Was bewirkt, dass sich die Phase in einem VOR ändert?

Die VOR der letzten Jahrzehnte sind Doppler-VOR (DVOR), bei denen das Peilsignal von einer kreisförmigen Anordnung von festen Alford-Schleifenantennen mit einem Durchmesser von 14 m erzeugt wird. Eine zusätzliche zentrale Antenne strahlt das Referenzsignal ab.

^{Thales Doppler VOR 432, Quelle}

DVOR ist eine Verbesserung des herkömmlichen VOR (CVOR), bei dem das Peilsignal durch Frequenzmodulation codiert wird, was zuverlässiger ist als die im CVOR verwendete Amplitudenmodulation. FM wird nicht in der Station selbst erzeugt, sondern ist ein Doppler-Artefakt, das durch die scheinbare Verschiebung der Peilsignalquelle relativ zum Empfänger entsteht.

DVOR-Prinzip

Der sogenannte Dual-Sideband-DVOR verwendet jeweils ein Paar diametral gegenüberliegender Antennen aus dem Array und schaltet gegen den Uhrzeigersinn mit einer Winkelgeschwindigkeit von 30 Umdrehungen pro Sekunde (30 Hz, 1.800 U / min) auf das nächste Paar um.

• Eine Antenne strahlt ein unmoduliertes Signal an$\small f - 9.96$kHz ($\small f$die Frequenz des VOR ist)

• Das Gegenteil strahlt an$\small f + 9.96$kHz.

Der Empfänger sieht, wie sich die beiden Quellen mit konstanter Frequenz entlang des Kreises bewegen, eine nähert sich, eine entfernt sich. Da sie sich relativ zum Empfänger bewegen, ändert sich ihre Frequenz um eine Dopplerverschiebung proportional zur Relativgeschwindigkeit.

^{Dopplerverschiebung an den DVOR-Seitenbandantennen}

Für den Empfänger wird die beobachtete Signalfrequenz für die sich nähernde Antenne erhöht und für die sich zurückziehende Antenne verringert. Zufällig für Ingenieure wirkt die Doppler-Verschiebung auf die Antennen in umgekehrter Höhe, und die Frequenz bleibt relativ zur Trägerfrequenz gespiegelt$\small f$unabhängig von der Schicht.

Gleichzeitig strahlt die zentrale Antenne einen Träger mit Frequenz aus$\small f$, in AM durch das Referenzsignal moduliert. Dieses AM-Signal unterliegt nicht der Dopplerverschiebung, da die Signalquelle fest ist.

Für den Empfänger erscheinen das Signal von der zentralen Antenne und die zwei Signale von den rotierenden Antennen als die drei Komponenten eines einzigen HF-Frequenzsignals$\small f$, amplitudenmoduliert bei 30 Hz (durch die Referenz) und einem Zwischenträger bei 9,96 kHz, selbst frequenzmoduliert bei 30 Hz (durch das variable Signal). Dieses Signal ist daher vollständig kompatibel mit einem von einem CVOR.

Die Dopplerverschiebung hängt nur von der relativen Peilung des Empfängers ab

Während das Timing der Referenz durch das VOR auferlegt wird, hängt das Timing der Unterträgermodulation vollständig von der Flugzeugposition ab. Beispielsweise ist die Doppler-Verschiebung null, wenn die Achse des Antennenpaars mit der Flugzeugrichtung ausgerichtet ist und sich beide Antennen vom Empfängerstandpunkt aus nur von links nach rechts bewegen:

^{Die Dopplerverschiebung ist null, wenn der Empfänger auf beide Antennen ausgerichtet ist</sup}

In ähnlicher Weise und wenn der Abstand des Empfängers im Vergleich zum Array-Durchmesser groß ist, wird die maximale Verschiebung beobachtet, wenn das Antennenpaar senkrecht zur vorherigen Position steht (in der Praxis kann der Parallaxenfehler ignoriert werden).

