Radiofar omnidireccional en VHF

Un radiofar omnidireccional en VHF http://www.lexicmariner.info/PDF/Romeo.pdf (VOR en l'acrònim anglès: VHF omnidirectional range" és una radioajuda a la navegació que utilitzen les aeronaus per seguir en vol una ruta preestablerta. Generalment hi ha una estació terrestre VOR a cada aeroport.

Aquest sistema va ser desenvolupat als Estats Units el 1937 i implementat el 1946. El VOR és el sistema estàndard de navegació aèria tant per l'aviació comercial com la general.VOR VHF Omnidirectional Range , Aviation Tutorial – Radio Navaids, kispo.net Tot i això actualment s'està ampliant l'ús de sistemes de navegació per satèl·lit com el GPS.

Precisió La precisió predictible d'un VOR és ± 1,4°. No obstant això, dades de prova indiquen que el 99,94% del temps amb un sistema VOR té menys a ± 0,35° d'error. Els sistemes VOR són internament monitorats i comuniquen qualsevol error de l'estació que excedeixi 1,0°.

La norma ARINCO 711-10 del 30 de gener de 2002 estableix que la precisió del receptor hauria d'estar dins de 0,4º amb una probabilitat estadística del 95% sota diverses condicions. Qualsevol receptor compleix amb aquest estàndard bé o sol excedir-se.

Principi de funcionament L'antena VOR de l'estació emet un senyal de radiofreqüència VHF en totes direccions, que és rebuda per l'equip VOR de qualsevol aeronau que es trobi dins del rang d'abast (màx. uns 320 km de fins a 37.500 peus d'alçada sobre l'estació) i tingui sintonitzada la freqüència d'aquesta estació (que pot variar de 108,00 a 117,95 MHz modulada en AM). miniatura|Estació de terra D-VOR (Doppler VOR), amb DME.

La radiofreqüència emesa per un VOR conté o està modulada per tres senyals. Una és la identificació de l'estació en codi Morse, que permet al pilot identificar l'estació. Les altres dues són ones sinusoidals de 30 Hz les fases varien entre si. Se'ls anomena senyal de referència i senyal variable respectivament. La referència manté sempre el seu fase constant, mentre que la variable canvia la seva fase segons la direcció en què sigui emesa. Aquesta direcció es mesura com un azimut, és a dir, es divideix en 360 graus al voltant de l'antena VOR comptant en sentit horari a partir del nord magnètic terrestre, punt en el qual el senyal de referència i la variable tenen fase idèntica. D'aquesta manera es pot visualitzar una antena VOR com el punt des del qual parteixen 360 línies de direcció, a les quals se'ls anomena radials.

L'equip VOR a l'aeronau rep el senyal VOR i desmodula els seus tres senyals. Compara el senyal de referència amb la variable i determina la diferència de fase entre les dues. D'aquesta manera pot conèixer en quin radial del VOR sintonitzat es troba l'aeronau respecte al nord magnètic terrestre.

Una altra manera de veure-ho és que el radial obtingut per l'equip VOR de l'aeronau, és l'angle de desplaçament entre el nord magnètic i l'aeronau, mesurat des de l'antena de l'estació terrestre VOR.

Radiofar El sistema VOR s'encarrega de transmetre el senyal/informació a través de radiofars. Un radiofar és una estació de ràdio situada en una posició perfectament geolocalitzades, que fa possible localitzar la posició relativa i/o la direcció de l'estació receptora Hi ha dos tipus fonamentals de radiofars: Radiofars no direccionals (NDB, Non directional Beacons) amb goniòmetres automàtics (ADF, Automatic Direction finders) Sistemes de senyal compost, format per estacions emissores de ràdio que envien de forma automàtica i contínua senyals, que permeten determinar la direcció i/o l'abast fent ús de la informació continguda en el senyal (sistema VOR)

Comparació amb les NBDs Els radiofars no direccionals tenen un avantatge principal sobre el sistema VOR: són més sofisticat. Els senyals del sistema NDB (no direccional) segueixen la curvatura de la Terra, de tal manera que es poden detectar a major distància i menor alçada. El desavantatge del sistema NDB enfront del sistema VOR és la seva major sensibilitat a les condicions atmosfèriques, a la presència de terreny muntanyós, a la refracció a la costa i a les tempestes elèctriques, especialment a distàncies considerables del radiofar.

