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1、,导航原理与系统,Navigation Principles and Systems,倪育德,中国民航大学,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 Systems,3.7 VOR机载系统,3.3 VOR在导航中的应用,中国民航大学 CAUC,3.1 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
2、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,中国民航大学 CAUC,3.1 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；,我国民航已建设DVOR 370余套，DVOR/DME 17
3、0余套。,二、中国民航使用VOR的情况,中国民航大学 CAUC,3.1 概 述,三、VOR的发展趋势,中国民航大学 CAUC,一、工作频段与频道分配（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）,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。,中国民航大学 CAUC,3.2 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
4、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 CAUC,3.2 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VO
5、R：P=50W，R=25nm。,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 CAUC,3.3 VOR在导航中的应用,一、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,中国民航大学 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 CAUC,3.3 VOR在导航中的应用,三、利用VOR/DME实施近进,中国民航大学 CAUC,VOR系统的基本原理,中国民航大学 CAUC,VO
6、R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,基准相位信号波形可变相位信号的发射用30Hz对载波调幅，相位随VOR台的径向方位而变化,中国民航大学 CAUC,合成辐射场为旋转的心形方向性图,中国民航大学 CAUC,V OR空间合成信号波形图,中国民航大学 CAUC,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，9960
7、HZ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,中国民航大学 CAUC,3.4 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,fd与运动速度v成正比,中国民航大学 CAUC,3.4 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
8、射天线远离接收天线在同一直线上运动,fd与运动速度v成正比,中国民航大学 CAUC,3.4 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，发射天线绕圆周运动（1）,中国民航大学 CAUC,3.4 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=vRsint,fdm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 CAUC,3.4 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）,中国民航大学 CAUC,二、30Hz可变相位信号的产生（1）
9、,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 CAUC,3.4 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 CAUC,3.5 DVOR信标的工作原理,图片说明：DVOR常与测距机（DME）信标合装在
10、同一台站。图中在圆周上布置的天线为DVOR天线，旁边直立的有一个是DME信标的天线。,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,30Hz 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3
11、0Hz 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 CAUC,3.5 DVOR信标的工作原理,一、DVOR信标的辐射场（3）,中国民航大学 CAUC,3.5 DVOR信标的工作原理,一、DVOR信标的辐射场（4）,中国民航大学 CAUC,3.5 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
12、、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%,识别音频频率：1020Hz50Hz,中国民航不使用DVOR的话音功能,中国民航大学 CAUC,3.5 DVOR信标的工作原理,一、DVOR信标的辐射场（6）,中国民航大学 CAUC,3.5 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 CAUC,3.5 DVOR信标的工作原理,二、DVOR信标的工作过程（1）,中国民航
13、大学 CAUC,3.5 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,中国民航大学 CAUC,3.5 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 CAUC,3.5 DVOR信标的工作原理,二、DVOR信标的工作过程（4）,1.天线系统（3）,中国民航大学 CAUC,3.5 DVOR信标的工作原理,二、DVOR信标的工作过程（5）,1.天线系统（
14、4）,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 CAUC,3.5 DVOR信标的工作原理,二、DVOR信标的工作过程（6）,2.辐射场的形成（1）,载波天线的辐射场,中国民航大学 CAUC,3.5 DVOR信标的工作原理,二、DVOR信标的工作过程（7）,2.辐射场的形成（2）,iU(t)=Im cos(+s)t,iL(t)=Im cos(s)t,边带天线的辐射场,中国民航大学 CAUC,3.5 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
15、（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 CAUC,3.5 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 CAUC,3.5 DVOR信标的工作原理,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 CAUC,3
16、.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）,中国民航大学 CAUC,3.5 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 CAUC,3.5 DVOR信标的工作原理,二、DVOR信标的工作过程（13）,3.边带天线的馈电（4）,中国民航大学 CAUC,3.5 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，
17、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。,中国民航大学 CAUC,3.5 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）,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 CAUC,3.5 DVOR信标的工作原理,4
18、.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。,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 CAUC,3.5 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
19、波的矢量图表示,OA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 CAUC,3.5 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,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 CAUC,3.5 DVOR
20、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？,调幅接收机的输出送至示波器，作为判断U 是否与 L相等的监视信号；,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 CAUC,3.6 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 CAUC
21、,3.6 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,VOR航道可用OBS来定义，或用OBS定义预选航道。,中国民航大学 CAUC,3.6 VOR机载系统,二、VOR航道（2）,中国民航大学 CAUC,3.6 VOR机载系统,三、VOR机载接收机（1）,1.框图,中国民航大学 CAUC,3.6 VOR机载系统,三、VOR机载接收机（2）,2.关键点信号,u2(t)=Um21+mAsint+mf1gm(t)+mf cosst+kf cos(t+),u3(t)=Um3sint,u4(t)=Um4cosst+kf cos(t+),u5(t)=Um5sin(t+),u
22、6(t)=Um6sin(t+OBS),u7(t)=Um7sin(t+OBS/2),中国民航大学 CAUC,3.6 VOR机载系统,三、VOR机载接收机（3）,3.航道偏离指示（1）,u3(t)=Um3sint,u6(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 CAUC,3.6 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 CAUC,3.6 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 CAUC,3.6 VOR机载系统,三、VOR机载接收机（
23、6）,3.航道偏离指示（4）,航道偏离杆永远偏向预选航道所在的方向；航道偏离指示与飞机的磁航向无关。,u1d(t)=K1dsin(OBS),中国民航大学 CAUC,右区,左区,三、VOR机载接收机（7）,3.航道偏离指示（5）,3.6 VOR机载系统,L1是左区、右区的分界线,中国民航大学 CAUC,3.6 VOR机载系统,三、VOR机载接收机（8）,4.向/背（To/From）台指示（1）,u3(t)=Um3sint,u7(t)=Um7sin(t+OBS/2),u2d(t)=K2dsin(OBS/2),驱动水平状态指示器（HSI）的向/背台指针,中国民航大学 CAUC,3.6 VOR机载系统
24、,三、VOR机载接收机（9）,4.向/背（To/From）台指示（2）,中国民航大学 CAUC,3.6 VOR机载系统,三、VOR机载接收机（10）,4.向/背（To/From）台指示（3）,L2是To区、From区的分界线；T/F指示与飞机的磁航向无关。,中国民航大学 CAUC,3.6 VOR机载系统,三、VOR机载接收机（11）,例：在飞机的预选航道为30或210时，分别说明HSI的航道偏离指示和向/背台指示。,中国民航大学 CAUC,3.6 VOR机载系统,三、VOR机载接收机（12）,5.方位的指示（1）,航道偏离指示、向/背台指示只与飞机的磁方位有关，而与包括飞机磁航向的其他角度无关,利用RMI指示飞机的方位、航向等信息,中国民航大学 CAUC,3.6 VOR机载系统,三、VOR机载接收机（13）,5.方位的指示（2）,u3(t)=Um3sint,u5(t)=Um5sin(t+),u3d(t)=K3dsin(+),驱动电机M,当u3d(t)=0时，M停止转动，则=+=VOR,RMI的指示与ADF信号驱动时的指示方式完全一样,中国民航大学 CAUC,3.6 VOR机载系统,三、VOR机载接收机（14）,5.方位的指示（3）,
