Was ist der Unterschied zwischen konventionellem VOR und Doppler-VOR?

Kurze Antwort :

Es gibt mehrere Typen herkömmlicher VORs, die entweder rotierende oder statische Antennen verwenden. Was sie gemeinsam haben, ist:

• Sie sind relativ kompakt.
• Die Peilung wird aus einem HF-Signal bestimmt, das sich mit 30 Umdrehungen pro Sekunde dreht.
• Sie sind sehr empfindlich gegenüber Mehrwegstörungen, die durch Reflexion an nahegelegenen Hindernissen entstehen, und müssen an isolierten Orten aufgestellt werden. Sie werden häufig zur Befeuerung der Atemwege verwendet.

Es gibt auch mehrere Arten von Doppler-VORs, Einzel- oder Doppelseitenband:

• Sie erfordern eine große kreisförmige Antennenanordnung mit einem Durchmesser von 14 m.
• Die Peilung wird aus dem Doppler-Effekt bestimmt, der durch Scannen des Arrays mit 1.300 m/s erzeugt wird.
• Sie sind weniger effizient, inaktive Antennen des Arrays absorbieren einen erheblichen Teil des von den aktiven Antennen emittierten Signals, wodurch die effektive Reichweite verringert wird.
• Sie sind weniger empfindlich gegenüber Mehrwegeausbreitung und auf Flugplätzen einfacher zu installieren. Sie werden häufig für den Start- und Landebahnanflug verwendet.

Die Peilung ist mit einem Doppler-VOR genauer, es sei denn, die Umgebung des konventionellen VOR-Standorts ist frei von Hindernissen.

Allerdings haben beide Typen aus ICAO-Sicht die gleichen Toleranzen:

• Die Sendeelemente müssen auf 2° genau sein. Die meisten Stationen können ein Signal mit einer Genauigkeit besser als 0,5° senden. Ein perfekt platziertes VOR könnte diese Präzision an die Empfänger liefern.

• Fehler werden jedoch meistens durch die Umgebung, durch Reflexion und andere Phänomene erzeugt, die die Signalphase ändern, ähnlich wie ein Spiegel, der sein reflektiertes Bild links und rechts umkehrt. Wenn sich direkte und reflektierte Wellen überlagern, kann ein Fehler eingeführt werden. Die ICAO begrenzt diesen Fehler auf 6,5° im Servicevolumen. In der Praxis liegen die meisten VOR-Stationen deutlich unter dieser Grenze, möglicherweise unter Verwendung von Doppler-VORs an den meisten unübersichtlichen Standorten.

Noch ein Wort zu diesen Mehrwegfehlern: Die Direktwelle breitet sich entlang der Sichtlinie (LoS) aus, die Sendeantenne strahlt aber in andere Richtungen. Die entsprechenden Strahlen können an Hindernissen reflektiert, gebeugt und gebrochen werden und erreichen als indirekte Wellen die Empfangsantenne. Dies kann vorteilhaft sein, zB erweitert es die Reichweite über LoS hinaus beträchtlich. Wellen legen jedoch unterschiedliche Entfernungen zurück, bevor sie den Empfänger erreichen:

Dies bedeutet, dass ihre Phase an der Empfängerantenne unterschiedlich ist. Es treten Störungen auf, die die Signalamplitude verändern.

In einem Volumen, das als erstes Fresnel-Ellipsoid (FE1) bezeichnet wird und auf der LoS zentriert ist, wo der Längenunterschied nicht überschritten werden kann$\small \lambda / 2$,$\small \lambda$Da es sich um die VOR-Trägerwellenlänge handelt, sind Interferenzen konstruktiv, die Amplitude wird erhöht.

Im zweiten Fresnel-Ellipsoid liegt der Unterschied zwischen$\small \lambda / 2$und$\small \lambda$, Interferenzen sind destruktiv, die Amplitude wird verringert, und dies setzt sich mit anderen Vielfachen von fort$\small \lambda / 2$. Allerdings befinden sich 80 % der Energie in FE1 und der Rest hauptsächlich in FE2. Daher wird bei der Planung einer Richtfunkstrecke nur FE1 berücksichtigt. Das Verhältnis zwischen den blockierten Bereichen in FE1 und FE2 bestimmt das Verhältnis der Energie mit konstruktiven Interferenzen, sodass bei der Aufstellung von Funkstationen mindestens 60% von FE1 von Hindernissen freigehalten werden.

