DVOR可變相位信號的分析

程傳波

摘 要：目的：為加深對多普勒全相信標理論的理解，明白可變相位信號的形成過程，加強各層次維護人員排故效率。方法：對多普勒全相信標可變相位信號形成的過程和原理進行分析。對可變相位信號形成過程進行定性分析、定量分析，可以使不同層次維護人員都能掌握設備原理。結果：推導出影響設備幾個監控參數的原因，總結性給出結論。結論：理解設備原理使維護人員更快定位故障，分析更復雜情況。

關鍵詞：多普勒；全相信標；可變相位信號；磁方位

中圖分類號：TN820 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）09-0207-03

DVOR（Doppler Very High Frequency Omnidirectional Radio Range）多普勒全相信標是國際民航組織規定標準的近程導航設備，它可以為飛機提供一個飛機和DVOR臺站連線與臺站磁北方向線的方位角，并能給出飛機向臺/背臺飛行、是否飛越臺站以及是否偏離臺站方向的指示。多普勒全相信標通過模擬天線旋轉在空中形成副載波調頻30Hz，并直接發射載波調幅的30HZ；直接通過載波調幅的30Hz AM信號在空中任何方位都同相，而通過天線模擬旋轉形成的調頻30Hz FM信號在空中不同方位的相位不同；然后在機載接收端解調得到這兩個信號，然后比較這兩個30Hz的相位差，得到飛機相對臺站的位置信息；由于DVOR采用了更大的天線陣孔徑，并采用了副載波上下邊帶的分離輻射；DVOR與傳統的CVOR相比，增加了抗干擾能力，提高了導航精度。

1 多普勒效應

多普勒效應是奧地利物理學家及數學家克里斯琴·約翰·多普勒與1842年首先提出的。這一效應大致的內容是：由于波源和接收者有相對運動，而導致接收者接收到波的頻率與波源的頻率不同的現象。多普勒公式如下：

其中為接收者接收到的頻率，為波源的實際頻率，v為信號的傳播速度，v0是接收者的速度，接近波源時為“+”號，反之為“-”號；vs是波源的速度，若接近接收者時為“-”號，遠離接收者時為“+”號。

飛機飛行過程中，天線陣自轉的瞬時速度方向變化頻率為每秒30次，與此相比飛機自身飛行方向和速度的變化很慢，可以看作為恒定的。在接收端中30Hz鑒頻過程中更看重的是頻率變化即頻差，而不是得到的實際頻率；而當帶入公式（1）時（v±v0）相對來說是不變的。并且由于飛機速度相對于DVOR信標臺邊帶天線旋轉速度來說比較小，只有不到五分之一，而且飛機可能位于臺站任何方位。綜上所述，在分析的時候可以認為飛機速度為零；只用天線自轉速度來計算多普勒效應產生的頻差；即接收者不動，波源相對接收者運動的情況。因此那么由公式（1）可以推出接收者接收到的頻率和波源的頻率的頻差為：

其中Δ為頻差；v為信號的傳播速度，即光速；vs是波源的速度，即天線自轉的速度；天線向著飛機自轉時分母為“-”分子為“+”號，反之亦然。

2 可變相位信號形成的定性分析

為了便于分析，先假設是單根天線同時輻射上下邊帶信號，而不是分離輻射上下邊帶信號；天線是物理旋轉，而不是模擬旋轉。并假設周圍電磁環境良好，反射網均勻且無限大。因為是定性分析，在旋轉過程中，由于方位不同而導致頻偏的正負不做深究、由于沒有進行上下邊帶分離輻射而導致的相位誤差不做深究。

2.1 可變相位信號形成的前提

在中央天線和邊帶天線輻射信號時，有一個前提：設備預定磁北方向為統一的零基準時刻，中央天線輻射的零基準相位信號的初相為零[1]；即中央天線輻射信號的30Hz AM的30Hz包絡到零點時，邊帶天線在此刻旋轉到磁北方位。由這個前提也可推出，中央天線30Hz AM包絡一周期結束時，邊帶天線正好旋轉一周回到磁北原點。

具體過程如圖1所示。O點是中央天線位置，圓O的圓周是邊帶天線旋轉軌跡，P和P是飛機所處位置。為便于計算，載波的頻率設為中心頻率113MHz。DVOR天線陣直徑為13.5米，邊帶天線每秒旋轉30周，可以得到邊帶天線的線速度約為V0=1272.3m/s。

2.2 當接收機位于磁北方位時

當飛機位于P點時，t=0時刻，邊帶天線旋轉從A點開始；O點的載波30Hz包絡從零點開始。此時編帶天線相對于P點的速度為零，帶入公式（2）得，飛機接受到的副載波頻偏為零，鑒頻后得到的30Hz波形位于零點。當邊帶天線旋轉至E點時，假設

有上述分析同樣可以得到，從t=0時刻開始，在邊帶天線的旋轉過程中，邊帶天線依次經過A、E、B、C、D、F、A點，中央載波天線30Hz包絡，值從sin0°、sin45°、sin90°、sin180°、sin270°、sin315°、sin360°周期變化。邊帶天線副載波頻偏也從480* sin0°、480*sin45°、480*sin90°、480*sin180°、480*sin270°、480*sin315°、480*sin360°

做周期性變化。并且調頻指數為480/30=16。

2.3 當接收機位于任意方位時

假設飛機位于P點，與天線中心連線和磁北方位夾角為45°；t=0時刻，中央天線的30Hz包絡從最低點開始輻射，邊帶天線從磁北方位A點開始旋轉；此時邊帶天線和飛機有相對速度，相對速度為V0*sin45°約為900m/s，副載波整體頻偏約為339Hz。同理可以推出在邊帶天線旋轉至A、E、B、C、D、F點時，接收到的副載波的整體頻偏分別為480*sin45°、480*sin90°、480*sin135°、480*225°、480*sin315°、480*sin360°。中央天線的30Hz AM相位為0°、45o、90o、270°、315o、360°。