無線電導(dǎo)航系統(tǒng)（第2版）課件 第3、4章 超短波定向系統(tǒng)、伏爾系統(tǒng)

超短波定向系統(tǒng)通信與導(dǎo)航專業(yè)系列教材無線電導(dǎo)航系統(tǒng)(第2版)第三章01概述超短波定向系統(tǒng)是一種以機(jī)載超短波通信電臺(tái)發(fā)射的通信信號(hào)作為信源，利用電磁波輻射的方向性，通過測(cè)量來波方向給出飛機(jī)所在方位的系統(tǒng)，所以這種定向系統(tǒng)又稱為航空通信定向系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)由地面設(shè)備導(dǎo)出導(dǎo)航參量，并通過該系統(tǒng)中的通信設(shè)備告知飛行員，因此它是一種地基被動(dòng)式無線電導(dǎo)航系統(tǒng)。超短波定向系統(tǒng)主要應(yīng)用在軍事領(lǐng)域，在民用航空中不使用這種系統(tǒng)。概述系統(tǒng)組成、功能與配置超短波定向系統(tǒng)由機(jī)載設(shè)備與地面設(shè)備兩部分組成。機(jī)載設(shè)備為超短波通信電臺(tái)，它既是與機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)或?qū)张_(tái)進(jìn)行通信聯(lián)絡(luò)的通信設(shè)備，也是定向系統(tǒng)用于定向的信源設(shè)備，并與定向臺(tái)配備的通信電臺(tái)構(gòu)成定向信息的傳送通道。機(jī)載電臺(tái)不需要專門發(fā)射用于定向的信號(hào)，而是每當(dāng)與地面的任何電臺(tái)進(jìn)行通信聯(lián)絡(luò)時(shí)，只要工作波道與調(diào)制方式設(shè)置相同，定向臺(tái)均能實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)載電臺(tái)的定向測(cè)量，也就是說，地面定向臺(tái)利用機(jī)載電臺(tái)發(fā)射的語(yǔ)音通信信號(hào)即可完成定向。概述超短波定向系統(tǒng)組成如圖3-1所示。概述地面超短波定向機(jī)通常與精密進(jìn)場(chǎng)雷達(dá)配置在一起，架設(shè)在跑道中段一側(cè)；也可配置在跑道中線延長(zhǎng)線上，距遠(yuǎn)距導(dǎo)航臺(tái)前后300~500m的地方。其典型配置圖如圖3-3所示。概述系統(tǒng)應(yīng)用超短波定向系統(tǒng)主要應(yīng)用于：一是測(cè)定飛機(jī)方位角；二是利用測(cè)定的飛機(jī)方位角與向臺(tái)飛行時(shí)的飛機(jī)航向角特定關(guān)系，向飛機(jī)通報(bào)返航航向。系統(tǒng)發(fā)展由于超短波定向系統(tǒng)不需要專門的機(jī)載設(shè)備，其換代更新不受機(jī)載設(shè)備的限制。因此，超短波定向系統(tǒng)更適合于軍事用途，在應(yīng)用過程中其系統(tǒng)體制及實(shí)現(xiàn)技術(shù)都有所發(fā)展，具體可分為兩個(gè)階段?！啊备攀霰?-1對(duì)幾種體制的超短波定向系統(tǒng)性能進(jìn)行了比較。概述（4）定向精度受陣地條件、電磁環(huán)境影響較大。超短波通信定向系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：（5）定向時(shí)地面導(dǎo)出導(dǎo)航參數(shù)，以通信方式告知飛行員，屬于被動(dòng)式導(dǎo)航，且隱蔽性差。（1）定向直觀、迅速和使用方便。（2）不需要專門配套的機(jī)載設(shè)備。（3）工作頻率在超短波范圍內(nèi)，定向距離受到視距傳播的限制。概述02系統(tǒng)工作原理從體制上看，早期的超短波定向系統(tǒng)采用的是振幅式M型測(cè)角原理，而新型超短波定向系統(tǒng)采用了準(zhǔn)多普勒相位式測(cè)角原理，保密定向機(jī)則采用干涉法進(jìn)行測(cè)角。