DVOR可变相位信号的分析

程传波

摘 要：目的：为加深对多普勒全相信标理论的理解，明白可变相位信号的形成过程，加强各层次维护人员排故效率。方法：对多普勒全相信标可变相位信号形成的过程和原理进行分析。对可变相位信号形成过程进行定性分析、定量分析，可以使不同层次维护人员都能掌握设备原理。结果：推导出影响设备几个监控参数的原因，总结性给出结论。结论：理解设备原理使维护人员更快定位故障，分析更复杂情况。

关键词：多普勒；全相信标；可变相位信号；磁方位

中图分类号：TN820 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）09-0207-03

DVOR（Doppler Very High Frequency Omnidirectional Radio Range）多普勒全相信标是国际民航组织规定标准的近程导航设备，它可以为飞机提供一个飞机和DVOR台站连线与台站磁北方向线的方位角，并能给出飞机向台/背台飞行、是否飞越台站以及是否偏离台站方向的指示。多普勒全相信标通过模拟天线旋转在空中形成副载波调频30Hz，并直接发射载波调幅的30HZ；直接通过载波调幅的30Hz AM信号在空中任何方位都同相，而通过天线模拟旋转形成的调频30Hz FM信号在空中不同方位的相位不同；然后在机载接收端解调得到这两个信号，然后比较这两个30Hz的相位差，得到飞机相对台站的位置信息；由于DVOR采用了更大的天线阵孔径，并采用了副载波上下边带的分离辐射；DVOR与传统的CVOR相比，增加了抗干扰能力，提高了导航精度。

1 多普勒效应

多普勒效应是奥地利物理学家及数学家克里斯琴·约翰·多普勒与1842年首先提出的。这一效应大致的内容是：由于波源和接收者有相对运动，而导致接收者接收到波的频率与波源的频率不同的现象。多普勒公式如下：

其中为接收者接收到的频率，为波源的实际频率，v为信号的传播速度，v0是接收者的速度，接近波源时为“+”号，反之为“-”号；vs是波源的速度，若接近接收者时为“-”号，远离接收者时为“+”号。

飞机飞行过程中，天线阵自转的瞬时速度方向变化频率为每秒30次，与此相比飞机自身飞行方向和速度的变化很慢，可以看作为恒定的。在接收端中30Hz鉴频过程中更看重的是频率变化即频差，而不是得到的实际频率；而当带入公式（1）时（v±v0）相对来说是不变的。并且由于飞机速度相对于DVOR信标台边带天线旋转速度来说比较小，只有不到五分之一，而且飞机可能位于台站任何方位。综上所述，在分析的时候可以认为飞机速度为零；只用天线自转速度来计算多普勒效应产生的频差；即接收者不动，波源相对接收者运动的情况。因此那么由公式（1）可以推出接收者接收到的频率和波源的频率的频差为：

其中Δ为频差；v为信号的传播速度，即光速；vs是波源的速度，即天线自转的速度；天线向着飞机自转时分母为“-”分子为“+”号，反之亦然。

2 可变相位信号形成的定性分析

为了便于分析，先假设是单根天线同时辐射上下边带信号，而不是分离辐射上下边带信号；天线是物理旋转，而不是模拟旋转。并假设周围电磁环境良好，反射网均匀且无限大。因为是定性分析，在旋转过程中，由于方位不同而导致频偏的正负不做深究、由于没有进行上下边带分离辐射而导致的相位误差不做深究。

2.1 可变相位信号形成的前提

在中央天线和边带天线辐射信号时，有一个前提：设备预定磁北方向为统一的零基准时刻，中央天线辐射的零基准相位信号的初相为零[1]；即中央天线辐射信号的30Hz AM的30Hz包络到零点时，边带天线在此刻旋转到磁北方位。由这个前提也可推出，中央天线30Hz AM包络一周期结束时，边带天线正好旋转一周回到磁北原点。

具体过程如图1所示。O点是中央天线位置，圆O的圆周是边带天线旋转轨迹，P和P是飞机所处位置。为便于计算，载波的频率设为中心频率113MHz。DVOR天线阵直径为13.5米，边带天线每秒旋转30周，可以得到边带天线的线速度约为V0=1272.3m/s。

2.2 当接收机位于磁北方位时

当飞机位于P点时，t=0时刻，边带天線旋转从A点开始；O点的载波30Hz包络从零点开始。此时编带天线相对于P点的速度为零，带入公式（2）得，飞机接受到的副载波频偏为零，鉴频后得到的30Hz波形位于零点。当边带天线旋转至E点时，假设

有上述分析同样可以得到，从t=0时刻开始，在边带天线的旋转过程中，边带天线依次经过A、E、B、C、D、F、A点，中央载波天线30Hz包络，值从sin0°、sin45°、sin90°、sin180°、sin270°、sin315°、sin360°周期变化。边带天线副载波频偏也从480* sin0°、480*sin45°、480*sin90°、480*sin180°、480*sin270°、480*sin315°、480*sin360°

做周期性变化。并且调频指数为480/30=16。

2.3 当接收机位于任意方位时

假设飞机位于P点，与天线中心连线和磁北方位夹角为45°；t=0时刻，中央天线的30Hz包络从最低点开始辐射，边带天线从磁北方位A点开始旋转；此时边带天线和飞机有相对速度，相对速度为V0*sin45°约为900m/s，副载波整体频偏约为339Hz。同理可以推出在边带天线旋转至A、E、B、C、D、F点时，接收到的副载波的整体频偏分别为480*sin45°、480*sin90°、480*sin135°、480*225°、480*sin315°、480*sin360°。中央天线的30Hz AM相位为0°、45o、90o、270°、315o、360°。