Dies kann eine Herausforderung sein. Für ein Flugzeug in einer Entfernung von 20 NM von einem auf dem Flugplatz befindlichen VOR, das in 1000 ft QFE fliegt, beträgt der Radius von FE1 am Mittelpunkt der Verbindung 500 ft . Das Ellipsoid ist im besten Fall bereits tangential zum Boden, und daher ist das Ellipsoid zwischen dem VOR und diesem Mittelpunkt leicht behindert.

Das Begrenzen von VOR-Fehlern besteht zunächst darin, Hindernisse von FE1 zu entfernen. Da sich der Mehrweg jedoch zuerst auf die Amplitude auswirkt, trifft er das herkömmliche VOR härter, da diese Art von VOR mehr von einer Amplitudengenauigkeit abhängt.

---

VOR-Prinzipien

Ein VOR-Empfänger, unabhängig von der dahinter stehenden Technologie, empfängt zwei Sinussignale, die sich 30 Mal pro Sekunde wiederholen: Referenz- und variable Signale, und bestimmt die Peilung, indem er ausschließlich die Differenz zwischen ihren Phasen misst.

Vom Standpunkt des Trägers aus wird nur Amplitudenmodulation verwendet, aber um einen möglichen Einfluss eines Signals auf das andere zu minimieren, verwendet die VOR-Station einen Unterträger, dessen Frequenz niedrig ist (9.960 Hz), aber deutlich von 30 Hz entfernt ist. Ein Phasenwert wird durch normale Amplitudenmodulation des Trägers übermittelt, der andere durch Frequenzmodulation des Hilfsträgers. Der Unterträger moduliert dann den Träger in der Amplitude.

Außerdem kommen zwei Antennensysteme zum Einsatz:

• Der Träger und die Referenz werden auf einer oder mehreren Rundstrahlantenne(n) gesendet und alle Empfänger sehen gleichzeitig dieselbe Referenzphase.

• Das variable Signal wird getrennt gesendet, um für Empfänger mit unterschiedlichen Peilungen unterschiedlich zu erscheinen. Der verwendete Antennentyp hängt von der Art des VOR ab.

Wie weiter unten erläutert wird, wird das variable Signal nicht durch tatsächliche Modulation des Trägers erzeugt, sondern durch synthetische Seitenbänder. Modulation und Seitenbänder sind ohnehin durch Fourier-Transformation äquivalent . Die Amplitudenmodulation ändert die Amplitude des Trägers über die Zeit (Zeitkonzept), erzeugt aber auch symmetrische Seitenbänder auf jeder Seite des Trägers (Spektralkonzept):

^{12 kHz Träger mit 500 Hz AM. Seitenbänder entstehen im Abstand von 500 Hz vom Träger}

Umgekehrt ist das Erzeugen von Trägerseitenbändern durch ein bestimmtes Verfahren dasselbe wie das Modulieren des Trägers.

Die Phasen sind gleich, wenn sich der Empfänger nördlich des VOR (360°M) befindet, und zeigen eine Differenz, die mit jedem Peilungsgrad im Uhrzeigersinn um ein Grad zunimmt. Daher gibt die Phasendifferenz direkt den Peilwert an.

C-VOR und D-VOR unterscheiden sich dadurch, wie die variable Phase für Empfänger mit unterschiedlichen Peilungen unterschiedlich gemacht wird. Das Verfahren beruht auf der Amplitude für ein herkömmliches VOR und auf der Frequenz für ein Doppler-VOR.

Konventionelles VOR (C-VOR)

Die Technologien haben sich in den ersten Jahrzehnten stark verändert. Dies erklärt, warum C-VOR-Beschreibungen auch sehr unterschiedlich sind und manchmal gemischte Prinzipien aus verschiedenen Generationen enthalten. Frühe Generationen verwendeten einen rotierenden Dipol , um das variable Signal zu senden, aber sie wurden bald durch statische Antennen oder Schlitze auf einem Zylinder ersetzt, wodurch VOR einfacher und weniger wartungsintensiv wurde.

