导航原理与系统：第3章 多普勒甚高频全向信标

1、第3章 多普勒甚高频全向信标3.1 概述3.2 VOR的一般特性3.4 DVOR系统可变相位信号的产生 3.5 DVOR信标的工作原理 3.6 VRB-51D多普勒全向信标 Navigation Principles and Systems3.7 VOR机载系统3.3 VOR在导航中的应用中国民航大学 CAUC3.1 概 述一、VOR的发展历史 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导航系统； 1949年被ICAO采纳为国际标准导航系统； 20世纪60年代，联邦德国研制出DVOR； VOR的装备量在世界范围内呈上升趋势。VOR是高精度的近程相位测角导航系统

2、中国民航大学 CAUC3.1 概 述 1964年：首次引进4套THOMSON的电子管式CVOR ，安装在大王庄、无锡、昆明和英德 ； 1973年：引进10套THOMSON的全晶体管化CVOR ； 1987年：引进13套RACAL的全固态DVOR ； 1988年：引进12套THOMSON的DVOR ； 1993年开始：引进AWA的DVOR 150多套； 1998年开始：引进ALCATEL/THALES的DVOR 多套；截止2009年：建设DVOR 233套，DME 台337 二、中国民航使用VOR的情况中国民航大学 CAUC3.1 概 述三、VOR的发展趋势中国民航大学 CAUC一、工作频段与频

3、道分配（1）3.2 VOR的一般特性1. 工作频段 f =108.00117.95MHz，f =0.05MHz，共200个频道，VOR只用其中的160个频道。2. 频道分配（1）200个频道(108.oo117.95MHz)VOR：160个频道(108.00117.95MHz)LOC：40个频道(108.10111.95MHz)航路VOR：120个频道(112.00117.95MHz)终端VOR：40个频道(108.00111.85MHz) ICAO建议，对于航路VOR，应优先选用112117.95MHz范围内小数点后第一位为奇数的频率，然后考虑该频率范围内小数点后第一位为偶数的频率。 中国民

4、航大学 CAUC3.2 VOR的一般特性一、工作频段与频道分配（2）2. 频道分配（2） 在108.00111.95MHz之间的80个频道，40个分配给LOC，40个给终端区VOR。 LOC只用在108.00111.95MHz中的以MHz为单位的小数点后第一位是奇数的频率点 ； 终端VOR只用在108.00111.95MHz中的以MHz为单位的小数点后第一位是偶数的频率点（其中108.00MHz只用于机载VOR接收机的自检RF） ；中国民航大学 CAUC3.2 VOR的一般特性二、波的传播、极化形式及覆盖范围 视距传播 ； 水平极化 ； VOR 信标提供的信号必须在40仰角以下，使机载VOR接

5、收机在飞行区域所要求的高度和距离上满意地工作。 三、辐射功率与作用距离 航路VOR：P=100W， R=200nm； 终端VOR：P=50W， R=25nm。中国民航大学 CAUC3.2 VOR的一般特性中国民航大学 CAUC四、分类与精度3.2 VOR的一般特性 常规VOR（CVOR）：2 多普勒VOR（DVOR）：1 精密VOR（PVOR）：0.25 中国民航大学 CAUC3.3 VOR在导航中的应用一、定位NMLALBVOR/DMENNVOR-AVOR-BBAMLALB 定位 定位中国民航大学 CAUC二、沿选定航路导航3.3 VOR在导航中的应用NNVOR-AVOR-B609030中国

6、民航大学 CAUC三、利用VOR/VOR或VOR/DME实行区域导航3.3 VOR在导航中的应用中国民航大学 CAUC3.3 VOR在导航中的应用三、利用VOR/DME实施近进中国民航大学 CAUCVOR系统的基本原理中国民航大学 CAUCVOR系统的基本原理VOR信标辐射信号可变相位信号基准相位信号识别信号话音信号中国民航大学 CAUC基准相位信号的发射先用30Hz对9960Hz副载波调频，然后调频副载波再对载波调幅。而30Hz调频信号的相位在 VOR台周围 360方位上是相同的。CVOR中国民航大学 CAUC基准相位信号波形CVOR中国民航大学 CAUC可变相位信号的发射CVOR+中国民航

