1-1 VOR의 개 요
VOR은 Very high frequency Omni directional Range의 약자로서 1960년대부터 ICAO에서 단거리용 국제표준항행 원조시설로 채용하여 NDB와 함께 항행을 위한 주 표지국으로 이용되는 시설이다.
VOR은 1946년부터 미국에서 사용되기 시작하였는데 그 정확성 및 안정성에서 우수하여 급속도로 발전, 미국내에만도 900개 이상의 국(station)이 전국에 설치되었고 세계적으로 확장되어 널리 이용되고 있는 항행안전시설이다.
VOR의 지상시설은 민항공의 국내항로에서는 주 항법시설이며, 저주파수 시설에서 있었던 대기의 공전간섭이나 기타 제한이 제거된 항법시스템이다. VOR지상국은 360도 전방향으로 전파를 방사하고 있는데 이 Magnetic Course의 radio beam을 "To or From the station"으로 이용한다.
VHF 송신의 장점으로는
- 정전기의 영향이 NDB에 비해 극히 적어서 안정됨.
- 강수현상등 대기의 영향이 없음.
- Course의 정확성 (+2도 이내) 등이 있으며,
VHF 송신의 단점으로는
- 가시거리송신(Line-of-sight)
- 전파의 직진성으로 장애물에 의한 전파 차단
- 거리의 제한(많은 시설이 소요) 등이 있다.
VOR은 통상 CVOR(Conventional VOR)과 DVOR(Doppler VOR)로 이루어져 있다. 그 차이점은 CVOR은 기준위상은 FM변조, 가변위상은 AM변조로 이루어지며, DVOR은 기준위상은 AM변조, 가변위상은 FM변조로 이루어진다. 근래에는 방위오차를 줄이기 위해서 CVOR보다는 DVOR을 선호하는 추세이다.
VOR 동작원리
DVOR
DVOR의 동작은 기준위상 및 가변위상이라고 부르는 반송파에 변조된 2개의 30Hz 신호간의 위상차이에 근거를 둔다. 기준위상신호는 30Hz 정현파 신호로 진폭변조된 반송파에 의하여 얻어진다. 이 진폭변조된 신호는 중앙의 반송파 안테나에서 수평면으로 전 방향에 복사된다. 복사패턴은 원형이며 방위각의 독자적인 위상으로 30Hz 신호를 항공기수신기에 만들어 준다.가변위상신호는 9960Hz의 주파수 변조된 부반송파로 반송파를 진폭변조하여 얻어지며, 이 반송파의 진폭변조는 전방향으로 복사되는 반송파와 측대파 안테나의 링(RING)으로부터 독특하게 분리 복사되는 상측파대 및 하측파대 신호의 공간 합성에 의하여 얻어지기 때문에 공간변조라 부른다.
상측파대 및 하측파대 신호는 반송파에 올바른 위상으로 추가될 때 각각 반송파 상.하로 평균 9960Hz 씩 벗어나며 9960Hz로 진폭변조된 합성신호를 만든다. 부반송파는 30Hz비율로 주파수변조된다. 측파대신호는 매 초당 30회전으로 측파대 안테나 링의 원주에 대하여 반시계방향으로 회전하며 2개의 마주보는 정반대의 안테나에 관해서 한 개 안테나는 상측파대 신호를 복사하고 다른하나는 하측파대 신호를 복사하도록 48개의 측대파 안테나에 순서적으로 공급되어 복사한다.
회전하는 측대파 근원과 수신지점 사이의 전파통로 유효길이가 30Hz 비율로 변하기 때문에 측대파 신호의 관측되는 주파수도 30Hz비율로 변하므로 부반송파는 30Hz로 주파수 변조된다. 주파수 편이량은 운용주파수의 파장으로 표현된 측파대 안테나 링에 비례한다.
직경을 13.4m로 놓으면 113.6MHz의 주파수에서 478.39Hz의 첨두 주파수 편이를 만들고 108MHz 에서는 454Hz, 118MHz 에서는 497Hz를 만든다. 그러므로 상응하는 편이 비율은 108MHz에서 15.13으로부터 118MHz에서 16.57까지 변한다.