Das statische System verwendete früher zwei Paare von Alford - Rahmenantennen, häufiger zwei Paare von vertikalen Antennen. Während eine vertikale Antenne in allen Azimuten gleichmäßig abstrahlt, neigt ein vertikales Paar dazu, das Feld in Richtungen senkrecht zur Paarebene zu verstärken.

^{Herkömmliche VOR-Antennen für einen Thomson CSF TAH 511. Quelle: STNA}

In der Antenne oben bilden vier vertikale Rohre zwei gekreuzte Paare und die Ringe unter und über den Paaren sind Rundstrahlantennen. Ein Polarisator an der Oberseite der Röhren verhindert, dass sie in vertikaler Polarisation strahlen, um die Genauigkeit zu erhöhen.

Referenzsignal

Die Referenzinformationen sind FM-eingebettet in einen 9,96-kHz-Unterträger ("10k-Unterträger") mit einem Modulationsindex (Modulationstiefe im ICAO-Jargon) von 16, was bedeutet, dass die Unterträgerfrequenz um +/- 480 Hz variiert.

Variables Signal

Das variable Signal wird durch künstliches Erzeugen der dem Unterträger entsprechenden Seitenbänder erzeugt. Jedes Antennenpaar empfängt ein HF-Signal:

• Welche Frequenz ist f-30 Hz oder f+30 Hz (Seitenbandfrequenzen)
• Welche Phase ist proportional zum Sinus oder Kosinus des Referenzwinkels. Dieser Aspekt wird kurz erläutert.

Paare sind gerichtet, Seitenbänder werden im rechten Winkel gesendet (Bild unten, links), wodurch zwei einzelne Achter-Strahlungsmuster entstehen (unten in der Mitte), die selbst einer größeren zusammengesetzten Achterfigur entlang der Symmetrieachse (unten rechts) entsprechen ):

Es treten zwei Phänomene auf:

• Seitenbänder stören den auf den Ringantennen gesendeten Träger. Das Ergebnis ist ein Nierenfeld.

• Mit phasenmoduliertem Sinus und Cosinus des Referenzwinkels dreht sich die Niere mit 30 Umdrehungen pro Sekunde, der Frequenz der Referenz. Dies entspricht einer rotierenden Antenne, die ein konstantes Signal sendet (die Technologie, die bei früheren VORs verwendet wurde).

Das nierenförmige EM-Feld, dessen Stärke an einem gegebenen Punkt im Raum konstant zu- und abnimmt, während sich das Muster dreht, wird vom Empfänger als konstantes Signal wahrgenommen, dessen Amplitude bei 30 Hz moduliert ist, diese Amplitudenvariation stellt das variable Signal dar.

Lagerbestimmung

Träger-, Referenz- und variable Signalseitenbänder erzeugen ein Spektrum, das der Empfänger als Ganzes sieht:

Dieses Spektrum weist alle Eigenschaften eines HF-Trägers auf, der durch ein 30-Hz-Signal in der Amplitude moduliert wird, und eines Unterträgers bei 9960 Hz, der seinerseits durch die Referenz in der Frequenz moduliert wird. Aus dieser HF-Welle werden schließlich Phasen extrahiert und verglichen:

Doppler-VOR (D-VOR)

Dieses VOR besteht aus einer Anordnung von etwa 50 festen Alford-Rahmenantennen, die sich auf einem Kreis von 14 m befinden. Zwei gegenüberliegende Antennen werden gleichzeitig aktiviert und elektronisch umgeschaltet, sodass sich die aktiven Antennen mit 30 Runden pro Sekunde entlang des Kreises zu bewegen scheinen.

Vom Empfänger aus gesehen bewegt sich eine Quelle vorwärts, die andere rückwärts, mit einer linearen Geschwindigkeit zwischen -1.300 m/s und +1.300 m/s (Mach 4).

^{Prinzip des Doppler-VOR: Die variable Signalerzeugung}

Eine 110-MHz-Quelle, die sich zwischen -1.300 und +1.300 m/s bewegt, erzeugt eine Dopplerverschiebung zwischen -480 Hz und +480 Hz. Dieser Wert ist nach der Auswahl des geeigneten Array-Durchmessers derselbe wie der 480-Hz-FM-Swing des C-VOR, wodurch der D-VOR kompatibel ist.

