真空檢漏

[拼音]：wuxiandian daohang jishu

[英文]：radio navigation technique

以電子學為基礎，利用電波傳播並結合運用天文、地理、海洋等有關知識，通過測量運動載體位置的有關引數實現對運動載體的導航和定位的技術。

電磁波傳播與導航

無線電導航主要是利用電磁波傳播的三個基本特性：

（1）電磁波在自由空間的直線傳播；

（2）電磁波在自由空間的傳播速度是恆定的；

（3）電磁波在傳播路線上遇到障礙物時會發生反射。

電磁波通過不同途徑（如地波、電離層反射等）傳播的損耗是不相同的，因而在其他條件相同情況下作用距離是不同的。在不同途徑上電磁波傳播速度有不同程度的偏差，從而不同程度地影響導航準確度。因此，波段選擇對導航系統的主要效能有很大影響。

（1）超長波波段（10～30千赫）：主要是在沿電離層與地表面之間形成的波導中傳播。這一波段的優點是傳播損耗較小，相位比較穩定而且可以預測，具有透入水下一定深度的能力；其缺點是存在多模干涉區，傳播速度隨季節和晝夜發生變化。因此，需要積累大量觀測資料，編出修正表對所測定區域的位置進行修正。超長波波段適用於遠端導航和在一定深度下的水下導航。奧米加導航系統就是採用10～14千赫的超長波波段。

（2）長波波段（30～300千赫）：大約在300公里範圍內以地波傳播為主；大約在2000～3000公里範圍內以天波傳播為主；處於兩者之間，天波和地波同時存在。地波傳播具有穩定、損耗小、受氣候影響小和無多徑干擾等優點，但存在海岸效應。天波的傳播隨電離層變化，幅度和相位都不穩定，又有多徑效應和電離層色散效應等缺點。因此，在導航中基本上採用地波傳播方式，很少使用天波。然而，由於天波傳播的距離遠，在允許降低準確度的前提下，也可作為地波傳播方式的補充。

（3）中波波段（300～3000千赫）:中波具有較穩定的傳播特性，白天，主要是利用地波傳播，天波被電離層所吸收。夜間，由於D層消失，天波經E層和F層反射，因而強度增加。中波適於中、近程導航，夜間在降低準確度要求的前提下可利用天波擴大工作區。

（4）超短波波段（30～300兆赫）:超短波除低端可被電離層反射外，一般都被電離層折射而透過電離層，從而可得到很尖銳的方向圖和實現脈衝方式工作。因此，它適用於視距傳播和透過電離層的地－空傳播的導航系統。視距傳播的優點是損耗小，缺點是作用距離受視線範圍的限制，並且存在直達波與地面反射波所引起的多徑效應。視距傳播適用於近程導航，地-空傳播適用於衛星導航，但對電離層和對流層的折射效應須進行補償。

（5）微波波段（300兆赫以上）:微波也是按視距和地-空路徑傳播的。視距傳播除 10吉赫以上的某些頻率因大氣吸收損耗較大外，一般衰減很小。輻射波束很窄，所以適用於導航雷達。地-空傳播則適用於衛星導航。

導航波段的選擇除考慮傳播特性外，還應符合國際組織關於頻率分配的規定。

位置線和工作區

對運動載體測出的某個幾何參量具有同樣數值的點的軌跡，稱為幾何位置線，簡稱位置線。滿足系統需要的導航準確度時，系統能覆蓋的區域稱為工作區。通過測量無線電導航臺發射訊號的時間、相位、幅度、頻率參量，可確定運動載體相對於導航臺的方位、距離和距離差等幾何參量，確定位置線即可確定運動載體與導航臺之間的相對位置關係。運動載體就處在位置線的某一點上。最常見的位置線有直線、圓和雙曲線等。

方位線，即直線位置線（圖1）與通過導航臺或運動載體的參考方向線保持不變。對於導航臺A，運動載體M的方位為αM，對於運動載體M，導航臺的方位為 αA。AM就是一條等方位的直線位置線。具有不同方位的位置線是一組通過導航臺或運動載體的輻射形直線族。與導航臺保持恆定距離的位置線是一條以導航臺為中心的圓位置線（圖2）。具有不同距離的圓位置線是一組以導航臺為中心的圓族。從運動載體 M測量到兩個導航臺A、B的距離差Rd，Rd保持恆值的等距離差線是一條雙曲線位置線（圖3）。具有不同距離差值的位置線是一組以兩個導航臺位置為焦點的共焦雙曲線族。

