VRB-53D型多普勒甚高頻全向信標導航原理與 設備結構的研究

王鵬云

摘 要：以DVOR的基本導航原理為基礎，重點研究了VRB-53D載波及邊帶調制信號的產生過程，并使用MATLAB進行數學建模，對邊帶天線發射信號的融合波瓣圖進行仿真，從VRB-53D的設備結構與信號流程方面分析了該設備的優勢與不足。

關鍵詞：VRB-53D;DVOR;調制信號;多普勒效應;波瓣圖

中圖分類號：V351.37;V355.1 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）01-0020-03

Research on VRB-53D Doppler VHF Omnidirectional Beacon

Navigation Principle and Equipment Structure

WANG Pengyun

（Civil Aviation Henan Aviation Administration，Zhengzhou Henan 450019）

Abstract： Firstly， based on the basic navigation principle of DVOR， this paper focused on the generation process of VRB-53D carrier and sideband modulation signal， and used MATLAB to build mathematical model to simulate the fusion lobe pattern of sideband antenna transmitting signal. Finally， the advantages and disadvantages of VRB-53D were analyzed from the aspects of equipment structure and signal flow.

Keywords： VRB-53D;DVOR;modulation dignal;Doppler effect;lobe pattern

1 導航設備現狀

無線電導航作為現代航空的基石之一，即利用各種機載設備通過處理攜帶導航參數的無線電波來定位航空器。地基無線電導航作為傳統的導航手段，按照所測集合參量可以分為測角、測距、測距和差系統。

多普勒甚高頻全向信標（DVOR）是近年來民航應用最廣泛的近程無線電測角導航系統，部署基本與主要航線航路點一致。目前，國內主流的DVOR設備主要由INDRA、ALCATEL以及THALES等廠家生產，基本原理大體相同。本文從DVOR信號結構和生成過程入手，對INDRA的最新型號VRB-53D設備結構及信號流程進行分析，并與其他型號DVOR產品進行優劣對比。

2 多普勒效應原理

物體輻射的波長因為發射方和接收方的相對運動而產生變化。接收的頻率與發射信號的原始頻率的差值稱作多普勒頻移。實際應用中，發射天線與接收天線未必是在一維直線上進行相對運動，更多的是進行二維平面中的相對運動。這需要根據二者的實際運動軌跡，進行速度的矢量分解，取所需要的二者一維連線上的相對速度。如果接收方固定，發射方運動，那么二者的相對速度可以用[Vd=Vcosα]表示（[α]是速度矢量與二者連線的夾角），由此產生一個多普勒頻移：

[fd=Vdcft=Vcosαcft]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

多普勒甚高頻全向信標的核心是利用多普勒效應，產生一個天線不同方位對應數值不同的頻移值，由機載設備解出相關的方位信息。

3 調制信號的產生

多普勒甚高頻全向信標臺通過模擬旋轉邊帶天線產生可變相位信號。假設機載接收機靜止，由于飛機到邊帶天線的距離遠遠大于邊帶圓周的半徑，而飛機的高度又遠遠大于天線的架高，則二者連線近似平行于飛機與DVOR地面站圓心的連線。如果以磁北的方向為基準，做圓周運動的邊帶天線的相對速度進行矢量分解，可得到徑向分量[VcosΩt]和[VsinΩt]，多普勒頻移[fd=Vdcft=VsinΩtcft]。

當飛機并不位于磁北方向時，需要給上述多普勒頻移添加一初相角[θ]，[θ]為以此地面站為參考的飛機航向角。此時，可以把多普勒頻移表示為[fd=fdmsinΩt+θ]。

此多普勒頻移是一個關于時間t的函數，算式中其他變量均為常數。也就是說，多普勒頻移會根據全向信標邊帶天線輻射點的旋轉而發生變化。設邊帶天線的載波是頻率w的正弦波[it=isinwt]，那么邊帶信號實際上就變成了被[fd]調制的FM信號，則其相位就是對頻率的積分。

4 基于Matlab的邊帶波瓣圖仿真

VRB-53D型DVOR邊帶天線采用正弦平方混合函數，其頻譜分布可以恰好限制在有用的通頻帶之內。上邊帶和下邊帶信號分別由4個邊帶天線的發射信號混合而成。其中，中間2個邊帶天線由邊帶信號驅動;左右相鄰的2個邊帶天線由補償信號驅動，用以消除天線之間不必要的耦合[1]。