항공기의 수신기에서 30Hz 신호는 9960Hz FM부반송파로부터 추출된다. 이 두 번째 30Hz 신호의 위상은 수신지점 방위의 변경에 따라 직선적으로 변하는데 매 각도마다의 방위변경에 따라 30Hz 가변위상신호의 위상이 1°씩 변경된다. 측파대 안테나의 순서적인 가동과 반송파의 30Hz 진폭변조는 DVOR 표지국으로부터 자계 0에서 기준 및 가변위상 30Hz신호가 동일위상이 되는 방법으로 시간이 관련되어 있다. 수신지점이 표지국 주위를 시계방향으로 이동함으로서 가변위상신호(30Hz FM)가 기준위상신호(30Hz AM)를 앞서기 시작한다. 예를들면, DVOR의 서쪽 관측자는 30Hz FM신호가 30Hz AM신호를 270°만큼 앞선다. 항공기의 수신기는 2개의 30Hz 신호사이의 위상차이를 결정함으로서 표지국에 대한 방위각도를 30Hz AM신호가 30Hz FM신호보다 지연되는 만큼의 각도로서 결정한다.
CVOR
VOR은 국에서 전방향 동일위상을 갖는 주파수 변조(FM)된 30Hz의 기준위상신호(Reference phase signal)와 방위가 시계방향으로 변화되면서 위상이 1 주기씩 늦어지는 또 다른 30Hz의 가변위상신호(Variable phase signal)를 송신함으로서 항공기는 이 두 signal의 위상차를 측정하여 자북으로부터의 방위를 나타나게 한 원리이다.
VOR국에서 송신된 전파를 기상의 VOR 수신기가 수신하여 검파하게 되는데 goniometer에 의해 9,960Hz의 부반송파와 30Hz의 가변위상신호를 얻게 되고, 부반송파를 다시 주파수변별하여 30Hz의 기준신호를 얻음으로서 이 두 신호의 위상차를 구할 수 있게 되고 VOR국에 대한 자방위를 계기에 나타나게 할 수 있는 것이다.
VOR의 작동원리를 더 쉽게 이해하기 위하여 한 곳에서 나오는 두 개의 light signal(광신호)을 예로 든다. 즉, 한 광신호는 전방향으로 flashing light(나전구)를 비추고 또 다른 광신호는 일정한 율로 선회하면서 rotating light를 좁은 beam으로 발사한다고 하면, flashing light를 좁은 beam이 자북지방을 통과할 때만 반짝 켜지게 하고 rotating beam을 회전시키면 두 광신호는 위상을 만들게 한다.
rotating beam을 1분에 1회전시킨다면 flashing light를 본 이후 rotating beam을 볼 때까지의 시간간격에 의해 360도 방위각중에서 어느 위치라도 그 방위를 알 수 있게 되는 것이다. 예를들어 자북의 flashing 이후 20초만에 beam을 보았다면 20 / 60 : 360도의 1/3이므로 기준위상(자북)으로 부터 120도 위치에 있게 되는 것이다.
VOR송신기는 위의 light signal과 동일한 위상비교의 원리를 이용한 것으로 rotation radio signal을 1,800RPM으로 회전시킨다. 즉 두 개의 Navigational Signal을 발사하는데 하나는 flashing light에 해당하는 radio signal(reference signal)이고 또 하나는 rotating beam에 해당하는 radio signal(variable signal)이다.
이 두 개의 signal은 자북방위(base line)에서만 위상이 같고 다른 전방향에서는 위상이 달라져서 항공기의 VOR수신기는 이 위상차를 자동적으로 산출하여 방위(Radial)로 계기에 나타나게 만든 것이다. ICAO규정은 지상국에서 음성송신과 국신호를 같은 주파수로 자동적인 발사가 되도록 요구하고 있다.
VOR의 설치장소 (공항)
RUNWAY CENTER LINE에서 500ft 이상, TAXIWAY CENTER LINE에서 250ft이상 이격되어야 한다
VOR 주변환경
일반사항 : FRESNEL ZONES 이 작아야 하며 안테나기점 1000ft 이내는 평판해야 한다.
나무와 숲 : VOR 안테나에 근접한 나무는 심각한 SCALLOPING의 원인이 될 수 있다 30ft까지의 적절한 높이의 단일 나무는 500ft 밖에서는 허용되며 2。이상의 수직 ANGLE 혹은 1000ft 반경안의 나무 GROUP은 안 된다
WIRE FENCE : 4ft 높이 FARM-TYPE WIRE FENCE는 200ft 내에서는 허용되지 않는다. 체인 TYPE의 FENCE(높이에서 6ft 혹은 그이상) 는 안테나 500ft 허용되지 않는다. 이 거리를 벗어나 안테나로부터 측정된 수평면 위 0.5。보다 높게 WIRE FENCE는 확장하지 않아야 한다. POWER 및 CONTROL LINE : 안테나로부터 최소 600ft 거리에서 지하에 설치되어야 한다. 600ft를 넘어서 지상에 설치될수 있지만 최소 1200ft 까지 안테나에 방사선으로 되어야 한다
구조물 : 안테나로부터 1000ft 내에 어떤구조물도 허용되지 않는다
기 술 기 준
일반사항
VOR은 항공기내 계기 지시기가 VOR위치에서 측정된 자북으로부터 시계 방향의 각도 편이에(베아링) 해당되는 것을 나타내도록 구성되고 조정되어야 한다.