測(cè)角原理系統(tǒng)工作原理天文學(xué)家多普勒（Doppler）在觀察天體時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)所觀測(cè)的星體朝向地球運(yùn)動(dòng)時(shí)其發(fā)光的顏色呈藍(lán)色，而當(dāng)星體背向地球運(yùn)動(dòng)時(shí)呈紅色，這一現(xiàn)象后來被歸結(jié)為光波長(zhǎng)的變化，并通過相對(duì)運(yùn)動(dòng)的無線電收發(fā)雙方接收頻率的變化得以證實(shí)，即當(dāng)電臺(tái)的發(fā)射天線與接收機(jī)的接收天線存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收機(jī)接收信號(hào)頻率將不再與發(fā)射信號(hào)頻率相等，而是存在一個(gè)偏差，偏差大小由徑向（收發(fā)雙方連線方向）運(yùn)動(dòng)速度以及發(fā)射信號(hào)頻率決定，偏差相對(duì)于發(fā)射信號(hào)頻率的正負(fù)號(hào)由徑向運(yùn)動(dòng)方向確定。系統(tǒng)工作原理多普勒相位式測(cè)角就是利用收發(fā)天線相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)進(jìn)行角度測(cè)量的，超短波定向系統(tǒng)的多普勒相位式測(cè)角原理示意圖如圖3-4所示。系統(tǒng)工作原理信號(hào)格式超短波定向系統(tǒng)使用的無線電信號(hào)是機(jī)載通信電臺(tái)的語(yǔ)音信號(hào)，因此其系統(tǒng)的信號(hào)格式比較簡(jiǎn)單，就是一個(gè)語(yǔ)音調(diào)幅信號(hào)。與中波導(dǎo)航系統(tǒng)的無線電羅盤類似，超短波定向系統(tǒng)的角度測(cè)量主要是在定向機(jī)內(nèi)通過一定形式的信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)工作原理超短波定向機(jī)的信號(hào)處理模型如圖3-5所示。系統(tǒng)工作原理天線選通信號(hào)產(chǎn)生器依次產(chǎn)生選通圓陣天線接收陣元的打通信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)天線在圓周上做步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)。天線選擇開關(guān)保證同一時(shí)刻只有一個(gè)陣元接收信號(hào)，并將不同時(shí)刻、不同陣元接收的信號(hào)合并成一路信號(hào)輸出到接收解調(diào)器。接收解調(diào)器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、混頻、濾波、自動(dòng)頻率控制（AFC）以及鑒相，輸出定向信號(hào)。系統(tǒng)工作原理信號(hào)處理器對(duì)鑒相器輸出的定向信號(hào)與天線選通信號(hào)產(chǎn)生器輸出的基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行相位比較，得到測(cè)量的角度信息，并將角度信息轉(zhuǎn)換成用于顯示的顯示碼，在顯示終端顯示。系統(tǒng)工作原理03系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)由前面的討論可知，超短波定向系統(tǒng)與大多數(shù)無線電導(dǎo)航系統(tǒng)一樣，由機(jī)載設(shè)備與地面設(shè)備兩大部分組成。其不同之處是，它沒有專門的機(jī)載設(shè)備，而是由機(jī)載通信電臺(tái)發(fā)射的語(yǔ)音調(diào)制信號(hào)兼作地面定向設(shè)備的信號(hào)源。地面設(shè)備不僅需要具備測(cè)向功能，而且還需具備將測(cè)量的角度信息告知給飛行員的功能。系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)這種采用準(zhǔn)多普勒相位式測(cè)角的超短波定向系統(tǒng)，其地面設(shè)備（定向機(jī)）組成框圖如圖3-6所示。