邊帶信號也需要被調制，因為發射信號不是簡單地從一個天線切換到另一個天線。當發射信號在任何給定天線處達到最大值時，其他相鄰天線均不再發射。隨著下一個天線功率開始增加，先前天線的功率開始減少。當新天線達到最大值時，先前的天線功率降低到0，下一個天線開始發射信號，這個過程被稱為混合，通過適當地AM調制邊帶信號來執行。在VRB-53D型DVOR中，混合功能包括每邊帶4個天線。雖然改進型阿爾福特天線本身是全向的，但是當2個這樣的天線輻射時，得到的天線方向圖將變成定向。為了最小化這種影響，當2個中間天線輻射時，外部的2個天線會進行相應的輻射，以補償改變的波瓣圖。

圖1給出了在MATLAB中使用正弦平方函數作為混合函數的2對上下邊帶天線混合信號的仿真波瓣圖。圖中最大的圓的半徑是固定的，表示相鄰的兩根邊帶天線場強疊加后的結果是持續穩定的;圖中的小圓的半徑是隨著時間變化的，代表天線的場強值按正弦平方函數的規律變化。

邊帶信號波瓣圖MATLAB模型源碼如下所述：

gain=1;%天線最大增益

a=360/48;

r=13.5/2;

p1_x=-r*sin（deg2rad（a/2））;

p1_y=r*cos（deg2rad（a/2））;%1單元坐標

p2_x=-p1_x;

p2_y=p1_y;%2單元坐標

p25_x=-p1_x;

p25_y=-p1_y;%25單元坐標

p26_x=p1_x;

p26_y=-p1_y;%26單元坐標

N=1000;%時間間隔

M=0;%調試起始位置

t=1/720/N*M：1/720/N：1/720;

gain1=gain*sin（1440*pi*t）.^2;%1單元添加激勵后的瞬時增益

gain2=gain*cos（1440*pi*t）.^2;%2單元添加激勵后的瞬時增益

gain25=-gain*sin（1440*pi*t）.^2;%1單元添加激勵后的瞬時增益

gain26=-gain*cos（1440*pi*t）.^2;%2單元添加激勵后的瞬時增益

%%上邊帶

theta=0：pi/100：2*pi;

r1_x=gain1（1）*cos（theta）;

r1_y=gain1（1）*sin（theta）;

r2_x=gain2（1）*cos（theta）;

r2_y=gain2（1）*sin（theta）;

pu_x=（gain1（1）*p1_x+gain2（1）*p2_x）/（gain1（1）+gain2（1））;

pu_y=（gain1（1）*p1_y+gain2（1）*p2_y）/（gain1（1）+gain2（1））;%1

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圖1 基于MATLAB的邊帶波瓣圖

5 VRB-53D設備結構與信號流程

本文給出全向信標基本原理框圖（如圖2所示）和VRB-53D型多普勒全向信標結構框圖（如圖3所示）。通過對比二者可以發現，53D型DVOR的核心是SGU，產生9個信號——基準信號、4個上邊帶和4個下邊帶信號，并為ADS中進行的邊帶信號的混合提供開關和時序同步信號。SGU將30Hz AM調制應用于參考信號，以提供參考相位信息，同時將生成電臺識別所需的識別音幅度調制到參考信號上。所有8個邊帶信號都經過了幅度和相位調制，以創建平滑的混合函數來模擬旋轉信號[2]。SGU可以被配置為一個獨立的發射器，這時它會產生識別碼，也提供與DME識別碼同步的接口。

SPA和RPA的主要功能是分別將SGU輸入的邊帶信號和基準信號放大至能被天線發射的功率后送往ADS。在SGU的同步信號作用下，ADS將2個SPA輸出的8路邊帶信號依次傳送到48個邊帶天線上。

得益于包含閃存和FPGA的數字電路，53D的每個模塊都包含一組與本地監控、數據記錄和自身報告相關的子系統。它可以發出主要告警和次要告警，也可以關閉模塊。設備監控子系統獨立處理輻射信號的樣本，并在系統級測量DVOR信號的一些參數。如果其中一個被監控的參數超出容限，CMU將提供故障信號。該單元控制系統的整體運行，可根據預定策略確定哪種情況會導致故障指示或站點關閉。此外，MRU測量30Hz AM和FM信號之間的相位差，并將其轉換成角度方位，在網頁讀數上顯示結果。

6 結語

相較其他型號DVOR和傳統CVOR，VRB-53D的優勢非常明顯。譬如，可以通過數字電路靈活準確產生發射頻率，使得邊帶射頻源的模擬旋轉運動更加精確，本地及遠程監控設施更加優良等。但是，在實際使用過程中，限于它的機框排布結構，數字模塊與模擬模塊沒有顯著的隔離，特別是RPA工作時會產生明顯的熱量，如果散熱不暢可能會影響周邊模塊，導致整體性能下降。

參考文獻：

[1]鄭連興，倪育德.DVOR VRB-51D多普勒全向信標[M].北京：中國民航出版社，1997.

[2]鞠苓.DVOR邊帶信號混合函數的優劣分析[J].電子技術與軟件工程，2014（22）：68-69.