1、第五章 无线电仪器定位第一节 无线电测向定位（Radio direction finder，DF）SOLAS 公约规定，1600 总吨以上的国际海域航行船舶，必须安装无线电测向仪，测量遇险船舶发射的 SOS 求救信号的传播方向，进行搜索救助。一、无线电测向原理1.无线电信标1）定义：设在海岸或岬角上专门供无线电测向用的无线电信号发射台，可用于船舶的导航等，航用海图上标注其位置和符号。2）分类：（1）全向无线电信标（non directional radio beacon）代号 RC，全方向发射信号。有效作用范围内，不论在其哪一方向，均可接收到其信号。主要用于定位（2）定向无线电信标（direc
2、tional radio beacon）代号为 RD，一个或几个固定方向发射。只能在其信号的有效作用范围内和有效作用的方向区域内，才能接收到其发射的信号。主要用于船舶进出港口导航。英版海图上用虚线表示其发射信号的方向。3）无线电信标的特点名称、地理位置、作用距离、工作频率、音周、工作种类、信号发射、工作时间等资料，从中版航标表或英版无线电信号表（The Admiralty List of Radio Signals）第二卷中查得。名称一般用所在地的地名命名。信号为莫尔斯码发射和长音发射，莫尔斯码用于识别信标，长音用于测向。发射频率为中频，一般为 255KHz525KHz，常用频率 291.5K
3、Hz318.5KHz。船舶遇险发送 SOS 信号的电台频率为 500KHz，高频电话频率为 2182KHz。采用垂直天线发射垂直极化波，分为等幅波（A 1）和音频调幅波（A 2）。音频调幅波用于识别信标，等幅波用于测向。信号沿地球表面传播到测向仪接收天线（地波信号），一般传播距离只有约 100n mile。 2.无线电测向原理青岛远洋船员学院备课纸 21）无线电测向仪天线及其特性（1）垂直天线的方向性垂直天线和无线电信标距离固定，垂直天线上产生的感应动势 V1 的有效值均相等：V1=V0。垂直天线称为无方向性天线，其接收方向特性图称为“圆”形图。（2）环状天线的方向性接收距离固定，环状天线平面
4、旋转一周（360），天线上感应电势 V2 大小不等，其方向特性图称为“8”字形图。V2 = V0 cos 是信号的来向与环状天线平面之间的夹角，信号来向与环状天线平面平行 = 0（或 180），感应电势最大；信号来向与环状天线平面垂直 = 90（或 270）感应电势为 0。“哑点”，感应电势为 0 的接收方向。环状天线旋转一周会有两个哑点方向，此特点称为无线电测向的双值性。（3）复合天线的方向性垂直天线和环状天线同时用于测向，称为无线电测向仪的复合天线。复合天线的感应电势：V =V1 + V2 =V0 + V0 cos =V0（1+ cos）其接收特性图称为“心”形图。垂直天线的作用：图 2-
5、5-1 图 2-5-2青岛远洋船员学院备课纸 3“定边”，在无线电测向时，使用垂直天线解决双值性问题。“补偿”，克服环状天线的接收效应即“哑点”不清晰，使测向时的“哑点”清晰这一作用。2）无线电测向原理无线电测向仪利用环状天线接收信号的方向特性，测出已知概位的无线电信标的方向，进行测向定位；或无线电测向仪利用复合天线接收信号的方向特性，测出未知概位的无线电信标或船舶电台的方向，进行定位或搜索救助遇险船舶。二、无线电测向仪1.无线电测向仪的组成1）无线电测向仪分类按照天线形状，分为单环旋转式和双环固定式。按测向方式，分为耳听式、目测式和耳听目测式三种。按接收通道分类，分为单通道测向仪和双通道测向
