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3.2 VOR导航系统

 

图3－2 基准相位信号

全向信标系统VOR(VHF Omni-Rang)是一种相位式近程甚高频导航系统。它是由地面的电台向空中的飞机提供方位信息，以便航路上的飞机可以确定相对于地面电台的方位[5]。这个方位以磁北为基准，通过直接读出电台的磁方位角来确定飞机所在的位置，或者在空中给飞机提供一条“空中道路”，以便引导飞机沿着预定航道飞行，这种导航方式也叫做“VOR径向线导航”。

VOR的导航原理是这样的，在地面的VOR地面站向空中发射如下两个30Hz的低频信号：

 基准相位信号

全向信标台利用两付天线，同时发射两个被低频调制的甚高频信号，一个是由30Hz低频信号先调频到9960Hz的付载频上，然后调幅到甚高频上（108～118MHz），由无方向性天线发射基准相位信号，如图3－2所示。其天线辐射场为一个圆形场，而最大值在任何方位上都是同时出现的。

 

图3－3 可变相位信号

 可变相位信号

另一个低频信号是由30Hz低频信号调幅到甚高频上，然后由方向性天线发射的可变相位信号，如图3－3所示

其天线辐射场是一个“8”字形场，它在各个方位上的正向最大值不是在同一时刻出现，而是随方位角的变化而变化。

 VOR合成信号及其方向图

 

图3－4 基准信号和可变信号的相位差关系

现在将图3－2和图3－3合并画在一起，比较基准相位信号和可变相位信号，可以得到图3－4所示图形。

从图中可见，基准相位信号与可变相位信号，在“0”磁方位上，相位差为 ；在“90”磁方向上，相位差为 ；在“180”磁方位上，相位差为 ；在“270”磁方位上，相位差为 。

由此类推可知，基准相位信号与可变相位信号之间的相位差角就代表电台的磁方位角，飞机接收到这两个低频信号以后，将它们的相位相减以后，就可以得出此时飞机相对于该地面VOR信标台的方位角了。

3.3 飞机偏航的分析

从上面的介绍知道了VOR全向信标台导航的原理，由于这个导航原理，也就可以归纳出飞机使用VOR信标台导航时的几个偏航因素来了。

主要的几个因素有：

1) 飞行员不可知的误差，包括：

a) 信号发射角度误差 。

b) 信号接受角度误差 ，在机载接收设备的说明书中应有说明。

这些误差导致了预期航迹和仪表航迹之间的夹角。

2) 飞行员在发现了飞机偏航并采取一定的机动之前，飞机实际的航迹与正确航迹之间已经有了一个角度，这是由于飞行员不能完全保持飞机按照偏航指示器的中心飞行所导致的，因此我们指定该角度为飞行员的飞行误差，用符号 代表。

3) 从VOR导航原理中可以看出，由于VOR对飞机的定位方法是测角度定位，因此，飞机偏离预期航迹的距离除了与以上几个角度误差有关外，还与飞机距VOR地面发射站的距离有关，它们之间的关系如下：

  （3.1）

其中， 表示飞机偏离预期航迹的距离， 表示飞机与VOR地面发射站的距离在地面上的投影。

由于这几个角度误差值都比较小，可以近似为：

  （3.2）

由于该偏离值 受很多随机因素影响，其取值显然也是随机分布的，因此，对 的分布情况的研究是这项讨论中最关键的部分，其分布情况将对侧向最小间隔值的设置产生很大的影响。现在有两种方法对该分布进行研究。

 第一种研究方法是通过分别研究 、 和 的分布，并通过适当的方法把它们融合起来，从而得到 的分布情况。如果假设这几个角度误差都服从均值为零的正态分布，并且是相互独立的， 则 的分布即为：

令：        ～   ～   ～ 

 ～ （3.3）

则飞机相对于航路的偏航： ～ 

                   ～ （3.4）

 另一种研究方法是直接测量飞机偏离航线的距离，以及飞机到VOR导航台的距离的方法，从而找出这两者之间的统计规律。该方法直接工作于最基层的对象，在实际中它可以减小研究的工作量以及降低研究的费用。

参考文献10中讨论了飞机航迹对齐VOR径向线的精度问题，文章作者通过对雷达显示器进行“拍摄”，测量飞机偏离航路的距离以及飞机到所使用的导航台的距离来研究飞机的偏航的分布规律。

在一般情况下，VOR径向线构成了航路的中心线，地面站所发射的信号如果有误差，就会影响到航路引导的正确性。参考文献10中的表Ⅳ、表Ⅴ就是通过实验获得的VOR径向线的误差。