多普勒效应在甚高频全向信标中的应用浅析

2022-11-29

甚高频全方位无线电信标 (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。DVOR的工作原理是基于测量由导航台辐射的2个30Hz信号的相位。一个信号 (基准信号) 在所有方向上以相同相位发射, 第2个30Hz信号 (可变信号) 相对于第1个信号的相位关系则作为方位角的函数变化。在飞机接收机中测量到的电相位角对应于方位角。

使用安装在飞机中的VOR接收机, 飞行员能自VOR或D V O R无线电导航设备得到以下信息。

(1) 飞机位置相对于地面信标的方位角指示, 即在磁方向与飞机相对于地面信标的方向之间的角度。

(2) 指示飞机正飞行在预先选定的路线 (位置线) 的左或右的方位。

(3) 表明飞机正向着DVOR信标飞行或是背离它飞行的“背/向”指示。

图1为甚高频全向信标方位角 (见图1) 。

所谓VOR方位, 实际上是以飞机所在位置的磁北方位为基准, 顺时针方向转至飞机与地面VOR信标台之间连线的夹角θ。

1 多普勒甚高频全向信标的基本原理

多普勒甚高频全向信标 (DVOR) 和普通 (常规) 甚高频全向信标 (VOR) 相比有很多优点。因此, 目前国内外大量采用多普勒甚高频全向信标 (DVOR) , 并逐步取代普通甚高频全向信标 (VOR) 。多普勒甚高频全向信标是基于多普勒效应原理研制出的一种全向信标系统。

1.1 多普勒效应

多普勒效应就是由某种辐射源, 如声源、光源或其它波源等的运动或观察者的运动, 使观察者所接收的声频、光频或其它波的频率发生改变的一种现象。

多普勒效应的实质就是, 在辐射振荡源与接收点之间存在有相对运动时, 接收点所接收到的振荡信号的频率与辐射源辐射振荡信号的频率不相等, 两振荡信号之间的频率差与辐射源和接收点之间的径向运动速度分量成比例。辐射源振荡信号频率fT与接收点接收的振荡信号频率fR之间的差通常称做多普勒频率fD, 即:

因此, 辐射源与接收点之间只要存在相对运动, 接收频率就不等于辐射源频率。两者接近时, 接收频率大于辐射源频率;反之, 接收频率则小于辐射源频率。其频率差fD, 即多普勒频移与辐射源或接收点或两者的运动速度有关。

1.2 多普勒效应在全向信标中的应用

多普勒甚高频全向信标 (DVOR) 基于多普勒效应的原理, 将辐射信号源即天线以30r/s的速率围绕中心点O反时针方向旋转, 向空间辐射甚高频正弦波信号。从而可在空间足够远的任意方位上都可获得30Hz调制的甚高频调频信号。在顺时针方位上解调出的30Hz低频调制信号 (即多普勒效应fD) 的相位始终超前磁北方位, 解调出的30Hz低频调制信号, 超前的角度等于以磁北为基准各接收点所处的径向方位角。这个调频的低频30Hz调制信号被称做多普勒甚高频全向信标 (DVOR) 的30Hz可变相位信号。图2为接收点位于东、西、南、北方位时多普勒频移fD的相位关系 (见图2) 。

如果在旋转天线的中心O再设一个中央天线, 向空间全方位辐射一个被30Hz调制的甚高频调幅信号。其解调出调幅的低频30Hz调制信号被称为多普勒甚高频全向信标 (DVOR) 的30Hz基准相位信号。只要在设计安装上保证30Hz可变相位信号与30Hz基准相位信号在磁北方位同相, 那么, 任意方位上的飞机接收机就可以通过比较两个30Hz信号的相位实现全向信标的定向功能。

2 多普勒全向信标的作用原理

多普勒全向信标 (DVOR) 与普通 (常规) 全向信标 (VOR) 辐射的信号对机载接收机而言是兼容的。因此, 要求多普勒全向信标的辐射信号中也必须包含有30Hz可变相位信号和30Hz基准相位信号的成分, 即两个30Hz信号必须对辐射载波进行调制。但辐射信号的调制方式和形成过程有各自的特点。

2.1 可变相位信号的形成

多普勒全向信标中, 可变相位信号由圆周上二个位置相差180°对称的天线, 如图3所示的天线A和天线B, 分别辐射频率为 (f0+9960Hz) 和 (f0-9960Hz) 的二个信号, 且二天线同步反时针方向围绕中心点O以长度D/2半径并以30r/S速率旋转而产生的 (见图3) 。