為了單值地確定運動載體的位置，必須確定出運動載體相對於導航臺的兩條或兩條以上的位置線，而這兩條位置線的交點就是運動載體的位置。

等方位位置線與等距離位置線相交的定位法稱為極座標定位法，或稱ρ-θ定位法。等距離位置線與等距離位置線相交的定位法稱為圓-圓定位法，或稱ρ-ρ定位法。雙曲線位置線與雙曲線位置線相交的定位法稱為雙曲線定位法。

為了確定運動載體在空間的位置，如以衛星作為導航臺時，則上述位置線的概念可以擴充套件到位置面。與直線、圓和雙曲線等位置線相對應的位置面是平面、球面和雙曲面，“子午儀”衛星導航系統中的位置面就是雙曲面。

工作區反映導航系統服務的範圍。同一系統，根據準確度要求的不同，工作區的範圍有所不同。不同的導航系統因採用的定位法不同，工作區的圖形也不相同。

工作區除與準確度要求、導航臺幾何配置和定位法有關外，還與工作頻率、工作地區、發射功率、天線方向圖和環境噪聲等因素有關。

基線、巷道和巷識別

在雙曲線導航系統中，可供運載體測定一組雙曲線位置線的兩個地面臺組成一個臺對。組成臺對的兩個臺在地面大圓上的最短連線稱為基線，其長度即為基線長度。不同的雙曲線導航系統，如臺卡、羅蘭C和奧米加等導航系統，根據工作區和準確度的要求，基線長度各不相同。例如，臺卡導航系統的基線長度一般為60～120海里，羅蘭C導航系統的基線一般為500～1000海里，而奧米加導航系統的基線可長達 6000海里。

在連續波比相的臺卡和奧米加雙曲線導航系統中，通過比較來自兩個臺訊號的相位而獲得訊號時差。相鄰兩條零相位差位置線之間的區域稱為巷道，簡稱為巷。每個巷又分為100個分巷，每一分巷相當於3.6°的相位差。巷道的寬度（即距離）稱為巷寬。基線上的巷寬等於比相波長的一半。例如，奧米加訊號的波長約為16海里，它在基線上的巷寬即為8海里。

在基線上每差一個巷寬的距離（半個波長）就出現一個整週的相位差，因為運載體在基線上由一個臺向另一個臺運動時，接收機離開一個臺半個波長的同時也就駛近另一個臺半個波長，總的變化就是一個波長。因此，每經過一個巷寬就會出現相同的相位差（即時差）的指示，這種現象稱為相多值性。為了解決巷道多值性問題，系統應該具有獨立驗證運載體所在巷道數的手段。通常用一種準確度較低而巷道較寬的粗測位置線來確定精確位置線所在的巷道數，以消除精測位置線的多值性，這稱為巷識別。

導航準確度和誤差

在某一時刻測得的導航參量讀出值與同一時刻該參量的真值之間的符合程度，稱為導航準確度。導航系統的準確度通常用預測準確度、重複準確度和相對準確度三種方法表示。

（1）預測準確度：以地球地理座標為依據的位置準確度，也稱絕對準確度；

（2）重複準確度：使用者在使用同一導航系統時能回到上一次測得的位置座標的精確度；

（3）相對準確度：同一系統的兩個使用者在同一時間測得的一個使用者相對於另一使用者位置的準確度，可用兩個使用者之間的距離的函式表示。相對準確度有時也指使用者測得的相對於使用者自己最近一次位置的準確度。

導航誤差是導航準確度的量度，表示偏離真值的量。造成導航誤差可能的因素有以下三點：

（1）測量方法不夠完善或依據理論的近似性所引起的誤差；

（2）裝置效能不完善引起的誤差；

（3）環境條件（大氣噪聲干擾、溫度、地形、地物和電磁波傳播條件的變化等）引起的誤差。在規定導航系統的準確度時，通常不把操作中的人為誤差包括在內。除故障和錯誤外，導航誤差分為系統誤差和隨機誤差兩類。

（1）系統誤差：測量時數值和符號都按一定規律重複出現的誤差。產生誤差的原因是完全一定的，而且能夠估計出來。因此，可以用引入修正量的辦法對系統誤差進行補償。通常把必須增補到測量結果中的數值稱為修正量。

（2）隨機誤差：在測量過程中由於大量不能精確預計的並在各次測量中起不同作用的因素所引起的誤差。它是一個可正可負、時大時小的隨機變數。隨機誤差服從統計規律，大氣噪聲、接收機噪聲和電磁波傳播不規則的變化都是引起隨機誤差的原因。

如果誤差統計分佈是正態分佈，那麼隨機誤差落在±σ(σ表示標準偏差)以內的概率為68.27％，稱為1倍σ(1σ)的誤差。導航中多數採用標準偏差的2倍(2σ)來表示，此時表明隨機誤差落在±2σ以內的概率為95.45％。通常規定標準偏差的3倍(3σ)為最大誤差。此時，隨機誤差落在±3σ以內的概率為99.73％。