系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)圓陣天線在定向機(jī)輸出的天線選通脈沖控制下，由依次選通的天線陣元接收機(jī)載電臺(tái)發(fā)射的語(yǔ)音調(diào)制信號(hào)，并使接收信號(hào)變成受天線旋轉(zhuǎn)和語(yǔ)音調(diào)制的雙調(diào)制信號(hào)，飛機(jī)方位信息包含在受天線旋轉(zhuǎn)調(diào)相的初始相位之中；發(fā)信天線用于發(fā)射通信信號(hào)；校準(zhǔn)天線與定向機(jī)采用65m長(zhǎng)的射頻電纜連接，發(fā)射用于對(duì)地面設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)的等幅波信號(hào)。系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)地面設(shè)備（某型超短波定向機(jī)）的具體技術(shù)實(shí)現(xiàn)框圖如圖3-7所示。系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)圓陣天線在定向機(jī)產(chǎn)生的天線選通信號(hào)的作用下，接收飛機(jī)電臺(tái)發(fā)射的信號(hào)，該信號(hào)在通信電臺(tái)中經(jīng)前置放大、混頻（輸出中頻為10.7MHz）、放大濾波以及二次混頻處理，輸出頻率為455kHz的中頻信號(hào)，信號(hào)被分成兩路：一路在電臺(tái)內(nèi)部經(jīng)中放與包絡(luò)檢波，解調(diào)出語(yǔ)音信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)低通濾波、低頻放大以及功率放大，從揚(yáng)聲器輸出語(yǔ)音；另一路送入到定向機(jī)的解調(diào)器單元。系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)在該單元中對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、混頻（輸出頻率為310kHz）、濾波、AFC（自動(dòng)頻率控制）電路、限幅倒相后，由PLL（鎖相環(huán)）電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行鑒相，得到定向信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)消噪、濾波以及判決等處理，輸出135Hz的方波定向信號(hào)（占空比50%），該信號(hào)送到定向機(jī)的控制器單元。在解調(diào)器單元中，AFC電路用于克服飛機(jī)運(yùn)動(dòng)以及發(fā)射機(jī)的熱噪聲引起的載頻漂移。由于飛機(jī)方位信息包含在調(diào)相信號(hào)的初始相位中，限幅倒相器用于將受語(yǔ)音調(diào)制的調(diào)幅波變成等幅波，以減小調(diào)幅對(duì)鑒相的影響。系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)伏爾系統(tǒng)通信與導(dǎo)航專業(yè)系列教材無線電導(dǎo)航系統(tǒng)(第2版)第四章01概述伏爾是甚高頻全方位測(cè)向（VeryHighFrequeneyOmnidirectionalRange）英文縮寫VOR的漢語(yǔ)音譯名稱。伏爾系統(tǒng)是一種由機(jī)載設(shè)備直接導(dǎo)出導(dǎo)航參量的近程無線電導(dǎo)航測(cè)角系統(tǒng)，屬于他備式主動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)，導(dǎo)出的導(dǎo)航參量是飛機(jī)相對(duì)于伏爾信標(biāo)臺(tái)的磁方位角（即飛機(jī)磁方位角）。概述系統(tǒng)組成、功能與配置伏爾系統(tǒng)由地面設(shè)備和機(jī)載設(shè)備兩大部分組成。