6、仪。2）无线电测向仪的组成接收天线、本机和电源三部分组成。2.无线电测向仪的工作原理工作原理框图：3.无线电测向仪的操作使用TD-A131 型全自动耳听式无线电测向仪的操作使用。1）主要旋钮的名称及作用青岛远洋船员学院备课纸 4（1）电源开关（power）：控制 电源部分工作。（2）波段选择旋钮（band）：分为 1、2、3、4 个波段，选择所需要的波段。（3）波型选择旋钮（wave type）：分为 A1、A2A3 两种，A 1 用于接收电报，A 2A3 用于测向。（4）调谐旋钮（tune）：调整电平指针指示正确位置。（5）工作方式转换开关（operation ）：分为自动（auto）、手动
7、（manual）和接收机（RCV）三种工作状态。（6）增益旋钮（gain）：调节声音或图象效果。（7）音量旋钮（volume）：调节音量大小。2）测向的方法步骤（1）使“波段指示” 指向所测无线电信标工作频率的波段。（2）接通“电源开关” ，本机工作。（3）使“频率指针” 指示所测无线电信标的工作频率。（4）使“波型旋钮” 指示 AA。（5）调节“增益旋钮” ，使声音最清晰。（6）调节“音量旋钮” ，使声音大小合适。（7）选择“自动（auto ）”测向方式。（8）根据无线电信标发射信号的莫尔斯码识别所测的无线电信标。（9）从测角器方位刻度盘上读取无线电信标的方向（方位或舷角）。若测向进行搜索救
8、助，则 将“ 频率指针”指示 500KHz，识别 SOS 莫尔斯码信号，测出其方向。三、无线电测向定位1.无线电自差1）定义无线电测向仪由于受接收天线附近的金属导体二次辐射的影响，而使所测无线电信标或船舶电台方向产生的误差，代号为 f。或称无线电信标或船舶电台的无线电舷角（WQ）与无线电测向仪舷角读数（ WQ）之差：f = WQ -WQ 2）产生原因测向仪天线附近的金属导体（如船体、船舶上层建筑，船上大桅、吊杆等）产生的二次辐射（或二次电磁场）。3）变化规律其规律可用下式表示：青岛远洋船员学院备课纸 5f =A + BsinWQ + CcosWQ + Dsin2WQ + Ecos2WQ 自差系
9、数 A、B、C、D、E，与船舶金属导体数量、天线相对位置及距离等有关，其中 A 称为固定自差系数，B、C 称为半圆自差系数，D、E 称为象限自差系数。WQ 为所测无线电信标（或船舶电台）的舷角。自差分为固定自差、半圆自差、象限自差。固定自差不随舷角变化。主要由于天线安装不良、测向仪方位指针指示不准、刻度盘不准等原因产生的。半圆自差与舷角成正弦或余弦规律变化。主要是类似于垂直天线的金属设备产生的（如大桅，烟囱等）。由于这种金属设备数量较少，因此半圆自差较小。象限自差与二倍的舷角成正弦或余弦规律变化。主要是类似于环状天线的金属船体产生的。由于这种金属船体数量很大，因此象限自差很大。象限自差主要考虑
10、“Dsin2WQ”一项，而忽略“Ecos2WQ”项。舷角为隅点舷角时（即 WQ=45，135，225，315时），测向产生的无线电自差最大。4）测定无线电自差的方法（1）无线电信标固定本船旋回a.在沿岸海区选择一能够目测的无线电信标。b.本船在距离无线电信标约 1n mile2n mile 的海区作旋回（每小时旋转一圈），c.用无线电测向仪和罗经同时观测同一无线电信标的舷角 WQ和 WQ，d.无线电自差 f=WQ-WQ。e.观测求取每隔 10或 15舷角的所有自差，计算绘制无线电自差表备查。（2）本船不动艇载电台绕本船转圈a.选择某一海区抛锚，放下携带工作电台的小艇。b.小艇在距离大船约 1n
