导航原理与系统电子课件教案-第3章多普勒甚高频全向信标.资料

导航原理(yuánlǐ)与系统NavigationPrinciplesandSystems倪育德

中国民航大学(dàxué)

第一页，共65页。第3章多普勒甚高频全向信标3.1概述(ɡàishù)3.2VOR的一般(yībān)特性3.4DVOR系统可变相位(xiàngwèi)信号的产生3.5DVOR信标的工作原理3.6VRB-51D多普勒全向信标NavigationPrinciplesandSystems3.7VOR机载系统3.3VOR在导航中的应用第二页，共65页。3.1概述一、VOR的发展(fāzhǎn)历史由美国从20世纪20年代的“旋转信标(xìnbiāo)”发展而来；1946年作为美国航空(hángkōng)标准导航系统；1949年被ICAO采纳为国际标准导航系统；20世纪60年代，联邦德国研制出DVOR；VOR的装备量在世界范围内呈上升趋势。VOR是高精度的近程相位测角导航系统中国民航大学CAUC第三页，共65页。3.1概述1964年：首次引进(yǐnjìn)4套THOMSON的电子管式CVOR，安装在大王庄、无锡、昆明和英德；1973年：引进(yǐnjìn)10套THOMSON的全晶体管化CVOR；1987年：引进(yǐnjìn)13套RACAL的全固态DVOR；

1988年：引进12套THOMSON的DVOR；

1993年开始：引进AWA的DVOR150多套；

1998年开始：引进ALCATEL/THALES的DVOR多套；我国民航已建设DVOR370余套，DVOR/DME170余套。

二、中国民航使用VOR的情况中国民航大学CAUC第四页，共65页。3.1概述三、VOR的发展趋势中国民航大学(dàxué)CAUC第五页，共65页。一、工作(gōngzuò)频段与频道分配（1）3.2VOR的一般(yībān)特性1.工作(gōngzuò)频段

f=108.00~117.95MHz，f=0.05MHz，共200个频道，VOR只用其中的160个频道。2.频道分配（1）200个频道(108.oo~117.95MHz)VOR：160个频道(108.00~117.95MHz)LOC：40个频道(108.10~111.95MHz)航路VOR：120个频道(112.00~117.95MHz)终端VOR：40个频道(108.00~111.85MHz)

ICAO建议，对于航路VOR，应优先选用112～117.95MHz范围内小数点后第一位为奇数的频率，然后考虑该频率范围内小数点后第一位为偶数的频率。

中国民航大学CAUC第六页，共65页。3.2VOR的一般(yībān)特性一、工作频段与频道(píndào)分配（2）2.频道(píndào)分配（2）

在108.00~111.95MHz之间的80个频道，40个分配给LOC，40个给终端区VOR。

LOC只用在108.00~111.95MHz中的以MHz为单位的小数点后第一位是奇数的频率点；

终端VOR只用在108.00~111.95MHz中的以MHz为单位的小数点后第一位是偶数的频率点（其中108.00MHz只用于机载VOR接收机的自检RF）；中国民航大学CAUC第七页，共65页。3.2VOR的一般(yībān)特性二、波的传播、极化(jíhuà)形式及覆盖范围视距传播(chuánbō)；

水平极化；VOR

信标提供的信号必须在40°仰角以下，使机载VOR接收机在飞行区域所要求的高度和距离上满意地工作。

三、辐射功率与作用距离

航路VOR：P=100W，R=200nm；

终端VOR：P=50W，R=25nm。中国民航大学CAUC第八页，共65页。四、分类(fēnlèi)与精度3.2VOR的一般(yībān)特性常规(chángguī)VOR（CVOR）：2

多普勒VOR（DVOR）：1

精密VOR（PVOR）：0.25

中国民航大学CAUC第九页，共65页。3.3VOR在导航(dǎoháng)中的应用一、定位(dìngwèi)NMLALBVOR/DMENNVOR-AVOR-BBAMLALB定位定位(dìngwèi)中国民航大学CAUC第十页，共65页。二、沿选定航路(hánglù)导航3.3VOR在导航(dǎoháng)中的应用NNVOR-AVOR-B609030中国民航大学(dàxué)CAUC第十一页，共65页。三、利用VOR/VOR或VOR/DME实行(shíxíng)区域导航3.3VOR在导航(dǎoháng)中的应用中国民航大学(dàxué)CAUC第十二页，共65页。3.3VOR在导航(dǎoháng)中的应用三、利用(lìyòng)VOR/DME实施近进中国民航大学(dàxué)CAUC第十三页，共65页。一、多普勒效应(xiàoyìng)（1）当发射天线与接收天线之间存在相对运动时，接收天线感应的电动势的频率就不再等于发射天线馈电的频率，这种现象(xiànxiàng)就称作多普勒效应。fd=fT－fR

