機載雷達與通信導航設備（簡體書）

《機載雷達與通信導航設備》主要介紹現代大型運輸飛機電子設備的功用、原理、組成、使用方法和對新航行系統的展望。 《機載雷達與通信導航設備》共16章，分為通信系統、導航系統、監視系統和未來新技術展望四個部分，涵蓋了機載雷達通信導航的詳細內容。 《機載雷達與通信導航設備》力求內容精練、概念清晰，每章均精選了一定量的習題，涵蓋核心教學內容，難易適中，便於學生自學和教師施教。

機載設備通常包括機械設備、電氣設備與電子設備三個部分。其中民航機載電子設備飛機無線電系統從系統功能角度分為通信系統、導航系統和雷達監視系統，現代民用飛機都裝備有多種先進的無線電通信、導航和雷達系統。
本書是根據中國民航《CCAR-61部》和《CCAR-141部》規章為高等院校民航工程專業（包括民航空管、飛行、電子、機電等專業）研究生及高年級本科生編寫的一本專業基礎課教材。該教材主要研究現代大型運輸飛機電子設備的功用、原理、組成和使用方法，使讀者掌握民航運輸機電子設備的基本理論、基本配置、使用方法、特點及注意事項。了解航空電子設備的發展動態，為從事航空技術工作打下良好的理論基礎。
本書內容全面，由淺人深，注重對基本概念與理論的敘述，公式推導力求簡潔，對有關實際應用問題盡量交代清楚，以方便讀者深入了解和掌握目前應用的機載雷達與通信導航設備系統及其未來的發展趨勢。全書共16章，涵蓋了目前民航界廣泛使用的各種機載無線電通信、導航及監視系統。其中第1章和第3章分別介紹了無線電及導航的基礎知識：第2章為通信系統，包括甚高頻通信系統、高頻通信系統、選擇呼叫系統、話音記錄器、飛行數據記錄器以及廣播系統；第5章、第6章、第12章-第15章為導航系統，包括自動定相機、甚高頻全向信標系統、測距機、無線電高度表、儀表著陸系統和微波著陸系統；第7章-第11章為雷達系統，包括一次雷達、無線電高度表、氣象雷達、多普勒雷達和二次雷達系統；第16章是對通信、導航及監視系統中各種先進技術的展望。
本書由王世錦、王湛編寫，韓松臣教授主審。限於編者水平，書中疏漏和不妥之處在所難免，懇請讀者批評指正。

目錄
叢書序
前言
引言 1
第1章 無線電基礎知識 2
1.1 無線電波 2
1.2 調幅發射設備與調幅接收設備基礎 20
1.3 傳輸線及天線的基礎知識 27
1.4 調製 35
本章思考題 39
第2章 通信系統 40
2.1 概述 40
2.2 甚高頻通信系統 41
2.3 高頻通信系統 47
2.4 選擇呼叫系統 52
2.5 內話機系統 56
2.6 客艙廣播系統 59
2.7 話音記錄器 61
2.8 應急電台 63
2.9 飛行數據記錄器 63
本章思考題 67
第3章 無線電導航的理論基礎 68
3.1 導航的定義 68
3.2 無線電導航的任務 69
3.3 導航的分類 70
3.4 導航參量 76
3.5 位置線與導航定位方法 79
本章思考題 83
第4章 自動定向機 84
4.1 概述 84
4.2 系統組成 86
4.3 自動定向原理 91
4.4 系統的干擾和誤差 95
4.5 飛行中的使用 101
本章思考題 110
第5章 甚高頻全向信標系統 111
5.1 概述 111
5.2 VOR系統的基本原理 116
5.3 VOR機載設備 124
本章思考題 129
第6章 測距機 130
6.1 概述 130
6.2 工作原理 136
6.3 DME的主要技術 142
本章思考題 149
第7章 雷達的一般原理 150
7.1 雷達的類型 150
7.2 雷達探測目標的原理 151
7.3 雷達基本組成 153
