大误差。所以，除超短波（直达波）定向外，中长波测向设备（如ADF自动定向机）不测量仰角γ，而是测量相对方位角θ。
无线电测向设备按其技术特性，可分为振幅式测向设备和相位式测向设备两大类。利用发射信号的载波振幅（称为E型）或接收信号的调制深度（称为M型）与无线电波到达方向间的关系来测定方向的设备，称为振幅式测向设备。
机载ADF自动定向机是采用中、长波的M型测向设备来测定地面电台的相对方位的。
由于地面NDB导航台向四面八方发射相同的信号，而ADF要能够识别无线电信号的来向，因此采用方向性天线。方向性天线有很多种，如八木天线、螺旋天线、抛物面天线、环形天线等。机载自动定向机采用的是环形天线，环形天线的外形可以是各种形状，一般是一个用导线制成的矩形或圆形的线环，如图4-18所示。
图4-17 飞机相对于地面台O的角坐标
图4-19所示为环形天线的矩形结构形式。图中字母E表示电场方向，H表示磁场方向，S表示无线电波的传播方向，d为环形天线两个竖直边距离。当环形天线平面与地平面垂直，且接收的无线电波为垂直极化波时，电场分量与环形天线铅垂边平行，所以电动波只能在AC和BD两个铅垂边上产生感应电动势e1和e2，且在线环中的方向相反；而与电场矢量垂直的水平边不能感应出电动势，所以，线环输出的合成感应电动势e合＝e1-e2。
图4-18 ADF接收天线
图4-19 简单矩形环形天线
当线环平面与远处电台所在方向（电波传播方向）成不同角度时，无线电波到AC和BD路径长度不同，导致感应出e1和e2的相位不同，则合成感应电动势的大小也会不同，下面分3种情况进行讨论：
（1）线环所在平面与接收无线电波传播方向垂直时［图4-20（a）］，即方位角θ=90° 时，无线电波到达两个铅垂边的行程相等，所以，在铅垂边AC与BD上产生的感应电动势相等，则合成感应电动势e合＝e1-e2=0。
（2）线环所在平面与电台所在方向平行时［图4-20（b）］，θ=0°。假设电波先到达铅垂边AC，产生感应电动势e1，后到达铅垂边BD，产生感应电动势e2，且e1超前e2一个相角φ。φ的大小取决于两个铅垂边间的距离d，即电波传播的行程差，φ=2πd/λ，λ为无线电波波长。又因为d远小于线环与电台之间的距离，所以可认为两个铅垂边所产生的感应电动势的幅度相等，即e1=e2=e。此时的行程差d最大，相角φ也最大，而合成感应电动势最大，为
。
（3）线环与电台所在方向成θ角［图4-20（c）］，且θ≠0°、90°、180°、270°时。假设电波先到达AC边产生e1，后到达BD边产生e2，由于电波传播的行程差为Δr=dcosθ，所以e1与e2的相位差φ=2π（dcosθ）/λ，此时的合成感应电动势
。
图4-20 不同来波方向时产生的合成感应电动势
（a）θ=90°；（b）θ=0°；（c）θ ≠ 0°、90°、180°、270°
从以上分析可知，电波来向与环形天线平面所成的角度：θ=90°、270°时，线圈无电压输出；θ=0°、180°时，线圈输出电压为最大；θ在0°～90°、90°～180°、180°～270°、270°～0°变化时，输出电压在最大值与0之间按余弦规律变化，且电波从环形天线零接收方向（90°、270°）左侧或右侧来时，环形天线的合成感应电动势反相，在图4-21中分别用“+”“-”号标出。因此，无线电波来波方向和环形天线感应电动势的关系在极坐标上表现为“8”字形，称为“8”字形方向性图。该方向性图描述了接收天线接收信号时，信号强度（幅度）随天线方向变化而变化的规律（图4-21）。
由环形天线的方向性图可知，环形天线在90°、270°方向的合成电动势为零，而且在零点附近场强变化最敏感，因此常用最小值方向对准电波来确定导航台的相对方位。但是在0°～360°方位上出现两个零点，造成定向的多值性。为了准确地测定方向，还必须加入无方向的垂直天线。将环形天线产生的合成感应电动势与垂直天线产生的感应电动势叠加在一起，将形成新的合成感应电动势。
图4-22表示环形天线接收信号同垂直天线接收信号结合后的天线方向性图的情况。
当环形天线接收信号的最大感应电动势e合的振幅和垂直天线接收信号的感应电动势的振幅相同时，叠加后的情况如图4-23所示。
图4-21 环形天线的方向性图
图4-22 环形天线和垂直天线方向性图
图4-23 组合天线的心形方向性图
设无线电波从180°方向传来时，环形天线和垂直天线的感应电动势相位相同，则总感应电动势为2e合。
当无线电波从0°方向传来时，由于环形天线感应电动势的相位和电波从180°传来时反相，但垂直天线感应的电动势的相位不变，所以总感应电动势为0。
当无线电波从90°和270°方向传来时，环形天线的感应电动势为0，则总感应电动势为垂直天线感应的电动势，即e合。
同理，可以得到电波从其他方向传来时的总感应电动势，将这些总感应电动势矢量按画方向图的方法连起来，就得到环形天线和垂直天线结合后的天线方向性图，即 组合天线的心形方向性图。