Daher ist die Verzögerung zwischen dem Referenz- und dem variablen Signal repräsentativ für die Peilung. Periodische Signalphasen sind eigentlich Winkel zwischen 0 und 360°, sodass die Peilung jederzeit bestimmt wird, indem die aktuelle Phase des variablen FM-Signals von der aktuellen Phase der AM-Referenz unter Verwendung eines Phasendetektors subtrahiert wird .

^{Phase eines Sinussignals}

Beachten Sie, dass der Empfänger nur durch Vergleich der Phasen arbeitet, deren tatsächliche Werte sind irrelevant, nur die Differenz ist aussagekräftig. Wäre dies nicht der Fall, wäre der DVOR nicht mit einem CVOR-Empfänger kompatibel.

Der CVOR stützt sich auch auf die Phasendifferenz. Es funktioniert, indem es durch Raummodulation ein rotierendes Richtcharakteristik-Nierenmuster bildet. Das Ergebnis dieser Modulation zeigt nach Norden, wenn das variable Signal, das das Muster elektronisch steuert, den Wert 135° hat. Also wurde die Referenz auf diesen Wert ausgerichtet und mit dem Wert 135° für Nord versehen (im DVOR ist Norden mit dem Referenzwert 0° verbunden).

Der Durchmesser des Arrays gibt der variablen Signalphase ihren korrekten Wert

Die Tangentialgeschwindigkeit bei der Bewegung entlang des Umfangs eines Kreises ist$\small v = \pi d \times rpm$. Angewendet auf unser Array:$\small v = \pi \times 14 \times 30 \approx 1,320$. Die relative Tangentialgeschwindigkeit der Seitenbandantennen liegt zwischen -1.320 m/s und +1.320 m/s. Der Wert der Dopplerverschiebung für eine gegebene Geschwindigkeit ist:$\small s = v \cdot f / c$. Angewandt auf eine Frequenz von 110 MHz ist die Doppler-Verschiebung$\small 1.32e3 \times 1.1e8 / 3e11 = 484$, also zwischen etwa -484 Hz und +484 Hz. Der genaue Durchmesser des Arrays ist tatsächlich etwas geringer, um den FM-Swing des herkömmlichen VOR (480 Hz) zu erhalten. Auf diese Weise kann das DVOR-Signal von einem CVOR-Empfänger empfangen werden (es gibt keinen speziellen DVOR-Empfänger).

Wie bereits erläutert, wird diese Verschiebung nicht vom VOR in das variable Signal kodiert, sondern durch den Doppler-Effekt im Raum hinzugefügt. Der Empfänger sieht jedoch das Ergebnis und interpretiert es, wenn es vom VOR erzeugt wurde.

Wenn der nie modulierte FM-Hilfsträger dennoch durch den Demodulator des Empfängers verarbeitet wird, erzeugt er einen 30-Hz-Sinus, dessen Phase sich entsprechend der Doppler-Verschiebung ändert, die ihn erzeugt hat, also abhängig vom richtigen Durchmesser des Arrays.

VOR-Frequenzspektrum

Der Empfänger sieht:

• Ein Signal mit Frequenz$\small f$, AM moduliert durch die 30-Hz-Referenz

• Ein Signal an$\small f - 9.96$kHz, FM moduliert durch einen 30 Hz Sinus (1.800 U/min).

• Ein Signal an$\small f + 9.96$kHz, FM moduliert durch einen 30 Hz Sinus, aber mit der entgegengesetzten Verschiebung.

Es entscheidet nur, dass diese drei Signale Komponenten eines einzigen von einer einzigen Antenne sind: Das erste Signal ist der Träger und die beiden anderen sind Seitenbänder.

Es setzt das Ganze so zusammen:

• Dies ist ein Frequenzträger$\small f$, moduliert in AM durch ein 30-Hz-Signal (Referenz),

• Dieser Träger wird ebenfalls durch einen Unterträger bei 9,96 kHz AM-moduliert.

• Der Hilfsträger selbst wird durch ein 30-Hz-Signal (variabel) mit einem Modulationshub von 480 Hz FM-moduliert.

Spektrum des VOR-Signals