多普勒甚高频全向信标（DVOR）系统现状及发展趋势

荆 恒

多普勒甚高频全向信标（DVOR）系统现状及发展趋势

荆 恒

（中国民用航空西北地区空中交通管理局，西安 710082）

介绍了全向信标系统的基本组成原理及功能特点，并对DVOR系统技术现状进行分析，重点阐述了DVOR未来发展方向。

多普勒甚高频全向信标；直接数字频率合成；预测性维护

0 引言

甚高频全向信标（Very High Frequency Omni- Directional Range，VOR）于1949年被国际民航组织确定为标准导航系统[2]。在20世纪60年代开始大量应用，具有精度高、指示稳定的优点，是目前民用航空可信赖的陆基导航系统之一。因为目前大多数运输类飞机均装备了VOR接收机，所以一定规模的VOR台网仍需要维持和新建，用于支持终端和航路的运行[3]。

有两种类型的VOR地面设备：常规VOR（Conventional VOR，CVOR）和多普勒VOR（Doppler VOR，DVOR）[4]。DVOR是CVOR的进一步发展，对机载设备而言，DVOR与CVOR并无差异，即空间信号是相同的。与CVOR相比，在地理条件苛刻的位置，DVOR利用更大的天线孔径能够提供更高的信号质量和方位准确性。

1 DVOR系统介绍

1.1 VOR功能

根据不同的用途，VOR地面导航台可分为两类。一类发射较大功率，通常不小于100 W，安装在航路的转折点或走廊口，称为航路台，用于连接无线电航路，提供向背台飞行、向背台切入和检查修正航迹，为飞机提供航路飞行引导，或和测距仪（Distance Measuring Equipment，DME）配合，实现无线电定位。另一类发射较小功率，通常不大于50 W，设置在跑道一侧或跑道中心延长线上，称为终端VOR台，为进、离场飞机提供归航及非精密进近引导[5]。

1.2 DVOR工作原理及组成

VOR地面台发送的信号有两个：一个是相位固定的基准信号，另一个是随着围绕信标台的角度相位连续变化的可变相位信号[6]。VOR接收机根据所收到的两个信号的相位差就可以计算出自身相对信标台的方位。DVOR利用多普勒效应产生可变相位信号，将48个天线均匀布置在半径为13.5 m的圆周上，通过对这些天线的顺序馈电，来模拟天线的旋转，获得调频信号[7]。DVOR系统中心天线A辐射基准相位信号，轴对称天线A及A辐射上下边带信号，如图1所示。

图1 DVOR工作原理

远处点接收机收到的信号是这3个天线辐射信号的叠加，检波后的信号如式（1）所示

所谓出行链，即以居住地作为1 d公交出行的起终点，将公交乘客1 d内出行的起终点连接，形成一个环. 出行链闭合即1 d内相邻2次出行的起始地和目的地重合，形成一个闭合的环，例如本次出行从A站点出发到达B站点下车，下次出行从B站点或者B邻近站点出发到达A站点或者A邻近站点下车.

DVOR一般由发射机子系统、监视子系统、控制和交换子系统、天线子系统、电源子系统、遥控和状态显示子系统组成，如图2所示。

图2 DVOR系统组成

发射机子系统包括两套发射机，发射机产生射频信号、系统参考时钟及天线切换序列信号。射频信号包括已完成30 Hz幅度调制的载波基准信号和经过混合函数（blending function）调制的边带信号。混合函数调制的作用是为了降低天线切换过程中的杂散辐射，尽可能接近天线运动的理想模拟。大量试验表明，一些教材中介绍的平方脉冲混合函数并不是一个较好的选择，会附加多余的幅度和相位调制，从而导致方位精度下降，目前各主流厂家均使用自己特别选择的混合函数。

为了保证系统的完好性，DVOR使用两个独立监视器对系统进行连续监测。监视器采集空间辐射信号，解调处理得到功率、调制度、角度等关键参数信息，与预设门限值进行比较，若超出阈值，发出告警信息，DVOR执行切换、关机等动作。按照相关标准要求，监视器也需要使用独立的模块对自身状态进行实时监测。在这些措施下，DVOR系统的完好性水平一般在（1-10-7）以上。

