پایان نامه بررسی عملکرد و شبیه‏سازی سیستم‏های ناوبری CVOR و DVOR در کانال‏های چند مسیری

پایان‌نامه کارشناسی ارشد

مهندسی برق – گرایش مخابرات سیستم

چکیده

     سامانه ناوبری VOR یک سامانه ناوبری رادیویی می‌باشد که دارای کاربردهای تاکتیکی و غیرتاکتیکی می‌باشد و به دو نوع CVOR و DVOR ساخته شده است. این سامانه با تعیین موقعیت (سمت) وسیله پرنده نسبت به فرستنده ایستگاه زمینی بطور وسیعی در سرویس‌های هوایی نظامی و غیرنظامی در اکثر کشورهای دنیا استفاده می‌شود. سامانه ناوبری VOR در محدوده فرکانسی VHF از 0/108 مگا هرتز تا 95/117 مگا‌هرتز در قالب 200 کانال کار می‌کند. تفاوت CVOR و DVOR تنها در ساختار آنتن ایستگاه زمینی می‌باشد، زیرا گیرنده و رابطه سیگنال ارسالی از فرستنده‌ی هر دو سیستم یکسان می‌باشد. آنتن فرستنده از دو قسمت اصلی sideband وCarrier  برای ارسال دو سیگنال 30 هرتز می‌باشد. عملکرد سامانه VOR بدین صورت است که اطلاعات سمت را از اختلاف فاز دو سیگنال 30 هرتز مرجع و فاز متغیر استخراج می‌کند. اختلاف فاز برای هر موقعیت هواپیما، متفاوت می‌باشد. بعبارت دیگر اختلاف فاز دو سیگنال 30 هرتز بسته به موقعیت هواپیما بطور خطی تغییر می‌کند. دو سیگنال 30 هرتز تحت مدولاسیون آنالوگ از ایستگاه زمینی ارسال می‌شوند. در پرواز، هواپیما این دو سیگنال را با سیگنال انعکاسی ناشی از سطح زمین، کوه و موانع نزدیک مانند آشیانه هواپیما و ساختمان دریافت می‌کند. سیگنال‌های چندمسیری باعث اختلال در آشکار‌سازی اختلاف فاز دو سیگنال 30 هرتز در گیرنده VOR می‌شوند. هدف پایان‌نامه بررسی اثرات پدیده‌ چندمسیری بر سامانه CVOR و DVOR و مقایسه آنها از طریق مدل‌سازی و شبیه‌سازی سیستمی می‌باشد. در این خصوص اثرات پدیده چندمسیری بر سامانه‌های رادیویی، مدل‌سازی کانال مخابرتی، عملکرد ایستگاه زمینی و استخراج سیگنال ارسالی و شبیه‌سازی گیرنده مورد بررسی قرار گرفته است. سپس بطور خاص به بررسی کارایی سامانه VOR در شرایط چندمسیری پرداخته خواهد شد. در این پایان‌نامه سامانه‌های ناوبری CVOR و DVOR در شرایط چندمسیری مقایسه و تفاوت آنها در سناریو واقعی با وجود موانع بررسی شده است.

    از زمان اختراع هواپیما تاکنون دستگاه‌ها و روش‌های گوناگونی برای کمک به خلبان جهت مشخص نمودن مسیر پرواز ابداع شده است. در قدیم خلبان با ابزارهایی همانند کوه‌های بلند، دود آتش، ناهمواری‌ها، مسیر خود را پیدا می‌کرد و در حال حاضر دستگاه‌هایی همانند     [1]GPS, [2]TACAN, [3]VOR, [4]WAAS, [5]LAAS, [6]INSو نیز نقشه های ناوبری و ماهواره‌ای جایگزین آنها شده است. ناوبر با تنها یکی از سیستم‌های ماهواره‌ای WAAS, GPS می‌تواند موقعیت هواپیما را تعیین کند، ولی اطلاعات سیستم‌ها از ماهواره بروز می‌شود و در بعضی از شرایط قابل استفاده نیستند. بنابراین استفاده از سیستم‌هایی همانند VOR برای تعیین موقعیت فعلی و تنظیم مسیر بعدی اجتناب‌ناپذیر می‌شود که موضوع اصلی ما در این پایان‌نامه می‌باشد.

