无线电导航系统（第2版）课件 第3、4章 超短波定向系统、伏尔系统

超短波定向系统通信与导航专业系列教材无线电导航系统(第2版)第三章01概述超短波定向系统是一种以机载超短波通信电台发射的通信信号作为信源，利用电磁波辐射的方向性，通过测量来波方向给出飞机所在方位的系统，所以这种定向系统又称为航空通信定向系统。由于该系统由地面设备导出导航参量，并通过该系统中的通信设备告知飞行员，因此它是一种地基被动式无线电导航系统。超短波定向系统主要应用在军事领域，在民用航空中不使用这种系统。概述系统组成、功能与配置超短波定向系统由机载设备与地面设备两部分组成。机载设备为超短波通信电台，它既是与机场塔台或对空台进行通信联络的通信设备，也是定向系统用于定向的信源设备，并与定向台配备的通信电台构成定向信息的传送通道。机载电台不需要专门发射用于定向的信号，而是每当与地面的任何电台进行通信联络时，只要工作波道与调制方式设置相同，定向台均能实现对机载电台的定向测量，也就是说，地面定向台利用机载电台发射的语音通信信号即可完成定向。概述超短波定向系统组成如图3-1所示。概述地面超短波定向机通常与精密进场雷达配置在一起，架设在跑道中段一侧；也可配置在跑道中线延长线上，距远距导航台前后300~500m的地方。其典型配置图如图3-3所示。概述系统应用超短波定向系统主要应用于：一是测定飞机方位角；二是利用测定的飞机方位角与向台飞行时的飞机航向角特定关系，向飞机通报返航航向。系统发展由于超短波定向系统不需要专门的机载设备，其换代更新不受机载设备的限制。因此，超短波定向系统更适合于军事用途，在应用过程中其系统体制及实现技术都有所发展，具体可分为两个阶段。“”概述表3-1对几种体制的超短波定向系统性能进行了比较。概述（4）定向精度受阵地条件、电磁环境影响较大。超短波通信定向系统有以下特点：（5）定向时地面导出导航参数，以通信方式告知飞行员，属于被动式导航，且隐蔽性差。（1）定向直观、迅速和使用方便。（2）不需要专门配套的机载设备。（3）工作频率在超短波范围内，定向距离受到视距传播的限制。概述02系统工作原理从体制上看，早期的超短波定向系统采用的是振幅式M型测角原理，而新型超短波定向系统采用了准多普勒相位式测角原理，保密定向机则采用干涉法进行测角。测角原理系统工作原理天文学家多普勒（Doppler）在观察天体时发现，当所观测的星体朝向地球运动时其发光的颜色呈蓝色，而当星体背向地球运动时呈红色，这一现象后来被归结为光波长的变化，并通过相对运动的无线电收发双方接收频率的变化得以证实，即当电台的发射天线与接收机的接收天线存在相对运动时，接收机接收信号频率将不再与发射信号频率相等，而是存在一个偏差，偏差大小由径向（收发双方连线方向）运动速度以及发射信号频率决定，偏差相对于发射信号频率的正负号由径向运动方向确定。系统工作原理多普勒相位式测角就是利用收发天线相对运动产生的多普勒效应进行角度测量的，超短波定向系统的多普勒相位式测角原理示意图如图3-4所示。系统工作原理信号格式超短波定向系统使用的无线电信号是机载通信电台的语音信号，因此其系统的信号格式比较简单，就是一个语音调幅信号。与中波导航系统的无线电罗盘类似，超短波定向系统的角度测量主要是在定向机内通过一定形式的信号处理实现的。系统工作原理超短波定向机的信号处理模型如图3-5所示。系统工作原理天线选通信号产生器依次产生选通圆阵天线接收阵元的打通信号，以实现天线在圆周上做步进式旋转。天线选择开关保证同一时刻只有一个阵元接收信号，并将不同时刻、不同阵元接收的信号合并成一路信号输出到接收解调器。