第十一章甚高频全向信标系统

第十一章甚高频全向信标系统 本章学习要点 • ①理解VOR系统的工作原理； • ②理解VOR地面台发射信号的原理； • ③了解VOR机载设备； • ④了解VOR数字方位测量电路； • 课时分配6学时

本章主要内容 • 第一节 VOR系统工作原理； • 第二节 VOR地面台发射信号； • 第三节 VOR机载设备 ; • 第四节 VOR数字方位测量电路 ;

第一节VOR系统工作原理 甚高频全向信标(Very high frequency Omnidirectional Range)系统，简称VOR(伏尔)，它是一种近程无线电导航系统。 VOR系统属于他备式导航，或称地面基准式导航(ground—based navigation)。 • 提问：1. 飞机在空中如何确定自身的位置？ • 2. 由什么设备来完成？ • 由地面发射台和机载设备组成。 • 地面设备通过天线发射从VOR台到飞机的磁方位信息(以磁北为基准零度)；图11-1(1) VOR系统

机载设备接收和处理地面台发射的方位信息，并通过有关的指示器指示出从VOR台到飞机或从飞机到VOR台的磁方位角，如图所示。机载设备接收和处理地面台发射的方位信息，并通过有关的指示器指示出从VOR台到飞机或从飞机到VOR台的磁方位角，如图所示。 • 一、有关的角度定义 • VOR导航系统的功能之一是测量飞机的VOR方位角，而VOR方位角在无线电磁指示器(RMI)上的指示又是通过磁航向加相对方位指示的。 • 因此，了解这些角度的定义和相互关系，有助于理解VOR机载设备的工作原理。图11-1(2) VOR指示器

VOR方位角 VOR方位角是指从飞机所在位置的磁北方向顺时针测量到飞机与VOR台连线之间的夹角。VOR方位也称电台磁方位。它是以飞机为基准来观察VOR台在地理上的方位，如右图 • 飞机磁方位从VOR台的磁北方向顺时针测量到VOR台与飞机连线之间的夹角，叫飞机磁方位(见图）。它是以VOR台为基准来观察飞机相对VOR台的磁方位。图11-1(3) 方位角定义

磁航向 磁航向是指飞机所在位置的磁北方向和飞机纵轴方向(机头方向)之间顺时针方向测量的夹角，如图 • 相对方位角飞机纵轴方向和飞机到VOR台连线之间顺时针方向测量的夹角，叫相对方位角，或称电台航向，如图所示。图11-1(4) 方位角定义

从上述4个角度的定义，可以得到如下的结论： • VOR方位与飞机磁航向无关；只与飞机相对VOR台地理位置有关，如上左图所示。 • 飞机磁方位和VOR方位相差180º，如上左图所示。 • VOR方位等于磁航向加相对方位，如上右图所示。

二、VOR导航系统的用途 VOR系统在航空导航中的基本功能有两个方面。 1．定位(position—fixing) 利用VOR设备定位有两种方法： • VOR机载设备测出从两个已知的VOR台到飞机的磁方位角，便可得到两条位置线，利用两条位置线的交点便可确定飞机的地理位置。这种定位方法叫测角定位，即θ—θ定位，如下图（b）所示。

VOR台通常和测距台(DME)安装一起（O点），利用VOR设备测量飞机磁方位角θ；利用DME测量飞机到VOR／DME台的距离r，确定飞机的地理位置。这种方法叫测角—测距定位，即r—θ定位/极坐标定位，如下图（a）所示。

2．沿选定的航路导航(navigation along established airways) VOR台能够辐射无限多的方位线或称径向线(radial)，每条径向线表示一个磁方位角(磁北为基准零度)。驾驶员通过机上全向方位选择器OBS (omni-bearing selector)选择一条要飞的方位线，称预选航道。全方位选择器和预选航道指示 VOR台方位线