1

VOR رادیو ناوبری روی باند VHF برای دید همه جهته[7] خلبان می‌باشد که با توجه به نقشه‌های ناوبری موجود به خلبان و ناوبر کمک می‌کند تا مسیر پرواز را تعیین کنند. بر خلاف NDB[8] که سیگنال را بدون جهت ارسال می‌کند، اطلاعات سیگنال VOR جهت‌دار ارسال می‌شود. نوع اولیه سیستم VOR در سال 1960 توسط سازمان بین المللی هواپیمایی[9] بعنوان تجهیزات ناوبری برد کوتاه استفاده شد (البته برد کوتاه را می توان بیشتر از 200 ناتیکال مایل تعریف کرد). این دستگاه در کنار مزایا، دارای خطاهایی نیز می‌باشد که آنها را در این پایان نامه شرح و راه‌های بهبود آنها را بیان خواهیم کرد. اگرچه نگهداری VOR به نفرات نگهدارنده زیادی احتیاج دارد ولی قبول هزینه شبکه‌های VOR برای مسیرهای هوایی اجتناب‌ناپذیر است. VOR هم اکنون به دو صورت Conventional VOR و Doppler VOR استفاده می‌شود. هدف ما در این پایان نامه مقایسه CVOR و DVOR در کانال چند‌مسیره[10] می‌باشد و مزایای استفاده از DVOR را نسبت به CVOR بررسی می‌کنیم.

 >> فصل اول <<

معرفی سامانه ناوبری CVOR و DVOR

و شرح اصول عملکرد آنها

فصل اول

معرفی سامانه ناوبری CVOR و DVOR و شرح اصول عملکرد آنها

مقدمه

در این فصل سعی بر این است تا با معرفی سامانه ناوبری VOR مقدمات لازم جهت بررسی موضوع این پایان‌نامه ارائه گردد. بطور خلاصه می‌توان گفت وظیفه اصلی VOR تعیین اطلاعات زاویه سمت[11] برای هواپیما می‌باشد. سامانه ناوبری VOR در دو نوع CVOR[12] و DVOR[13] ساخته شده است. سامانه VOR شامل دو قسمت فرستنده (ایستگاه زمینی) که سیگنال خود را برای تمام هواپیما‌هایی که در محدوده دریافت باشند، ارسال می‌کند و گیرنده هواپیما که سیگنال را دریافت و بعد از پردازش اطلاعات زاویه سمت را استخراج می‌کند. در این فصل اصول و تئوری عملکرد، ماموریت، کاربردها، مشخصات سیگنال و سایر ویژگی‌ها و پارامترهای سیستمی سامانه CVOR و DVOR بطور مجزا مورد بررسی قرار می‌گیرد. قابل ذکر است در این متن از کلمه VOR برای هر دو سامانه CVOR و DVOR استفاده شده است.

1-1- تعاریف و معرفی واژه‏ها

فاصله شعاعی[14] : به خطی که هواپیما را به ایستگاه وصل می‌کند، فاصله شعاعی گویند که در این متن با نام‌های فاصله یا مسافت[15] : نیز از آن نام برده می‌شود. شکل (1-1) فاصله شعاعی را نشان می‌دهد.

زاویه سمت : به زاویه‌ ایجاد شده بین بردار شمال مغناطیسی و خط واصل از بدنه هواپیما تا ایستگاه زمینی، در جهت حرکت عقربه‌های ساعت، زاویه سمت می‌گویند. شکل (1-1) این زاویه را نمایش می‌دهد.

3

رادیال[16] : به زاویه‌ ایجاد شده بین بردار شمال مغناطیسی و خط واصل از ایستگاه زمینی تا بدنه هواپیما در جهت حرکت عقربه‌های ساعت، رادیال گفته می‌شود. شکل (1-1) این مطلب را نمایش داده است.