7、大学 CAUC合成辐射场为旋转的心形方向性图中国民航大学 CAUCVOR空间合成信号波形图e(t)=Em1+m Bg0(t)+mCgm(t)+mAcos(t- )+mfcos st+kfsintcost 话音信号 键控1020Hz识别音频信号 中国民航大学 CAUCCVOR中国民航大学 CAUC基准和可变30HZ的相位关系设当心形方向性图的最大值在磁北时，9960HZ副载波的频率为10440HZ。北 10440HZ东 9960HZ南 9480HZ西 9960HZ中国民航大学 CAUC一、多普勒效应（1） 当发射天线与接收天线之间存在相对运动时，接收天线感应的电动势的频率就不再等于发射天线馈电的

8、频率，这种现象就称作多普勒效应。 fd = fTfR 3.4 DVOR系统可变相位信号的产生 fR fT vT R 中国民航大学 CAUC3.4 DVOR系统可变相位信号的产生 一、多普勒效应（2） 1.接收天线不动，发射天线向着接收天线在同一直线上运动 fR fT vT R fd与运动速度v成正比中国民航大学 CAUC3.4 DVOR系统可变相位信号的产生 一、多普勒效应（3） 2.接收天线不动，发射天线远离接收天线在同一直线上运动 fR fT vT R fd与运动速度v成正比中国民航大学 CAUC3.4 DVOR系统可变相位信号的产生 一、多普勒效应（4） 3.接收天线不动，发射天线绕圆周

9、运动（1） fdfdmfdmtA B C D AR中国民航大学 CAUC3.4 DVOR系统可变相位信号的产生 一、多普勒效应（5） 3.接收天线不动，发射天线绕圆周运动（2）vR1=vRsintfdm为多普勒频率的最大值在磁北方向在方向相位中含有方位信息中国民航大学 CAUC3.4 DVOR系统可变相位信号的产生 一、多普勒效应（6） 3.接收天线不动，发射天线绕圆周运动（3）NfdtfdtfdtfdtooooESW中国民航大学 CAUC二、30Hz可变相位信号的产生（1）3.4 DVOR系统可变相位信号的产生 在方向接收信号的频率fR= fT fd= fT fdmsin(t+)在方向接收的

10、信号为调频波，其中调制信号为sin(t+)在DVOR中，称为30Hz可变相位信号（30Hz FM）中国民航大学 CAUC3.4 DVOR系统可变相位信号的产生 二、30Hz可变相位信号的产生（2）fR= fT fd= fT fdmsin(t+) 设发射天线的馈电为i(t)= Im cosTt , T = 2fT,在方位上接收的信号为e(t)= Emcos(t)，则 （FM波）中国民航大学 CAUC3.5 DVOR信标的工作原理 中国民航大学 CAUC一、DVOR信标的辐射场（1）3.5 DVOR信标的工作原理 30Hz基准相位信号（30Hz AM） 30Hz AM信号与30Hz FM信号同频3

11、0Hz AM信号的相位与无关在N方向，30Hz AM信号与30Hz FM信号同相30Hz基准相位信号：sint 中国民航大学 CAUC一、DVOR信标的辐射场（2）3.5 DVOR信标的工作原理 30Hz基准相位信号（30Hz AM）： sint 30Hz AM信号与30Hz FM信号相位之间的关系在N方向，30Hz AM信号与30Hz FM信号同相30Hz可变相位信号（30Hz FM）： sin(t +)在非N方向，30Hz FM信号的相位总是超前30Hz AM信号的相位。 30Hz AM信号与30Hz FM信号之间的相位差代表飞机的磁方位（或称为VOR径向角）中国民航大学 CAUC3.5