11、 mile2n mile 的距离上围绕本船转圈.c.同时用无线电测向仪和罗经观测小艇的舷角 WQ和 WQ，d.无线电自差 f=WQ-WQ。e.观测求取每隔 10或 15舷角的所有自差，计算绘制无线电自差表备查。5）测定无线电自差时的注意事项（1）应选择天气良好、能见度良好、船舶摇摆角不大于 4，横倾角不大于 5时进行。（2）不宜在日出日落前后 1h 内观测，应在白天观测。（3）所有金属设备应处于航行状态，其他天线应处于绝缘状态。青岛远洋船员学院备课纸 6（4）船舶与电台之间的距离不能太近或太远，应在 23 倍无线电信标发射信号波长为宜。（5）应分别在船舶满载和空载时观测。6）无线电自差表的绘制
12、与使用2.大圆改正量（1）大圆改正量定义大圆改正量是无线电信标的恒向线方位（代号为 RLB）与无线电信标的大圆方位（代号为 RTB）之差，代号为 。 = RLB RTB（2）大圆改正量的符号大圆改正量的符号由所测无线电信标大圆方位（RTB）和纬度决定。在北纬 RTB =000180 为“+” RTB =180360 为“-”在南纬 RTB =000 180 为“-” RTB =180360 为“+”（3）大圆改正量的大小可由下式求得：= Dsin m 21式中 D-测者与信标位置间的经差m-测者与信标位置间的平均纬度3.测向定位方法同时观测两个以上无线电信标的方位改正为恒向线方位；在海图上由所
13、测无线电信标画出其方位线，两条以上方位线的交点就是测向船位 DF。4.无线电测向误差无线电测向误差主要有以下几种。1）观测误差观测误差一般为2，主要与无声角大小和测者的熟练程度有关。2）信号传播误差（1）海岸折射误差当信号从无线电信标经陆地传播到海岸再经海面传播到船上测向仪天线时，若信号传播方向与海岸有一定夹角，将产生折射现象，信号传播方向发生变化，使测向产生误差。交角为 90时不产生误差，交角小于 20时误差很大，可达到 3 4。青岛远洋船员学院备课纸 7（2）夜间效应误差夜间测向定位时，所接收的无线电信标地波信号，由于受天波的干扰而使测向产生误差。船舶与无线电信标的距离有关，距离越大，夜间
14、效应的影响越大。频率越低，影响越大。夜间效应在日出日落前后约 1h 内影响最大。3）无线电自差无线电自差一般约为 2 3。4）接收机误差接收机误差一般约为 1，由接收机的精度决定。青岛远洋船员学院备课纸 8第二节 雷达定位（radio detection and ranging，缩写为 RADAR）一、雷达工作原理1.雷达组成及各部分的主要作用1）雷达天线分类：裂缝式天线（隙缝天线）和抛物面反射式天线。作用：发射电磁波并接收反射回波，发射和接收的时间由收发机内的收发开关控制。2）雷达收发机作用：接收机产生电磁能量（电磁波），其频率 分为 9375MHZ 和 3000 MHZ（特高频）；收发机放
15、大处理回波信号。采用 9375 MHZ 发射频率的雷达称为 3 公分雷达，发射水平极化波，用 “X”表示；采用 3000 MHZ 发射频率的雷达称为 10 公分雷达，发射垂直极化波，用“S”表示。3）显示器作用：显示和测量导航信息（物标位置、形状、距离、方位、运动速度与方向等）。4）电源分类：变流机电源或逆变器电源两种。作用：将船电转换为雷达所需要的电源，中频电源，频率一般约为 400Hz2000 Hz。2.雷达测距测向原理1）雷达测距原理雷达发射的电磁波脉冲从发射到被物体反射回来，被天线接收的传播时间为 t，则雷达到反射物体的直线距离为：D = tC21雷达扫描中心代表雷达所在的船舶，反射物