飞机沿着预选航道可以飞向(To)或飞离(From)VOR台，以引导飞机沿预选航道飞往目的地。 （1）飞机沿2250方位线飞向(To)VOR台-1；（2）飞机沿 900方位线飞离(From)VOR台-1；（3）飞机沿2700方位线飞向(To)VOR台-2；（4）飞机沿450方位线飞离(From) VOR台-2；

通过航道偏离指示器指出飞机偏离预选航道的方向(左边或右边)和角度，并指引飞机沿正确航道飞行到达目的地；通过航道偏离指示器指出飞机偏离预选航道的方向(左边或右边)和角度，并指引飞机沿正确航道飞行到达目的地； • 飞机沿3500预选航道飞向(To) VOR台； • 航道偏离指示器指出飞机偏离预选航道，应向左边飞行； • 航道偏离指示器指出飞机偏离预选航道，应向右边飞行；

三、VOR工作频率分配 在现代飞机上，VOR导航系统的机载设备与仪表着陆系统(ILS)的航向信标(LOC)的机载设备的有些部分是共用的。 • VOR／LOC工作频率范围从108.00—117.95MHz，频率间隔50kHz，共有200个波道。其中108.00—111.95MHz之间的频率，VOR／LOC共用，有40个波道分配给ILS系统的LOC，分配如下： • 108.00——用于试验 • 108.05——VOR • 108.10——奇数100 kHz波道及再加50kHz的波道用于LOC； • 108.15 配对下滑信标波道； • 108.20——偶数100kHz波道及再加50kHz的波道用于VOR； • 108.25 • ∶ • 111.90 • 111.95

112.00——112～117.95MHz之间间隔为50 KHz的所有频率 • 均用于VOR波道 • 112.05 • ∶ • 117.90 • 117.95 • 108.00MHz的频率没有分配给导航设备，留作试验用。也有一些波道(导航波段的低频率端)留作ILS的试验用，而不用于VOR。 • 如果VOR／LOC接收电路共用的话，试验频率使用117.95MHz。 • 机载接收机能够接收108.00—117.95MHz之间的所有波道，包括这些留作试验的频率。

四、地面台的配置 • 安装在机场的VOR台叫终端VOR台(TVOR)，使用108．00一111．95MHz之间的40个波道。发射功率约50W，工作距离25n mile。TVOR台之所以采用低功率发射，其一是不干扰在相同频率上工作的其他VOR台；其二，TVOR台位于建筑物密集的机场，多路径干扰严重影响VOR的精度，因此，只能用于短距离导航。 • TVOR台通常和DME或LOC装在一起，VOR／DME台组成极坐标定位系统；VOR／LOC装在一起，利用和跑道中心延长线一致的TVOR台方位线，可以代替LOC对飞机进行着陆引导。

安装在航路上的VOR台叫航路VOR(enroute VOR)，台址通常选在无障碍物的地点，如山的顶部。这样，因地形效应引起的台址误差和多路径干扰可以大大减小。航路VOR使用112．00—117．95MHz之间的120个波道，发射功率200W，工作距离200 n mile。

五 VOR系统的基本原理 我们可以把VOR地面台想象为这样的一个灯塔；它向四周发射全方位光线的同时，还发射一个自磁北方向开始顺时针旋转的光束，如图所示。观察者磁北方位角

实际上，VOR台发射被两个低频信号调制的射频信号。这两个低频信号，一个叫基准相位信号，另一个叫可变相位信号。实际上，VOR台发射被两个低频信号调制的射频信号。这两个低频信号，一个叫基准相位信号，另一个叫可变相位信号。 • 基准相位信号相当于全方位光线，其相位在VOR台周围的各个方位上相同； • 可变相位信号相当于旋转光束，其相位随VOR台的径向方位而变。 • 飞机磁方位决定于基准和可变相位信号之间的相位差（相当于看到全方位光线和光束之间的时间差）。