3.4DVOR系统可变相位(xiàngwèi)信号的产生fR

fT

vT

R

中国民航大学CAUC第十四页，共65页。3.4DVOR系统可变相位信号(xìnhào)的产生一、多普勒效应(xiàoyìng)（2）1.接收天线不动，发射天线向着接收天线在同一直线(zhíxiàn)上运动fR

fT

vT

R

fd与运动速度v成正比中国民航大学CAUC第十五页，共65页。3.4DVOR系统可变相位信号(xìnhào)的产生一、多普勒效应(xiàoyìng)（3）2.接收天线(tiānxiàn)不动，发射天线(tiānxiàn)远离接收天线(tiānxiàn)在同一直线上运动fR

fT

vT

R

fd与运动速度v成正比中国民航大学CAUC第十六页，共65页。3.4DVOR系统可变相位信号(xìnhào)的产生一、多普勒效应(xiàoyìng)（4）3.接收天线(tiānxiàn)不动，发射天线(tiānxiàn)绕圆周运动（1）

fdfdm–fdmΩtA

B

C

D

AR中国民航大学CAUC第十七页，共65页。3.4DVOR系统(xìtǒng)可变相位信号的产生一、多普勒效应(xiàoyìng)（5）3.接收(jiēshōu)天线不动，发射天线绕圆周运动（2）vR1=vRsintfdm为多普勒频率的最大值在磁北方向在方向相位中含有方位信息中国民航大学CAUC第十八页，共65页。3.4DVOR系统可变相位(xiàngwèi)信号的产生一、多普勒效应(xiàoyìng)（6）3.接收(jiēshōu)天线不动，发射天线绕圆周运动（3）NfdtfdtfdtfdtooooESW中国民航大学CAUC第十九页，共65页。二、30Hz可变相位信号(xìnhào)的产生（1）3.4DVOR系统(xìtǒng)可变相位信号的产生在方向接收信号(xìnhào)的频率fR=fT

fd=fT

fdmsin(t+)在方向接收的信号为调频波，其中调制信号为sin(t+)在DVOR中，称为30Hz可变相位信号（30HzFM）中国民航大学CAUC第二十页，共65页。3.4DVOR系统可变相位(xiàngwèi)信号的产生二、30Hz可变相位(xiàngwèi)信号的产生（2）fR=fT

fd=fT

fdmsin(t+)设发射天线的馈电为i(t)=ImcosTt,T=2fT,在方位上接收(jiēshōu)的信号为e(t)=Emcos(t)，则（FM波）中国民航大学CAUC第二十一页，共65页。3.5DVOR信标(xìnbiāo)的工作原理图片说明：DVOR常与测距机（DME）信标合装在同一台站(táizhàn)。图中在圆周上布置的天线为DVOR天线，旁边直立的有一个是DME信标的天线。中国民航大学(dàxué)CAUC第二十二页，共65页。一、DVOR信标(xìnbiāo)的辐射场（1）3.5DVOR信标(xìnbiāo)的工作原理30Hz基准相位(xiàngwèi)信号（30HzAM）30HzAM信号与30HzFM信号同频30HzAM信号的相位与无关在N方向，30HzAM信号与30HzFM信号同相30Hz基准相位信号：sint

中国民航大学CAUC第二十三页，共65页。一、DVOR信标(xìnbiāo)的辐射场（2）3.5DVOR信标的工作(gōngzuò)原理30Hz基准(jīzhǔn)相位信号（30HzAM）：sint30HzAM信号与30HzFM信号相位之间的关系在N方向，30HzAM信号与30HzFM信号同相30Hz可变相位信号（30HzFM）：

sin(t+)在非N方向，30HzFM信号的相位总是超前30HzAM信号的相位。30HzAM信号与30HzFM信号之间的相位差代表飞机的磁方位（或称为VOR径向角）中国民航大学CAUC第二十四页，共65页。3.5DVOR信标的工作(gōngzuò)原理一、DVOR信标(xìnbiāo)的辐射场（3）DVORN30HzAM

tt30HzFM

=0ºtttttto

oo30HzAM

o

=90º30HzAM

30HzFM

30HzFM

=180ºo

o30HzAM

30HzFM

o

o

=270º中国民航大学(dàxué)CAUC第二十五页，共65页。3.5DVOR信标的工作(gōngzuò)原理一、DVOR信标(xìnbiāo)的辐射场（4）e(t)=Em｛1+mAsint+mfcos[Ωst+kfcos(Ωt+θ)]｝cosωt调频副载波e(t)=Em{1+mBg0(t)+mCgm(t)+mAsint+mfcos[st+kfcos(t+)]}cost话音信号