接收解调器对信号进行放大、混频、滤波、自动频率控制（AFC）以及鉴相，输出定向信号。系统工作原理信号处理器对鉴相器输出的定向信号与天线选通信号产生器输出的基准信号进行相位比较，得到测量的角度信息，并将角度信息转换成用于显示的显示码，在显示终端显示。系统工作原理03系统技术实现由前面的讨论可知，超短波定向系统与大多数无线电导航系统一样，由机载设备与地面设备两大部分组成。其不同之处是，它没有专门的机载设备，而是由机载通信电台发射的语音调制信号兼作地面定向设备的信号源。地面设备不仅需要具备测向功能，而且还需具备将测量的角度信息告知给飞行员的功能。系统技术实现这种采用准多普勒相位式测角的超短波定向系统，其地面设备（定向机）组成框图如图3-6所示。系统技术实现圆阵天线在定向机输出的天线选通脉冲控制下，由依次选通的天线阵元接收机载电台发射的语音调制信号，并使接收信号变成受天线旋转和语音调制的双调制信号，飞机方位信息包含在受天线旋转调相的初始相位之中；发信天线用于发射通信信号；校准天线与定向机采用65m长的射频电缆连接，发射用于对地面设备进行校准的等幅波信号。系统技术实现地面设备（某型超短波定向机）的具体技术实现框图如图3-7所示。系统技术实现圆阵天线在定向机产生的天线选通信号的作用下，接收飞机电台发射的信号，该信号在通信电台中经前置放大、混频（输出中频为10.7MHz）、放大滤波以及二次混频处理，输出频率为455kHz的中频信号，信号被分成两路：一路在电台内部经中放与包络检波，解调出语音信号，该信号经低通滤波、低频放大以及功率放大，从扬声器输出语音；另一路送入到定向机的解调器单元。系统技术实现在该单元中对信号进行放大、混频（输出频率为310kHz）、滤波、AFC（自动频率控制）电路、限幅倒相后，由PLL（锁相环）电路对信号进行鉴相，得到定向信号，该信号经消噪、滤波以及判决等处理，输出135Hz的方波定向信号（占空比50%），该信号送到定向机的控制器单元。在解调器单元中，AFC电路用于克服飞机运动以及发射机的热噪声引起的载频漂移。由于飞机方位信息包含在调相信号的初始相位中，限幅倒相器用于将受语音调制的调幅波变成等幅波，以减小调幅对鉴相的影响。系统技术实现伏尔系统通信与导航专业系列教材无线电导航系统(第2版)第四章01概述伏尔是甚高频全方位测向（VeryHighFrequeneyOmnidirectionalRange）英文缩写VOR的汉语音译名称。伏尔系统是一种由机载设备直接导出导航参量的近程无线电导航测角系统，属于他备式主动导航系统，导出的导航参量是飞机相对于伏尔信标台的磁方位角（即飞机磁方位角）。概述系统组成、功能与配置伏尔系统由地面设备和机载设备两大部分组成。地面设备是伏尔信标，工作在108~118MHz甚高频频段，在360°范围内发射方位信号，故又称为全向信标；与之配套的机载设备称为伏尔接收机，采用无方向性接收天线，测量的角度信息用表头予以指示或输送给机上计算机。概述图4-1是伏尔系统组成示意图。概述伏尔系统的功能是通过机载伏尔接收机接收地面伏尔信标发射的信号，经处理获得飞机相对于伏尔信标台的磁方位角，在空中给飞机提示飞行方向，以引导飞机沿着预定的航线飞行。在现代飞机上，可以预先把沿航线的各个VOR地面台的位置、发射频率、应飞的航线等逐项输入飞行管理系统或自动飞行系统，在计算机的控制下，飞机就按输入的数据自动飞行，并最后到达目的地。概述（1）机载伏尔接收机指示器和磁罗盘复合，利用测得飞机相对于已知伏尔信标（已知工作频率、台位置、台识别信号）台的磁方位角，可方便地引导飞机出航、归航、沿航线飞行。