VRB-53D型多普勒甚高频全向信标导航原理与 设备结构的研究

王鹏云

摘 要：以DVOR的基本导航原理为基础，重点研究了VRB-53D载波及边带调制信号的产生过程，并使用MATLAB进行数学建模，对边带天线发射信号的融合波瓣图进行仿真，从VRB-53D的设备结构与信号流程方面分析了该设备的优势与不足。

关键词：VRB-53D;DVOR;调制信号;多普勒效应;波瓣图

中图分类号：V351.37;V355.1 文献标识码：A 文章编号：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 导航设备现状

无线电导航作为现代航空的基石之一，即利用各种机载设备通过处理携带导航参数的无线电波来定位航空器。地基无线电导航作为传统的导航手段，按照所测集合参量可以分为测角、测距、测距和差系统。

多普勒甚高频全向信标（DVOR）是近年来民航应用最广泛的近程无线电测角导航系统，部署基本与主要航线航路点一致。目前，国内主流的DVOR设备主要由INDRA、ALCATEL以及THALES等厂家生产，基本原理大体相同。本文从DVOR信号结构和生成过程入手，对INDRA的最新型号VRB-53D设备结构及信号流程进行分析，并与其他型号DVOR产品进行优劣对比。

2 多普勒效应原理

物体辐射的波长因为发射方和接收方的相对运动而产生变化。接收的频率与发射信号的原始频率的差值称作多普勒频移。实际应用中，发射天线与接收天线未必是在一维直线上进行相对运动，更多的是进行二维平面中的相对运动。这需要根据二者的实际运动轨迹，进行速度的矢量分解，取所需要的二者一维连线上的相对速度。如果接收方固定，发射方运动，那么二者的相对速度可以用[Vd=Vcosα]表示（[α]是速度矢量与二者连线的夹角），由此产生一个多普勒频移：

[fd=Vdcft=Vcosαcft]                        （1）

多普勒甚高频全向信标的核心是利用多普勒效应，产生一个天线不同方位对应数值不同的频移值，由机载设备解出相关的方位信息。

3 调制信号的产生

多普勒甚高频全向信标台通过模拟旋转边带天线产生可变相位信号。假设机载接收机静止，由于飞机到边带天线的距离远远大于边带圆周的半径，而飞机的高度又远远大于天线的架高，则二者连线近似平行于飞机与DVOR地面站圆心的连线。如果以磁北的方向为基准，做圆周运动的边带天线的相对速度进行矢量分解，可得到徑向分量[VcosΩt]和[VsinΩt]，多普勒频移[fd=Vdcft=VsinΩtcft]。

当飞机并不位于磁北方向时，需要给上述多普勒频移添加一初相角[θ]，[θ]为以此地面站为参考的飞机航向角。此时，可以把多普勒频移表示为[fd=fdmsinΩt+θ]。

此多普勒频移是一个关于时间t的函数，算式中其他变量均为常数。也就是说，多普勒频移会根据全向信标边带天线辐射点的旋转而发生变化。设边带天线的载波是频率w的正弦波[it=isinwt]，那么边带信号实际上就变成了被[fd]调制的FM信号，则其相位就是对频率的积分。

4 基于Matlab的边带波瓣图仿真

VRB-53D型DVOR边带天线采用正弦平方混合函数，其频谱分布可以恰好限制在有用的通频带之内。上边带和下边带信号分别由4个边带天线的发射信号混合而成。其中，中间2个边带天线由边带信号驱动;左右相邻的2个边带天线由补偿信号驱动，用以消除天线之间不必要的耦合[1]。

边带信号也需要被调制，因为发射信号不是简单地从一个天线切换到另一个天线。当发射信号在任何给定天线处达到最大值时，其他相邻天线均不再发射。随着下一个天线功率开始增加，先前天线的功率开始减少。当新天线达到最大值时，先前的天线功率降低到0，下一个天线开始发射信号，这个过程被称为混合，通过适当地AM调制边带信号来执行。在VRB-53D型DVOR中，混合功能包括每边带4个天线。虽然改进型阿尔福特天线本身是全向的，但是当2个这样的天线辐射时，得到的天线方向图将变成定向。为了最小化这种影响，当2个中间天线辐射时，外部的2个天线会进行相应的辐射，以补偿改变的波瓣图。