2.2 基准相位信号的形成

在多普勒全向信标中, 基准相位是由机内的30Hz低频信号直接对载频f0进行调幅得到的调幅高频信号经位于旋转边带天线的中央天线向空间辐射而形成的。

该信号被任何方位上的机载接收机接收后, 经解调得到30Hz低频信号, 它在各方位上的相位是不变的, 故称30Hz基准相位信号。但为了使DVOR信标能实现准确的测向, 必须设法保证30Hz基准相位信号与30Hz可变相位信号在磁北方位始终同相。

由于多普勒全向信标还要发射自身的音频1020Hz莫尔斯码的识别信号和语音信号, 因此, 在发射机内还要由1020Hz莫尔斯码和语音音频对载波调幅, 也由中央天线向空间辐射。这样, 经中央天线向空间辐射的信号即为包含有三种音频 (30Hz、1020Hz、语音音频) 的调幅信号, 其频谱图见图4。

根据天线传播电磁波的理论可知, 9960Hz副载波是不能单独辐射的, 它必须要选加在载波f0上, 在多普勒全向信标中, 将被30Hz及音频调幅的载波由中央天线辐射, 而将f0+9960Hz上边频及f0-9960Hz下边频分别由旋转的上、下边带天线辐射, 根据空间调制的原理和多普勒效应的理论, 在空间或接收点就可获得一个复杂的调频调幅波, 即30Hz对9960Hz副载波的调频 (多普勒效应) , 该波再对载波调幅, 同时, 30Hz及1020Hz等音频对载波调幅。

经空间调制, 即到达接收点的空间合成信号, 只要保证载波及上、下边频的正确相位和幅度关系, 则空间合成的全DVOR信号的频谱即如图5。

2.3 多普勒全向信标的方位测定

多普勒全向信标与普通全向信标对机载V O R接收机而言方位测定原理是相同的, 即都是利用比较30Hz基准相位信号与30Hz可变相位信号的方位来实现测向的。但多普勒全向信标与普通全向信标的辐射信号是不同的, 那么, 机载接收机又如何实现对两者的兼容呢?

因为, 多普勒全向信标信号30Hz基准相位信号与30Hz可变相位信号在磁北接收方向上是同相的 (与普通全向信标情况相同) , 但当接收方位偏离磁北 (按顺时针方位) , 随着磁方位的增加, 30Hz可变相位信号的相位始终超前于30Hz基准相位信号, 超前的角度即为磁方位角。但对普通全向信标而言, 则相反, 即30Hz可变相位信号落后于30Hz基准相位信号。

但多普勒全向信标的30Hz可变相位信号是从全DVOR信号中的调频副载波中解调出的30Hz调频信号, 而30Hz基准相位信号是调幅载波中检波出的30Hz调幅信号, 普通全向信标的30Hz可变相位信号是30Hz调幅信号, 30Hz基准相位信号则为30Hz调频信号。

因此, 无论多普勒全向信标还是普通全向信标, 对机载接收机而言, 在同一接收方位上解调出的30Hz基准相位信号和30Hz可变相位信号都是30Hz调频信号超前于30Hz调幅信号, 其超前的角度是相同的, 即两个30Hz信号的相位差是相同的。所以机载接收机可以兼容两种不同制式的地面信标。

由于多普勒全向信标的可变相位信号部分采用调频方式辐射, 而普通全向信标的可变相位信号部分采用调幅方式辐射, 调频信号比调幅信号的抗干扰能力强, 信号较稳定, 所以, 采用多普勒全向信标可提高机载接收机的测量精度;此外, 多普勒全向信标的边带信号是由圆周上相差180°的不同位置上的上、下边带天线分别辐射不同频率的信号 (f0+9960Hz) 和 (f0-9960Hz) , 因此, 可以减小周围场地对信号的影响, 提高测量精度。

3 发展趋势

甚高频全向信标产生于20世纪40年代, 50年代与测距器联合工作为飞机提供距地面台的方位和距离, 现已是空中交通管制程序不可分割的一部分, 是陆地上无线电进程导航和非精密进场的国际标准设备。

美国现大约有950个甚高频全向信标/测距器地面台, 日本大约有61个甚高频全向信标/测距器地面台, 我国也有100多个甚高频全向信标/测距器地面台。由于全球卫星定位系统提供高可靠性、高精度和高完善的全球覆盖, 它可用于飞机的航线、终端和非精密进场阶段的飞行。这种星基导航系统使用单一的导航电子设备, 在全球的任何地方的所有空域都能为飞机导航, 由于它高精度和廉价性, 使得现有的陆基导航系统甚高频全向信标/测距器设施将逐渐被取代, 因此, 今后甚高频全向信标台不会显著增加。

摘要：甚高频全向信标是国际民航组织确定的标准近程导航设备, 本文主要介绍了甚高频全向信标的工作原理、基本功用及多普勒效应在甚高频全向信标中的应用其发展趋势, 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。

关键词：甚高频全向信标 (VOR) ,多普勒甚高频全向信标 (DVOR)