7.4 雷達方程 154
7.5 航管雷達 155
本章思考題 166
第8章 無線電高度表 167
8.1 概述 167
8.2 基本組成 167
8.3 工作原理 169
本章思考題 173
第9章 氣象雷達 174
9.1 概述 174
9.2 基本組成 182
9.3 工作原理 185
9.4 雷達性能參數 190
9.5 湍流與風切變檢測雷達 193
本章思考題 199
第10章 多普勒雷達 200
10.1 概述 200
10.2 工作原理 200
本章思考題 208
第11章 空管二次雷達 209
11.1 探測飛機的原理 209
11.2 二次雷達系統組成及工作過程 212
11.3 問答模式 215
11.4 二次雷達性能 222
11.5 二次雷達的特點 225
11.6 S模式二次雷達 227
11.7 空中交通警戒與防撞系統 232
本章思考題 238
第12章 羅蘭系統 240
12.1 概述 240
12.2 工作原理 241
12.3 羅蘭-C設備 244
12.4 系統應用 246
本章思考題 247
第13章 奧米伽導航系統 248
13.1 概述 248
13.2 工作原理 249
13.3 系統現狀 251
本章思考題 251
第14章 儀表著陸系統 252
14.1 概述 252
14.2 儀表著陸系統的組成 257
14.3 航向信標系統 259
14.4 下滑信標系統 262
14.5 指點信標系統 264
14.6 ILS在進近著陸時的使用與評價 268
本章思考題 270
第15章 微波著陸系統 271
15.1 概述 271
15.2 技術特點 271
15.3 組成 274
15.4 覆蓋範圍 275
15.5 工作原理 276
15.6 微波著陸系統的機上設備 278
15.7 利用MLS地面設備的著陸過程 280
本章思考題 281
第16章 通信、導航、監視系統展望 282
16.1 通信、導航、監視在新航行系統中的特點 282
16.2 未來通信系統 283
16.3 未來導航系統 285
16.4 未來監視系統 288
本章思考題 289
縮略詞表 290
參考文獻 293

引言
機載設備主要包括機械、電氣、電子三部分，其中電子設備又分為無線電與儀表兩個部分。飛機無線電系統是現代飛機的重要組成部分。
飛機無線電系統從系統功能角度，可分為通信系統、導航系統和雷達監視系統，有時也將飛機無線電系統分為通信系統和導航系統兩大類。
現代民用飛機都裝備有多種先進的無線電通信、導航和雷達系統。通信系統主要是用以實現飛機與地面之間、飛機與飛機之間的相互通信，也用以進行機內通話、廣播、記錄駕駛艙內的語言以及向旅客提供視聽娛樂信號，如高頻、甚高頻通信系統、選擇呼叫系統、內話系統、音頻綜合系統等。無線電導航系統的基本功能是引導飛機按選定航路安全、經濟地完成規定的飛行任務。按照各個系統的功能，又可以把飛機無線電導航系統進一步劃分為定位、測高、著陸引導和環境監測四大類。測距機、定向機、全向信標系統、多普勒雷達、奧米伽導航系統是用於確定飛機位置的無線電定位系統；低高度無線電高度表是典型的測高設備；儀表著陸系統屬於著陸引導設備；氣象雷達則是常用的環境監測系統。
飛機上的無線電設備應盡可能地相對集中在專門設計的各種電子設備艙內，使設備可以工作在飛機環境控制系統之中。民用客機的電子設備艙一般位於旅客座艙下部。軍用飛機的電子設備艙一般位於飛機頭部、駕駛艙下部和後部。某些電子設備應根據使用特性選擇飛機上特定位置進行安裝，如飛機的飛行數據記錄器（俗稱黑匣子）應選擇放置在飛機墜毀後破壞程度可能最輕的部位，以便將飛行數據記錄器回收後，還能正確分析出事故原因，如安裝在飛機尾翼前沿根部g氣象雷達為了取得飛機前方的氣象資料，一般安裝在飛機頭部。
