VOR信號量值溯源技術(shù)研究

何 昭， 張亦弛， 郭曉濤， 黃見明， 聶梅寧， 陶 毅

(中國計量科學(xué)研究院，北京 100029)

1 引 言

甚高頻全向無線電信標(very high frequency omni-directional range，VOR)是近距導(dǎo)航的主流系統(tǒng)。絕大多數(shù)現(xiàn)代軍民用飛機都配備有VOR接收機[1]。

VOR信號基于較為復(fù)雜的調(diào)頻(FM)/調(diào)幅(AM)混合調(diào)制，不能通過常規(guī)的射頻模擬信號發(fā)生器簡單合成，目前主要采用自定義直接數(shù)字合成的方式實現(xiàn)[2，3]。然而,這種VOR信號發(fā)生方式的準確度完全依賴高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器的精度，不僅難以準確分析其垂直分辨率、時鐘抖動、平滑濾波等因素帶來的誤差貢獻[4，5]，更重要的是無法實現(xiàn)VOR量值向國家計量基標準的有效溯源。

本文提出了一種實現(xiàn)VOR信號的新方法，基于相位發(fā)生器和調(diào)頻調(diào)幅設(shè)備建立了標準VOR信號發(fā)生裝置，將VOR相位量值溯源到國家相位基準，調(diào)幅深度量值溯源到國家衰減基準。

2 VOR信號基本原理

VOR系統(tǒng)于1949年被國際民航組織批準為國際標準的無線電導(dǎo)航設(shè)備，其射頻載波工作頻率為108.0～117.95 MHz。為了讓不同方位的飛機能夠根據(jù)各自接收到的VOR信號辨識機場相對自身的方位，機場所發(fā)射的VOR信號包含2個部分：一個同時向四面八方發(fā)射，通過9.96 kHz副載波FM調(diào)頻加載一個30 Hz的余弦波信息；另一個則以旋轉(zhuǎn)方式向外發(fā)射，其旋轉(zhuǎn)速度同步為30 r/s，并且當(dāng)30 Hz調(diào)頻的相位為0°時，朝向磁北方向。對于飛機而言，通過計算30 Hz調(diào)幅分量的最大能量幅值與30 Hz調(diào)頻波分量的相位差，如圖1所示，可以得到飛機相對機場偏離磁北的方位角，完成方位導(dǎo)航。

圖1 VOR導(dǎo)航信號原理示意圖Fig.1 Scheme illustration of VOR signal

飛機接收到的VOR信號表達式為

VR=A{1+αcos (2π×30×t+Δφ)+

βcos[2π×9.96×103×t+

sin(2π×30×t)]}·

cos(2π×108×106×t)

(1)

式中：VR為時域VOR信號；A為射頻載波的幅度；α為調(diào)幅分量的調(diào)幅深度；β為調(diào)頻分量的調(diào)幅深度；相位差Δφ為飛機所在方位角；t為時間。

為了保障VOR系統(tǒng)提供的方位信息準確可靠，實際使用過程中規(guī)定了各項信號參數(shù)的不確定度指標要求,如表1所示。其中，頻率參數(shù)均可溯源到國家頻率基準，調(diào)制深度參數(shù)也均可直接溯源到國家調(diào)制度標準裝置，但相位差參數(shù)因其信號形式較為復(fù)雜，不能直接溯源至國家相位基準。因此，需要針對性研制標準VOR信號發(fā)生裝置，以實現(xiàn)符合精度要求的VOR相位差參數(shù)的量值溯源。