第二节 VOR地面台发射信号 • 一、两种信号调制方式 VOR机载设备的基本工作原理是测量地面台发射的基准相位30Hz和可变相位30Hz的相位差，两个30Hz信号的相位差正比于VOR台的径向方位(以磁北为基准零度)。为了在接收机中能够分开两个30Hz信号，VOR台发射信号采用两种不同的调制方式。可变相位信号：调幅方式，载波幅度随调制信号幅度线性改变。基准相位信号：调频方式，载波频率随调制信号幅度线性改变。

可变相位信号：用30Hz对载波调幅，相位随VOR台的径向方位而变化。可变相位信号：用30Hz对载波调幅，相位随VOR台的径向方位而变化。基准相位信号：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。图11-6 VOR地面台工作原理说明

二、基准相位信号 • 30Hz产生器产生基准30Hz信号( )，对9960Hz副载波调频，频偏为±480Hz．调频副载波的表达式为 = ——调频指数 —— 30Hz角频率 ——调频信号振幅。 ——9960Hz角频率 ——频偏调频副载波再对载波调幅，然后由全向天线发射，其辐射场为 ——基准相位信号的调幅度 ——基准相位信号振幅 ——载波信号角频率

基准相位信号由VOR天线系统中的基准天线发射，在空间形成全向水平极化辐射场。基准相位信号由VOR天线系统中的基准天线发射，在空间形成全向水平极化辐射场。由于调制过程是在发射机内完成的，所以在VOR台周围的360º方位上，30 Hz调制信号的相位相同。基准相位信号产生的过程如图所示。在进行地—空通信时，经音频放大的话音，同副载波一起对载波调幅。话音频率主要集中在300—3000Hz范围内，它不会干扰基本的导航功能；在接收机电路中可通过带通滤波器分开。

三、可变相位信号 可变相位信号在空间形成一个“8”字旋转辐射场。有两种方法可以产生旋转的“8”字方向图：其一是旋转具有“8”字方向图的天线(如半波振子、裂缝天线等)；其二是天线不动，用电气的方法使“8”字方向图旋转。大多采用后一种方法。从高频发射机取出一部分功率(约10%)加到调制抑制器(去幅器)，去掉调幅部分，并进行功率放大，输出没有调制的纯载波。它与基准相位信号的载波是同频率、同相位的，然后加到测角器。测角器把载波分解成30Hz正弦和余弦调制的调幅边带波，即： ——正弦调制的边带波 ——余弦调制的边带波

正弦和余弦调制的边带波分别由VOR天线阵中的可变相位天线发射。可变相位天线包括方向性因子分别为cos 和sin 的两个分集天线，在水平面内形成两个正交的“8”字辐射场，其数学表达式为：式中 ——可变相位信号的幅度； ——方位角(磁北为0º) 两个“8”字方向图的空间合成辐射场为：

可变相位信号的合成辐射场也是一个“8”字辐射场，两个波瓣的相位相反，并按Ω的角频率旋转(30r／s)。图给出了在不同方位角 时，两个正交的“8”字方向图合成一个旋转的“8”字方向图的示意图，这也就达到了与直接转动天线使方向性图旋转的相同的目的。

四、合成空间辐射场 可变相位信号和基准相位信号虽然是分开发射的，而空间某一点(具体的说是飞机)的接收信号是基准相位和可变相位信号的合成信号，而空间辐射场等于两者的叠加：式中 ——可变相位信号的调幅系数，从上式可以看出：

合成辐射场是一个心形方向性图(如图所示)，并以30Hz的角频率旋转，最大值出现的时刻随方位角θ而变。从物理概念来讲，“8”字方向图与全向方向图同相的一边，加强了全向方向图，而反相的一边，减弱了全向方向图，所以合成是一个心形方向图。合成辐射场是一个心形方向性图(如图所示)，并以30Hz的角频率旋转，最大值出现的时刻随方位角θ而变。从物理概念来讲，“8”字方向图与全向方向图同相的一边，加强了全向方向图，而反相的一边，减弱了全向方向图，所以合成是一个心形方向图。