键控1020Hz识别音频信号

中国民航大学(dàxué)CAUC第二十六页，共65页。3.5DVOR信标的工作(gōngzuò)原理一、DVOR信标(xìnbiāo)的辐射场（5）载波(zàibō)频率：f=108.00～117.95MHz副载波频率:FS=9960Hz±1%30HzAM、30HzFM信号频率：F=30Hz±1%（Ω=2πF）调频指数：kf=2R/=16±1（即最大频偏Fm=480Hz±30Hz）mA=30%±2%，mf=30%±2%，mB最大不超过30%，mC尽量接近（但不超过）10%

e(t)=Em{1+mBg0(t)+mCgm(t)+mAsint+mfcos[st+kfcos(t+)]}cost话音信号

键控1020Hz识别音频信号

识别音频频率：1020Hz±50Hz

中国民航不使用DVOR的话音功能中国民航大学CAUC第二十七页，共65页。3.5DVOR信标的工作(gōngzuò)原理一、DVOR信标(xìnbiāo)的辐射场（6）

DVOR的RF辐射场（不包括话音和识别）调频副载波中国民航大学(dàxué)CAUC第二十八页，共65页。3.5DVOR信标(xìnbiāo)的工作原理DVOR辐射(fúshè)场的幅度谱（不包括话音）一、DVOR信标(xìnbiāo)的辐射场（7）中国民航大学CAUC第二十九页，共65页。3.5DVOR信标(xìnbiāo)的工作原理二、DVOR信标(xìnbiāo)的工作过程（1）调幅电路功放载波发生器N模拟开关1020Hz音频信号发生器Morse码发生器30HzAM信号发生器上边带振荡器f+9960Hz下边带振荡器f-9960Hz功放功放开关网络12523242627234748RcostoUSBLSBgm(t)sintiL(t)iU(t)USBLSB取样载波载波发射机边带发射机中国民航大学(dàxué)CAUC第三十页，共65页。3.5DVOR信标(xìnbiāo)的工作原理二、DVOR信标的工作(gōngzuò)过程（2）1.天线(tiānxiàn)系统（1）载波天线：

1个边带天线：

48个，50个，52个监视天线：1个或2个（折叠式偶极子天线）阿尔福特（Alford）天线水平面垂直面顶空盲区中国民航大学CAUC第三十一页，共65页。3.5DVOR信标(xìnbiāo)的工作原理二、DVOR信标的工作(gōngzuò)过程（3）1.天线(tiānxiàn)系统（2）（直径约30.5m）

相邻的两个边带天线相距7.5°

中国民航大学CAUC第三十二页，共65页。3.5DVOR信标的工作(gōngzuò)原理二、DVOR信标(xìnbiāo)的工作过程（4）1.天线(tiānxiàn)系统（3）中国民航大学CAUC第三十三页，共65页。3.5DVOR信标(xìnbiāo)的工作原理二、DVOR信标(xìnbiāo)的工作过程（5）1.天线(tiānxiàn)系统（4）布设边带天线的圆周直径的计算取VOR工作频率范围的中间值fT=113MHz，则=2.65m。

Kf

取其标称值16。

D=13.5m中国民航大学CAUC第三十四页，共65页。3.5DVOR信标的工作(gōngzuò)原理二、DVOR信标的工作(gōngzuò)过程（6）e0(t)=Em0[1＋mAsinΩt＋mf1gm(t)]cosωt

键控1020Hz识别音频

2.辐射场的形成（1）

1）载波天线的辐射场调幅电路功放载波发生器N模拟开关1020Hz音频信号发生器Morse码发生器30HzAM信号发生器12523242627234748RcostoUSBLSBgm(t)sint载波发射机2.辐射(fúshè)场的形成（1）载波天线的辐射场中国民航大学CAUC第三十五页，共65页。3.5DVOR信标的工作(gōngzuò)原理二、DVOR信标的工作(gōngzuò)过程（7）N上边带振荡器f+9960Hz下边带振荡器f-9960Hz功放功放开关网络12523242627234748RoUSBLSBiL(t)iU(t)USBLSB边带发射机2.辐射(fúshè)场的形成（2）iU(t)=Im

cos(ω+Ωs)t

以旋转iL(t)=Im

cos(ωΩs)t

以旋转边带天线的辐射场中国民航大学CAUC第三十六页，共65页。3.5DVOR信标(xìnbiāo)的工作原理2.辐射(fúshè)场的形成（3）边带天线(tiānxiàn)的辐射场二、DVOR信标的工作过程（8）同步旋转USB、LSB信号在θ方向的辐射场便为eUL(t)