表1 VOR信號各參數(shù)的不確定度指標要求Tab.1 Uncertainty requirement of VOR signal parameters

3 標準VOR信號發(fā)生裝置

基于式(1)的VOR信號基本形式，本文所提出的標準VOR信號發(fā)生裝置由30 Hz相位發(fā)生器、FM調(diào)頻及9.96 kHz副載波發(fā)生模塊、AM調(diào)幅及載波發(fā)生模塊3個部分組成，如圖2所示。其基本原理是：利用相位發(fā)生器提供標準相位差的兩路30 Hz正弦波信號，一路經(jīng)9.96 kHz副載波FM調(diào)頻后與另一路相加并對108.0 MHz～117.95 MHz載波進行AM調(diào)幅，從而獲得標準VOR信號，如圖3所示。其中，30 Hz相位發(fā)生器用于提供相位差精確可控的兩路30 Hz正弦波信號，一路作為“參考相位”信號提供給FM調(diào)頻模塊實現(xiàn)副載波調(diào)制，另一路作為“可變相位”信號實現(xiàn)任意方位角的載波幅度調(diào)制。在標準VOR信號發(fā)生裝置構(gòu)建中，所用到的主要儀器設(shè)備見表2。相應(yīng)的儀器連接方式如圖4所示。

圖2 標準VOR信號發(fā)生裝置原理框圖Fig.2 Scheme diagram of standard VOR signal generator

圖3 標準VOR信號波形圖Fig.3 Waveform of standard VOR signal

表2 標準VOR信號發(fā)生裝置所用儀器設(shè)備Tab.2 Equipments used by standard VOR signal generator

圖4 標準VOR信號發(fā)生裝置連接示意圖Fig.4 Illustration of equipment connection in standard VOR signal generator

可以看出，VOR信號發(fā)生裝置依靠相位發(fā)生器Clarke-Hess 5500-2來保證VOR相位量值的準確度。通過對相位發(fā)生器的校準，能夠保證兩路30 Hz正弦波信號的相位差偏差小于 ±0.005°，并將VOR相位量值溯源到國家相位基準，如圖5所示。對于VOR調(diào)幅深度，可以采用文獻[6]給出的衰減替代法，利用頻譜分析儀作為過渡指示器將量值溯源到國家衰減基準，相對誤差小于±0.2%。

4 不確定度分析和實驗驗證

標準VOR信號發(fā)生裝置的相位不確定度來源主要包括：相位發(fā)生器準確度、系統(tǒng)穩(wěn)定性[7]、FM調(diào)頻引入相移[8]、載波和調(diào)制信號幅度波動、載波頻率、AM調(diào)幅(穩(wěn)幅)引入相移等，相應(yīng)的不確定度貢獻如表3所示。

圖5 標準VOR導(dǎo)航信號的量值溯源Fig.5 Traceability of standard VOR signal quantities

由此可見，本文所建立的標準VOR信號發(fā)生裝置相位擴展不確定度小于±0.020°(k=2)。通過和測量接收機FSMR(配備VOR解調(diào)選件，準確度標稱值為±0.060°)進行測試比對，從而有效驗證了表3的不確定度分析結(jié)果。

表3 VOR相位不確定度分量Tab.3 Uncertainty components of VOR phase quantity

VOR相位測試比對結(jié)果見表4。

實際使用過程中VOR系統(tǒng)的相位差分辨率需能夠達到為1°，故飛行校驗過程中校驗系統(tǒng)所要求達到的分辨率通常為0.1°量級。目前，商用VOR信號發(fā)生和接收裝置的相位準確度指標一般為0.06°～0.07°。本研究所達到的指標為0.020°，完全具備對商用儀器產(chǎn)品的檢定和校準能力，能夠滿足實際應(yīng)用需求。

5 結(jié) 論

本文提出了一種實現(xiàn)VOR信號的新方法，基于相位發(fā)生器和調(diào)頻調(diào)幅設(shè)備建立了標準VOR信號發(fā)生裝置，將VOR相位量值溯源到國家相位基準，解決了傳統(tǒng)基于直接數(shù)字信號合成方法無法實現(xiàn)量值溯源的問題。通過對VOR標準信號發(fā)生裝置進行不確定度評定，其相位擴展不確定度為±0.020°(k=2)，調(diào)幅深度不確定度為±0.2%(k=2)，可以對商用VOR信號發(fā)生和解調(diào)設(shè)備提供校準。

表4 VOR相位測試比對結(jié)果Tab.4 Comparison of VOR phase measurements (°)