Bezug

Die 30-Hz-Referenz-AM moduliert den Träger, der von einer Antenne in der Mitte des kreisförmigen Arrays in alle Richtungen gesendet wird.

Variables Signal

Die tatsächlich wahrgenommene Dopplerverschiebung hängt von der Richtung der Verschiebung relativ zum Empfänger ab, maximal, wenn "seitliche" Antennen aktiviert sind, null, wenn "vordere" und "hintere" Antennen aktiviert sind.

Somit sehen alle Empfänger eine Frequenzvariation, die sich 30 Mal pro Sekunde wiederholt und zu einem Zeitpunkt beginnt, der mit ihrer eigenen Peilung variiert. Diese Verschiebung kann daher als variables Signal verwendet werden.

Da die sich wiederholende Doppler-Verschiebung von der Frequenzmodulation nicht zu unterscheiden ist, muss das variable Signal in FM übertragen werden. Es wird jedoch nicht der Träger FM moduliert, sondern der Unterträger, um mit dem C-VOR kompatibel zu sein. Um das zu erreichen:

• Jede aktive Antenne des Arrays sendet eine reine Frequenz, die einem Seitenband des Hilfsträgers entspricht: f – 9,96 kHz und f + 9,96 kHz, wobei f die VOR-Trägerfrequenz ist. In Verbindung mit dem von der zentralen Antenne gesendeten Träger stellen diese Seitenbänder einen AM-Träger dar, der durch das 9,96-kHz-Signal moduliert wird.

• Wenn Antennen, die ihre reine Frequenz abstrahlen, durch den Scan ihre Winkelgeschwindigkeit von 30 U/s erhalten, wird automatisch eine zyklische Dopplerverschiebung zwischen -480 Hz und +480 Hz hinzugefügt. Diese Verschiebung entspricht einer FM-Modulation des Hilfsträgers durch ein 30-Hz-Signal.

Spektrum erstellt

Das zusammengesetzte Spektrum ist identisch mit einem C-VOR-Spektrum, der C-VOR-Empfänger kann weiterarbeiten.

^{D-VOR-Frequenzspektrum}

Empfänger

Ein VOR-Empfänger sucht nach 30-Hz- und 9,96-kHz-Signalen. Wir liefern beides: 30-Hz-Signal auf der zentralen Antenne und 9,96-kHz-Signal auf dem richtungsgescannten Array. Wir mussten Referenz- und variable Signalfunktionen auf dem Träger tauschen, weil das variable Signal natürlich als FM erzeugt wird und das FM-Signal im Standard auf den Hilfsträger geht.

Aufgrund dieser Invertierung werden auch die Phasenwerte invertiert, und das Ergebnis ist eine falsche Peilwinkelberechnung: Wenn der Winkel +a ist, ergibt die Berechnung -a. Die Abhilfe besteht darin, das D-VOR-Array in umgekehrter Richtung (gegen den Uhrzeigersinn) zu scannen und eine entgegengesetzte Dopplerverschiebung zu erzeugen.

Genauigkeit

Beide Arten von VOR (und ihre verschiedenen Untertypen) werden von der ICAO gefordert, um eine Peilung mit einer Toleranz von ±2° zu erzeugen. Der D-VOR ist in diesem Aspekt besser, da es einfacher ist, eine genaue Dopplerverschiebung zu erzeugen, als ein präzises Muster mit Raummodulation zu bilden.

Sobald die Signale ausgesendet werden, werden sie an Gelände und Hindernissen reflektiert . Der endgültige zusammengesetzte Fehler am Empfängerstandort darf ±6,5° nicht überschreiten, da die ICAO den Fehler gemäß einer Biegetoleranz (langsame Abweichung) von ±3,5° relativ zum theoretischen Kurs und einer überlagerten Bogenkante (schnelle Abweichung) von ±3° begrenzt.

Auch in dieser Hinsicht ist der D-VOR überlegen, das variable Signal ist FM-moduliert und weniger anfällig für Mehrwegfehler. Das kleinere C-VOR ist auf Flugplätzen aufgrund von Reflexionen an nahen Hindernissen schwierig zu betreiben, das große D-VOR muss für Terminal-VOR verwendet werden. Der C-VOR wird eher für die Navigation unterwegs verwendet und an isolierten Orten implantiert.