控制和交换子系统是DVOR系统运行管理的核心，负责提供可靠的操作服务，根据监视器的测量结果控制发射机切换或关闭。

DVOR系统使用改进型阿尔福特天线（Modified Alford Loop Antenna）作为载波和边带天线，这种天线具备良好的水平极化全向辐射特性和较高辐射效率[8]。因载波发射机功率较大，载波天线驻波比一般应不大于1.1，从而降低反射功率，减少干扰。天线馈线损耗应尽可能小，一般不能大于2 dB，馈线长度一般为半波长的整数倍，以达到良好的阻抗匹配。

DVOR电源具有交直流两种供电方式。开关电源将输入的220 V交流电转换成48 V或28 V直流电压，48 V或28 V的中间电压直接或二次转换后供给各功能单元。正常情况下以交流供电为主，当交流电源掉电后，自动切换到备用直流电源（蓄电池）工作，并在设备端和遥控端有设备异常状态的显示，当交流电源恢复后，自动恢复到交流供电状态。

遥控和状态显示子系统通过专用网络提供远程的监控和维护功能，根据用户级别获取相应的操作权限。

2 DVOR技术现状

2.1 国际现状

进口DVOR起步早，研究比较系统，有较多的应用经验，产品比较成熟，稳定性好。

目前广泛应用的有THALES公司DVOR432和INDRA公司VRB-53D等。这些设备采用综合化、模块化的设计理念，以维修性为基础进行功能和结构划分，具有功能软件化、设备模块化和接口总线化的特点。采用发射机主从备份架构，板卡支持热插拔。有完善的机内自检（Built-in Test，BIT）设计，可以监视系统运行状况，便于维护修理。通过数字化设计和高可靠电子元器件的应用，一般平均无故障工作时间（Mean Time Between Failure，MTBF）达到数万小时。

DVOR432在全球有超过570套的应用，基于微处理器技术的系统设计，通过数字信号生成和控制实现极高的稳定性，具有端到端的完好性检查。采用离散傅里叶变换（Discrete Fourier Transform，DFT）技术的监视器，可以安装在远场，在不满足远场条件的台站也可以安装在反射网边缘[9]。

和DVOR432相比，VRB-53D数字化程度更高。采用直接数字频率合成（Direct Digital Synthesizer，DDS）技术和温补晶振，用于定时、频率和波形生成。创新地采用多天线辐射，通过产生次级信号，激励天线阵列中主发射天线相邻的天线，消除天线间互耦的影响，减小接收设备处观察到的失真[10]。

除了新技术的应用，国外公司也注重产品开发过程，通过充分遵守系统工程的原则和方法，建立符合系统工程原则和工业标准的研发体系，形成了完整的自顶向下的流程集、方法集和工具集，产品取得极大成功，这些值得国内公司关注学习。

2.2 国内现状

随着投入加大，我国工业界在陆基导航技术领域已取得较大进展，已具备较强的设备研发与生产能力[11]，近年，部分DVOR设备已获得行业许可。国内进行DVOR研发的主要厂家有中电科西北集团有限公司、天津七六四通信导航技术有限公司、四川九洲空管科技有限责任公司等。

国产设备打破国外垄断，展现出后发优势，较新产品基本实现了全数字化设计，功能性能上也达到了国际主流产品水平，完全符合国际民航和中国民航相关标准要求。

和国外厂商相比，国产厂商在技术服务方面提供了更有力的支撑，产品交付、现场支持、备件、维修、培训等响应时间快，技术服务工程师一般具有产品开发背景，业务熟练，这些都是国产设备的优势。

目前，国产DVOR设备在运行的数量仍然较少，运行稳定性和可靠性需要进一步的观察。国内厂商应根据各自的研发体系，将相关的安全性、可靠性、维修性等设计活动与需求分析、功能定义、架构设计相结合，将可靠性、安全性等产品特性融入产品本身，对产品进行持续性改进，不断提升设备产品质量，树立用户对国产设备的信心。

