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[知识面拓展] 从0开始学导航之VOR(上)

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发表于 2018-8-6 11:05:12 | 显示全部楼层 |阅读模式
你是我的VOR / 地平线上的那道光 / 航路上的永恒灯塔——《来自机务的三行情书》

话说上次写了一篇《从0开始学导航之ADF》,没想到这样的纯技术文章还真有人看。不过一个飞行员朋友告诉我说,他们其实根本不用ADF。。。。。。
好吧,看来使用者和维护者的视角果然是有很大差距的。那我就直接跳过对于实际ADF天线和NDB的讲解吧。刚好有一个朋友点名要我讲VOR,那我这次就写VOR了。
提醒一下,导航系统一定会有接收装置和发射装置。本文章主要要讲解的是发射装置,或者说地面台。至于为什么接受装置在这里不做重点讲解,我会在后文中说明。
这篇文章按照我的设想会很长,主要分成5个部分:
一、VOR原理简介
二、VOR导航
三、VOR天线结构
四、CVOR(传统型)
五、DVOR(多普勒型)
今天只是上篇,只讲前3个模块。
1533711621095.jpg

VOR原理简介
VOR是什么?我们以A320为例,看一看厂家培训手册里面怎么说的:
1533711623436.jpg
The VOR system is a medium-range radio navigation aid. The VOR system receives, decodes and processes bearing information from the omni-directional ground station, working in the frequency range of 108 MHz to 117.95 MHz. The ground VOR station generates a reference phase signal and a variable phase signal. The phase difference between these signals, called bearing, is function of the aircraft position with respect to the ground station. The bearing is the angle between the magnetic north and the ground station/aircraft axis. Furthermore, the VOR station provides a Morse identification, which identifies the station.


咳咳,就是说VOR是一种中距离无线电导航辅助设备。工作频段为108兆赫兹到117.95兆赫兹。VOR台会发给飞机一个摩斯代码表明身份。至于中间说的内容换个形象点的比喻就是“灯塔”。
灯塔会射出一道不停旋转的白光。每当灯塔转到或者说转过正北方向(磁北),一盏绿灯就会亮起。
1533711625497.jpg

假设这个白光的旋转速度是60秒一圈(1rpm),从绿灯闪烁到你被白光照射到的时间就可以用来计算你相对“灯塔”的方位角。这里计算的实际上是时间差,前提是知道白光的转速。
把上面的图稍微加工一下:

1533711627421.jpg
也就是说实际的VOR上,它有两个和这个比喻相对应的信号:一个是参考信号(绿光),它的相位在所有方向上永远不变;另一个是变化信号(白光),它的相位会随着方位的变化而变化。飞机上的VOR天线通过接受这两个信号,然后计算这两个信号之间的相位差来计算飞机相对于VOR台的方位。(GIF中最终合成的信号就是这个蚶线(Limacon)或者说心形线。蚶线以及中间的“8”字型线和外面一圈黑线代表的含义都会在后文中说明。)

1533711629399.jpg

1533711631488.jpg

VOR导航


先来看一道执照考试题:有一架飞机的VOR方位为45º、航向为0º、预选航道为330º。请问飞机的航道偏离杆和指示以下正确的是?
A 向右 背台
B 向右 向台  
C 向左 背台
D 向左 向台

首先,要解决这个问题,你要对各种角度有一个概念:
1533711633548.jpg

然后,我们用luizmonteiro模拟一下:
1533711635582.jpg

所以答案是B,非常明确。因为飞机在紫色To区域,即向台;航道在飞机的右侧,所以偏离杆一定是向右(说白了你自己设定好了往哪里飞,所有指示就是告诉你,你应该往哪里飞)。
1533711637657.jpg


VOR就是告诉你飞机和它的相对位置(一般VOR会搭一个DME,角度加距离,直接得出位置)。你看我不管如何改变航向,VOR始终都是向台。
所以要解决这种导航问题,没有什么是一个模拟器解决不了的。如果有,那就再模拟一次。

1533711639584.jpg
当我们以一种半实践的方式解决了这个问题之后,再让我们回归理论,看看书上怎么说的:
1533711641445.jpg

这里唯一要注意的就是预选航道30度和210度是两个概念。你可以自己画一下图,理解成圆的两个半径。
1533711643405.jpg

至于另一种说法,其实也是一个道理(我觉得书上的描述方式不太好)。它就是通过相位调节,假装预选航道是0度,然后过VOR台画一条垂直线。-90度到90度之间(看书上的那个波形图)都是背台;对面那一半就是向台。
现在再来看这张图应该就清楚多了。
1533711645303.jpg

我觉得VOR导航的问题基本就是向背台和偏离杆这两个,关键还是要理解各种角度的定义。当然,作为地面维护人员,视角有限,欢迎各路大神在评论区指点。

1533711647113.jpg
VOR天线结构
现如今,我们见到的大多数VOR都是长这个样子的:
1533711649028.jpg
图片中,中间的那根,加上外面这一圈圆锤状的东西就是VOR的主体单元了(旁边那根最细最长的是DME天线)。
摄像大哥,麻烦给个近景 。
1533711651037.jpg
红色虚线圈里面的就是VOR了。通常来说,这个盖子或者说天线罩(radome)是用玻璃纤维做的,可以用来防止雨雪冰雹之类的外来伤害。
我们打开这个盖子之后,你会看到里面长这样:
1533711652832.jpg

