VOR信号量值溯源技术研究

何 昭， 张亦弛， 郭晓涛， 黄见明， 聂梅宁， 陶 毅

(中国计量科学研究院，北京 100029)

1 引 言

甚高频全向无线电信标(very high frequency omni-directional range，VOR)是近距导航的主流系统。绝大多数现代军民用飞机都配备有VOR接收机[1]。

VOR信号基于较为复杂的调频(FM)/调幅(AM)混合调制，不能通过常规的射频模拟信号发生器简单合成，目前主要采用自定义直接数字合成的方式实现[2，3]。然而,这种VOR信号发生方式的准确度完全依赖高速数模转换器的精度，不仅难以准确分析其垂直分辨率、时钟抖动、平滑滤波等因素带来的误差贡献[4，5]，更重要的是无法实现VOR量值向国家计量基标准的有效溯源。

本文提出了一种实现VOR信号的新方法，基于相位发生器和调频调幅设备建立了标准VOR信号发生装置，将VOR相位量值溯源到国家相位基准，调幅深度量值溯源到国家衰减基准。

2 VOR信号基本原理

VOR系统于1949年被国际民航组织批准为国际标准的无线电导航设备，其射频载波工作频率为108.0～117.95 MHz。为了让不同方位的飞机能够根据各自接收到的VOR信号辨识机场相对自身的方位，机场所发射的VOR信号包含2个部分：一个同时向四面八方发射，通过9.96 kHz副载波FM调频加载一个30 Hz的余弦波信息；另一个则以旋转方式向外发射，其旋转速度同步为30 r/s，并且当30 Hz调频的相位为0°时，朝向磁北方向。对于飞机而言，通过计算30 Hz调幅分量的最大能量幅值与30 Hz调频波分量的相位差，如图1所示，可以得到飞机相对机场偏离磁北的方位角，完成方位导航。

图1 VOR导航信号原理示意图Fig.1 Scheme illustration of VOR signal

飞机接收到的VOR信号表达式为

VR=A{1+αcos (2π×30×t+Δφ)+

βcos[2π×9.96×103×t+

sin(2π×30×t)]}·

cos(2π×108×106×t)

(1)

式中：VR为时域VOR信号；A为射频载波的幅度；α为调幅分量的调幅深度；β为调频分量的调幅深度；相位差Δφ为飞机所在方位角；t为时间。

为了保障VOR系统提供的方位信息准确可靠，实际使用过程中规定了各项信号参数的不确定度指标要求,如表1所示。其中，频率参数均可溯源到国家频率基准，调制深度参数也均可直接溯源到国家调制度标准装置，但相位差参数因其信号形式较为复杂，不能直接溯源至国家相位基准。因此，需要针对性研制标准VOR信号发生装置，以实现符合精度要求的VOR相位差参数的量值溯源。

表1 VOR信号各参数的不确定度指标要求Tab.1 Uncertainty requirement of VOR signal parameters

3 标准VOR信号发生装置

基于式(1)的VOR信号基本形式，本文所提出的标准VOR信号发生装置由30 Hz相位发生器、FM调频及9.96 kHz副载波发生模块、AM调幅及载波发生模块3个部分组成，如图2所示。其基本原理是：利用相位发生器提供标准相位差的两路30 Hz正弦波信号，一路经9.96 kHz副载波FM调频后与另一路相加并对108.0 MHz～117.95 MHz载波进行AM调幅，从而获得标准VOR信号，如图3所示。其中，30 Hz相位发生器用于提供相位差精确可控的两路30 Hz正弦波信号，一路作为“参考相位”信号提供给FM调频模块实现副载波调制，另一路作为“可变相位”信号实现任意方位角的载波幅度调制。在标准VOR信号发生装置构建中，所用到的主要仪器设备见表2。相应的仪器连接方式如图4所示。

图2 标准VOR信号发生装置原理框图Fig.2 Scheme diagram of standard VOR signal generator

图3 标准VOR信号波形图Fig.3 Waveform of standard VOR signal

表2 标准VOR信号发生装置所用仪器设备Tab.2 Equipments used by standard VOR signal generator

图4 标准VOR信号发生装置连接示意图Fig.4 Illustration of equipment connection in standard VOR signal generator

可以看出，VOR信号发生装置依靠相位发生器Clarke-Hess 5500-2来保证VOR相位量值的准确度。通过对相位发生器的校准，能够保证两路30 Hz正弦波信号的相位差偏差小于 ±0.005°，并将VOR相位量值溯源到国家相位基准，如图5所示。对于VOR调幅深度，可以采用文献[6]给出的衰减替代法，利用频谱分析仪作为过渡指示器将量值溯源到国家衰减基准，相对误差小于±0.2%。

4 不确定度分析和实验验证

标准VOR信号发生装置的相位不确定度来源主要包括：相位发生器准确度、系统稳定性[7]、FM调频引入相移[8]、载波和调制信号幅度波动、载波频率、AM调幅(稳幅)引入相移等，相应的不确定度贡献如表3所示。

图5 标准VOR导航信号的量值溯源Fig.5 Traceability of standard VOR signal quantities

由此可见，本文所建立的标准VOR信号发生装置相位扩展不确定度小于±0.020°(k=2)。通过和测量接收机FSMR(配备VOR解调选件，准确度标称值为±0.060°)进行测试比对，从而有效验证了表3的不确定度分析结果。

表3 VOR相位不确定度分量Tab.3 Uncertainty components of VOR phase quantity

VOR相位测试比对结果见表4。

实际使用过程中VOR系统的相位差分辨率需能够达到为1°，故飞行校验过程中校验系统所要求达到的分辨率通常为0.1°量级。目前，商用VOR信号发生和接收装置的相位准确度指标一般为0.06°～0.07°。本研究所达到的指标为0.020°，完全具备对商用仪器产品的检定和校准能力，能够满足实际应用需求。

5 结 论

本文提出了一种实现VOR信号的新方法，基于相位发生器和调频调幅设备建立了标准VOR信号发生装置，将VOR相位量值溯源到国家相位基准，解决了传统基于直接数字信号合成方法无法实现量值溯源的问题。通过对VOR标准信号发生装置进行不确定度评定，其相位扩展不确定度为±0.020°(k=2)，调幅深度不确定度为±0.2%(k=2)，可以对商用VOR信号发生和解调设备提供校准。

表4 VOR相位测试比对结果Tab.4 Comparison of VOR phase measurements (°)