16、体显示在荧光屏上（回波），根据显示器距离标志就可以测量出反射物体到船舶的距离。2）雷达测向原理雷达通过天线的不停旋转，瞬间定向发射与接收电磁波脉冲，电磁波脉冲回波的方向就是反射物体的方向。在雷达显示器上有表示方向的方位圈（固定方位圈或罗经方位圈），荧光屏上反射物体回波所对应的方位圈刻度就是该物标的方位。3.雷达的性能及局限性青岛远洋船员学院备课纸 91） 雷达最大作用距离雷达最大能见地平距离公式为：D1= 2.23 h雷达最大能见物标距离公式为：D2=2.23( )H除了与雷达天线高度和物标高度有关外，还与下列因素有关。（1）雷达发射功率（P T）：发射功率越大，最大作用距离越大。（2）物标有
17、效反射面积（ o）：金属比木材反射性能好，圆柱体比其他形状的物标反射性能好，前沿陡峭的物标反射性能好。（3）天线增益与工作波长（）：10cm 雷达比 3cm 雷达最大作用距离稍大。（4）脉冲重复频率（F）：脉冲重复频率越高，最大作用距离越小。（5）天线转速与脉冲宽度（）：脉冲宽度越宽，天线转速越慢，最大作用距离越大。另外，雷达能见距离还与物标反射能力、大气传播衰减、外界杂波干扰、船舶摇摆等因素有关。IMO 规定，若 h = 15m，岸线高 60m，可见距离 20n mile；5000T 的船舶，可见距离 7n mile；10m 长的小船，可见距离 3n mile；10m2 的导航浮筒，可见距离
18、 2n mile。2） 雷达最小作用距离雷达最小作用距离公式为：Dmin = （+）C21为雷达收发开关的恢复时间。雷达最小作用距离与下列因素有关。（1）脉冲宽度（）（2）收发开关恢复时间（ ）（3）物标的高度（H）青岛远洋船员学院备课纸 10（4）物标反射强度（5）雷达电磁波的垂直覆盖区 （6）垂直波束宽度（ V）（ V =1530） 雷达的最小作用距离是指能在荧光屏上显示的物标最近距离，是表示雷达探测物标最近距离的能力。雷达盲区（blind）是雷达探测不到物标的最小距离范围。在理论上，雷达盲区半径：r = h cot 2式中：h 为雷达天线高度； 为雷达波束垂直面照射角度。雷达盲区测量，令
19、小艇由船首驶离测定船，当小艇驶离一定距离时其回波刚刚在雷达荧光屏上出现时，小艇回波的距离就是盲区半径；也可令小艇由远处驶向测定船，当小艇在雷达荧光屏上的回波刚刚消失时的距离就是盲区半径。 IMO 规定雷达最小作用距离（D min），当天线高度 h=15m 时， 5000T 的船舶、10m 长的小船、10m2 的浮筒应在 50m1n mile 内清楚的显示。阴影扇形（shadow sector），雷达天线发射的电磁波，被船舶自身的高大物体遮挡而不能到达反射物体，所以在雷达荧光屏上形成没有物标回波的一片区域。大小与雷达天线高度、天线与遮挡物的距离以及遮挡物的大小、形状、相对高度等有关。3）测距精度
20、及距离分辨力（1）测距精度雷达测距离的精度与下列因素有关：距离分辨力。扫描线起始时间与发射脉冲时间同步。固定距标与活动距标的精度（1%，2% ）。扫描锯齿波的非线性。荧光屏扫描中心直径大小。物标回波光点的尺寸大小（回波在各个方向均增加了 1/2 光点直径）。此外，测距精度还与天线高度、电磁波的传播速度、荧光屏曲率、物标闪烁、杂波干扰、测者技术等有关。IMO 规定：固定距标与活动距标测距误差，不能超过量程的 1.5%或 70m。（2）距离分辨力（range discrimination）雷达显示器上区分同一方位上两个相邻物标的能力。距离越小，距离分辨力越好，雷达性能越好。雷达距离分辨力与下列因素有关：脉冲宽度：脉冲宽度越窄，距离分辨力越好。
