浅谈甚高频全向信标(VOR)系统

浅谈甚高频全向信标(VOR)系统关键词甚高频全向信标导航摘要甚高频全向信标（ＶＯＲ）是现代航空无线电测向的一种地面导航设备，被广泛应用于短距及中距制导。多普勒甚高频全方位信标（ＤＶＯＲ）是常规ＶＯＲ的进一步发展。它利用多普勒效应及宽孔径天线系统从而使它能产生更加精密得多的方位角信号。本文通过对甚高频全向信标原理介绍，使我们能够对其有一个初步的了解。一、甚高频全向信标系统概念VOR（甚高频全向信标测距）是一种用于航空的无线电导航系统,由美国从20世纪20年代的“旋转信标”发展而来，1946年作为美国航空标准系统，1949年被ICAO采纳为国际标准导航系统。其工作频段为108.00兆赫-117.95兆赫的甚高频段，并且在全球范围内作为中短距离航空器引导方式的无线电导航设备。这一设备可以进行远程控制和远程监视。DVOR导航设备是传统VOR设备的改进。通过利用多普勒效应和宽幅度天线，它可以提供相对来说更加精确的方位角信息。DVOR导航系统一般应用于地理条件恶劣的地区。VOR系统的运行的理论基础是测量地面站发射的2个30Hz的信号的相位偏移。一个信号（参考信号）在所有方向上的相位都相同。而对于第2个30Hz的信号（变化信号）来说，它与参考信号之间的相位偏移就是与方位角相关的函数。机载的接收机通过测量两个信号之间的相位偏移就可以计算得到方位角。DVOR系统可以和DME（DistanceMeasuringEquipment）系统联合使用形成DVOR/DME台站。这样飞行器就可以通过单个DVOR/DME台站的位置来判定自身的位置。DVOR设备可以安装在10英尺高的建筑内。DVOR天线系统则安装在地网上，其高度依据实际情况而定。二、VOR/DVOR信号的产生VOR台产生的射频信号由2个30Hz的正弦波调制。这两个30Hz的信号之间有确定的相位关系，与从什么方向接收到此信号有关。相位关系反映了地面台站的正北方向和飞行器方向相对于地面台站之间的夹角（方向角）。2个30Hz信号中1个是方向无关的信号（参考信号），与此同时，第2个30Hz的信号随着方向角的变化而变化（可变信号）。参考信号和可变信号是由不同的方式调制的。方向无关信号的载波频率为f0±9660Hz，频偏为±480Hz。载波通过调幅产生，调制深度为30%，发射天线为水平圆极化方式的全向天线。此外，载波f0通过识别码来调制（1020Hz），同样语音（300-3000Hz）也是。方向相关信号由两个交叉振子产生。交叉振子从两个边带发射机接收信号，两者信号相位相差为90°。边带信号载波被调制了，这导致了空间信号呈现8字型，并且每秒翻转30次。由于载波f0通过全向天线发射，载波和30Hz边带的相交处，如果相位设置正确，就可以通过测量两个信号之间的相位差来确定方位角。在DVOR系统中，和VOR相比，2个30Hz的信号作用刚好互换了。这就是说，原来幅度调制的30Hz信号现在作为了参考信号，而方向性调频30Hz信号（可变信号）包含在频率为9660Hz的载波中。载波通过中心天线全向发射。语音信号（300-3000Hz）采用幅度调制，30Hz的参考信号附加了识别码。而9960Hz的子载波信号则通过边带发射器发送，其信号形成一个圆。产生的边带信号频率在载波信号频率的正负9960Hz以内。如果边带信号发射器以30Hz的频率旋转，多普勒效应将会使子载波变成调频信号，并且与方位角相关。为了保证ICAO规定的±480Hz的频率偏移，在108到118MHz的频率范围内，需要半径为7.5-6.5的圆。确定圆半径的等式可以通过多普勒效应的等式推出。VOR和DVOR产生两个30Hz信号的不同方法只在设备内部有意义，对于飞行器来说，它的VOR接收机没有办法确定从外部接收到的信号到底是VOR台站发出的还是DVOR台站发出的。