地面設(shè)備是伏爾信標(biāo)，工作在108~118MHz甚高頻頻段，在360°范圍內(nèi)發(fā)射方位信號(hào)，故又稱為全向信標(biāo)；與之配套的機(jī)載設(shè)備稱為伏爾接收機(jī)，采用無方向性接收天線，測(cè)量的角度信息用表頭予以指示或輸送給機(jī)上計(jì)算機(jī)。概述圖4-1是伏爾系統(tǒng)組成示意圖。概述伏爾系統(tǒng)的功能是通過機(jī)載伏爾接收機(jī)接收地面伏爾信標(biāo)發(fā)射的信號(hào)，經(jīng)處理獲得飛機(jī)相對(duì)于伏爾信標(biāo)臺(tái)的磁方位角，在空中給飛機(jī)提示飛行方向，以引導(dǎo)飛機(jī)沿著預(yù)定的航線飛行。在現(xiàn)代飛機(jī)上，可以預(yù)先把沿航線的各個(gè)VOR地面臺(tái)的位置、發(fā)射頻率、應(yīng)飛的航線等逐項(xiàng)輸入飛行管理系統(tǒng)或自動(dòng)飛行系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)的控制下，飛機(jī)就按輸入的數(shù)據(jù)自動(dòng)飛行，并最后到達(dá)目的地。概述（1）機(jī)載伏爾接收機(jī)指示器和磁羅盤復(fù)合，利用測(cè)得飛機(jī)相對(duì)于已知伏爾信標(biāo)（已知工作頻率、臺(tái)位置、臺(tái)識(shí)別信號(hào)）臺(tái)的磁方位角，可方便地引導(dǎo)飛機(jī)出航、歸航、沿航線飛行。（2）利用VOR系統(tǒng)可引導(dǎo)飛機(jī)沿著相對(duì)VOR信標(biāo)臺(tái)的任意方向飛行。（3）終端區(qū)域的伏爾信標(biāo)和儀表著陸系統(tǒng)（ILS）的航向信標(biāo)（LOC）安裝在一起，利用和跑道中線一致的VOR-T臺(tái)代替LOC，用跑道中線作為方位基準(zhǔn)來指示飛機(jī)相對(duì)跑道的方位，對(duì)飛機(jī)進(jìn)行著陸前的引導(dǎo)。概述（4）伏爾系統(tǒng)和測(cè)距器系統(tǒng)相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)極坐標(biāo)定位。（5）機(jī)載伏爾接收機(jī)在短時(shí)間內(nèi)分別接收來自兩個(gè)已知伏爾信標(biāo)臺(tái)的信號(hào)，分別測(cè)出飛機(jī)相對(duì)于兩個(gè)伏爾信標(biāo)臺(tái)的磁方位角，便可得到兩條直線位置線，其交點(diǎn)便是飛機(jī)位置，即實(shí)現(xiàn)雙臺(tái)定位。概述系統(tǒng)性能及特點(diǎn)：（1）伏爾信標(biāo)輻射包含方位信息的信號(hào)。（2）伏爾系統(tǒng)可直接提供飛機(jī)相對(duì)于伏爾信標(biāo)臺(tái)的方位角。（3）由于伏爾系統(tǒng)工作于超短波的甚高頻頻段。（4）伏爾信標(biāo)正常工作時(shí)對(duì)場(chǎng)地的要求較高。概述02系統(tǒng)工作原理伏爾系統(tǒng)實(shí)質(zhì)是一種近程無線電導(dǎo)航測(cè)角系統(tǒng)，采用了相位式測(cè)角原理。其中，普通伏爾系統(tǒng)采用的是相位式旋轉(zhuǎn)天線方向性圖法測(cè)角原理，而多普勒伏爾系統(tǒng)采用了相位式旋轉(zhuǎn)無方向性天線法測(cè)角原理。系統(tǒng)工作原理普通伏爾（CVOR）系統(tǒng)測(cè)角原理為旋轉(zhuǎn)天線方向圖的相位式測(cè)角，即通過旋轉(zhuǎn)伏爾信標(biāo)發(fā)射天線的方向圖，在空中形成包含方位信息的調(diào)幅波信號(hào)，該調(diào)幅信號(hào)的包絡(luò)信號(hào)電相位與飛機(jī)所在的方位角度具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，在空中360°范圍內(nèi)的任一一架飛機(jī)上的機(jī)載伏爾接收機(jī)，通過對(duì)包絡(luò)信號(hào)電相位的測(cè)量得到所在方位經(jīng)線的角度值。測(cè)角原理系統(tǒng)工作原理普通伏爾信標(biāo)天線的水平方向圖為心臟形，其形狀如圖4-2所示。