12、DVOR信标的工作原理 一、DVOR信标的辐射场（3）DVORN30Hz AM tt30Hz FM =0tttttto o o 30Hz AM o =9030Hz AM 30Hz FM 30Hz FM =180o o 30Hz AM 30Hz FM o o =270中国民航大学 CAUC3.5 DVOR信标的工作原理 一、DVOR信标的辐射场（4）e (t)= Em1+m Asint+mfcosst+kfcos(t+)cost 调频副载波e(t)=Em1+m Bg0(t)+mCgm(t)+mAsint+mfcos st+kfcos( t+)cost 话音信号 键控1020Hz识别音频信号 中国

13、民航大学 CAUC3.5 DVOR信标的工作原理 一、DVOR信标的辐射场（5）载波频率：f =108.00117.95MHz 副载波频率:FS=9960Hz1% 30Hz AM、30Hz FM信号频率：F=30Hz1%（=2F） 调频指数：kf=2R/=161（即最大频偏Fm=480Hz30Hz） mA=30%2%，mf=30%2%，m B最大不超过30% ， m C尽量接近（但不超过）10% e(t)=Em1+m Bg0(t)+mCgm(t)+mAsint+mfcos st+kfcos( t+)cost 话音信号 键控1020Hz识别音频信号 识别音频频率：1020Hz50Hz 中国民航不

14、使用DVOR的话音功能 中国民航大学 CAUC3.5 DVOR信标的工作原理 一、DVOR信标的辐射场（6） DVOR的RF辐射场（不包括话音和识别）调频副载波中国民航大学 CAUC3.5 DVOR信标的工作原理 DVOR辐射场的幅度谱 （不包括话音）一、DVOR信标的辐射场（7）中国民航大学 CAUC3.5 DVOR信标的工作原理 二、DVOR信标的工作过程（1）调幅电路功放载波发生器N模拟开关1020Hz音频信号发生器Morse码发生器30Hz AM信号发生器上边带振荡器f+9960Hz下边带振荡器f-9960Hz功放功放开关网络12523242627234748RcostoUSBLSBg

15、m(t)sintiL(t)iU(t)USBLSB取样载波载波发射机边带发射机中国民航大学 CAUC3.5 DVOR信标的工作原理 二、DVOR信标的工作过程（2） 1.天线系统（1）载波天线： 1个边带天线： 48个，50个，52个监视天线： 1个或2个（折叠式偶极子天线 ）阿尔福特（Alford）天线 水平面垂直面顶空盲区中国民航大学 CAUC3.5 DVOR信标的工作原理 二、DVOR信标的工作过程（3） 1.天线系统（2）（直径约30.5m） 相邻的两个边带天线相距7.5 中国民航大学 CAUC3.5 DVOR信标的工作原理 二、DVOR信标的工作过程（4） 1.天线系统（3）中国民航大

16、学 CAUC3.5 DVOR信标的工作原理 二、DVOR信标的工作过程（5） 1.天线系统（4）天线直径布设边带天线的圆周直径的计算 取VOR工作频率范围的中间值fT=113MHz，则= 2.65m 。 Kf 取其标称值16。 D=13.5m中国民航大学 CAUC3.5 DVOR信标的工作原理 二、DVOR信标的工作过程（4） 1.天线系统（5）地网地网直径一般在30.5米左右中国民航大学 CAUC3.5 DVOR信标的工作原理 二、DVOR信标的工作过程（4） 1.天线系统（5）地网中国民航大学 CAUC3.5 DVOR信标的工作原理 二、DVOR信标的工作过程（6）e0(t)=Em01mA