合成辐射场包络包括两种成分的信号，一种是 ，它是由心形方向图旋转产生的附加调幅部分，其相位(最大值出现的时刻)随方位角而变，这就是可变相位30Hz；另一种是，它是9960Hz调频副载波产生的调幅部分，其相位与方位角θ无关。基准相位30Hz隐含在30Hz调频的9960Hz副载波中。

五、 VOR信号的产生 9960Hz副载波的30Hz频率调制是在发射机内完成，由全向天线发射。因此，30Hz调频信号相位与方位角无关，也就是说在VOR台的方位上相位相同。接收机首先通过幅度检波器检出9960Hz调频副载波的包络信号，并通过一个双向限幅器变成等幅调频信号，如图波形所示。再由频率检波器检出30Hz调频信号，即为基准相位30Hz。

可变相位30Hz信号是由心形方向图旋转产生的，因此，心形图最大值在某一方位上出现时刻随方位角θ而变。心形图以30r/s的速度旋转，接收机所接收的信号幅度也以30Hz的速度变化，相当于用30Hz信号对载波调幅，经接收机包络检波器检出30Hz调幅部分叫可变相位30Hz。可变相位30Hz信号是由心形方向图旋转产生的，因此，心形图最大值在某一方位上出现时刻随方位角θ而变。心形图以30r/s的速度旋转，接收机所接收的信号幅度也以30Hz的速度变化，相当于用30Hz信号对载波调幅，经接收机包络检波器检出30Hz调幅部分叫可变相位30Hz。可变相位30Hz和基准相位30Hz的相位关系，可用下图加以说明。磁北方向

正东方向 正南方向

正西方向

课堂小结： 第一节 VOR系统工作原理学习要点一、有关的角度定义：VOR方位角、飞机磁方位、磁航向、相对方位角及其关系；二、VOR导航系统的用途：定位、沿选定的航路导航三、VOR系统的基本原理：基准和可变相位信号第二节 VOR地面台发射信号学习要点一、两种信号调制方式：调幅、调频二、基准相位信号：调频调幅发射，VOR台周围相位相同；三、可变相位信号：等幅发射旋转成调幅波，VOR台周围相位随方位角变化；四、合成空间辐射场：旋转心型线辐射场

第三节 VOR机载设备 • 一、组成与功用 VOR机载设备包括控制盒、天线、甚高频接收机和指示仪表。尽管有多种型号的机载设备，处理方位信息的方法不同，但它们的基本功能是相似的。图为机载设备之间的主要信号连接图。

1．控制盒(见图) 在现代飞机上，控制盒是VOR，ILS，DME共用的。主要功能有： • 频率选择和显示。选择和显示接收信号频率。 • 试验按钮。控制盒上有VOR，ILS(上／左、下／右)和DME试验按钮，分别用来检查相应设备的工作性能。 • 音量控制。音量调节电位计用来调节话音和识别码音量。

2．天线 在多数飞机上，VOR天线和LOC天线是共用的，安装在垂直安定面上或机身的上部，避免机身对电波的阻挡，以提高接收信号的稳定性。 3．VOR接收机接收和处理VOR台发射的方位信息。包括常规外差式接收机、幅度检波器和相位比较器电路，接收机提供如下的输出信号。 • 话音和台识别信号，加到音频集成系统(AIS)，供飞行员监听； • 方位信号，驱动无线电磁指示器(RMl)的指针； • 航道偏离信号，驱动水平姿态指示器(HSl)的航道偏离杆； • 向／背台信号，驱动HSI的向／背指示器； • 旗警告信号，驱动HSI上的警告旗。