图1给出了在MATLAB中使用正弦平方函数作为混合函数的2对上下边带天线混合信号的仿真波瓣图。图中最大的圆的半径是固定的，表示相邻的两根边带天线场强叠加后的结果是持续稳定的;图中的小圆的半径是随着时间变化的，代表天线的场强值按正弦平方函数的规律变化。

边带信号波瓣图MATLAB模型源碼如下所述：

gain=1;%天线最大增益

a=360/48;

r=13.5/2;

p1_x=-r*sin（deg2rad（a/2））;

p1_y=r*cos（deg2rad（a/2））;%1单元坐标

p2_x=-p1_x;

p2_y=p1_y;%2单元坐标

p25_x=-p1_x;

p25_y=-p1_y;%25单元坐标

p26_x=p1_x;

p26_y=-p1_y;%26单元坐标

N=1000;%时间间隔

M=0;%调试起始位置

t=1/720/N*M：1/720/N：1/720;

gain1=gain*sin（1440*pi*t）.^2;%1单元添加激励后的瞬时增益

gain2=gain*cos（1440*pi*t）.^2;%2单元添加激励后的瞬时增益

gain25=-gain*sin（1440*pi*t）.^2;%1单元添加激励后的瞬时增益

gain26=-gain*cos（1440*pi*t）.^2;%2单元添加激励后的瞬时增益

%%上边带

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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图1 基于MATLAB的边带波瓣图

5 VRB-53D设备结构与信号流程

本文给出全向信标基本原理框图（如图2所示）和VRB-53D型多普勒全向信标结构框图（如图3所示）。通过对比二者可以发现，53D型DVOR的核心是SGU，产生9个信号——基准信号、4个上边带和4个下边带信号，并为ADS中进行的边带信号的混合提供开关和时序同步信号。SGU将30Hz AM调制应用于参考信号，以提供参考相位信息，同时将生成电台识别所需的识别音幅度调制到参考信号上。所有8个边带信号都经过了幅度和相位调制，以创建平滑的混合函数来模拟旋转信号[2]。SGU可以被配置为一个独立的发射器，这时它会产生识别码，也提供与DME识别码同步的接口。

SPA和RPA的主要功能是分别将SGU输入的边带信号和基准信号放大至能被天线发射的功率后送往ADS。在SGU的同步信号作用下，ADS将2个SPA输出的8路边带信号依次传送到48个边带天线上。

得益于包含闪存和FPGA的数字电路，53D的每个模块都包含一组与本地监控、数据记录和自身报告相关的子系统。它可以发出主要告警和次要告警，也可以关闭模块。设备监控子系统独立处理辐射信号的样本，并在系统级测量DVOR信号的一些参数。如果其中一个被监控的参数超出容限，CMU将提供故障信号。该单元控制系统的整体运行，可根据预定策略确定哪种情况会导致故障指示或站点关闭。此外，MRU测量30Hz AM和FM信号之间的相位差，并将其转换成角度方位，在网页读数上显示结果。

6 结语

相较其他型号DVOR和传统CVOR，VRB-53D的优势非常明显。譬如，可以通过数字电路灵活准确产生发射频率，使得边带射频源的模拟旋转运动更加精确，本地及远程监控设施更加优良等。但是，在实际使用过程中，限于它的机框排布结构，数字模块与模拟模块没有显著的隔离，特别是RPA工作时会产生明显的热量，如果散热不畅可能会影响周边模块，导致整体性能下降。

参考文献：

[1]郑连兴，倪育德.DVOR VRB-51D多普勒全向信标[M].北京：中国民航出版社，1997.

[2]鞠苓.DVOR边带信号混合函数的优劣分析[J].电子技术与软件工程，2014（22）：68-69.