17、sintmf1gm(t)cost 键控1020Hz识别音频 2.辐射场的形成（1） 1）载波天线的辐射场调幅电路功放载波发生器N模拟开关1020Hz音频信号发生器Morse码发生器30Hz AM信号发生器12523242627234748RcostoUSBLSBgm(t)sint载波发射机2.辐射场的形成（1）载波天线的辐射场中国民航大学 CAUC3.5 DVOR信标的工作原理 二、DVOR信标的工作过程（7）N上边带振荡器f+9960Hz下边带振荡器f-9960Hz功放功放开关网络12523242627234748RoUSBLSBiL(t)iU(t)USBLSB边带发射机2.辐射场的形成（2

18、）iU(t)=Im cos(+s)t 以旋转iL(t)=Im cos(s)t 以旋转边带天线的辐射场中国民航大学 CAUC3.5 DVOR信标的工作原理 2.辐射场的形成（3）边带天线的辐射场二、DVOR信标的工作过程（8）同步旋转USB、LSB信号在方向的辐射场便为eUL(t) UL中国民航大学 CAUC3.5 DVOR信标的工作原理 2.辐射场的形成（4）二、DVOR信标的工作过程（9）DVOR信标在方向的辐射场e(t)=e0(t)+eUL(t) = Em01+mAsint+mf1gm(t)+ mf cosst+kf cos( t+)cost 中国民航大学 CAUC3.5 DVOR信标的工

19、作原理 3.边带天线的馈电 （1）二、DVOR信标的工作过程（10）奇混合函数： fo(t)=sin21440t 偶混合函数： fe(t)=cos21440t fo(t)+ fe(t) =1 中国民航大学 CAUC3.5 DVOR信标的工作原理 二、DVOR信标的工作过程（11）3.边带天线的馈电 （2）A1B1C1D1A2B2C2D2调幅电路LSB振荡器f9960Hz功放USB振荡器f+9960Hz功放调幅电路奇、偶混合函数产生器奇、偶混合函数奇、偶混合函数取样载波奇LSB偶LSB奇USB偶USB1232628224252722中国民航大学 CAUC3.5 DVOR信标的工作原理 二、DVO

20、R信标的工作过程（12）3.边带天线的馈电 （3）间隔1/720 S依次接通中国民航大学 CAUC3.5 DVOR信标的工作原理 二、DVOR信标的工作过程（12）3.边带天线的馈电 （3）间隔1/1440S后2天线接通，间隔1/720S依次接通中国民航大学 CAUC3.5 DVOR信标的工作原理 二、DVOR信标的工作过程（12）3.边带天线的馈电 （3）中国民航大学 CAUC3.5 DVOR信标的工作原理 二、DVOR信标的工作过程（12）3.边带天线的馈电 （3）中国民航大学 CAUC3.5 DVOR信标的工作原理 二、DVOR信标的工作过程（12）3.边带天线的馈电 （3）中国民航大学

21、 CAUC3.5 DVOR信标的工作原理 4.载波、上边带与下边带之间的关系 （1）二、DVOR信标的工作过程（14） DVOR信标在方向的辐射场e(t)=Em01+mAsint+mf1gm(t)+ mf cosst+kf cos( t+)cost sint，gm(t) 对载波的调幅是在机内实现的；cosst+kf cos( t+)对载波的调幅是在空间叠加实现的，是由辐射的USB、LSB及载波三者在空间叠加而成的。N12523242627234748oUSBLSBf中国民航大学 CAUC3.5 DVOR信标的工作原理 4.载波、上边带与下边带之间的关系 （2）二、DVOR信标的工作过程（15）

22、 调幅波的性质调制信号u(t)=Ucos(t+) ，载波uc(t)=Uccos(ct+c) u(t)=Uc1+macos(t+)cos(ct+c) =Uccos(ct+c)+0.5maUccos(c+)t+(c+) +0.5maUccos(c)t+(c) 中国民航大学 CAUC3.5 DVOR信标的工作原理 4.载波、上边带与下边带之间的关系 （3）二、DVOR信标的工作过程（16） 调幅波的性质u(t)=Uccos(ct+c)+0.5maUccos(c+)t+(c+) +0.5maUccos(c)t+(c) 幅度关系：上、下两个边带信号的幅度相等，且ma=2Us/Uc1，Us为边带信号的幅度