4．指示器 指示器是将接收机提供的导航信息显示给驾驶员，根据指示器提供的指示进行飞机的定位和导航。常用的指示器有两种：无线电磁指示器(RMI)和水平姿态指示器(HSI)。 RMI指示器是将罗盘(磁航向)、VOR方位和ADF方位组合在一起的指示器。两个指针分别指示VOR-1／ADF-1和VOR-2／ADF-2接收机输出的方位信息；两个VOR／ADF转换开关，分别用来转换输入指针的信号源。 RMI能够指示4个角度：罗牌由磁航向信号驱动，固定标线(相当于机头方向)对应的罗牌刻度指示飞机的磁航向；指针由VOR方位和磁航向的差角信号驱动，固定标线和指针之间的顺时针夹角为相对方位角；指针对应罗牌上的刻度指示为VOR方位，它等于磁航向加相对方位；而指针的尾部对应的罗牌刻度为飞机磁方位，它与VOR方位相差180º。

HSI指示器是一个组合仪表，如图所示。它指示飞机在水平面内的姿态， 在VOR方式，航道偏离杆由飞机相对于预选航道的偏离信号驱动，指示飞机偏离预选航道的角度，每点5º，向／背台指示器由向／背台信号驱动，在向台区飞行时，三角形指向机头。方向，在背台区飞行时，三角指向机尾方向；预选航道指针随OBS全方位选择器旋钮转动，指示预选航道的角度。警告旗在输入信号无效时出来显示。

图上划出了多种飞机的姿态和相应的RMI指示 。使驾驶员像在仪表板上看到的指示器那样，转动指示器使标线出现在上指示器上部。

二、VOR导航接收机 VOR导航接收机的主要功能包括VOR信号的接收-超外差接收机和方位信息处理 -相位比较器电路。图所示的导航接收机简化方框图，可以用来说明VOR接收信号的变换过程以及产生仪表指示信号的基本原理。

（一）超外差接收机 超外差接收机通常是二次变频的外差式接收机，如图所示。

(二)信号分离电路 检波器输出的组合音频中，各频率范围不同，很容易用带通滤波器实现分离。带通滤波器能使一定频率范围内的信号通过，而通带以外的频率信号受到一定衰减。下面介绍运算放大器和RC网路组成的有源滤波器，它们是VOR接收机中实际电路。 1．300—3000Hz带通滤波器 300—3000Hz带通滤波器只让话音和台识别码信号通过，而阻止导航音频信号。滤波器由RC无源网路和运算放大器，组成，如图。

组成高通滤波器，只通过300Hz以上的频率信号；而 组成低通滤波器，只让低于3000Hz以下的频率信号通过。因而，组合成一个带通滤波器。该滤波器的特性如下表所示。滤波器输出的话音／识别码信号通过控制盒上的音量调整电位计加到音频集成系统（AlS）的音频选择板，供飞行员监听。在音频选择板上有一个“话音／识别”开关，在“话音”位，音频信号通过1020Hz陷波滤波器(notchfilter)，去掉1020Hz识别码信号，使话音更清楚。在“识别"位，音频信号通过1020Hz窄带滤波器，去掉话音频率，只输出1020Hz识别码信号。

2. 9960Hz带通滤波器 9960Hz带通滤波器只让9960Hz调频副载波通过，抑制其他频率成分。其电路见图。该电路是一个二阶多路反馈的带通滤波器。电容随着输入信号频率升高，容抗减小，运算放大器的输入增大，输出增大；而电容随着输入信号频率升高，负反馈增大，使增益减小，输出减小。正确选择RC的数值，可使运大器在9960Hz频率附近输出最大，保证9960Hz调频信号通过(9480—10440Hz)，抑制其他频率成分。

3.30Hz低通滤波器 30Hz低通滤波器，只允许30Hz可变相位信号通过，而阻止其它频率信号通过，电路如图所示。电容对9960Hz调频副载波及话音呈现低阻抗(相当于短路)，传输系数很小，而对于低频30Hz信号，相当于开路，传输系数增大。因而输出具有低通性能。