（2）利用VOR系统可引导飞机沿着相对VOR信标台的任意方向飞行。（3）终端区域的伏尔信标和仪表着陆系统（ILS）的航向信标（LOC）安装在一起，利用和跑道中线一致的VOR-T台代替LOC，用跑道中线作为方位基准来指示飞机相对跑道的方位，对飞机进行着陆前的引导。概述（4）伏尔系统和测距器系统相结合，能够实现极坐标定位。（5）机载伏尔接收机在短时间内分别接收来自两个已知伏尔信标台的信号，分别测出飞机相对于两个伏尔信标台的磁方位角，便可得到两条直线位置线，其交点便是飞机位置，即实现双台定位。概述系统性能及特点：（1）伏尔信标辐射包含方位信息的信号。（2）伏尔系统可直接提供飞机相对于伏尔信标台的方位角。（3）由于伏尔系统工作于超短波的甚高频频段。（4）伏尔信标正常工作时对场地的要求较高。概述02系统工作原理伏尔系统实质是一种近程无线电导航测角系统，采用了相位式测角原理。其中，普通伏尔系统采用的是相位式旋转天线方向性图法测角原理，而多普勒伏尔系统采用了相位式旋转无方向性天线法测角原理。系统工作原理普通伏尔（CVOR）系统测角原理为旋转天线方向图的相位式测角，即通过旋转伏尔信标发射天线的方向图，在空中形成包含方位信息的调幅波信号，该调幅信号的包络信号电相位与飞机所在的方位角度具有一一对应的关系，在空中360°范围内的任一一架飞机上的机载伏尔接收机，通过对包络信号电相位的测量得到所在方位经线的角度值。测角原理系统工作原理普通伏尔信标天线的水平方向图为心脏形，其形状如图4-2所示。系统工作原理飞机在伏尔信标台的东、西、南、北四个典型方位时，机载接收机得到的可变相位信号与基准相位信号的相位关系如图4-3所示。系统工作原理多普勒伏尔系统测角原理多普勒伏尔（DVOR）系统是在CVOR系统的基础上发展起来的。相对于CVOR系统，DVOR系统有效减小了场地环境对辐射场型的影响，提高了测角精度。在第3章中已经提到，无线通信收发双方发生相对运动时，接收方获得的信号频率会发生偏移，即产生所谓的多普勒效应。系统工作原理CVOR系统信号格式由上面的测角原理可知，CVOR系统采用的是旋转天线方向图的相位式测角原理。工程实现中，为了由机载设备通过对接收信号进行处理，直接得到飞机相对于地面伏尔信标台的磁方位，地面信标需要产生包含两种信息的信号，即可变相位信号与基准相位信号。信号格式系统工作原理DVOR系统信号格式DVOR系统采用的是旋转无方向性天线的相位式测角原理。工程实现中，为了由机载设备通过对接收信号进行处理，直接得到飞机相对于地面伏尔信标台的磁方位，地面信标同样需要产生包含可变相位信息与基准相位信息的两种信号。由于DVOR是在CVOR的基础上发展起来的，为了保证同一机载VOR接收机能够对两种体制伏尔信标发射的信号兼容接收，其信号格式就要有所考虑。系统工作原理03系统技术实现地面设备伏尔系统的地面设备是伏尔信标，工作在108~118MHz甚高频频段。VOR信标向空中辐射的信号包含有用于角度测量的可变相位信号与基准相位信号、用于应急通信的语音信号以及用于台识别的识别码信号。其中识别码使用国际通用的莫尔斯电码，由两个或三个英文字母组成，每30s重复一次，其调制频率为1020Hz（±50Hz）。伏尔信标根据其信号产生的方法不同，又分为普通伏尔（CVOR）和多普勒伏尔（DVOR）信标。系统技术实现将传统的基准相位信号产生方法与上面的可变相位信号产生方法结合起来，即可得到CVOR信标的实现原理方案，工作方框图如图4-7所示。系统技术实现图4-8为某机场DVOR台外形。系统技术实现CVOR和DVOR系统采用同一形式的VOR机载接收指示设备