UL中国民航大学CAUC第三十七页，共65页。3.5DVOR信标的工作(gōngzuò)原理2.辐射(fúshè)场的形成（4）二、DVOR信标(xìnbiāo)的工作过程（9）DVOR信标在方向的辐射场e(t)=e0(t)+eUL(t)

=Em0{1+mAsint+mf1gm(t)+mfcos[st+kf

cos(t+)]}cost中国民航大学CAUC第三十八页，共65页。3.5DVOR信标的工作(gōngzuò)原理3.边带天线(tiānxiàn)的馈电（1）二、DVOR信标的工作(gōngzuò)过程（10）奇混合函数：

fo(t)=sin21440t

偶混合函数：

fe(t)=cos21440t

fo(t)+fe(t)=1中国民航大学CAUC第三十九页，共65页。3.5DVOR信标的工作(gōngzuò)原理二、DVOR信标(xìnbiāo)的工作过程（11）3.边带(biāndài)天线的馈电（2）A1B1C1D1A2B2C2D2调幅电路LSB振荡器f－9960Hz功放USB振荡器f+9960Hz功放调幅电路奇、偶混合函数产生器奇、偶混合函数奇、偶混合函数取样载波奇LSB偶LSB奇USB偶USB1～2326～282～2425～2722中国民航大学CAUC第四十页，共65页。3.5DVOR信标(xìnbiāo)的工作原理二、DVOR信标(xìnbiāo)的工作过程（12）3.边带天线(tiānxiàn)的馈电（3）USBLSB奇USB偶USB奇LSB偶LSB1/1440s中国民航大学CAUC第四十一页，共65页。3.5DVOR信标(xìnbiāo)的工作原理二、DVOR信标的工作(gōngzuò)过程（13）3.边带(biāndài)天线的馈电（4）表示USB表示LSB天线1天线2天线3天线23天线24天线25天线26天线47天线48......中国民航大学CAUC第四十二页，共65页。3.5DVOR信标的工作(gōngzuò)原理4.载波(zàibō)、上边带与下边带之间的关系（1）二、DVOR信标(xìnbiāo)的工作过程（14）

DVOR信标在方向的辐射场e(t)=Em0{1+mAsint+mf1gm(t)+mfcos[st+kf

cos(t+)]}costsint，gm(t)

对载波的调幅是在机内实现的；cos[st+kf

cos(t+)对载波的调幅是在空间叠加实现的，是由辐射的USB、LSB及载波三者在空间叠加而成的。N12523242627234748oUSBLSBf中国民航大学CAUC第四十三页，共65页。3.5DVOR信标(xìnbiāo)的工作原理4.载波(zàibō)、上边带与下边带之间的关系（2）二、DVOR信标的工作(gōngzuò)过程（15）

调幅波的性质调制信号u(t)=Ucos(t+)

，载波uc(t)=Uccos(ct+c)

u(t)=Uc[1+macos(t+)]cos(ct+c)

=Uccos(ct+c)+0.5maUccos[(c+)t+(c+)]

+0.5maUccos[(c)t+(c)]

中国民航大学CAUC第四十四页，共65页。3.5DVOR信标(xìnbiāo)的工作原理4.载波(zàibō)、上边带与下边带之间的关系（3）二、DVOR信标的工作(gōngzuò)过程（16）

调幅波的性质u(t)=Uccos(ct+c)+0.5maUccos[(c+)t+(c+)]

+0.5maUccos[(c)t+(c)]

幅度关系：上、下两个边带信号的幅度相等，且ma=2Us/Uc1，Us为边带信号的幅度。频率关系：调幅信号有3个频率分量，即载波c，上边频c+和下边频c

。相位关系：1=t+，2=t，2=1，即USB超前（滞后）载波的相位等于LSB滞后（超前）载波的相位。中国民航大学CAUC第四十五页，共65页。3.5DVOR信标的工作(gōngzuò)原理4.载波(zàibō)、上边带与下边带之间的关系（4）二、DVOR信标的工作(gōngzuò)过程（17）