(三) 频率检波器(鉴频器) 鉴频器的功用是从9960Hz调频信号中检出30Hz基准相位信号。图示给出了用单稳态电路和积分滤波器组成的频率—电压转换电路，用于解调调频信号。 9960Hz带通滤波器的输出，经过限幅放大器变成方波(如图(a)所示)，触发50 s单稳态电路。单稳态电路输出是宽度为50 s的脉冲，但输出脉冲的占空因数随9960Hz调频信号的频率变化而变化：频率升高，占空因素增大；反之减小。输出波形如图(b)所示，9960Hz以30Hz的速率调频，占空因素也以30Hz的速率变化。经积分滤波器，重现9960Hz调频的30Hz信号，如图(c)所示。这个信号就是基准相位30Hz信号。

三、VOR方位测量电路 • VOR方位测量也叫自动VOR方式(automatic VOR)，因为它不需要任何调整，就能自动地测量出VOR方位角。 • 测量VOR方位，实际上是测量基准30Hz和可变30Hz的相位差。两个30Hz信号的相位差正比于飞机磁方位(VOR台径向方位)，而指示器上读出的方位是VOR方位，两者相差180º。180º的固定相移可以通过电气的或机械的方法来置定。 1．VOR方位测量原理(见下页图11—17) • VOR方位测量的基本方法是通过移相解算器(phase shift resolver)移动基准30Hz的相位，使它等于可变相位30Hz落后基准相位30Hz的角度(或者移动可变相位30Hz，使它等于基准30Hz超前可变相位30Hz的角度)，基准30Hz移相的角度再加180º，就是VOR方位。具体方法如下所述。

基准30Hz加到移相解算器A的转子，其定子输出信号移相的角度等于转子的转角。移相后的基准30Hz和可变30Hz加到相位比较器C，进行相位比较。若两个30Hz的相位差不等于零，相位比较器C输出电压不等于零，因而VOR方位电机(M)带动移相解算器A的转子转动，改变基准30Hz的相移，直到两个30Hz的相位差等于零，相位比较器C的输出等于零为止。因此，移相解算器A转子的转角总是等于可变30Hz信号落后于基准30Hz信号的角度。如果将移相解算器的转子预先置定180º位置，则这时移相解算器A转子的转角将等于两个30Hz的相位差加180º，即等于VOR方位。基准30Hz加到移相解算器A的转子，其定子输出信号移相的角度等于转子的转角。移相后的基准30Hz和可变30Hz加到相位比较器C，进行相位比较。若两个30Hz的相位差不等于零，相位比较器C输出电压不等于零，因而VOR方位电机(M)带动移相解算器A的转子转动，改变基准30Hz的相移，直到两个30Hz的相位差等于零，相位比较器C的输出等于零为止。因此，移相解算器A转子的转角总是等于可变30Hz信号落后于基准30Hz信号的角度。如果将移相解算器的转子预先置定180º位置，则这时移相解算器A转子的转角将等于两个30Hz的相位差加180º，即等于VOR方位。 • 从图11—17可见，罗牌由磁航向信号驱动,指出飞机的磁航向，它的工作与VOR无关。磁航向信号加到差同步器的定子，而转子由VOR方位电机带动，与移相解算器A的转子同步转动，其转角等于VOR方位角。从而，差同步器输出为VOR方位和磁航向

的差角信号，通过同步接收机带动RMI指针指出相对方位角。在RMI上磁航向加相对方位读出VOR方位。的差角信号，通过同步接收机带动RMI指针指出相对方位角。在RMI上磁航向加相对方位读出VOR方位。 2．移相解算器 • 移相电路由解算器和移相网路组成，如图11—23所示。 • 解算器包括一个转子绕组和两个垂直放置的定子绕组，通常叫做鉴相型感应同步器。 • 解算器转子和定子之间的相对转角反映了输出信号和输入信号之间的相移。 • 式中的负号相当于180º相移，该信号加到相位比较器C时，其输出电压刚好使电机(M)带动解算器的转子转角多转180º，即转子转角等于两个30Hz相位差角加180º——等于VOR方位。

第十一章 甚高频全向信标系统