Funcionament del sistema VOR El sistema VOR determina l'angle θ entre la direcció que uneix l'aeronau amb l'estació VOR i la direcció del Nord Magnètic, indicant així, la direcció de l'avió al transmissor, i definint la línia de posició (LOP) o radial. La intersecció de dos radials determina la posició de l'aeronau. Conegut l'angle de VOR i la distància a aquest (per exemple: Mitjançant la radioajudes DME), és possible calcular la distància lateral (o Cross Track Error, XTE) entre l'avió i les aerovies.

El radiofar VOR-N funciona a la banda de freqüències de 112-118 MHz La freqüència assignada a cada estació VOR s'anomena canal (120 en total). La separació entre canals adjacents és d'almenys 50 kHz. VOR-T opera a la banda de 108-112 MHz, amb 80 canals separats per 50 kHz. El VOR-T proporciona els mateixos serveis en les rutes d'aproximació de l'aeroport, amb més precisió angular (0.5º enfront dels 2º típics del VOR-N).

A aquestes freqüències la propagació és pràcticament en línia recta, requereix tenir el radiofar dins de la línia visual, ja que l'ona de superfície és massa feble. El que limita l'abast a causa de la curvatura de la terra en funció de l'altura de l'avió. Si R és el radi de la terra, d l'abast i h l'altura de l'avió es verifica que:

Tenint en compte que h és molt menor que R, es pot menysprear davant 2Rh, de manera que resulta (dih en quilòmetres):

Aplicant aquesta fórmula per a una alçada de 10 km s'obtenen un abast de 357 km.

La normativa OACI (Organització d'Aviació Internacional) estableix una cobertura òptima de VOR per a estacions distanciades uns 200 km. amb potències d'emissió de 200 W per al VOR en ruta i de 50 W per al VOR-T (VOR Terminal, que serveix d'ajuda a la navegació i l'aproximació).

En teoria aquest abast és independent de la potència (sempre que aquesta sigui suficient per assegurar el mínim camp induït de 90 microvolts per metre a l'avió, exigit per l'OACI). L'abast pràctic és millor que el teòric i és funció de la potència emesa, pel fet que l'ona emesa tendeix a seguir la discontinuïtat dielèctrica entre la terra i l'aire (formant una ona terrestre guiada).

Diagrama de radiació VOR L'antena transmissora VOR convencional té un diagrama de radiació compost que consisteix d'una part no direccional més dos component amb forma de vuit, que resulten en un diagrama amb forma de cardioide. La polarització és horitzontal. El cardioide resultant trencada electrònicament a una velocitat angular de 30 voltes per segon ({30 Hz), la qual cosa s'aconsegueix amb una modulació en amplitud a 30 Hz dels components en forma de vuit que té un desfasament relatiu de 90°. Un receptor en la direcció a rep un senyal dependent de la direcció, que després de ser demodulador és una funció lineal de α. El senyal ve donat per:

α α

α

On a # 0,3 és l'amplitud de les antenes amb diagrama de radiació en forma de 8 davant l'omnidireccional, wm/(2π) = 30 Hz i wc és la freqüència de la portadora.

Senyal El VOR opera a la banda de 108-118 MHz (VHF), amb 200 canals espaiats 50 kHz. Transmet, sobre una portadora de VHF amb polarització horitzontal, dos senyals: Un senyal de referència omnidireccional de 30 Hz Un senyal variable amb la direcció (o rotatòria) de 30 Hz La fase d'aquest senyal depèn de la direcció en què es trobi el receptor.

La mesura de l'angle θ o angle VOR, es fonamenta en la comparació de la fase entre els dos senyals de 30 Hz L'estació de terra radia un patró cardiode que trencada a 30 revolucions/s, generant una ona sinusoidal a 30 Hz en el receptor de l'avió (senyal variable). L'estació de terra també radia un senyal omnidireccional, modulat en freqüència amb un to de 30 Hz fix (senyal de referència). L'avió coneix el seu "marcatge" o angle respecte al nord, θ, per la diferència de fase entre el senyal de referència i el senyal variable. L'angle, serà màxim quan l'eix longitudinal de l'avió està alineat amb l'estació VOR.

