多普勒甚高頻全向信標（DVOR）系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

荊 恒

多普勒甚高頻全向信標（DVOR）系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

荊 恒

（中國民用航空西北地區(qū)空中交通管理局，西安 710082）

介紹了全向信標系統(tǒng)的基本組成原理及功能特點，并對DVOR系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀進行分析，重點闡述了DVOR未來發(fā)展方向。

多普勒甚高頻全向信標；直接數(shù)字頻率合成；預(yù)測性維護

0 引言

甚高頻全向信標（Very High Frequency Omni- Directional Range，VOR）于1949年被國際民航組織確定為標準導(dǎo)航系統(tǒng)[2]。在20世紀60年代開始大量應(yīng)用，具有精度高、指示穩(wěn)定的優(yōu)點，是目前民用航空可信賴的陸基導(dǎo)航系統(tǒng)之一。因為目前大多數(shù)運輸類飛機均裝備了VOR接收機，所以一定規(guī)模的VOR臺網(wǎng)仍需要維持和新建，用于支持終端和航路的運行[3]。

有兩種類型的VOR地面設(shè)備：常規(guī)VOR（Conventional VOR，CVOR）和多普勒VOR（Doppler VOR，DVOR）[4]。DVOR是CVOR的進一步發(fā)展，對機載設(shè)備而言，DVOR與CVOR并無差異，即空間信號是相同的。與CVOR相比，在地理條件苛刻的位置，DVOR利用更大的天線孔徑能夠提供更高的信號質(zhì)量和方位準確性。

1 DVOR系統(tǒng)介紹

1.1 VOR功能

根據(jù)不同的用途，VOR地面導(dǎo)航臺可分為兩類。一類發(fā)射較大功率，通常不小于100 W，安裝在航路的轉(zhuǎn)折點或走廊口，稱為航路臺，用于連接無線電航路，提供向背臺飛行、向背臺切入和檢查修正航跡，為飛機提供航路飛行引導(dǎo)，或和測距儀（Distance Measuring Equipment，DME）配合，實現(xiàn)無線電定位。另一類發(fā)射較小功率，通常不大于50 W，設(shè)置在跑道一側(cè)或跑道中心延長線上，稱為終端VOR臺，為進、離場飛機提供歸航及非精密進近引導(dǎo)[5]。

1.2 DVOR工作原理及組成

VOR地面臺發(fā)送的信號有兩個：一個是相位固定的基準信號，另一個是隨著圍繞信標臺的角度相位連續(xù)變化的可變相位信號[6]。VOR接收機根據(jù)所收到的兩個信號的相位差就可以計算出自身相對信標臺的方位。DVOR利用多普勒效應(yīng)產(chǎn)生可變相位信號，將48個天線均勻布置在半徑為13.5 m的圓周上，通過對這些天線的順序饋電，來模擬天線的旋轉(zhuǎn)，獲得調(diào)頻信號[7]。DVOR系統(tǒng)中心天線A輻射基準相位信號，軸對稱天線A及A輻射上下邊帶信號，如圖1所示。

圖1 DVOR工作原理

遠處點接收機收到的信號是這3個天線輻射信號的疊加，檢波后的信號如式（1）所示

所謂出行鏈，即以居住地作為1 d公交出行的起終點，將公交乘客1 d內(nèi)出行的起終點連接，形成一個環(huán). 出行鏈閉合即1 d內(nèi)相鄰2次出行的起始地和目的地重合，形成一個閉合的環(huán)，例如本次出行從A站點出發(fā)到達B站點下車，下次出行從B站點或者B鄰近站點出發(fā)到達A站點或者A鄰近站點下車.

DVOR一般由發(fā)射機子系統(tǒng)、監(jiān)視子系統(tǒng)、控制和交換子系統(tǒng)、天線子系統(tǒng)、電源子系統(tǒng)、遙控和狀態(tài)顯示子系統(tǒng)組成，如圖2所示。

圖2 DVOR系統(tǒng)組成

發(fā)射機子系統(tǒng)包括兩套發(fā)射機，發(fā)射機產(chǎn)生射頻信號、系統(tǒng)參考時鐘及天線切換序列信號。射頻信號包括已完成30 Hz幅度調(diào)制的載波基準信號和經(jīng)過混合函數(shù)（blending function）調(diào)制的邊帶信號。混合函數(shù)調(diào)制的作用是為了降低天線切換過程中的雜散輻射，盡可能接近天線運動的理想模擬。大量試驗表明，一些教材中介紹的平方脈沖混合函數(shù)并不是一個較好的選擇，會附加多余的幅度和相位調(diào)制，從而導(dǎo)致方位精度下降，目前各主流廠家均使用自己特別選擇的混合函數(shù)。

為了保證系統(tǒng)的完好性，DVOR使用兩個獨立監(jiān)視器對系統(tǒng)進行連續(xù)監(jiān)測。監(jiān)視器采集空間輻射信號，解調(diào)處理得到功率、調(diào)制度、角度等關(guān)鍵參數(shù)信息，與預(yù)設(shè)門限值進行比較，若超出閾值，發(fā)出告警信息，DVOR執(zhí)行切換、關(guān)機等動作。按照相關(guān)標準要求，監(jiān)視器也需要使用獨立的模塊對自身狀態(tài)進行實時監(jiān)測。在這些措施下，DVOR系統(tǒng)的完好性水平一般在（1-10-7）以上。