本质上来说,VOR的发射天线就是个环形天线。不过千万别想歪,不是我们在《从0开始学导航之ADF》中所讨论的环形天线。它的全名叫Alford Loop Antenna。有兴趣的朋友可以搜一搜Andrew Alford,大神级别的人物,Salute!
如果对天线熟悉的话,你会发现其实这个Alford Loop Antenna可以看做两个连接在一起的偶极天线(dipole)。
1533711654622.jpg

之所以在末端处将天线往里面折一部分是为了在两个极板间形成一个电容。如果没有这个电容,那么它的电场分布就会是这样的:

1533711656536.jpg
所以这两个电容存在的意义就是:
1.天线周围分布的电流均值更高,从而使天线产生更多的有效辐射(efficient radiation);
2.可以通过调节电容(tuning plates)来调节天线的工作频率(其实天线发射信号,或者说电磁波的产生,本质上就是一个LC振荡电路);
下面是发明者申请专利时画的示意图,图中的电场分布很好的展示了电容的作用。
1533711659762.jpg

这里要注意VOR和ADF/NDB的区别。ADF接收的,或者NDB发出来的电磁波是垂直极化波。因为ADF使用的波是长距离使用的地波(ground wave),通过衍射等方式传输至远方。而大地是良导体,如果用水平极化波的话,电磁波的电场矢量平行于大地,会在大地表面产生极化电流(电场让电子跑了起来)产生热能而使电场信号迅速衰减。而VOR用的是VHF甚高频,line of sight。所以电磁波的极化方向或者说方式是由电磁波的不同特性和应用场景决定的。
以上就是整个VOR天线能够产生水平极化波的根本性原因,也是这个Omnidirectional的硬件基础。

1533711661756.jpg
写在最后的话
OK,这就是今天的所有内容,应该把基本的东西给说清楚了,好像有点无聊。。。。。。
至于具体的信号发生原理留待下篇去解决。也许期间会出点基础性的东西,比如天线是怎么发出信号的,什么是AM和FM,各种各样的天线等等。毕竟没有这些基础知识,你甚至都很难理解ADF、VOR这种“古老”的导航工具。
希望我可以坚持写下去,各位下期见,拜了个拜。


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发表于 2018-8-6 11:37:05 | 显示全部楼层
,大神,一看就懂
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 楼主| 发表于 2018-8-6 12:07:03 | 显示全部楼层
嘟嘟小道 发表于 2018-8-6 11:37
,大神,一看就懂

谬赞了。。。论坛这个帖子编辑功能还是不够强大。。。GIF尽然都不会动。。。
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 楼主| 发表于 2018-8-6 20:15:15 | 显示全部楼层

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发表于 2018-8-6 20:52:50 | 显示全部楼层
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 楼主| 发表于 2018-8-7 21:37:39 | 显示全部楼层

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发表于 2018-8-13 12:19:58 | 显示全部楼层

感谢分享 谢谢
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 楼主| 发表于 2018-8-13 16:35:27 | 显示全部楼层

客气了,欢迎关注~~
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发表于 2018-8-22 05:22:34 | 显示全部楼层
大佬哥,就是不知道飞机上那个图怎么看呢。
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 楼主| 发表于 2018-8-27 17:56:34 | 显示全部楼层
娘娘腔 发表于 2018-8-22 05:22
大佬哥,就是不知道飞机上那个图怎么看呢。

???我不是放了320DU显示的一个图片了吗?
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发表于 2018-8-29 10:38:03 | 显示全部楼层
非常好学习了
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发表于 2018-8-29 11:29:56 | 显示全部楼层
太强大了,大神
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发表于 2018-8-29 13:39:00 | 显示全部楼层
大神,厉害。导航系统不好理解
尽管无聊,可还是一直坚持着!
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 楼主| 发表于 2018-8-30 12:14:32 | 显示全部楼层

客气客气,互相学习~~
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 楼主| 发表于 2018-9-3 09:05:51 | 显示全部楼层

欢迎入坑。。。
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机务劝退专家 发表于 2018-9-3 09:05
欢迎入坑。。。

说的有点慌呢
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 楼主| 发表于 2018-9-7 12:52:12 | 显示全部楼层

没事,干一阵子就不慌了
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发表于 2018-9-9 16:42:55 | 显示全部楼层
谢谢楼主分享
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实名认证中国民航大学吉祥航空

发表于 2018-9-9 23:49:01 | 显示全部楼层
假如我现在飞机在预选航道上,可变信号与基准信号差值为0,航向与预选航道一致,和航向与预选航道正好反向,那我是向台还是背台啊?
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 楼主| 发表于 2018-9-13 13:22:42 | 显示全部楼层

客气客气~~~
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 楼主| 发表于 2018-9-19 09:29:06 | 显示全部楼层
tpcasha 发表于 2018-9-16 23:21
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发表于 2018-9-20 22:27:45 | 显示全部楼层
机务劝退专家 发表于 2018-8-27 17:56
???我不是放了320DU显示的一个图片了吗?

就是不能理解啊
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 楼主| 发表于 2018-9-21 09:21:57 | 显示全部楼层

爱莫能助啊,那就放弃吧
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向电子大拿致敬
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发表于 2018-10-11 17:37:37 | 显示全部楼层
可以可以,正好不懂电子的
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广州民航职业技术学院

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好文章啊!赞赞
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