شکل 1-1- زاویه bearing و فاصله شعاعی

1-2- ماموریت و عملکرد سامانه VOR 

سامانه VOR اطلاعات زیر را برای خلبان و ناوبر مهیا می‌کند:

الف – تعیین سمت هواپیما نسبت به ایستگاه زمینی و نمایش اطلاعات سمت

ب – نمایش اطلاعات مربوط به انحراف از مسیر در واحد درجه

پ – شناسایی ایستگاه زمینی به هواپیما از طریق ارسال کد مورس (پیوست 3)

ت – ارتباط رادیویی بین ایستگاه و هواپیما

ث – تعیین جهت حرکت هواپیما نسبت به ایستگاه (نزدیک‌شونده یا دور‌شونده بودن) توسط نمادTO  یا  FROM

ح – فرود هواپیما

1-3- کاربرد‌های ناوبری سامانه VOR

     همانطور که قبلاً ذکر شد، گیرنده هواپیما از طریق پردازش سیگنال ارسالی فرستنده زمینی اطلاعات لازم را استخراج می‌کند. حال این سوال مطرح است که خلبان اطلاعات ناوبری بدست آمده را در چه مسیری می‌تواند بکار بندد. می‌توان خلاصه‌وار گفت :

الف –  ناوبری در طول مسیر[17]

4

    چنانچه مراحل پرواز به مراحل برخاستن[18]، پرواز در اطراف فرودگاه[19]، مسیر اصلی، تقرب و رسیدن، نشستن[20] و حرکت در باند[21] تقسیم شود، کاربرد اصلی ناوبری با سامانه  VORدر مرحله حرکت در مسیر اصلی می‌باشد که گیرنده VOR انحراف از زاویه سمت مطلوب را بر حسب درجه به خلبان نمایش می‌دهد و امکان جبران‌سازی آن را فراهم می‌آورد.

ب –  تقرب‌های غیر دقیق[22]

     با توجه به قابلیت سامانه VOR در تعیین انحراف از زاویه سمت مطلوب بر حسب درجه، در مرحله تقرب نیز از آن استفاده می‌شود.

پ – مقصد‌یابی[23]

پیدا کردن مقصد از کاربرد‌های اصلی سامانه VOR می‌باشد، یعنی با توجه به اطلاعات سمت و نیز انحراف از مسیر خلبان براحتی می‌تواند مقصد بعدی را تعیین کند.

ت – موقعیت‌یابی

     VOR تعدادی رَد یا خط موقعیت تولید می‌کند که منبع سرچشمه آنها فرستنده می‌باشد. این رَدها که از 1 تا 360 شماره‌گذاری می‌شوند، در اصطلاح رادیال می‌نامند. رادیال 360 درجه رَدی است که در جهت شمال مغناطیسی از ایستگاه VOR خارج می‌شود. رادیال 90 درجه رَد در جهت شرق، رادیال 180 رَد در جهت جنوب و رادیال 270 درجه رَد در جهت غرب می‌باشد که همگی بر طبق شمال مغناطیسی شماره‌گذاری می‌شوند. رد را در اصطلاح ناوبری خط موقعیت[24] می‌گویند. یکی از کاربردهای مفید VOR پیدا کردن موقعیت خود با روش موقعیت ثابت[25] می‌باشد. موقعیت توسط نقطه تلاقی دو خط موقعیت پیدا می‌شود. خط موقعیت ردی است که از ایستگاه خارج و به هواپیما کشیده می‌شود. موقعیت از برخورد دو خط رد از دو ایستگاه VOR همجوار که پرچم From آنها برای خلبان روشن شده، بدست می‌آید. این روش در شکل (1-2) دیده می‌شود.