VOR은 두가지 별도의 30HZ 변조와 조합된 한 개 무선 주파수 반송파를 복사해야 한다. 이들 변조 중 하나는 이의 위상이 관측하는 지점의 방위에 무관하도록 되어있다 .(기준위상) 다른 하나의 변조 (가변위상)는 관측지점에서의 위상이 VOR에 대한 관측지점의 방위와 동등한 각도만큼 기준 위상과 차이가 나도록 한다.
기준위상 및 가변위상 변조는 VOR국을 경유하는 기준 자오선상에서는 동위상이 되어야 한다.
주) 무선 주파수 반송파와 가변위상 변조에 의한 측대파 에너지를 합한 최대값이 기준위상 변조의 최대 순간 주파수와 동시에 발생되는 때에 기준위상과 가변위상 변조는 동위상이 된다 .
무선주파수
주파수 범위 : 108MHZ ∼ 118.0MHZ
주파수 허용편차 : ±0.002% ( 50KHZ 채널간격)
0.005% ( 100KHZ 또는 200KHZ 채널간격)
편파 및 패턴의 정확도
전파복사는 수평편파( 수직편파 성분은 가능한 한 적어야 한다)
BEARING INFORMATION의 정확도는 수평편파 복사가 0。 ∼ 40 。간 의 모든 수직각도에 대한 약 4파장의 거리에서 VOR 안테나 장치의 중심부에서 측정했을 때, ±2。 이내가 되어야 한다.
통달범위
대표적인 항공기시설에 운용상 이유로 요구되는 고도 및 거리까지 그리고 40。의 수직 각도까지 만족스럽게 작용될 수 있도록 신호를 제공해야 한다 .
대표적인 항공기 설비가 최소 운항고도에서 규정된 최대 운항 반경에서 만족스럽게 작동하게 하는데 필요한 VOR 신호의 전계강도 혹은 공간출력 밀도는 M당 90마이크로볼트 혹은 -107dBW/㎡이 되어야 한다.
항행신호의 변조
공간의 어떤 지점에서 관찰하더라도 무선 주파수 반송파는 다음의 두가지 신호가 진폭 변조되어야 한다.
30HZ 에 의해 주파수변조 (FM)되고 ,16±1 (예 15-17)의 편차비율을 가진 그리고 일정진폭을 가진 9960HZ의 부반송파(SUBCARRIER).
1) 재래식 VOR (CONVENTIONAL VOR) 에서는 이 부반송파의 30HZ 성분은 방위에 관계없이 고정되어 있으며 기준위상이라고 부른다.
2) 도플러 VOR 에서는 30HZ 성분의 위상은 방위에 따라 변하며 가변위상이라고 부른다 .
30 HZ 진폭변조(AM) 성분:
1) CVOR 에서 이 성분은 회전 전계에 의하여 발생하는데 이때 위상은 방위에 따라 변하며 가변위상이라 부른다 .
2) 도플러 VOR 에서는 방위에 관계없이 일정한 위상이며 일정한 진폭인 이성분은 전방향으로 송신되며 기준위상이라 부른다. 부 반송파 9960HZ에 의한 무선주파수 반송파의 변조도는 28%내지 32%범위 이내가 되어야 한다. 수직 각도 5。 까지의 어떠한 각도에서 관찰하더라도 30HZ 혹은 9960HZ 신호에 의한 무선주파수 반송파의 변조도는 28%∼32% 의범위내에 있어야 한다. 가변위상 및 기준위상의 변조 주파수는 30HZ ±1% 이내가 되어야 한다. 부 반송파변조 의 중간주파수는 9960HZ±1% 이내가 되어야 한다 . 재래식 VOR 에서는 9960HZ 부 반송파의 진폭변조 정도는 5%를 초과하지 않아야 한다. DVOR 에서는 9960HZ 부 반송파의 진폭변조 정도는VOR에서 최소한 300M(1000FT)떨어진 지점에서 측정하였을 때 40%를 초과하지 않아야 한다 .
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