VRB-53D型多普勒甚高頻全向信標(biāo)導(dǎo)航原理與 設(shè)備結(jié)構(gòu)的研究

王鵬云

摘 要：以DVOR的基本導(dǎo)航原理為基礎(chǔ)，重點(diǎn)研究了VRB-53D載波及邊帶調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生過(guò)程，并使用MATLAB進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，對(duì)邊帶天線發(fā)射信號(hào)的融合波瓣圖進(jìn)行仿真，從VRB-53D的設(shè)備結(jié)構(gòu)與信號(hào)流程方面分析了該設(shè)備的優(yōu)勢(shì)與不足。

關(guān)鍵詞：VRB-53D;DVOR;調(diào)制信號(hào);多普勒效應(yīng);波瓣圖

中圖分類號(hào)：V351.37;V355.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）01-0020-03

Research on VRB-53D Doppler VHF Omnidirectional Beacon

Navigation Principle and Equipment Structure

WANG Pengyun

（Civil Aviation Henan Aviation Administration，Zhengzhou Henan 450019）

Abstract： Firstly， based on the basic navigation principle of DVOR， this paper focused on the generation process of VRB-53D carrier and sideband modulation signal， and used MATLAB to build mathematical model to simulate the fusion lobe pattern of sideband antenna transmitting signal. Finally， the advantages and disadvantages of VRB-53D were analyzed from the aspects of equipment structure and signal flow.

Keywords： VRB-53D;DVOR;modulation dignal;Doppler effect;lobe pattern

1 導(dǎo)航設(shè)備現(xiàn)狀

無(wú)線電導(dǎo)航作為現(xiàn)代航空的基石之一，即利用各種機(jī)載設(shè)備通過(guò)處理攜帶導(dǎo)航參數(shù)的無(wú)線電波來(lái)定位航空器。地基無(wú)線電導(dǎo)航作為傳統(tǒng)的導(dǎo)航手段，按照所測(cè)集合參量可以分為測(cè)角、測(cè)距、測(cè)距和差系統(tǒng)。

多普勒甚高頻全向信標(biāo)（DVOR）是近年來(lái)民航應(yīng)用最廣泛的近程無(wú)線電測(cè)角導(dǎo)航系統(tǒng)，部署基本與主要航線航路點(diǎn)一致。目前，國(guó)內(nèi)主流的DVOR設(shè)備主要由INDRA、ALCATEL以及THALES等廠家生產(chǎn)，基本原理大體相同。本文從DVOR信號(hào)結(jié)構(gòu)和生成過(guò)程入手，對(duì)INDRA的最新型號(hào)VRB-53D設(shè)備結(jié)構(gòu)及信號(hào)流程進(jìn)行分析，并與其他型號(hào)DVOR產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)劣對(duì)比。

2 多普勒效應(yīng)原理

物體輻射的波長(zhǎng)因?yàn)榘l(fā)射方和接收方的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生變化。接收的頻率與發(fā)射信號(hào)的原始頻率的差值稱作多普勒頻移。實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)射天線與接收天線未必是在一維直線上進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)，更多的是進(jìn)行二維平面中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。這需要根據(jù)二者的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)行速度的矢量分解，取所需要的二者一維連線上的相對(duì)速度。如果接收方固定，發(fā)射方運(yùn)動(dòng)，那么二者的相對(duì)速度可以用[Vd=Vcosα]表示（[α]是速度矢量與二者連線的夾角），由此產(chǎn)生一個(gè)多普勒頻移：

[fd=Vdcft=Vcosαcft]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

多普勒甚高頻全向信標(biāo)的核心是利用多普勒效應(yīng)，產(chǎn)生一個(gè)天線不同方位對(duì)應(yīng)數(shù)值不同的頻移值，由機(jī)載設(shè)備解出相關(guān)的方位信息。

3 調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生

多普勒甚高頻全向信標(biāo)臺(tái)通過(guò)模擬旋轉(zhuǎn)邊帶天線產(chǎn)生可變相位信號(hào)。假設(shè)機(jī)載接收機(jī)靜止，由于飛機(jī)到邊帶天線的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于邊帶圓周的半徑，而飛機(jī)的高度又遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于天線的架高，則二者連線近似平行于飛機(jī)與DVOR地面站圓心的連線。如果以磁北的方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，做圓周運(yùn)動(dòng)的邊帶天線的相對(duì)速度進(jìn)行矢量分解，可得到徑向分量[VcosΩt]和[VsinΩt]，多普勒頻移[fd=Vdcft=VsinΩtcft]。