在二維情況下，常用以表示導航誤差的特徵值是圓概率誤差。它的意義是：以平均位置為中心，定位測量值落在以R為半徑的圓以內的概率為 50％。若測量值與平均值之間的距離為r，則P（r≤R）＝0.5。

在二維情況下，表示導航誤差的另一種特徵值是徑向誤差或距離均方根誤差(

)。當兩條位置線不是正交，並且每條位置線均具有獨立的誤差概率時，合成誤差的分佈圖形是橢圓。但橢圓誤差在實際使用中沒有重要的意義，所以採用“等概率誤差圓”，其半徑是根據定位點落在該圓內的概率與落在橢圓內的概率相等（或成比例）的原則計算確定的。這個誤差圓的半徑

即為沿誤差橢圓長軸和短軸的1倍σ誤差分量的平方和的平方根，用2σ值就得出2

概率圓半徑。

和2

的圓概率取決於誤差的橢圓度，

常用67％的概率，而2

則常用95％的概率（圖4）。2

已在羅蘭導航系統中應用多年。

各種誤差量度折算成 2

時要乘以一定的轉換系數（見表）。

幾何因子和幾何發散度

在導航系統中，定位誤差不僅取決於觀察值的統計規律，而且還同定位時運動載體和導航臺站之間的相對位置有關。對於雙曲線導航系統，兩條雙曲線位置線之間的距離在離基線遠處比離基線近處為大，接近焦點處穿過基線的雙曲線比靠近中線處穿過基線的雙曲線彎曲嚴重。為了定量地表徵由於運動載體所處實際幾何位置的不同對定位誤差的影響，需要用幾何因子G。它是雙曲線位置線上一點到相鄰位置線上最近一點的距離與相對應的時差間隔之比。

若從運動載體到兩個導航臺連線的夾角為 ψ，則幾何因子G為

這個關係式在平面和在球面上都是正確的。

系統總的定位誤差D 等於位置線測量誤差P 乘上幾何因子G。這表明，系統總的定位誤差由於幾何因子的存在而加大了。

幾何因子的概念最早用於羅蘭 A雙曲線導航系統中。後來，這一概念被推廣應用在衛星導航系統和其他導航系統中，並統一用幾何發散度表示使用者與導航臺站之間的幾何位置關係影響定位準確度的綜合量度。幾何發散度GDOP的定義是:導航系統定位均方根誤差(σp)和參與定位的N個導航發射訊號源引起的測距均方誤差算術平均值的平方根之比，其數學表示式為

式中σp為系統定位均方根誤差；σi為由第i個導航訊號測量產生的測距均方根誤差;N為參與定位的導航發射訊號源總數。GDOP的數值可由計算求得。顯然，GDOP＝1時的幾何位置為最佳。幾何位置越差，GDOP值越大，使用者定位誤差就越大。

無線電導航訊號

含有導航資訊的無線電訊號。導航訊號與導航系統所需要的頻頻寬度、信噪比和抗干擾能力等有關。它對系統的導航功能、定位準確度和裝置的繁簡都有直接或間接的影響。因此，它與導航的幾何原理和工作頻率一樣，成為導航系統的重要因素之一。

連續波與脈衝波、調製波與未調波等各種訊號波形，分頻多重進接、分時多重進接和分碼多重進接等訊號格式，在導航中都得到廣泛的應用。

連續波是最簡單的導航訊號。例如，無線電羅盤應用方向性天線，以接收訊號的幅度測定來波的方位;臺卡導航系統應用主副臺相關連續波訊號的比相來定位。調製的正弦訊號也常被應用，如接收的伏爾臺的可變訊號就是調幅的，在機載接收機中與參考訊號比相而獲得方位資訊；調頻高度表則應用反射回波與部分發射訊號混合產生同高度成比例的差頻訊號進行測高。

脈衝波的應用也比較廣泛。例如，導航雷達採用脈衝波，塔康導航系統採用脈幅調製波，羅蘭C導航系統採用脈相調製波，偽隨機碼測距系統採用脈碼調製波。

各種導航系統在臺站識別方面採用分頻多重進接、分時多重進接和分碼多重進接的訊號格式，即不同臺站採用不同的頻率、時間和編碼來相互區分。例如，頻分制應用於臺卡和塔康等導航系統，時分制應用於微波著陸系統，碼分制應用於衛星導航系統等。也有把兩種訊號體制混合使用的，如奧米加導航系統應用時分-頻分制，用多頻進行巷識別，用時間區分臺站。