Große Gegengewichte unter den Antennen begrenzen das Reflexionsproblem, und wenn der zum Bau des VOR verwendete Standort sorgfältig ausgewählt wird, kann die Betriebsgenauigkeit in einem großen Teil des Dienstvolumens weit besser sein als die ICAO-Anforderungen.

Antworten auf konkrete Fragen

Erzeugen sie das gleiche Navigationssignal?

Es gibt zwei Unterschiede:

• Der C-VOR sendet tatsächlich zwei modulierte Signale, um ein nierenförmiges Interferenzmuster zu erzeugen, das, wenn es gesteuert wird, eine scheinbare AM-Modulation erzeugt. Der D-VOR sendet nur „bewegte“ unmodulierte Seitenbänder, die durch den Doppler-Effekt eine scheinbare FM-Modulation erzeugen.

• Um die Kompatibilität mit C-VOR aufrechtzuerhalten, muss das D-VOR-Referenzsignal in AM gesendet und der Scan in umgekehrter Richtung der Nierenrotation durchgeführt werden.

Können sie vom selben Empfänger verwendet werden oder müssen VOR-Empfänger speziell an D-VORs angepasst werden?

Der C-VOR-Empfänger wird für D-VOR verwendet. Es berechnet eine falsche Phasendifferenz (entgegengesetzter Cosinus), aber da das Array gegen den Uhrzeigersinn abgetastet wird, wird die korrekte Peilung abgeleitet.

Ist das eine genauer als das andere?

Wikipedia sagt, aber ohne Referenz, und ich nehme an, es ist für ein D-VOR: „ Die vorhergesagte Genauigkeit des VOR-Systems beträgt ±1,4°. Testdaten zeigen jedoch, dass ein VOR-System in 99,94 % der Fälle einen Fehler von weniger als ±0,35° aufweist .

Derselbe Artikel sagt über ICAO Anhang 10, Band 1 : „ Dieses Dokument legt die Worst-Case-Peilgenauigkeitsleistung auf einem konventionellen VOR (C-VOR) auf ±4° fest. Ein Doppler-VOR (D-VOR) muss ±1° betragen. Aber ich kann diese Zahlen nicht in der Version finden, die ich habe.

Anhang 10 und Doc 8071 Band 1 (Prüfverfahren) geben vielmehr drei Toleranzen an:

• Ein maximaler Signalfehler der VOR-Ausrüstung von ±2°
• Eine radiale Biegetoleranz von ±3,5° vom perfekten Verlauf.
• Ein radialer Wellenfehler von ±3° um die Biegung herum.

Die beiden letzten Fehler sind eher auf die Umgebung als auf das Instrument zurückzuführen. VOR befinden sich an Stellen, an denen diese Fehler minimiert werden können.

Also die akzeptable Gesamtabweichung von ±6,5°, wie durch Doc 8071 Band 1 §2.3.48 attestiert, wenn das Radial um ±3,5° gebogen ist und eine Auskehlung von ±3° überlagert ist. Das Scalloping ist jedoch eine schnelle Oszillation um den Kurs und wird in den meisten Fällen vom Piloten ignoriert, der weiter an einem mittleren Abweichungswert arbeitet (es gibt jedoch Einschränkungen beim Scalloping, wenn der Autopilot verwendet wird, da der A / P auf Oszillationen reagieren kann). .

^{ICAO-VOR-Toleranzen für den Peilwert}

Der D-VOR wurde entwickelt, um den Mehrwegeffekt zu minimieren, das variable Signal wird aus diesem Grund frequenzmoduliert. Die Größe des Gegengewichts wurde erhöht, sodass die Reflexion auf einer kontrollierten Oberfläche und nicht zufällig erfolgt. Auf diese Weise könnten VOR auf Flugplätzen platziert werden, was bessere VOR-Anflüge und eine einfachere Wartung ermöglicht.