شکل 1-2- استخراج موقعیت از دو ایستگاه VOR ]2[

1-4- تشریح اصول عملکرد سامانه CVOR

5

     سامانه ناوبری CVOR با ماموریت تعیین سمت هواپیما از ایستگاه زمینی، کاربرد وسیعی در سرویس‌های هوایی دارد. این سامانه از سوی سازمان بین‌المللی هوایی به عنوان یک سامانه ناوبری مهم شناخته شده و امروزه در سطح وسیعی از کشورهای دنیا بکار گرفته می‌شود. اطلاعات سمت از پردازش سیگنال ارسالی CVOR بدست می‌آید.

     خلبان برای طی مسیر خود در حالتِ پرواز در طول مسیر و رسیدن به مقصد، باید از تجهیزات ناوبری کمک بگیرد. در حالت پرواز در طول مسیر، خلبان با دانستن فاصله خود تا نقطه‌ای خاص و یا زاویه‌ خود نسبت به مرجعی خاص مانند شمال مغناطیسی یا ایستگاه زمینی، می‌تواند موقعیت هواپیما را تعیین کند. CVOR سامانه ناوبری می‌باشد که زاویه سمت را به خلبان می‌دهد]4[.

1-4-1- آنتن فرستنده CVOR

آنتن CVOR در ایستگاه زمینی، باید چهار شرط زیر را دارا باشد:

آنتن باید با پلاریزاسیون افقی کار کند.

آنتن بصورت یک واحد کامل (یکپارچه) و قابل جابجایی باشد و نیز براحتی نصب شود.

برای کاهش خطای استخراج زاویه سمت ناشی از آنتن، قسمت چرخنده مکانیکی نداشته باشد، بعبارت دیگر چرخش پترن بصورت مکانیکی انجام نشود.

1-4-2- ساختار و عملکرد ایستگاه زمینی CVOR

    اطلاعاتی که از ایستگاه زمینی ارسالی می‌شود، بصورت سیگنال آنالوگ با مدولاسیون خاصی ارسال می‌شود. البته این سیگنال ارسالی در شرایط عملکردی مختلف سیستم، دارای شرایط خاصی می باشند که در بخش‌های بعدی این متن، تشریح خواهند شد. سیگنال ارسالی توسط ایستگاه زمینی شامل قسمتهای ذیل می‌باشد:

سیگنال 30 هرتز مرجع[26]

سیگنال30 هرتز با فاز متغیر[27]

تون یا کد شناسایی ایستگاه[28]

سیگنال ارتباط رادیویی[29]

6

      این اطلاعات همه بصورت سیگنال آنالوگ ارسال می‌شوند که در ادامه معرفی و تشریح خواهند شد. اما قبل از آن لازم است عملکرد ایستگاه زمینی ارائه شود. در این قسمت با صرف نظر از بخش‌های دیگر، جهت ارائه اصول عملکرد CVOR فقط آنتن آن معرفی می‌شود. شکل (1-3) آنتن سامانه CVOR را نشان می‌دهد. این آنتن از دو قسمت تشکیل شده است.

الف) آنتن کریر[30]

    این آنتن که از نوع حلقه آلفورد[31] می‌باشد که در وسط مجموعه آنتن CVOR قرار دارد و برای ارسال سیگنال مرجع استفاده می‌شود. پترن افقی آنتن حلقه آلفورد دایره‌ای و همه جهته[32] می‌باشد. تشریح اصول عملکرد آنتن حلقه آلفورد در پیوست یک پایان‌نامه آمده است.

ب) آنتن باند کناری[33]

