1.4 无线电导航时代

1.什么是电子导航？

电子导航是指利用电子设备进行导航。电子导航既具有全天候能力，又使用方便，还提高了精度。20世纪30年代，无线电信标用来提供飞机场的方位信息。第二次世界大战期间开发成功的无线电导航系统是人们熟知的罗兰（LORAN），或曰长距离辅助导航。其接收来自不同的LORAN发射台的时间信号进行定位。至20世纪60年代，欧米伽（Omega）系统首次提供电子导航系统的全世界覆盖。陆基电子导航系统的精度为数英里，与天体导航相当。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。

2.什么叫做无线电导航？

无线电导航系统利用了无线电波传播的基本原理，无线电信号在自由空间中以直线方式用光速传播，如果确定了无线电波从发射机到接收机之间的传播时间，便可以确定收发机之间的距离，后者为光速与传播时间之积。通常，导航应由导航系统完成，包括装在运载体上的导航设备以及装在其他地方与导航设备配合使用的导航台。凡导航台与移动载体间用无线电方式为媒介来实现导航的，称为无线电导航。从导航台的所在位置来判定导航的性质，主要有：

陆基导航系统。即导航台位于陆地上，导航台与导航设备之间用无线电波联系。如甚高频全向信标（VOR）和微波着陆系统，以及罗兰与欧米伽导航系统。

星基导航系统，导航台设在人造卫星上，扩大覆盖范围。此类导航称为卫星导航。如美国的GPS（全球定位系统）和俄罗斯的GLONASS。

3.与无线电导航有关的主要电波传播知识有哪些？

其要点可归纳为：

● 电波的主要特征量是它的频率f或波长λ，因为无线电波的传播速度c基本上定为每秒30万千米，因此一旦频率确定后，波长也就定了，即λ=c/f。通常无线电波对应的电磁波频率为10kHz～300GHz，其中Hz（hertz）是频率的单位（每秒周数），前缀“k”表示kilo（103），“M”为兆（mega，106），“G”为giga（109）。无线电频率为了方便命名又分类为频段（带）。电磁波在自由空间中的速度（c）近似为3×108m/s，波长以m为单位，为λ/f，其中f为频率，单位为Hz。

● 电波的传播性能与频率和传播的条件（介质环境）密切相关。高频（HF）以下的频率在大地上以地球的曲率传播，这叫做地波。HF及其以上无线电波也会被地球上空叫做电离层的电离大气层反射，并返回地面这叫做天波。这些信号波束投射到天空，反射之后回到地球，有时会到达很远的距离处。卫星通信和导航与遥感利用能穿越包括电离层在内的近地大气的甚高频（VHF）及其以上频率的波，实现视距传播，而且现在得到越来越广泛的应用。

●为了用于导航，信号的传播时间和传播条件，必须是可预报和可重复的。在地波模式中，信号受到地面的影响：山脉、沙漠、雪、咸水、湖泊和农田，均具有明显的不同特性。传播速度通常是稳定的，传播损耗通常是有限定的。天波可以在很远处收到，电离层的反射高度并不是恒定的，因此给信号传播时间增加了不确定性。卫星至地面的视距传播，也受到大气的多种多样的影响，尤其是卫星导航的L波段信号会受到电离层（总电子含量和闪烁）和对流层的影响。至今，长距离地面无线电导航系统（Loran、Omega和Decca）使用VLF和LF频段。基于地面的、短距离的、视距的无线电制导系统用于航空（VOR、ILS和MLS），使用VHF和SHF频段。卫星导航系统（子午仪、GPS和GLONASS）使用VHF和UHF频段。

4.无线电导航主要有哪三大方法？

无线电导航方法主要有三角测量法、双曲线法和多普勒频移法。

● 三角测量法

无线电波传播的原理最简单，是速度已知的那些波的传播。因此，如从发射机至接收机的信号传输时间能测量到，则发射机和观测者间的距离就可以确定。给定三个位置已知的发射机的距离，则观测者能唯一地计算其所在位置。基于距离测量的位置估算方法称为三角学测量法。基于这一概念的无线电导航系统称为到达时间（TOA）系统。GPS是种TOA系统。

● 双曲线法

这个系统的基础是测量两个发射台的信号到达的时间差。发射台是同步的：接收机时钟测量时间差，典型的为几毫秒，并不要求与发射机时钟同步。基于这个概念的无线电系统叫做到达时间差（TDOA）系统，Loran是这样的系统。Omega是第一个真正的全球无线电导航系统，现在已经停止工作，它也是TDOA系统。观测者测量两个位置已知的发射台间的时间差。第一对站相同距离差的点的轨迹是条双曲线，这是第一条LOP。第二对站的距离差测量确定另一条双曲线，称为第二条LOP。观测者位于两条双曲线的交点上，因此这种定位方法，称为双曲线定位法。一般至少需要三个站，才能形成两个站对。由于LOP多个交点存在位置多值性，这些多值性的解决是基于预知信息（粗略知道用户所在位置）和额外的测量。

●多普勒频移法

多普勒效应是无线电波（实际上是广义的波）传播的另一种原理，用于无线电导航。所谓的多普勒效应，是由于发射机和观测者间存在相对运动，使观测者接收到的信号频率发生变化。多普勒频移定义为接收到的信号频率与发射源频率间的差值，它是我们日常生活中的一部分，但是作为全球导航系统的基础，缺乏直观性。事实上，第一个卫星导航系统，称为子午仪（Transit），便基于多普勒频移测量。这种定位方法称为多普勒定位法。

5.什么是卫星导航？

卫星导航是以卫星为参照物来实现定位、导航与授时。导航卫星发送信号，接收机收到无线电导航信号，便能精确确定自己的位置、速度和时间。卫星导航系统由于采用广播方法工作，所以可容纳无限多个用户。

在20世纪后半叶，出现洲际弹道导弹这类远程打击武器，为了能准确击中目标，就迫切需要一种全球精确定位系统。出于军事上的需要，美国国防部拨巨款，经过十几年的试验、研制，一种全新的高精度定位、导航授时导航定位系统投入实际使用。它就是被人们称为20世纪90年代人类最伟大的10项重大科技成就之一的全球定位系统（GPS）。