调幅波的矢量图表示0.5maUc0.5maUcOACBUcRcOA表示载波矢量OB表示USB矢量OC表示LSB矢量OA+OB=R中国民航大学CAUC第四十六页，共65页。3.5DVOR信标的工作(gōngzuò)原理4.载波(zàibō)、上边带与下边带之间的关系（5）二、DVOR信标的工作(gōngzuò)过程（18）

DVOR信标中，三个频率分量之间的关系辐射的USB：uU(t)=UUmcos[(c+s)t+U]

辐射的LSB：uL(t)=ULmcos[(c-s)t-

L]

辐射的载波：uc(t)=UcmcosctsUUmULOACBUcmRcsULm要使：uU(t)+uL(t)+uc(t)=

AM，则要求：三个频率分量：c，c+s，c-s幅度关系：UUm=ULm=Um相位关系：U=L中国民航大学CAUC第四十七页，共65页。3.5DVOR信标(xìnbiāo)的工作原理4.载波(zàibō)、上边带与下边带之间的关系（6）二、DVOR信标(xìnbiāo)的工作过程（19）

如何判断U=L？调幅接收机示波器DVOR监控天线调幅接收机的输出送至示波器，作为判断U是否与L相等的监视信号；sUUmULOACBUcmRcsULmR，180C，R，=OB+OC，R=OB+OC将LSB矢量OC滞后180，得矢量OC，；若U=L，则R，OA，此时示波器显示的为直流信号。若示波器显示的为直流信号，说明U=L；若示波器显示的不为直流信号，则调整U，一直到示波器显示为直流信号；去除对LSB矢量的180滞后，恢复OC。中国民航大学CAUC第四十八页，共65页。3.6VOR机载系统(xìtǒng)一、VOR机载系统应完成(wánchéng)的任务给出预选(yùxuǎn)航道；保证飞机沿预选的航道飞行；

自动测定相应角度（方位）。

中国民航大学CAUC第四十九页，共65页。3.6VOR机载系统(xìtǒng)二、VOR航道(hángdào)（1）有方向的并且方向可以(kěyǐ)互易的VOR径向线VOR航道可用OBS来定义，或用OBS定义预选航道。

NVOROBSNVOROBS中国民航大学CAUC第五十页，共65页。3.6VOR机载系统(xìtǒng)二、VOR航道(hángdào)（2）NNVOR-AVOR-B609030OBS=6090中国民航大学(dàxué)CAUC第五十一页，共65页。3.6VOR机载系统(xìtǒng)三、VOR机载接收机（1）1.框图(kuàngtú)中国民航大学(dàxué)CAUC第五十二页，共65页。3.6VOR机载系统(xìtǒng)三、VOR机载接收机（2）2.关键点信号(xìnhào)u1(t)=Um1{1+mAsint+mf1gm(t)+mfcos[st+kf

cos(t+)]}cos2t第二中频，典型值为168.5kHz

u2(t)=Um2{1+mAsint+mf1gm(t)+mfcos[st+kf

cos(t+)]}u3(t)=Um3sintu4(t)=Um4cos[st+kf

cos(t+)]u5(t)=Um5sin(t+)u6(t)=Um6sin(t+OBS)u7(t)=Um7sin(t+OBS/2)中国民航大学(dàxué)CAUC第五十三页，共65页。3.6VOR机载系统(xìtǒng)三、VOR机载接收机（3）3.航道偏离(piānlí)指示（1）u3(t)=Um3sintu6(t)=Um6sin(t+OBS)u1d(t)=K1dsin(OBS)驱动水平(shuǐpíng)状态指示器（HSI）的航道偏离杆中国民航大学CAUC第五十四页，共65页。3.6VOR机载系统(xìtǒng)三、VOR机载接收机（4）3.航道偏离(piānlí)指示（2）中国民航大学(dàxué)CAUC第五十五页，共65页。3.6VOR机载系统(xìtǒng)三、VOR机载接收机（5）3.航道偏离(piānlí)指示（3）中国民航大学(dàxué)CAUC第五十六页，共65页。3.6VOR机载系统(xìtǒng)三、VOR机载接收机（6）3.航道偏离(piānlí)指示（4）NDVOROBS=ABCDEL1L2L1L2GF航道偏离杆永远偏向预选航道所在的方向；航道偏离指示与飞机的磁航向(hángxiàng)无关。u1d(t)=K1dsin(OBS)中国民航大学CAUC第五十七页，共65页。右区左区NDVOROBS=ABCDEL1L2L1L2GF三、VOR机载接收机（7）3.航道偏离(piānlí)指示（5）3.6VOR机载系统(xìtǒng)L1是左区、右区的分界线中国民航大学(dàxué