7

    قسمت باندکناری از چهار آنتن از نوع حلقه آلفورد برای ارسال سیگنال جهتدار تشکیل شده است. عملکرد این چهار آنتن، چرخش الکتریکی پترن ارسالی را بوجود می‌آورد. برای تفهیم بهتر، چرخش الکتریکی را می‌توان به چرخش مکانیکی آنتنهای الکترومکانیکال نیز گسترش داد. چرخش الکتریکی با سرعت 1800 دور در دقیقه انجام و باعث ارسال سیگنال با مدولاسیون دامنه 30 هرتز در فضا[34] می‌شود. چرخش الکتریکی آنتن توسط اختلاف دامنه دو سیگنال سینوسی و کسینوسی ایجاد می‌شود. شکل (1-4) ساختار داخلی آنتن باندکناری و نحوه‌ی ایجاد چرخش الکتریکی توسط دو سیگنال سینوسی و کسینوسی را نشان می‌دهد. چهار آنتن حلقه آلفورد با نام‌های شمال‌غربی، شمال‌شرقی، جنوب‌غربی و جنوب‌شرقی نامگذاری می‌شود. سیگنال وارد شده به دو آنتن شمال‌غربی و جنوب‌شرقی از پل[35] یکسان و با 180 درجه اختلاف فاز نسبت بهم می‌باشد. سیگنال وارد شده به دو آنتن شمال‌شرقی و جنوب‌غربی از پل یکسان و با 180 درجه اختلاف فاز نسبت بهم می‌باشد (می‌توان علامت یک لوب را مثبت و علامت لوب روبرو آن را منفی فرض کرد).

شکل1-3- آنتن CVOR از نوع حلقه آلفورد ]1[

1-4-3- پترن افقی فرستنده CVOR

    همانطور که پیشتر گفته شد، پترن افقی آنتن حلقه آلفورد دایره‌ای و همه جهته می‌باشد. فرستنده CVOR شامل پنج آنتن حلقه آلفورد که یکی بعنوان آنتن کریر در وسط و چهار آنتن دیگر اطراف آنتن کریر قرار دارند. همگی پنج آنتن، سیگنال ارسالی را همه جهته ولی با توان و فاز متفاوت ارسال می‌کنند. بعلت همه جهته بودن پترن افقی آنتن کریر، تمام هواپیماها روی محیط دایره اطراف آنتن، سیگنال ارسالی را یکسان دریافت می‌کنند. شکل (1-5) پترن آنتن کریر را نشان می‌دهد. پترن آنتن باندکناری بصورت چهار دایره‌ای می‌باشد که منطقه تحت پوشش هر دایره متناسب با توان ارسالی از آنتن می‌باشد. شکل (1-6) الگوی تشعشعی چهار آنتن باندکناری را نشان می‌دهد]2[.

شکل 1-4- ساختار داخلی آنتن باندکناری و نحوه‌ی ایجاد چرخش الکتریکی  ]1[

8

شکل 1-5- پترن آنتن کریر

شکل1-6-  الگوی تشعشعی چهار آنتن باند کناری ]2[

1-4-4- نحوه چرخش پترن آنتن باندکناری و ایجاد پترن قلبی شکل

    با توجه به چهار پترن دایره‌ای یکسان برای چهار المان آنتن باندکناری، می‌توان گفت هر دو المان مقابل هم ایجاد یک پترن شکل هشت انگلیسی[36] (در مجموع دو پترن) می‌کنند. اگر رابطه (1-1) را بعنوان فاکتور آرایه[37] چهار المان آنتن باندکناری طبق شکل (1-7) در نظر بگیریم، می‌توان نشان داد، برایند چهار لوب، یک پترن شکل هشت انگلیسی که کریر لوب‌های آن 180 درجه با هم اختلاف فاز دارند، می‌شود. بعبارت دیگر پترن آنتن باندکناری را می‌توان توسط یک پترن شکل هشت تشریح کرد که این موضوع در شکل (1-8) نشان داده شده است]3[.