系統(tǒng)工作原理飛機(jī)在伏爾信標(biāo)臺(tái)的東、西、南、北四個(gè)典型方位時(shí)，機(jī)載接收機(jī)得到的可變相位信號(hào)與基準(zhǔn)相位信號(hào)的相位關(guān)系如圖4-3所示。系統(tǒng)工作原理多普勒伏爾系統(tǒng)測(cè)角原理多普勒伏爾（DVOR）系統(tǒng)是在CVOR系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。相對(duì)于CVOR系統(tǒng)，DVOR系統(tǒng)有效減小了場(chǎng)地環(huán)境對(duì)輻射場(chǎng)型的影響，提高了測(cè)角精度。在第3章中已經(jīng)提到，無線通信收發(fā)雙方發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收方獲得的信號(hào)頻率會(huì)發(fā)生偏移，即產(chǎn)生所謂的多普勒效應(yīng)。系統(tǒng)工作原理CVOR系統(tǒng)信號(hào)格式由上面的測(cè)角原理可知，CVOR系統(tǒng)采用的是旋轉(zhuǎn)天線方向圖的相位式測(cè)角原理。工程實(shí)現(xiàn)中，為了由機(jī)載設(shè)備通過對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行處理，直接得到飛機(jī)相對(duì)于地面伏爾信標(biāo)臺(tái)的磁方位，地面信標(biāo)需要產(chǎn)生包含兩種信息的信號(hào)，即可變相位信號(hào)與基準(zhǔn)相位信號(hào)。信號(hào)格式系統(tǒng)工作原理DVOR系統(tǒng)信號(hào)格式DVOR系統(tǒng)采用的是旋轉(zhuǎn)無方向性天線的相位式測(cè)角原理。工程實(shí)現(xiàn)中，為了由機(jī)載設(shè)備通過對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行處理，直接得到飛機(jī)相對(duì)于地面伏爾信標(biāo)臺(tái)的磁方位，地面信標(biāo)同樣需要產(chǎn)生包含可變相位信息與基準(zhǔn)相位信息的兩種信號(hào)。由于DVOR是在CVOR的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，為了保證同一機(jī)載VOR接收機(jī)能夠?qū)煞N體制伏爾信標(biāo)發(fā)射的信號(hào)兼容接收，其信號(hào)格式就要有所考慮。系統(tǒng)工作原理03系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)地面設(shè)備伏爾系統(tǒng)的地面設(shè)備是伏爾信標(biāo)，工作在108~118MHz甚高頻頻段。VOR信標(biāo)向空中輻射的信號(hào)包含有用于角度測(cè)量的可變相位信號(hào)與基準(zhǔn)相位信號(hào)、用于應(yīng)急通信的語(yǔ)音信號(hào)以及用于臺(tái)識(shí)別的識(shí)別碼信號(hào)。其中識(shí)別碼使用國(guó)際通用的莫爾斯電碼，由兩個(gè)或三個(gè)英文字母組成，每30s重復(fù)一次，其調(diào)制頻率為1020Hz（±50Hz）。伏爾信標(biāo)根據(jù)其信號(hào)產(chǎn)生的方法不同，又分為普通伏爾（CVOR）和多普勒伏爾（DVOR）信標(biāo)。系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)將傳統(tǒng)的基準(zhǔn)相位信號(hào)產(chǎn)生方法與上面的可變相位信號(hào)產(chǎn)生方法結(jié)合起來，即可得到CVOR信標(biāo)的實(shí)現(xiàn)原理方案，工作方框圖如圖4-7所示。系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖4-8為某機(jī)場(chǎng)DVOR臺(tái)外形。系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)CVOR和DVOR系統(tǒng)采用同一形式的VOR機(jī)載接收指示設(shè)備