第1章 無線電基礎知識
無線電設備與儀表設備都可以提供相應的導航參量，但兩者之間的工作原理不同。例如，儀表設備中的大氣數據儀表，是通過測量飛機與大氣之間的作用力及飛機所在位置的大氣參數，再根據大氣參數與飛機飛行參數的特定關係進行換算，才能在相應的儀表上指示出所需的飛行參量。而無線電導航則是利用無線電波的發射與接收，將電參量轉換為相應的導航參量，所以無線電系統的最大特點是依賴無線電波的發射、傳播及接收進行工作的。無線電波的發射、接收過程以及傳播特性在很大程度上影響無線電系統的工作質量，因而在學習飛機通信導航設備之前有必要了解g 無線電波的傳播規律、影響其傳播的主要因素、不同波段無線電波的傳播特點、發射設備及接收設備的基本知識、傳輸線及天線的工作特點、調製的含義等無線電的基礎知識。
1.1 無線電波
各種無線電系統都是利用無線電信號來傳送信息，或者利用無線電信號來獲取一定的信息的。而在無線電系統中所說的信號，是指代表一定信息的電信號。
下面就來了解信號的各個方面。
1.1.1 信號的形式
1. 規則信號與不規則信號
如果信號隨時間按照一定規律變化，能夠用一個確定的時間函數來表示，則這類信號屬於規則信號；反之，若信號不隨時間作有規律的變化，而是雜亂的、具有隨機的性質，並且不能用一個確定的時間函數來表示，則屬於不規則信號。
各類導航信號、雷達信號等都是規則信號；語音信號、電報信號等是不規則信號。
2. 週期信號與非週期信號
週期信號是按一定時間間隔，作不斷重複變化的規則信號；非週期信號則不隨時間作重複的、有規律的變化。
3 模擬信號與數字信號
按常見信號的形式，通常把信號分為模擬信號與數字信號兩類。
所謂模擬信號，是指模擬物理量（如語音信號）的電壓或電流的電參量在一定範圍內是平滑、連續變化的，可以取這一範圍內的任意值。
所謂數字信號，是指信號是離散的、不連續的，信號只能按有限多個階梯或增量變化取值。例如，用不同電平表示的二進制信息，只能有高電平（代表信息“1”）和低電平（代表信息“0”）兩個量化狀態；具體的信息內容用這兩個狀態的一定形式的編碼來表示。
傳統的無線電系統所處理的一般是模擬形式的電量；現代機載電子系統則越來越多地以數字形式來處理信息，以獲得更為優越的性能。和模擬通信相比，數字通信更能適應對通信技術越來越高的要求，主要體現在：抗干擾能力強；保密性強，可以加密；設備易於實現集成化、微型化；便於處理、存儲、交換，便於和計算機連接，也便於計算機管理。數字通信的最大缺點是它佔用的系統帶寬遠遠大於模擬通信系統的帶寬。
4. 脈衝信號
脈衝信號是指在短暫時間間隔內作用於電路的信號，這個時間間隔是可以與電路的過渡過程相比擬的。就廣義來說，凡按非正弦規律變化的信號都可以稱為脈衝信號。圖1-1是幾種常見的周期性脈衝波形。
圖1-1 幾種常見的脈衝波形
雖然數字信號只有高電平和低電平（有電流和無電流）兩個狀態，也工作於脈衝狀態，但對於脈衝信號，往往是按模擬信號來對待的。這是因為，對於脈衝信號來說，除了注意脈衝的有無外，更多地還要注意脈衝的波形。
5. 低頻信號與高頻載潑
包含各種信息的無線電信號其頻率往往較低，通常屬於音頻和低頻的範圍。低頻信號是很難有效地通過天線輻射到空中去的。為了達到利用無線電波來傳送信息的目的，必須將這類低頻信號寄載在高頻振盪上，以通過天線有效地轉化為空間的無線電波。為此，需使高頻振蕩的某一個參數按照低頻信號的規律變化，這一過程稱為調製。