 (1-1)                               

9

شکل 1-7- مکان المان‌های آنتن باند کناری

    چرخش پترن آنتن باندکناری توسط کم و زیاد کردن متناوب توان دو آنتن روبروی هم و زیاد و کم کردن متناوب توان دو آنتن روبروی هم دیگر ایجاد می‌شود. مجموع پترن آنتن‌های باندکناری و پترن دایره‌ای آنتن کریر، در نهایت قلبی[38] شکلِ بدون نال می‌شود. بخاطر بدون نال بودن پترن، آنرا حلزونی[39] می‌گویند. شکل (1-9) این موضوع را نشان می‌دهد. نحوه ایجاد پترن قلبی شکل از پترن آنتن کریر و آنتن باندکناری را می‌توان بر طبق رابطه فاکتور آرایه (1-2) بیان کرد. در این حالت اختلاف فاز آنتن کریر نسبت به مبدا برابر صفر می‌باشد. دلیل آن منطبق بودن آنتن کریر با مبدا آنتن آرایه‌ای می‌باشد. این موضوع در شکل (1-10) نشان داده شده است. چرخش پترن قلبی شکل ناشی از چرخش پترن آنتن باندکناری می‌باشد. شکل (1-11) چرخش پترن قلبی شکل ناشی از پترن آنتن‌های کریر و باندکناری را نشان می‌دهد. شکل (1-12) اثر چرخش پترن قلبی شکل را از دید یک ناظر نشان می‌دهد. این شکل نحوه ایجاد مدولاسیون دامنه در فضا بدون تولید مدولاسیون در فرستنده بیان می‌کند. بنابراین فاز سیگنال دریافتی آنتن باندکناری با توجه به موقعیت هواپیما تعیین می‌شود.

[1] Global positioning system

[2] Tactical Air Navigation

[3] VHF omnidirectional range

[4] Wide Area Augmentation System

[5] Local Area Augmentation System

[6] Inertial Navigation System

[7] visual aural range

[8] Non Directional Beacon

[9] international civil aircraft organization (ICAO)

[10] multipath

[11] Bearing

[12] Conventional VHF Omni directional Range

[13] Doppler VHF Omni directional Range

[14] Salnt Range

[15] Distance

[16] Radial

[17] En route navigation

[18] Take off

[19] Terminal Area

[20] landing

[21] taxi

[22] Non Precision Approach

[23] homing

[24] Lines of Position (LOP)

[25] Position Fix

[26] reference

[27] variable

[28] Beacon Identity Tone

[29] audio

[30] carrier

[31] Alford loop

[32] Omni directional

[33] sideband

[34] Space Modulation

[35] bridge

[36] Figure of eight

[37] Array Factor

[38] cardiod

[39] limacon

Abstract

VOR (VHF Omnidirectional Range)  is a radio navigation system with tactical and non-tactical uses and has been made in two types: DVOR (Doppler VHF Omnidirectional Range)  and CVOR (VHF Omnidirectional Range). This system, which determines the position (azimuth) of the flying device with regard to the ground station transmitter, is widely used in military and nonmilitary air services in most countries. VOR navigation system works in Very high frequency range from 108.0 to 117.95 MHz  in 200 channels. CVOR and DVOR are different only in the structure of their ground station antenna since the receivers and the relation of the signals transmitted from both systems are the same. The transmitter antenna consists of two main parts (carrier and sideband) which transmits two 30 Hz signals. The function of  VOR is to extract the information of azimuth from the phase difference between the two 30 Hz signals, i.e. the reference signal and the variable signal. Phase difference varies in different positions of the airplane. In other words, the phase difference between the two 30 Hz signals varies linearly according to the position of the airplane. The two 30 Hz signals are transmitted from the ground station via analogue modulation. While flying, the airplane receives the two signals accompanied with the signals reflected from the earth surface, from mountains, and from close obstacles such as shelters and buildings. In VOR receiver, multipath signals disturb the detection of phase difference of the two 30 Hz signals. The purpose of this thesis is to investigate the effects of multipath phenomenon on CVOR and DVOR systems, and to compare them through modeling and simulation. In this regard, the researcher investigates the effects of multipath phenomenon on radio systems, the modeling of communication channel, the function of the ground station, the extraction of the transmitted signal, and the simulation of the receiver. Afterwards, the effectiveness of  VOR system in multipath conditions is investigated specifically. In this thesis CVOR and DVOR navigation systems are compared in multipath conditions, and their difference in real scenario, in the presence of obstacles, is investigated.