當(dāng)飛機(jī)并不位于磁北方向時(shí)，需要給上述多普勒頻移添加一初相角[θ]，[θ]為以此地面站為參考的飛機(jī)航向角。此時(shí)，可以把多普勒頻移表示為[fd=fdmsinΩt+θ]。

此多普勒頻移是一個(gè)關(guān)于時(shí)間t的函數(shù)，算式中其他變量均為常數(shù)。也就是說(shuō)，多普勒頻移會(huì)根據(jù)全向信標(biāo)邊帶天線輻射點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)而發(fā)生變化。設(shè)邊帶天線的載波是頻率w的正弦波[it=isinwt]，那么邊帶信號(hào)實(shí)際上就變成了被[fd]調(diào)制的FM信號(hào)，則其相位就是對(duì)頻率的積分。

4 基于Matlab的邊帶波瓣圖仿真

VRB-53D型DVOR邊帶天線采用正弦平方混合函數(shù)，其頻譜分布可以恰好限制在有用的通頻帶之內(nèi)。上邊帶和下邊帶信號(hào)分別由4個(gè)邊帶天線的發(fā)射信號(hào)混合而成。其中，中間2個(gè)邊帶天線由邊帶信號(hào)驅(qū)動(dòng);左右相鄰的2個(gè)邊帶天線由補(bǔ)償信號(hào)驅(qū)動(dòng)，用以消除天線之間不必要的耦合[1]。

邊帶信號(hào)也需要被調(diào)制，因?yàn)榘l(fā)射信號(hào)不是簡(jiǎn)單地從一個(gè)天線切換到另一個(gè)天線。當(dāng)發(fā)射信號(hào)在任何給定天線處達(dá)到最大值時(shí)，其他相鄰天線均不再發(fā)射。隨著下一個(gè)天線功率開(kāi)始增加，先前天線的功率開(kāi)始減少。當(dāng)新天線達(dá)到最大值時(shí)，先前的天線功率降低到0，下一個(gè)天線開(kāi)始發(fā)射信號(hào)，這個(gè)過(guò)程被稱為混合，通過(guò)適當(dāng)?shù)谹M調(diào)制邊帶信號(hào)來(lái)執(zhí)行。在VRB-53D型DVOR中，混合功能包括每邊帶4個(gè)天線。雖然改進(jìn)型阿爾福特天線本身是全向的，但是當(dāng)2個(gè)這樣的天線輻射時(shí)，得到的天線方向圖將變成定向。為了最小化這種影響，當(dāng)2個(gè)中間天線輻射時(shí)，外部的2個(gè)天線會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的輻射，以補(bǔ)償改變的波瓣圖。

圖1給出了在MATLAB中使用正弦平方函數(shù)作為混合函數(shù)的2對(duì)上下邊帶天線混合信號(hào)的仿真波瓣圖。圖中最大的圓的半徑是固定的，表示相鄰的兩根邊帶天線場(chǎng)強(qiáng)疊加后的結(jié)果是持續(xù)穩(wěn)定的;圖中的小圓的半徑是隨著時(shí)間變化的，代表天線的場(chǎng)強(qiáng)值按正弦平方函數(shù)的規(guī)律變化。

邊帶信號(hào)波瓣圖MATLAB模型源碼如下所述：

gain=1;%天線最大增益

a=360/48;

r=13.5/2;

p1_x=-r*sin（deg2rad（a/2））;

p1_y=r*cos（deg2rad（a/2））;%1單元坐標(biāo)

p2_x=-p1_x;

p2_y=p1_y;%2單元坐標(biāo)

p25_x=-p1_x;

p25_y=-p1_y;%25單元坐標(biāo)

p26_x=p1_x;

p26_y=-p1_y;%26單元坐標(biāo)

