Принцип действия и структура сигналов канала навигации VOR

Угломерный канал навигации VOR предназначен для определения азимута ЛА относительно радионавигационной точки, в которой устанавливается наземное оборудование системы. В состав угломерного канала входит наземное и бортовое оборудование. Наземное оборудование представляет собой радиомаяк, излучающий сигналы, прием и обработка которых на борту ЛА позволяет определить его азимут. Бортовое оборудование представляет собой приемоиндикатор, принцип действия которого определяется используемым в канале методом измерения азимута. При таком построении азимутального канала его пропускная способность не ограничена. В настоящее время различают три основные модификации угломерных систем МВ диапазона:

с измерением фазы огибающей АМ колебаний (VOR);

с двухступенчатым измерением фазы (PVOR);

с использованием эффекта Доплера (DVOR).
VOR. Радиомаяки VOR имеют две передающие антенны:

ненаправленную антенну А₁ с диаграммой направленности (ДНА) в горизонтальной плоскости ;

направленную антенну А₂ с диаграммой направленности в горизонтальной плоскости .

В любом азимутальном направлении значение диаграммы направленности А₂ характеризуется величиной .

Антенна А₁ создает поле с напряженностью

(1.1)

с амплитудой .

Антенна А₂ в любом азимутальном направлении создает поле

(1.2)

с амплитудой . (1.3)

Обычно для радиомаяков VOR выполняется условие .

Диаграммы излучения антенн радиомаяка VOR показаны на рис. 1.6(а).

Высокочастотные сигналы формируются одним передатчиком и излучаются антеннами, имеющими общий фазовый центр. При сложении полей в пространстве образуется суммарное поле всенаправленного РМ (рис. 1.6(б))
.

Рис. 1.6. Диаграммы излучения антенн радиомаяка VOR
С учетом выражений (1.2) и (1.3) величину суммарного поля можно выразить

. (1.4)

Диаграмма направленности А₂ вращается в горизонтальной плоскости с угловой скоростью

,

где n – частота вращения ДНА в минуту.

Длительность одного оборота Т равна периоду вращения, , а частота . Частота вращения в VOR составляет n=1800 об/мин ( F=30 Гц).

Положение диаграммы направленности А₂ (положение ее максимумов) – функция времени . Вращение антенны вызовет периодическое изменение суммарного поля. Обозначим отношение амплитуд и, подставив в (1.4) значения и , получим

. (1.5)

В результате образуется поле с глубиной амплитудной модуляции , частотой модуляции и фазой огибающей, зависящей от азимута . Колебания, принимаемые бортовым приемником, можно представить выражением

, (1.6)

где К – коэффициент, учитывающий ослабление.

После усиления и детектирования можно выделить напряжение низкой частоты
, (1.7)

фаза которого содержит информацию об азимуте самолета :
. (1.8)

Для выделения этой информации на борту ЛА необходимо иметь опорное колебание, несущее информацию о мгновенном положении ДНА. Эта информация должна быть заложена в фазе опорного колебания

с текущим значением фазы
(1.9)

соответствующим угловому положению ДНА в данный момент времени t.

При наличии на борту ЛА такого опорного напряжения можно определить азимут ЛА как разность фаз опорного и азимутального сигналов (1.8) и (1.9):

Для работы бортового измерителя необходим опорный сигнал, причем одинаковый для всех ЛА. Этот сигнал необходимо передавать по отдельному каналу связи. В целях сокращения частотных каналов связи опорный сигнал в этих системах передают на той же несущей частоте , что и азимутальный. Разделение азимутального и опорного сигналов по каналам происходит на приемной стороне методом частотной селекции продетектированного по амплитуде комбинированного сигнала. Такая возможность появляется при использовании для передачи опорного сигнала двойной амплитудно-частотной модуляции.

Рассмотрим формирование сигналов наземным оборудованием и работу бортового оборудования на примере упрощенной структурной схемы канала VOR (рис. 1.7).

В передатчике (ПРД) формируются высокочастотные колебания частоты . В делителе мощности (ДМ) ВЧ сигнал разделяется на два канала. Часть мощности поступает во вращающуюся антенну А₂. Частота вращения антенны определяется блоком управления (БУА) и равна F=30 Гц. В радиомаяках применялись различные способы вращения антенны. В первых радиомаяках вращение антенны осуществлялось механическим способом при помощи электродвигателя. Другой способ предусматривает применение гониометрических антенных систем. Позднее были разработаны методы электронного вращения ДНА (метод электронного гониометра), при котором эффект вращения ДНА достигается питанием двух взаимно перпендикулярных направленных антенн с диаграммами в виде восьмерки. Питание антенн осуществляется балансно-модулированными колебаниями со сдвигом по фазе огибающей модуляции на 90°. Антенной А₂ создается электромагнитное поле (1.2).

Рис. 1.7. Структурная схема канала VOR
Антенна А₁ является ненаправленной и предназначена для формирования суммарной диаграммы направленности типа «кардиоида» и передачи опорного сигнала. Для формирования сигнала с двойной амплитудно-частотной модуляцией выбирают колебания, частота которых намного больше частоты вращения ДНА, но существенно меньше частоты несущих колебаний, и используют эти колебания в качестве вспомогательных. Вспомогательные колебания называются поднесущей, для которой должно выполнятся условие , где – частота поднесущих колебаний. Для системы VOR частота поднесущей равна F_П=9960 Гц.

В модуляторе поднесущей (МП) осуществляется частотная модуляция поднесущей опорными колебаниями частотой F_ОП=30 Гц с девиацией частоты ΔF_П=480 Гц при индексе модуляции . В модуляторе МВЧ высокочастотные колебания модулируются по амплитуде напряжением поднесущей с глубиной модуляции .