3 DVOR发展趋势

3.1 新的电子技术应用提供更高可靠性

更高的性能和可靠性一直是DVOR系统设计背后不变的驱动力，这就需要利用最新的电子技术。

在发射机部分，DDS和逐点输出的波形发生技术应用于DVOR信号的产生，可以实现实时的频率相位控制，能确保系统提供更低的杂散和噪声，更高的波形保真度。数字预失真技术应用于DVOR的功放设计，能够极大地减小尺寸/体积，降低系统功耗，减少与电源和冷却部件相关的成本。

在接收机部分，通过射频直接采样，利用基于频域的丰富信号分析方法，可以提供精度更高、性能更稳定的信号监视途径。

几十年的发展中，DVOR一直使用改进的阿尔福德环形天线，具有不圆度好、辐射效率高的特点，但成本较高。微带天线易集成、成本低，适合批量生产，在低功率DVOR系统中有一定应用前景。

3.2 商用货架产品技术应用降低成本

为了提高系统的可靠性和安全性，包括DVOR在内的空管导航设备付出了极大的硬件和软件成本，在出厂成本中占有较高的比例。商用货架产品（Commercial Off-The-Shelf，COTS）技术用于DVOR系统有着明显的优点：有成熟的标准，无需额外的开发；容易得到所需的开发工具和测试环境，加快了研发进度；批量的COTS产品降低了系统 成本。

在使用COTS时，要采取必要的技术措施，增强其适应能力，以满足导航产品必要的实时性、可靠性和完整性等特殊要求。

3.3 预测性维护

预测性维护集设备状态监测、故障诊断、故障预测、维修决策支持和维修活动于一体，是人工智能在工业领域的应用与实现[12]。设备生产商和运行单位多年运行积累的数据以及计算机运算能力的增加，使预测性维护应用于DVOR成为可能。

通常DVOR维护是以一定周期执行固定项目的检查来实现，而使用基于预测性维护智能远程维护系统，日常维护的周期和内容将不再是固定的。而是根据设备的实际情况，识别关键参数，收集和分析数据，结合历史数据来进行智能判断，可以预测潜在问题，提前生成维护计划，使运维单位能够在正确的时间做出正确的维护决策，并进行适当的维护。

预测性维护，可以最大限度地减少停机时间，优化备件资源，提高运营效率，降低经常性成本。

4 结语

DVOR在空管导航仍然有着非常广泛的应用，未来的DVOR朝着高可靠、易维护和智能化的方向发展，同时需要降低生命周期费用，这就要求更多新技术的应用，更加敏捷和系统规范化的设计、开发及验证。

[1] David Hughes. Jam Busters[J]. Air Traffic Technology International，2020，1（1）.

[2] 李跃.导航与定位[M]. 北京：国防工业出版社，2008.

[3] ICAO Doc 9750，Global Air Navigation Plan，6th Edition[S]. 2019.

[4] 倪育德，卢丹，王颖，等. 导航原理与系统[M]. 北京：清华大学出版社，2015.

[5] 张绍海. 航空领航学[M]. 天津：天津科学技术出版社，2002.

[6] ICAO ANNEX10，Aeronautical Telecommunications，8th Edition[S]. 2023.

[7] 程擎，江波，张雪华. 通信导航监视设施[M]. 成都：西南交通大学出版社，2016.

[8] Milligan，Thomas A. Modern Antenna Design，2th Edition[M]. 2005.

[9] 赵志军. VOR432 Nextfield监控流程分析[J]. 中国民用航空，2014，187（10）：86-87.

[10] 柳靖. INDRA VRB-53D发射信号产生与控制[J]. 江苏科技信息，2015，9（26）：60-63.

[11] CAAC. AC-115-TM-2015-03，民用航空导航技术应用政策[S]. 2015.

[12] 张燕龙，张红旗，陈兴玉，等. 集成电路封装关键设备远程运维预测性维护标准研究[J]. 标准科学，2021，560（1）：78-84.

Status and Development Trends of DVOR

JING Heng

First, the basic composition and principle of the DVOR system is introduced, and the current status of DVOR system is analyzed. Then the DVOR development trends is made emphasis on described.

Doppler VHF Omni-Directional Range; Direct Digital Synthesizer; Predictive Maintenance

TN965

A

1674-7976-(2023)-05-345-04

2023-06-20。

荆恒（1983.11—），山西运城人，工程师，主要研究方向为空管导航。