控制和交換子系統(tǒng)是DVOR系統(tǒng)運行管理的核心，負責(zé)提供可靠的操作服務(wù)，根據(jù)監(jiān)視器的測量結(jié)果控制發(fā)射機切換或關(guān)閉。

DVOR系統(tǒng)使用改進型阿爾福特天線（Modified Alford Loop Antenna）作為載波和邊帶天線，這種天線具備良好的水平極化全向輻射特性和較高輻射效率[8]。因載波發(fā)射機功率較大，載波天線駐波比一般應(yīng)不大于1.1，從而降低反射功率，減少干擾。天線饋線損耗應(yīng)盡可能小，一般不能大于2 dB，饋線長度一般為半波長的整數(shù)倍，以達到良好的阻抗匹配。

DVOR電源具有交直流兩種供電方式。開關(guān)電源將輸入的220 V交流電轉(zhuǎn)換成48 V或28 V直流電壓，48 V或28 V的中間電壓直接或二次轉(zhuǎn)換后供給各功能單元。正常情況下以交流供電為主，當(dāng)交流電源掉電后，自動切換到備用直流電源（蓄電池）工作，并在設(shè)備端和遙控端有設(shè)備異常狀態(tài)的顯示，當(dāng)交流電源恢復(fù)后，自動恢復(fù)到交流供電狀態(tài)。

遙控和狀態(tài)顯示子系統(tǒng)通過專用網(wǎng)絡(luò)提供遠程的監(jiān)控和維護功能，根據(jù)用戶級別獲取相應(yīng)的操作權(quán)限。

2 DVOR技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 國際現(xiàn)狀

進口DVOR起步早，研究比較系統(tǒng)，有較多的應(yīng)用經(jīng)驗，產(chǎn)品比較成熟，穩(wěn)定性好。

目前廣泛應(yīng)用的有THALES公司DVOR432和INDRA公司VRB-53D等。這些設(shè)備采用綜合化、模塊化的設(shè)計理念，以維修性為基礎(chǔ)進行功能和結(jié)構(gòu)劃分，具有功能軟件化、設(shè)備模塊化和接口總線化的特點。采用發(fā)射機主從備份架構(gòu)，板卡支持熱插拔。有完善的機內(nèi)自檢（Built-in Test，BIT）設(shè)計，可以監(jiān)視系統(tǒng)運行狀況，便于維護修理。通過數(shù)字化設(shè)計和高可靠電子元器件的應(yīng)用，一般平均無故障工作時間（Mean Time Between Failure，MTBF）達到數(shù)萬小時。

DVOR432在全球有超過570套的應(yīng)用，基于微處理器技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計，通過數(shù)字信號生成和控制實現(xiàn)極高的穩(wěn)定性，具有端到端的完好性檢查。采用離散傅里葉變換（Discrete Fourier Transform，DFT）技術(shù)的監(jiān)視器，可以安裝在遠場，在不滿足遠場條件的臺站也可以安裝在反射網(wǎng)邊緣[9]。

和DVOR432相比，VRB-53D數(shù)字化程度更高。采用直接數(shù)字頻率合成（Direct Digital Synthesizer，DDS）技術(shù)和溫補晶振，用于定時、頻率和波形生成。創(chuàng)新地采用多天線輻射，通過產(chǎn)生次級信號，激勵天線陣列中主發(fā)射天線相鄰的天線，消除天線間互耦的影響，減小接收設(shè)備處觀察到的失真[10]。

除了新技術(shù)的應(yīng)用，國外公司也注重產(chǎn)品開發(fā)過程，通過充分遵守系統(tǒng)工程的原則和方法，建立符合系統(tǒng)工程原則和工業(yè)標準的研發(fā)體系，形成了完整的自頂向下的流程集、方法集和工具集，產(chǎn)品取得極大成功，這些值得國內(nèi)公司關(guān)注學(xué)習(xí)。

2.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

隨著投入加大，我國工業(yè)界在陸基導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域已取得較大進展，已具備較強的設(shè)備研發(fā)與生產(chǎn)能力[11]，近年，部分DVOR設(shè)備已獲得行業(yè)許可。國內(nèi)進行DVOR研發(fā)的主要廠家有中電科西北集團有限公司、天津七六四通信導(dǎo)航技術(shù)有限公司、四川九洲空管科技有限責(zé)任公司等。

國產(chǎn)設(shè)備打破國外壟斷，展現(xiàn)出后發(fā)優(yōu)勢，較新產(chǎn)品基本實現(xiàn)了全數(shù)字化設(shè)計，功能性能上也達到了國際主流產(chǎn)品水平，完全符合國際民航和中國民航相關(guān)標準要求。