El senyal variable modula en amplitud directament a la portadora, mostrant a més una modulació espacial en fase. Com necessitem un senyal de referència a 30 Hz i no es pot afegir una altra modulació AM a la portadora a 30 Hz (ja està ocupada pel senyal variable), s'empra una subportadora a 9960 Hz Aquesta subportadora es modula en freqüència amb un si a 30 Hz (donant un ample de modulació FM de ± 480 Hz L'índex de modulació FM β és 16). La subportadora modulada de 9960 Hz modula al seu torn, en AM, a la portadora, amb una profunditat de modulació del 30%. A més, la portadora està modulada al 10% en amplada per un codi Morse f (t) a fi = 1020Hz. Aquest codi Morse fa d'identificació, emetent dues o tres vegades per minut.

[1+a α +b +β +f (t) ]

Emissors Convencionals L'emissora VOR més senzilla genera la modulació espacial mitjançant tres antenes: un parell de dipols creuats (ortogonals entre si) i una antena de bucle omnidireccional. El diagrama de radiació d'un dipol té forma de vuit. Els dos dipols creuats formen un angle de 90 º, de manera que un dels diagrames de radiació anirà amb sin θ i l'altre amb cos θ:

(θ) = (θ) (θ) = (θ)

Cada antena del dipol creuat és alimentada amb un senyal semblant anomenat SBO (SideBands Only), amb un desfasament de 90°: (2π t) (2π t) (2π t) (2π t) en l'interval [108.119,75] MHz = 30 Hz

El senyal de radiofreqüència és la suma en l'espai dels senyals emesos pels dos dipols creuats:

E α (2π t) [ (2π t) (θ)+ (2π t) (θ) = (2π t) [ (2π t+θ)]

El senyal complet en l'espai es té quan se suma un senyal de portadora emès per l'antena de bucle. Aquest senyal és omnidireccional i, per tant, no depèn de θ. L'equació del senyal complet:

E α (2π t) [1+ (2π t+θ)]

L'equació del senyal, es correspon a un patró de radiació cardioide amb eix girant a una freqüència de rotació de fvor = 30 revolucions/s, és a dir, la modulació espacial buscada. A la pràctica es fan servir dos parells d'antenes de bucle de Alford. Els patrons de radiació són els mateixos però produeixen una polarització totalment horitzontal.

Emissor VOR-Doppler El multicamí o multipath és la principal font d'error dels sistemes VOR. Una manera de corregir és utilitzar antenes més gran, més direccionals, i una altra és utilitzar el fet que els senyals FM són menys sensibles a les reflexions que les PM. El VOR Doppler o Dvor és una millora de precisió al VOR Convencional CVOR (precisió de 0,5º davant 2º respect.). Dvor es veu menys afectat per les reflexions d'obstacles prop de les antenes.

L'antena Dvor es compon d'una circumferència formada per 26 parelles d'antenes de dipol i una antena de dipol (omnidireccionals) al centre. A cada instant només hi ha 3 antenes alimentades, la central (o referència) i una parella. Connectant seqüencialment les antenes d'una agrupació podem simular una antena que gira i produeix una modulació en FM sintètica deguda al desplaçament Doppler. Una antena del parell transmet a fp+9960 Hz i l'altra a fp-9960 Hz La commutació del parell actiu es realitza de manera que des del receptor el Dvor es veu com un parell giratori d'antenes a fvor = 30 revolucions/s.

El desplaçament Doppler aconseguit amb la rotació aparent és: Δf = v/λ = · a · sin (θ)/λ Δf = 2π · a · sin (θ) · /c v la velocitat de l'antena en la direcció de l'observador (aeronau). c la velocitat de la llum (3 × 108 m/s) a el radi de la circumferència (6.76 m)

= 30 Hz la freqüència de rotació aparent de l'antena (30 Hz)

la freqüència de la portadora de VHF

En el receptor se suma el senyal de l'antena que s'allunya i de l'antena que s'acosta, cadascuna amb un desplaçament Doppler diferent (± (Vsenθ/λ) respectivament). El senyal suma resultant és una subportadora en 9960 Hz, modulada en freqüència segons l'expressió:

[2π t)+Δf (2π t+θ)] (2π t)

= 9960 Hz

Δf = 2π · a/λ