3.2 VOR導航系統

 

圖3－2 基準相位信號

全向信標系統VOR(VHF Omni-Rang)是一種相位式近程甚高頻導航系統。它是由地面的電臺向空中的飛機提供方位信息，以便航路上的飛機可以確定相對于地面電臺的方位[5]。這個方位以磁北為基準，通過直接讀出電臺的磁方位角來確定飛機所在的位置，或者在空中給飛機提供一條“空中道路”，以便引導飛機沿著預定航道飛行，這種導航方式也叫做“VOR徑向線導航”。

VOR的導航原理是這樣的，在地面的VOR地面站向空中發射如下兩個30Hz的低頻信號：

 基準相位信號

全向信標臺利用兩付天線，同時發射兩個被低頻調制的甚高頻信號，一個是由30Hz低頻信號先調頻到9960Hz的付載頻上，然后調幅到甚高頻上（108～118MHz），由無方向性天線發射基準相位信號，如圖3－2所示。其天線輻射場為一個圓形場，而最大值在任何方位上都是同時出現的。

 

圖3－3 可變相位信號

 可變相位信號

另一個低頻信號是由30Hz低頻信號調幅到甚高頻上，然后由方向性天線發射的可變相位信號，如圖3－3所示

其天線輻射場是一個“8”字形場，它在各個方位上的正向最大值不是在同一時刻出現，而是隨方位角的變化而變化。

 VOR合成信號及其方向圖

 

圖3－4 基準信號和可變信號的相位差關系

現在將圖3－2和圖3－3合并畫在一起，比較基準相位信號和可變相位信號，可以得到圖3－4所示圖形。

從圖中可見，基準相位信號與可變相位信號，在“0”磁方位上，相位差為 ；在“90”磁方向上，相位差為 ；在“180”磁方位上，相位差為 ；在“270”磁方位上，相位差為 。

由此類推可知，基準相位信號與可變相位信號之間的相位差角就代表電臺的磁方位角，飛機接收到這兩個低頻信號以后，將它們的相位相減以后，就可以得出此時飛機相對于該地面VOR信標臺的方位角了。

3.3 飛機偏航的分析

從上面的介紹知道了VOR全向信標臺導航的原理，由于這個導航原理，也就可以歸納出飛機使用VOR信標臺導航時的幾個偏航因素來了。

主要的幾個因素有：

1) 飛行員不可知的誤差，包括：

a) 信號發射角度誤差 。

b) 信號接受角度誤差 ，在機載接收設備的說明書中應有說明。

這些誤差導致了預期航跡和儀表航跡之間的夾角。

2) 飛行員在發現了飛機偏航并采取一定的機動之前，飛機實際的航跡與正確航跡之間已經有了一個角度，這是由于飛行員不能完全保持飛機按照偏航指示器的中心飛行所導致的，因此我們指定該角度為飛行員的飛行誤差，用符號 代表。

3) 從VOR導航原理中可以看出，由于VOR對飛機的定位方法是測角度定位，因此，飛機偏離預期航跡的距離除了與以上幾個角度誤差有關外，還與飛機距VOR地面發射站的距離有關，它們之間的關系如下：

  （3.1）

其中， 表示飛機偏離預期航跡的距離， 表示飛機與VOR地面發射站的距離在地面上的投影。

由于這幾個角度誤差值都比較小，可以近似為：

  （3.2）

由于該偏離值 受很多隨機因素影響，其取值顯然也是隨機分布的，因此，對 的分布情況的研究是這項討論中最關鍵的部分，其分布情況將對側向最小間隔值的設置產生很大的影響。現在有兩種方法對該分布進行研究。

 第一種研究方法是通過分別研究 、 和 的分布，并通過適當的方法把它們融合起來，從而得到 的分布情況。如果假設這幾個角度誤差都服從均值為零的正態分布，并且是相互獨立的， 則 的分布即為：

令：        ～   ～   ～ 

 ～ （3.3）

則飛機相對于航路的偏航： ～ 

                   ～ （3.4）

 另一種研究方法是直接測量飛機偏離航線的距離，以及飛機到VOR導航臺的距離的方法，從而找出這兩者之間的統計規律。該方法直接工作于最基層的對象，在實際中它可以減小研究的工作量以及降低研究的費用。

參考文獻10中討論了飛機航跡對齊VOR徑向線的精度問題，文章作者通過對雷達顯示器進行“拍攝”，測量飛機偏離航路的距離以及飛機到所使用的導航臺的距離來研究飛機的偏航的分布規律。

在一般情況下，VOR徑向線構成了航路的中心線，地面站所發射的信號如果有誤差，就會影響到航路引導的正確性。參考文獻10中的表Ⅳ、表Ⅴ就是通過實驗獲得的VOR徑向線的誤差。