和國外廠商相比，國產(chǎn)廠商在技術(shù)服務(wù)方面提供了更有力的支撐，產(chǎn)品交付、現(xiàn)場支持、備件、維修、培訓(xùn)等響應(yīng)時間快，技術(shù)服務(wù)工程師一般具有產(chǎn)品開發(fā)背景，業(yè)務(wù)熟練，這些都是國產(chǎn)設(shè)備的優(yōu)勢。

目前，國產(chǎn)DVOR設(shè)備在運行的數(shù)量仍然較少，運行穩(wěn)定性和可靠性需要進一步的觀察。國內(nèi)廠商應(yīng)根據(jù)各自的研發(fā)體系，將相關(guān)的安全性、可靠性、維修性等設(shè)計活動與需求分析、功能定義、架構(gòu)設(shè)計相結(jié)合，將可靠性、安全性等產(chǎn)品特性融入產(chǎn)品本身，對產(chǎn)品進行持續(xù)性改進，不斷提升設(shè)備產(chǎn)品質(zhì)量，樹立用戶對國產(chǎn)設(shè)備的信心。

3 DVOR發(fā)展趨勢

3.1 新的電子技術(shù)應(yīng)用提供更高可靠性

更高的性能和可靠性一直是DVOR系統(tǒng)設(shè)計背后不變的驅(qū)動力，這就需要利用最新的電子技術(shù)。

在發(fā)射機部分，DDS和逐點輸出的波形發(fā)生技術(shù)應(yīng)用于DVOR信號的產(chǎn)生，可以實現(xiàn)實時的頻率相位控制，能確保系統(tǒng)提供更低的雜散和噪聲，更高的波形保真度。數(shù)字預(yù)失真技術(shù)應(yīng)用于DVOR的功放設(shè)計，能夠極大地減小尺寸/體積，降低系統(tǒng)功耗，減少與電源和冷卻部件相關(guān)的成本。

在接收機部分，通過射頻直接采樣，利用基于頻域的豐富信號分析方法，可以提供精度更高、性能更穩(wěn)定的信號監(jiān)視途徑。

幾十年的發(fā)展中，DVOR一直使用改進的阿爾福德環(huán)形天線，具有不圓度好、輻射效率高的特點，但成本較高。微帶天線易集成、成本低，適合批量生產(chǎn)，在低功率DVOR系統(tǒng)中有一定應(yīng)用前景。

3.2 商用貨架產(chǎn)品技術(shù)應(yīng)用降低成本

為了提高系統(tǒng)的可靠性和安全性，包括DVOR在內(nèi)的空管導(dǎo)航設(shè)備付出了極大的硬件和軟件成本，在出廠成本中占有較高的比例。商用貨架產(chǎn)品（Commercial Off-The-Shelf，COTS）技術(shù)用于DVOR系統(tǒng)有著明顯的優(yōu)點：有成熟的標準，無需額外的開發(fā)；容易得到所需的開發(fā)工具和測試環(huán)境，加快了研發(fā)進度；批量的COTS產(chǎn)品降低了系統(tǒng) 成本。

在使用COTS時，要采取必要的技術(shù)措施，增強其適應(yīng)能力，以滿足導(dǎo)航產(chǎn)品必要的實時性、可靠性和完整性等特殊要求。

3.3 預(yù)測性維護

預(yù)測性維護集設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、故障預(yù)測、維修決策支持和維修活動于一體，是人工智能在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用與實現(xiàn)[12]。設(shè)備生產(chǎn)商和運行單位多年運行積累的數(shù)據(jù)以及計算機運算能力的增加，使預(yù)測性維護應(yīng)用于DVOR成為可能。

通常DVOR維護是以一定周期執(zhí)行固定項目的檢查來實現(xiàn)，而使用基于預(yù)測性維護智能遠程維護系統(tǒng)，日常維護的周期和內(nèi)容將不再是固定的。而是根據(jù)設(shè)備的實際情況，識別關(guān)鍵參數(shù)，收集和分析數(shù)據(jù)，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)來進行智能判斷，可以預(yù)測潛在問題，提前生成維護計劃，使運維單位能夠在正確的時間做出正確的維護決策，并進行適當(dāng)?shù)木S護。

預(yù)測性維護，可以最大限度地減少停機時間，優(yōu)化備件資源，提高運營效率，降低經(jīng)常性成本。

4 結(jié)語

DVOR在空管導(dǎo)航仍然有著非常廣泛的應(yīng)用，未來的DVOR朝著高可靠、易維護和智能化的方向發(fā)展，同時需要降低生命周期費用，這就要求更多新技術(shù)的應(yīng)用，更加敏捷和系統(tǒng)規(guī)范化的設(shè)計、開發(fā)及驗證。

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Status and Development Trends of DVOR

JING Heng

First, the basic composition and principle of the DVOR system is introduced, and the current status of DVOR system is analyzed. Then the DVOR development trends is made emphasis on described.

Doppler VHF Omni-Directional Range; Direct Digital Synthesizer; Predictive Maintenance

TN965

A

1674-7976-(2023)-05-345-04

2023-06-20。

荊恒（1983.11—），山西運城人，工程師，主要研究方向為空管導(dǎo)航。