虽然DVOR提供了更加精确的方位角信息，这得益于利用多普勒效应的宽天线系统，这两个30Hz的信号之间的相位关系随着方位角的改变而改变。当方位角为0°（正北方向）时，两个信号之间的相位差为0°。而当方位角是180°（正南方向）时，相位差为180°，以此类推方向角为90°（正东方向）时相位差为90°，方向角为270°（正西方向）时相位差为270°。三、VOR/DVOR信号的发射VOR发射机发送的信号有两个：一个是相位固定的基准信号；另一个信号的相位随着围绕信标台的圆周角度是连续变化的，也就是说各个角度发射的信号的相位都是不同的。向360度(指向磁北极)发射的与基准信号是同相的（相位差为0），而向180度(指向磁南极)发射的信号与基准信号相位差180度。飞行器上的VOR接收机根据所收到的两个信号的相位差就可以计算出自身处于信标台向哪一个角度发射的信号上。VOR通常与测距仪(DME)同址安装，在提供给飞行器方向信息的同时，还能提供飞行器到导航台的距离信息，这样飞行器的位置就可以唯一的被确定下来。DVOR发射与两个独立的30Hz调制信号相关的射频载波，其中一个30Hz调制信号与观察点的方位无关（基准信号），另一个30Hz信号（可变相位）在观察点的相位与基准信号的相位的差值正好等于观察点到DVOR台站的方位角。与常规VOR（CVOR）台站相比，DVOR系统的两个30Hz调制信号与CVOR的两个30Hz调制信号正好相反。CVOR对固定物体（远近距物体，如树木、电线、建筑物、山脉等）的多路效应更加灵敏，产生的方位误差更大。改进的无线电导航信标DVOR依赖于DVOR频率的改变（发射天线绕大直径的圆做圆周运动）。如果发射天线每秒旋转30次，则在观察点的信号就相当于被30Hz调频，而调频指数则由该圆的直径决定。四、VOR/DVOR信号的接收机载VOR接收机接受VOR地面台发射的基准相位信号和可变相位型号。并通过比较两种信号的相位差，得出飞机相对地面VOR台的径向方位即飞机磁方位QDR，通过指示器指示出方位信息。供飞行员确定飞机的位置并引导飞机航行。通过使用飞行器上的VOR接收机，飞行员可以从DVOR或者是VOR台获得以下信息：1.方向角信号，确定飞行器相对于地面信标台的方位角，比如：飞机相对于正北方向和地面信标台的角度。2.方位信号，确定飞机是在预先规定的位置线的左边或者右边，还是恰好在位置线上。3.“From/To”信号，表明飞机是在飞向（D）VOR台还是正在远离它。飞机的位置通过两个位置线的交叉点标识，可以通过转换机载VOR接收机的接收频率，从而连续获得两个VOR或者DVOR台的信号得到。要估计这一位置，需要地图，以及VOR或者DVOR台的位置，还有VOR/DVOR的频率表。此外，VOR信标可以通过使用CDI设备或者自动飞行管理系统的引导飞行来获得。五、全向信标系统的应用。1.对飞机进行定位。VOR机载设备测出从两个已知的VOR台到飞机的磁方位角，便可得到两条位置线，根据位置线相交定位原理即可确定飞机的地理位置。VOR台通常和测距台(DME)安装在一起（利用VOR测量飞机磁方位角，利用DME测量飞机到VOR/DME台的距离）也可确定飞机的地理位置。2.沿选定的航路导航。飞机沿预选的航道飞向或飞离VOR台，通过航道偏离指示指出飞机偏离预选航道的方向和角度，以引导飞机沿预选航道飞往目的地。3、终端引导飞机进场和非紧密近进。DVOR的测角误差在1°，精度±2°~±4°，而CVOR的测角误差为2°～3°，精度±1°。参考文献【1】吴苗无线电导航原理及应用【2】郑连兴，倪育德．多普勒全向信标系统【3】陈高平航空无线电导航原理