另外，为了确定最小值方向，一般还需增加一环形天线，这样就需两个环形天线和一根垂直天线，且两个环形天线分别与飞机的纵轴平行和垂直放置（图4-24），这样感应的电动势相位相差90°。将这两个感应电动势分别加在测角器的固定绕组上，测角器的转子将在合成磁场的作用下转动，从而指示出导航台的相对方位，这样做的好处是不再需要转动机构就可判断信标台的方向。
综上所述，这种方法用来测量无人机和导航台连线与无人机机体纵轴之间的夹角。在测角过程中，导航台用无方向性天线发射全向信号，无人机测向设备用方向性天线接收，从而获得不同方位角下的接收无线电波的信号强度。这种测角方法称为用户主动式振幅法测角方式。
图4-24 双环形天线
【任务实施】
任务详情：现有一大型无人机正在长沙尖山直升机场旁的W46航段上向大托铺方向飞行，由于受气流干扰，无人机偏离原来航线，航向也发生了偏转，变为63°，现需要根据ADF指示操控无人机继续向大托铺方向飞行。
具体实施步骤如下：
（1）登录http：//ga.aischina.com/，单击通用机场资料查询，找到长沙尖山直升机场，然后单击机场名称，页面就会显示该通用机场的信息和地图位置（图4-25）；
图4-25 通用机场查询
（2）在地图中找到W46航段，并单击位于大托铺的NDB导航台图标，调出NDB导航台的基本信息（图4-26）；
（3）将无人机和地面NDB导航台的通信频率调至如图4-26所示的520 kHz。这时，地面站ADF指示仪会显示导航台的相对方位角，如图4-27所示；
图4-26 NDB导航台信息
图4-27 ADF指示仪
（4）由图4-27可知，相对方位角为44°，而导航台磁航向=飞机磁航向+相对方位角，由此可知NDB的磁航向为107°，如果想向着NDB飞行，应遥控无人机转向至107°。
【拓展阅读】
电波传播误差
地面无线电台发射的电波，由于受电离层、大地和海面等的影响，在传播过程中会发生复杂的变化。这种误差的大小一般随接收的地点、时间和季节等有所不同。通常把这种误差称为电波传播误差。
电波传播对无线电定向造成的误差主要有极化误差（夜间效应）、山区效应误差和海岸效应误差等。
1.极化误差
自动定向机工作在中波波段，电离层对电波的吸收白天比夜间强，因此白天，在200 n mile（1 n mile=1.852 km）距离之内，接收机只能收到地波信号。而在夜晚，电波受电离层的损耗比白天小，由于电离层反射的天波分量加强，所以定向机可能同时接收到地波与天波信号，会形成电波衰落。
由于反射的天波将使垂直极化波变为椭圆极化波，在环形天线的水平部分产生感应电动势，不仅会使接收信号减弱，同时，使环形天线的最小接收方向模糊不清，而造成定向误差（极化误差）。由于夜间电离层变化较大，工作在中波的自动定向机在夜间受到的影响较大，所以这种极化误差也称为夜间效应。
夜间效应通常出现在日落前2 h到日出后2 h的一段时间内（电离层变化最大）；由夜间效应引起的定向误差一般为10°～15°。
减小夜间效应的根本办法：避免接收天波信号。由于波长越长，电离层反射越弱，所以应尽量选择波长较长、距离较近的地面导航台，并在测定方位时注意读取方位角的平均值。
2.山区效应误差
山区效应是指电波在传播过程中，遇到山峰、丘陵和大的建筑物时会发生绕射与反射。所以，在山区低空飞行，自动定向机指示器的方位指针有可能出现偏离正确位置或摆动。
图4-28展示出了在山区电波绕射引起的方位误差。设点O是地面电台的所在位置，由于电波绕射，使点A的飞机接收的电波好像是从点O′方向传来的，测得的方位角因而产生误差。一般，电波的波长越长，绕射能力越强，对中、长波定向影响较大。
图4-28 电波绕射引起的方位误差
如图4-29所示，由于电波在山区的反射，使A点的飞机不仅接收点O电台直接传来的电波，还接收来自点B的反射波，所测得的相对方位既不是AO方位，也不是AB方位，而是AO′方位。一般来说，电波的波长越短，反射能力越强，所以，地面导航台的频率在多山地区应选得低些（波长较长）为好。
图4-29 山区反射引起的方位误差
山区效应只存在于靠近山区30～40 km的范围，山区效应的大小取决于飞行高度和距山的距离。
3.海岸效应误差
海岸效应是指电波从陆地传向海面或从海面传向陆地时，电波传播方向改变的现象。
产生海岸效应的主要原因是电波经过两种不同媒介的交界面，导电系数不同，使电场相位结构发生畸变。
因为在陆地上（特别是干燥土地）电波传播的速度比在海上的传播速度慢，所以在陆海交界面上电波传播路径发生折射，如图4-30所示。
图4-30 电波穿过海岸线产生折射
地面电台辐射电波的传播方向与海岸线的夹角越小，则误差越大，当传播方向与海岸线垂直时，不产生误差。
海岸效应只在飞机接近海岸线的地面或海面时发生，随着高度的升高，误差逐渐减小，高度在3 000 m以上时，海岸效应可以忽略不计。
【巩固提高】
1.简述自动定向机系统的组成及工作原理。
2.说明环形天线的工作原理。
3.图4-31所示为ADF指示器，请读出相对方位角的大小。如果已知飞机的磁航向为30°，则导航台的磁方位角为多少？
图4-31 ADF指示器