N=1000;%時(shí)間間隔

M=0;%調(diào)試起始位置

t=1/720/N*M：1/720/N：1/720;

gain1=gain*sin（1440*pi*t）.^2;%1單元添加激勵(lì)后的瞬時(shí)增益

gain2=gain*cos（1440*pi*t）.^2;%2單元添加激勵(lì)后的瞬時(shí)增益

gain25=-gain*sin（1440*pi*t）.^2;%1單元添加激勵(lì)后的瞬時(shí)增益

gain26=-gain*cos（1440*pi*t）.^2;%2單元添加激勵(lì)后的瞬時(shí)增益

%%上邊帶

theta=0：pi/100：2*pi;

r1_x=gain1（1）*cos（theta）;

r1_y=gain1（1）*sin（theta）;

r2_x=gain2（1）*cos（theta）;

r2_y=gain2（1）*sin（theta）;

pu_x=（gain1（1）*p1_x+gain2（1）*p2_x）/（gain1（1）+gain2（1））;

pu_y=（gain1（1）*p1_y+gain2（1）*p2_y）/（gain1（1）+gain2（1））;%1

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圖1 基于MATLAB的邊帶波瓣圖

5 VRB-53D設(shè)備結(jié)構(gòu)與信號(hào)流程

本文給出全向信標(biāo)基本原理框圖（如圖2所示）和VRB-53D型多普勒全向信標(biāo)結(jié)構(gòu)框圖（如圖3所示）。通過(guò)對(duì)比二者可以發(fā)現(xiàn)，53D型DVOR的核心是SGU，產(chǎn)生9個(gè)信號(hào)——基準(zhǔn)信號(hào)、4個(gè)上邊帶和4個(gè)下邊帶信號(hào)，并為ADS中進(jìn)行的邊帶信號(hào)的混合提供開(kāi)關(guān)和時(shí)序同步信號(hào)。SGU將30Hz AM調(diào)制應(yīng)用于參考信號(hào)，以提供參考相位信息，同時(shí)將生成電臺(tái)識(shí)別所需的識(shí)別音幅度調(diào)制到參考信號(hào)上。所有8個(gè)邊帶信號(hào)都經(jīng)過(guò)了幅度和相位調(diào)制，以創(chuàng)建平滑的混合函數(shù)來(lái)模擬旋轉(zhuǎn)信號(hào)[2]。SGU可以被配置為一個(gè)獨(dú)立的發(fā)射器，這時(shí)它會(huì)產(chǎn)生識(shí)別碼，也提供與DME識(shí)別碼同步的接口。

SPA和RPA的主要功能是分別將SGU輸入的邊帶信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)放大至能被天線發(fā)射的功率后送往ADS。在SGU的同步信號(hào)作用下，ADS將2個(gè)SPA輸出的8路邊帶信號(hào)依次傳送到48個(gè)邊帶天線上。

得益于包含閃存和FPGA的數(shù)字電路，53D的每個(gè)模塊都包含一組與本地監(jiān)控、數(shù)據(jù)記錄和自身報(bào)告相關(guān)的子系統(tǒng)。它可以發(fā)出主要告警和次要告警，也可以關(guān)閉模塊。設(shè)備監(jiān)控子系統(tǒng)獨(dú)立處理輻射信號(hào)的樣本，并在系統(tǒng)級(jí)測(cè)量DVOR信號(hào)的一些參數(shù)。如果其中一個(gè)被監(jiān)控的參數(shù)超出容限，CMU將提供故障信號(hào)。該單元控制系統(tǒng)的整體運(yùn)行，可根據(jù)預(yù)定策略確定哪種情況會(huì)導(dǎo)致故障指示或站點(diǎn)關(guān)閉。此外，MRU測(cè)量30Hz AM和FM信號(hào)之間的相位差，并將其轉(zhuǎn)換成角度方位，在網(wǎng)頁(yè)讀數(shù)上顯示結(jié)果。

6 結(jié)語(yǔ)

相較其他型號(hào)DVOR和傳統(tǒng)CVOR，VRB-53D的優(yōu)勢(shì)非常明顯。譬如，可以通過(guò)數(shù)字電路靈活準(zhǔn)確產(chǎn)生發(fā)射頻率，使得邊帶射頻源的模擬旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)更加精確，本地及遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)施更加優(yōu)良等。但是，在實(shí)際使用過(guò)程中，限于它的機(jī)框排布結(jié)構(gòu)，數(shù)字模塊與模擬模塊沒(méi)有顯著的隔離，特別是RPA工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的熱量，如果散熱不暢可能會(huì)影響周邊模塊，導(dǎo)致整體性能下降。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭連興，倪育德.DVOR VRB-51D多普勒全向信標(biāo)[M].北京：中國(guó)民航出版社，1997.

[2]鞠苓.DVOR邊帶信號(hào)混合函數(shù)的優(yōu)劣分析[J].電子技術(shù)與軟件工程，2014（22）：68-69.