為了區別於低頻信號，將用於寄載信號的高頻振盪稱為載波。載波是不包含具體的信息內容的，將已調製的載波信號稱為高頻信號（或射頻信號）。
在很多無線電系統中，為了放大、變換信號的需要，往往還會設置一個或兩個低於射頻頻率的中間頻率中頻。所謂高頻、中頻和低頻的概念，是就一個系統中的信號變換過程相對而言的，很難劃分絕對的數值界限。某個系統中的中頻信號頻率，是完全可能高於其他系統的高頻頻率的。
1.1.2 無線電波
在空間傳播的交變電磁場稱為電磁波。通常將頻率3000GHz以下的電磁波稱為無線電波，簡稱電波。
1. 無線電潑的傳播
1）電磁波的形成與傳播
當把射頻信號施加到天線輸入端時，天線便能有效地把射頻信號所包含的電磁能量輻射到空中去，在天線附近的空間中形成電磁波。這就是說，射頻電源（發射機）所產生的射頻能量通過天線轉化成了空間電磁波。
隨後，天線附近空間中的電磁能量將會按照一定的規律擴散，不斷地向遠方傳播（圖1-2）。天線在空間A點所形成的交變電場E，將會在B點產生交變磁場，而A點的交變磁場H將會在B點產生交變電場，這樣， A點的交變電磁場便推進到B點。到達B點的交變電場和交變磁場，又會在距天線略遠的C點處產生交變磁場和交變電場。如此繼續，電磁能量就不斷地向前傳播。
圖1-2 無線電波的傳播
2）電波的分佈
空間的電磁波是由天線上的射頻信號形成的，其變化規律取決於射頻信號的變化規律，當天線射頻電流按正弦規律變化時，空間各點的電場強度和磁場強度隨之按正弦規律變化，並且在其傳播方向上也是按正弦規律分佈的。如圖1-3所示為某一瞬間電磁場的分佈情形。需要注意的是，空間任意點處的電場向量（z抽正負方向）與磁場向量（y軸正負方向）始終是互相垂直的，並且二者又都與傳播方向相垂直。
圖1-3 無線電波的電場強度和磁場強度在某一瞬間的分佈情況
3）電波的相位
在電波傳播的途徑上，一個波長的範圍內同一時刻的電場強度是不相同的。某點場強的強弱、方向和變化趨勢的瞬時狀態，叫電波的相位。習慣上用角度來表示電波的相位，稱為電波的相角（相位角），常用字母ψ表示，如圖1-4所示。圖中A點的場強為零，相位是0°； B點的場強為正的最大值，相位是90°；C點的場強又回到零，相位是180°；D點的場強為負的最大值，相位是270°。
圖1-4 空中電場的瞬間相位
兩點間的相位之差，叫相位差，記為△ψ。由圖1-4可以看出，在同一電波傳播途徑上，兩點之間的距離為λ/4 時，相位差為90°；距離為A/2 時，相位差為180°；距離為3λ/4 時，相位差為270°；當距離為波長的整數倍時，相位差是360°的整數倍，即
（1-1）
式中， d為傳播途徑上兩點間的距離差；λ為波長。顯然，只要兩點間的距離不變，任意時刻該兩點間的相位差是不變的。
4）電波的傳播方向
由上述可知，空間電磁波的電場向量E、磁場向量H和電波傳播方向是互相垂直的，這種電波稱為橫電磁波。橫電磁波的傳播方向可以形像地用右手螺旋定則來確定：伸開右手四指與電場向量方向一致，再使四指彎向磁場向量方向（沿90。），則拇指方向就是電波傳播的方向，如圖1-5所示。可見，當電場和磁場向量中的一個改變方向時，傳播方向就反向；而當電場和磁場同時反向時，電波傳播的方向並不改變。
圖1-5 右手螺旋定則
5）球面波與平面波
電波中相位相同的各點組成的面，稱為波陣面。波陣面實際上是距波源（天線）距離相同的各點所組成的面。顯然，當可以把天線看成是一個點波源時， 電波的波陣面是一個球面，這樣的電波就稱為球面波，如圖1-6所示。通常可以把它看成是一個在O點處的無方向性天線所產生的球面波。