D-VOR führt jedoch einen neuen Fehler ein: Die Array-Antennen sind nahe beieinander, daher interagieren die inaktiven Antennen auf jeder Seite der aktiven mit dem Signal. Zuerst verzögern sie die Welle, indem sie einen Phasenfehler einführen, bevor die Welle dopplerverschoben wird. Zweitens absorbieren sie einen großen Teil der Energie, wodurch die Reichweite verringert wird. Wie erläutert, kann der Durchmesser von 14 m nicht geändert werden, um die Antennen weiter zu beabstanden, und sie können nicht vertikal beabstandet werden, ohne die maximale Elevation der Signale zu beeinträchtigen und den ohnehin relativ großen Ruhekegel (100°) zu vergrößern.

Ein weiterer Fehler ist die Diskretisierung der Peilinformationen durch einen Scan über nur 46-50 Antennen (die Sache ist komplex), ein Fix ist das sogenannte Power Blending : Die zwei oder vier Antennen um die aktive Antenne herum werden mit einer kleineren gespeist Power-HF-Signal und der Übergang von einem Paar zum nächsten wird geglättet.

Der letzte Fehler, der vom DSB D-VOR teilweise korrigiert wurde (der hier beschriebene mit zwei Seitenbandantennen), hängt mit dem Anteil des Gegengewichts zwischen Antenne und Empfänger zusammen, der mit dem Antennenstandort variiert. Wenn eine Reflexion am Boden auftritt und die von der Referenzantenne am Gegengewicht, dann ist ihr Weg nicht gleich und die Phasendifferenz wird geändert (jedoch ist die Modulationswellenlänge 10.000 km, ein Weglängenfehler von 1 km ist es nicht sehr bedeutend).

Es ist schwierig, einen mittleren Fehler zu quantifizieren, es hängt wirklich von den Bedingungen ab, unter denen das VOR verwendet wird, und bei welchem ​​Elevationswinkel der Empfänger arbeitet. Es gibt Simulationstools wie das Navaid Performance Prediction Model (OUNPPM) der Ohio University, das Sie vielleicht bereits kennen. Hier ist eine Studie über die C-VOR/D-VOR-Genauigkeit mit diesem Tool.

Ist das eine störanfälliger als das andere?

Bei Störungen durch Signale oder Hindernisse ist der C-VOR aufgrund der Verwendung von AM für das variable Signal anfälliger für Fehler. Im D-VOR ist die Referenz AM-moduliert, aber ein Empfänger kann eine lokale Referenz mit einem PLL-Oszillator aufrechterhalten, der mit der VOR-Referenz synchronisiert ist, wenn das Signal gut ist, und transiente Störwerte zurückweisen (es ist wie die Aufrechterhaltung einer lokalen Zeitreferenz, synchronisiert von Zeit zu Zeit mit einer Hauptuhr).

Hier ist eine Studie über die Interferenz von Windturbinen auf D-VOR.

Das gesagt:

• EUROCAE ED-52 bietet eine Anleitung für die VOR-Standortbestimmung.

• Für ausländische Signale unterliegen VOR einer Anforderung der ICAO (Annnex 10, Band 1, §3.3.8.1): „ Das VOR-Empfangssystem muss eine angemessene Immunität gegenüber Intermodulationsprodukten von zwei Signalen dritter Ordnung bieten, die durch UKW-FM-Rundfunk verursacht werden […] “.

• Erzeugen sie das gleiche Navigationssignal?

Der DVOR kehrt die Verwendung der beiden 30-Hz-Signale um. Indem er jedoch auch die Richtung seines rotierenden variablen Signals umkehrt, erzeugt er genau das gleiche Ergebnis im Empfänger. Der Empfänger hat kein "Wissen", dass es sich um einen DVOR handelt, im Gegensatz zu CVOR, den er empfängt, und arbeitet normal.

• Können sie von demselben Empfänger verwendet werden oder müssen VOR-Empfänger speziell an DVORs angepasst werden?

Bestätigen, gleicher Empfänger.

• Ist das eine genauer als das andere?

DVOR ist genauer und teurer.

CVOR muss ±4° betragen, DVOR muss jedoch ±1° betragen, gemäß Übereinkommen über die internationale Zivilluftfahrt, Anhang 10, Band 1.

• Ist das eine störanfälliger als das andere?

Der DVOR ist praktischer in überfüllten Bereichen oder dort, wo es hohe Gebäude gibt. Es ist jedoch eine große Struktur - etwa 100 Fuß im Durchmesser.

---

Quellen: Radar Engineering S.295, liquisearch.com und trevord.com/navaids