23、。频率关系：调幅信号有3个频率分量，即载波c ，上边频c+和下边频c 。相位关系：1=t+， 2=t ，2=1，即USB超前（滞后）载波的相位等于LSB滞后（超前）载波的相位。中国民航大学 CAUC3.5 DVOR信标的工作原理 4.载波、上边带与下边带之间的关系 （4）二、DVOR信标的工作过程（17） 调幅波的矢量图表示0.5maUc0.5maUcOACBUcRcOA表示载波矢量OB表示USB矢量OC表示LSB矢量OA+OB=R中国民航大学 CAUC3.5 DVOR信标的工作原理 4.载波、上边带与下边带之间的关系 （5）二、DVOR信标的工作过程（18） DVOR信标中，三个频率分量之间

24、的关系辐射的USB： uU(t)=UUmcos(c+s) t+U 辐射的LSB： uL(t)=ULmcos(c-s) t - L 辐射的载波： uc(t)=Ucmcosct sUUmULOACBUcmRcsULm要使： uU(t) + uL(t) + uc(t) = AM，则要求：三个频率分量： c，c+s ，c-s幅度关系：UUm=ULm=Um相位关系：U = L中国民航大学 CAUC3.5 DVOR信标的工作原理 4.载波、上边带与下边带之间的关系 （6）二、DVOR信标的工作过程（19） 如何判断U = L ？调幅接收机示波器DVOR监控天线调幅接收机的输出送至示波器，作为判断U 是否与

25、 L相等的监视信号；sUUmULOACBUcmRcsULmR，180C，R，=OB+OC ，R=OB+OC将LSB矢量OC滞后180，得矢量OC ，； 若U=L ，则R，OA，此时示波器显示的为直流信号。若示波器显示的为直流信号，说明U=L ；若示波器显示的不为直流信号，则调整U ，一直到示波器显示为直流信号；去除对LSB矢量的180滞后，恢复OC。中国民航大学 CAUC3.6 VOR机载系统一、VOR机载系统应完成的任务给出预选航道； 保证飞机沿预选的航道飞行； 自动测定相应角度（方位）。 中国民航大学 CAUC3.6 VOR机载系统二、VOR航道（1）有方向的并且方向可以互易的VOR径向线

26、 VOR航道可用OBS来定义，或用OBS定义预选航道。 NVOROBSNVOROBS中国民航大学 CAUC3.6 VOR机载系统二、VOR航道（2）NNVOR-AVOR-B609030OBS= 6090中国民航大学 CAUC3.6 VOR机载系统三、VOR机载接收机（1）1.框图 中国民航大学 CAUC3.6 VOR机载系统三、VOR机载接收机（2）2.关键点信号 u1(t)=Um11+mAsint+mf1gm(t)+ mf cosst+kf cos( t+)cos2t 第二中频，典型值为168.5kHz u2(t)=Um21+mAsint+mf1gm(t)+ mf cosst+kf cos(

27、 t+)u3(t)=Um3sintu4(t)=Um4cosst+kf cos( t+)u5(t)=Um5sin( t+)u6(t)=Um6sin( t+OBS)u7(t)=Um7sin( t+OBS/2)中国民航大学 CAUC3.6 VOR机载系统三、VOR机载接收机（3）3.航道偏离指示（1） u3(t)=Um3sintu6(t)=Um6sin( t+OBS)u1d(t)=K1dsin(OBS)驱动水平状态指示器（HSI）的航道偏离杆 中国民航大学 CAUC3.6 VOR机载系统三、VOR机载接收机（4）3.航道偏离指示（2） 中国民航大学 CAUC3.6 VOR机载系统三、VOR机载接收机（5）3.航道偏离指示（3） 中国民航大学 CAUC3.6 VOR机载系统三、VOR机载接收机（6）3.航道偏离指示（4） NDVOROBS= A