試析甚高頻全向信標(biāo)系統(tǒng)機(jī)載接收機(jī)數(shù)字信號處理

孫志浩 殷飛

【摘要】 甚高頻全向信標(biāo)系統(tǒng)（VOR）主要是為飛機(jī)提供角度信息，是在其波段的進(jìn)程區(qū)域的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外機(jī)場和航道。本文主要闡述了在VOR導(dǎo)航接收機(jī)中，利用數(shù)字信號處理技術(shù)，達(dá)到原先模擬電路的功效，通過數(shù)字處理設(shè)計VOR系統(tǒng)中重要的比相環(huán)節(jié)，對甚高頻全向信標(biāo)系統(tǒng)信號進(jìn)行分析，并提出應(yīng)對方法，使VOR系統(tǒng)可以正常使用。

【關(guān)鍵詞】 甚高頻全向信標(biāo) 數(shù)字信號 導(dǎo)航甚高頻全向信標(biāo)是一種用于航空的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)[1-2]。甚高頻全向信標(biāo)系統(tǒng)配合DME測距系統(tǒng)、MB指點信標(biāo)系統(tǒng)、GS下滑系統(tǒng)以及LOC航向系統(tǒng)可以實現(xiàn)飛機(jī)導(dǎo)航和著落的過程。現(xiàn)代導(dǎo)航接收機(jī)通常都結(jié)合了上述接收機(jī)的各項功能，因此，可以通過數(shù)字信號處理技術(shù)、自動頻率控制技術(shù)和數(shù)字頻率合成技術(shù)等多項技術(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)的小型化和數(shù)字化，從而提高系統(tǒng)信息傳輸?shù)目煽啃院陀行訹3-4]。

一、甚高頻全向信標(biāo)系統(tǒng)的功能特點

1.1甚高頻全向信標(biāo)系統(tǒng)的主要功能

①對飛機(jī)進(jìn)行定位，VOR機(jī)載設(shè)備可以測出從兩個已知的VOR臺到飛機(jī)的磁方位角，這樣就可以得出兩條位置線，根據(jù)位置線相交定位原理確定飛機(jī)的具體位置。VOR臺通常和測距臺（DME）安裝在一起，那么可以利用VOR測量飛機(jī)磁方位角，再通過DME測量飛機(jī)到VOR/DME臺的距離，這樣也可以確定飛機(jī)的地理位置。②順著選定的航路導(dǎo)航，飛機(jī)沿預(yù)選的航道飛向或飛離VOR臺，通過航道偏離指示指出飛機(jī)偏離預(yù)選航道的方向和角度，以引導(dǎo)飛機(jī)沿預(yù)選航道飛往目的地。

1.2甚高頻全向信標(biāo)系統(tǒng)的特點

VOR采用地面導(dǎo)航臺用方向性天線發(fā)射，機(jī)上采用無方向性天線接收的方法測向，可以直接提供飛機(jī)的方位角，相對于地面導(dǎo)航臺，無需航向基準(zhǔn)，其測向精度高于同樣是測向?qū)Ш皆O(shè)備的ADF。

二、甚高頻全向信標(biāo)系統(tǒng)信號分析

2.1基準(zhǔn)相位信號

用30Hz（F）的低頻信號對9960Hz（fs）進(jìn)行調(diào)頻，得出副載波us：

用us調(diào)整輻射載波（ω0），則基準(zhǔn)相位信號uR（t）：

2.2可變相位信號

30Hz信號（F）和載波f0經(jīng)邊帶測角器產(chǎn)生30Hz的調(diào)幅邊帶波信號，分別是：

分別由兩對可變向天線向空間輻射，則可變相位信號：

則接收機(jī)接收的VOR全信號：

可變相分量以30Hz的速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，由此可見，當(dāng)點位不同時，基準(zhǔn)信號與可變信號的相位差也不同，相位差與VOR臺的具體位置有關(guān)系。通過比較接收機(jī)中的基準(zhǔn)相位信號和可變相位信號，確定用戶的方位。

三、接收信號數(shù)字處理

在甚高頻全向信標(biāo)系統(tǒng)的定向原理中，30Hz信號比相是其核心。根據(jù)9960副載波可以得出基準(zhǔn)相位信號，通過相位比較器可以對相移θ進(jìn)行檢測，并確定方位。然后將基準(zhǔn)相位30Hz信號和可變相位30Hz信號進(jìn)行過0點檢測，通過計數(shù)器得出相位差，將計算結(jié)果處理成數(shù)字方位的格式，并將其送到無線電磁指示器（RMI），通過RMI進(jìn)行全方位顯示。相位差θ和計時器計時時間t的關(guān)系式：

以基準(zhǔn)信號為基準(zhǔn)，若發(fā)現(xiàn)其正向過零點，則利用計數(shù)器開始計數(shù)，直到可變信號正向過0點時，結(jié)束計數(shù)，將檢測到的相差點數(shù)計算出來，并將計數(shù)器清零準(zhǔn)備下次計數(shù)，若系統(tǒng)采樣率為fs，則VOR方位角度分辨率：

因為甚高頻通信系統(tǒng)會被鄰頻或同頻干擾，在信號處理的過程中會出現(xiàn)系統(tǒng)誤差的情況，導(dǎo)致比相信號的不穩(wěn)定和抖動，所以，在解算相位差時，不能只進(jìn)行一次求解就得出，而要經(jīng)過多次的換算取所有結(jié)果的平均值，但這樣又會引發(fā)其他問題，即當(dāng)兩個相位基本一致的時候，相位差會一致在0度左右擺動，這樣角度就可能會在360度和0度之間轉(zhuǎn)換，那么，經(jīng)過多次計算得出的角度將會出現(xiàn)誤差，解決這一問題的主要方法有：

設(shè)G1、G2、G3…是多次測量得出的相位差，為了避免相位差在0度附近抖動的問題，可以做出如下處理：

（i=1，2，3…）

將處理過的相位差進(jìn)行相加、求和，再計算出平均值Y，此時，若Y>360，則減去360度后輸出，則直接輸出：

式中，Z：最終輸出的相位差。經(jīng)過上述公式處理方式，可以有效避免信號在0度附近擺動形成的計算誤差是。

四、結(jié)束語

本文主要介紹了甚高頻全向信標(biāo)系統(tǒng)及其定向原理和信號的格式，通過檢測技術(shù)等數(shù)字思路取代原先模擬電路的相位比較工作，利用數(shù)字信號處理能使甚高頻全向信標(biāo)系統(tǒng)變得更加智能化，而且還能縮小其體積，使其機(jī)載接收機(jī)系統(tǒng)更加穩(wěn)定、可靠。