Антенна А₁ создает поле с напряженностью

, (1.10)

где – коэффициент амплитудной модуляции; – коэффициент частотной модуляции; – девиация поднесущей частоты.

Суммарное поле

воздействует на антенну бортового оборудования А₀. На выходе антенны получается суммарное колебание вида

. (1.11)

Амплитудно-частотный спектр суммарного колебания показан на рис.1.8(а).

Рис. 1.8. Амплитудно-частотный спектр:

а) принятого сигнала;

б) огибающей принятого сигнала
Бортовым оборудованием необходимо выделить из суммарного азимутальный и опорный сигналы и произвести их сравнение по фазе.

После преобразования суммарного сигнала в приемном устройстве (ПРМ), усиления его и детектирования амплитудным детектором выделяется огибающая, содержащая азимутальный и опорный сигналы вида
, (1.12)

где и – амплитуды составляющих полного сигнала.

Из спектра сигнала (1.12), представленного на рис. 1.8(б), видно, что азимутальный и опорный сигналы можно выделить путем частотной селекции. Для этой цели с выхода ПРМ сигнал подается на два фильтра Ф1 и Ф2.

В фильтре Ф1, настроенном на частоту (f=30 Гц), выделяется азимутальный сигнал или сигнал переменной фазы, а в фильтре Ф2, настроенном на поднесущую частоту (f=9960 Гц), выделяется частотно-модулированное поднесущее колебание. После симметричного ограничения в усилителе-ограничителе (УО) в частотном детекторе (ЧД) выделяется опорное колебание.

В результате преобразований получены:

азимутальный сигнал ;

опорный сигнал .

Опорное напряжение подается на фазовращатели ФВ1 и ФВ2. В исходном положении ось ФВ1 повернута на произвольный угол b , что вызывает дополнительный сдвиг фазы опорного напряжения на величину b

и . (1.13)

Азимутальное и опорное напряжение подается на фазовый детектор ФД1. Разница фаз между напряжениями на входе

(1.14)

Напряжение на выходе фазового детектора ФД1:

(1.15)

Это постоянное напряжение преобразуется (в ПНН) в сигнал рассогласования с частотой 400 Гц и подается на управляющую обмотку электродвигателя (ДВ), который поворачивает ось ротора фазовращателя ФВ1 до тех пор, пока разность фаз не станет равной нулю. При этом и . Таким образом, угол поворота ротора фазовращателя ФВ1 становится равным азимуту самолета. Ось ФВ1 связана с осью сельсин-датчика (СД), который передает результаты измерений на указатели азимута.

В системе VOR предусмотрена возможность полета самолета по заданному азимуту . Для этого в схему введены ФД2 и ФВ2. Ось ФВ2 поворачивается вручную и устанавливается на заданный угол . При этом фаза опорного напряжения дополнительно сдвигается на величину и становится

. (1.16)

Это напряжение подается на вход ФД2. На второй вход подается азимутальное напряжение с фазой

.

Разность фаз азимутального и опорного напряжений на входе ФД2

. (1.17)

После фазового детектирования согласно (1.15) на выходе детектора
.

Когда , и азимут самолета совпадает с заданным направлением. Эта задача решается при полете ЛА на радиомаяк VOR или от него. Для индикации полета на радиомаяк или от него в схему вводится ФД3, на который подаются:

азимутальное напряжение с фазой ;

опорное напряжение с фазой
. (1.18)

Разность фаз этих напряжений

. (1.19)

При полете на радиомаяк в соответствии с (1.15), когда , на выходе ФД3

. (1.20)

Наличие положительного напряжения вызывает включение светового табло «На». При пролете радиомаяка текущий азимут самолета изменяется на 180°, тогда . Изменение азимута вызывает смену полярности напряжения на выходе ФД3
, (1.21)

при этом выключается табло «На», включается табло «От».

На рис. 1.9 приведены напряжения в характерных точках схемы бортового оборудования (рис. 1.7).

Рис. 1.9.

Вид фазовых соотношений в системе VOR
Напряжение (1) на входе приемника представляет собой совокупность высокочастотного сигнала , амплитудно-модулированного сигналом поднесущей в свою очередь частотно-модулированной опорным сигналом . В сигнале также присутствует амплитудная модуляция сигналом переменной фазы (азимутальным сигналом).

Напряжение (2) на выходе фильтра Ф2 – сигнал поднесущей частоты частотно-модулированной опорным сигналом .

Напряжение (3) на выходе частотного детектора – опорный сигнал .

Напряжение (4) на выходе фильтра Ф1 – сигнал переменной фазы .

Всенаправленные радиомаяки VOR работают в диапазоне 108…118 МГц. В настоящее время этот диапазон делится на 200 фиксированных частот с дискретностью 50 кГц. Из 200 для работы с радиомаяками VOR выделяется 160 частот, остальные 40 частот предназначаются для работы курсовых радиомаяков посадочных систем МВ диапазона. В системе предусмотрена передача сигналов опознавания маяка кодом Морзе посредством тональной модуляции несущих колебаний с частотой F_M=1020 Гц или речевым сообщением.

Маяки выпускаются для установки на воздушных трасах и для работы на аэродромах. При мощности передатчиков РМ до 50 Вт их дальность действия при высоте полета ЛА 10…12 км достигает 250…370 км. Погрешность измерения азимута в канале VOR находится в пределах 1…3,5° и в значительной степени зависит от характера местности, что является основным недостатком этой системы. Для облегчения борьбы с отражениями от местных предметов применяется горизонтальная поляризация излучаемых сигналов.