摘 要：民航飛機飛行時，需對地面臺所發(fā)出的導航信號逐步接收，進而判斷出自身所在的區(qū)域位置。多普勒全向信標導航是目前廣泛應用的導航信號裝置，其導航信號里的可變信號由多普勒的效應而生成，經(jīng)過分析多普勒效應相關的原理，并對全向信標工作的過程加以綜合，就能系統(tǒng)化認知全向信標導航的信號。本文對全向信標導航工作原理與多普勒效應以及多普勒的效應于全向信標導航中的運用進行簡單分析，望對相關人員有所幫助。

關鍵詞：多普勒效應；全向信標；導航

中圖分類號：J915 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）21-0319-02

1 前 言

在飛機飛行的過程當中，務必要時刻明確自身所處的位置，對飛機飛行位置加以明確的方式包括許多，比如機載定位與衛(wèi)星定位的系統(tǒng)以及航管雷達的定位等，現(xiàn)階段，運用的比較多的方法就是地面導航臺定位的方法。使用地面的導航臺對無線電波進行接收與射出，來對飛機于導航臺的間距、方位的信息加以檢測，為飛機提供一個間距指引或者水平方位角的指引，是距離與方位角的導航。多普勒的全向信標導航是方位角的導航方式。全向信標導航是經(jīng)地面的臺站將無線電的信號輻射于空中，當飛機將信號接收到之后，通過分析與處理，獲得與地面臺對應的磁北方位角。因為已知了地面導航臺站經(jīng)緯度，所以飛機能夠按照此來對當時所處的位置加以明確。

2 全向信標導航的工作原理與多普勒效應簡介

2.1 全向信標導航的工作原理

全向信標的導航系統(tǒng)是包括機載的接收機與地面的發(fā)射機所組合而成。機載的接收機是對地面臺所射出的方位訊息信號加以容納和整理，在整理后經(jīng)儀表將其顯示出來，供給飛行者地面臺與飛機的磁方位。相關全向信標的地面臺所發(fā)射的信號帶著方位訊息，是調制過的兩個單獨30Hz的信號。此30Hz的信號，其中的一個為基準信號，為無方向性，亦是同一時間，在信標臺各個方位之上的飛機所接收到基準信號均一樣的相位。另一個為可變的信號，相同時間，在信標臺各方位之上的飛機所接納到可變的信號均不一樣的相位。此兩信號于磁北方位是一樣的相位，若于任意的方位，其相位的差正是此方位與磁北方位存在的角度。飛機能判斷基準信號和可變信號間存在的不同，把磁北方位當作根基，來對飛機的運行方位加以判定。

2.2 多普勒效應簡介

2.2.1 多普勒效應的定義

電磁波屬于較為復雜的一種物理性現(xiàn)象，經(jīng)過特定的媒介發(fā)送到接收方。通常情況下，電磁波源頭的發(fā)射點與信號的獲取方比較屬于確定的，接收方所獲得的信號頻率與電磁波的源頭頻率基本相同。若電磁波的源頭與接收的位置一起出現(xiàn)相對運動的現(xiàn)象，則接收測量方取得的頻率將和電磁波源頭的真實頻率有所不同。經(jīng)相對運動的情況來對其頻率的差值加以確定與判斷。由于電磁波的源頭頻率或者是觀察方與媒介相對而出現(xiàn)的運動，使觀察方的察覺波頻發(fā)生改變被稱作多普勒的效應。

2.2.2 接收和發(fā)射頻率的對比

對接收機和發(fā)射機相對的運動情況加以分析，相應接收機所接收到的頻率改成：假設發(fā)射機將F信號發(fā)出，接收和發(fā)射設備相互間有著相對運動的現(xiàn)象，用V來表示速度，那么接收機d取得信號頻率Fr的為：Fr=（Vρ+Vd）/λ=Vρ/λ+Vd/λ，由此證明，發(fā)射機的發(fā)射頻率信號在保持不變且接收機與發(fā)射機的天線間有著相對運動情況時，則接收機所獲得的信號頻率已不屬于發(fā)射的頻率，變?yōu)橛诎l(fā)射頻率的基礎上出現(xiàn)的增量值，亦是出現(xiàn)多普勒頻移的現(xiàn)象。從上面的公式可看到，在發(fā)射設備往著接收設備處移動過程中，多普勒頻率的移動表示為（+），其接收的頻率大于發(fā)射的頻率；如果情況相反，則多普勒頻率的移動表示為（-），其接收的頻率小于發(fā)射的頻率。

2.2.3 旋轉信號的分析

如果預先設定好的接收設備與發(fā)射天線間的距離明顯比發(fā)射天線旋轉半徑大，則能確定在接收環(huán)繞圓心發(fā)出信號的內容前，不會因為和接收設備間的距離有偏差而改變幅值（如圖1所示）。

假設接收的設備在天線正北的地方，天線從1點方位發(fā)出，繞著圓心逆時針轉動，其速率是ρ周/s。相比于接收的設備來講，當天線處在1點的方位時，相應運動僅是水平方向分量的程度，并未存在縱向位置運動的變化，此時Vd的值即是0，相應多普勒的頻移Fd一樣也是0，當天線在運動至2點位置的時候，則發(fā)射天線的運動將會完全向著接收設備的方位變化，這時運動的速度和天線運動的速度基本一致將會到達最大值，這時多普勒頻移Fd會到達最大值。而當天線運動到3點狀方位時，多普勒的頻移則又會出現(xiàn)轉至1點方位的情況，F(xiàn)d和Vd都是0。伴隨天線繼續(xù)的運動，當其至4點方位時，接收機和發(fā)射天線間的距離被不斷拉大，其也會達至最高的速度，多普勒的頻移為最大的負值。

當發(fā)射天線開始旋轉的時候，處在正北方位的接收機所接收到的頻率信號已不是發(fā)射機的周期運動的頻繁程度，而成為一個伴隨時間而持續(xù)發(fā)生改變的頻率（如圖2）。此頻率改變存在一定的規(guī)律，天線旋轉的速率關系到頻率的上升和下降周期。由此信號，可經(jīng)接收機而解調出不同信號（如圖3），信號周期運動的頻繁程度亦是天線旋轉的速率ρ。

3 多普勒效應于全向信標導航當中的應用

3.1 全向信標機可變信號

當天線做的旋轉運動一樣時，飛機獲得的多普勒頻移的曲線相位因方位不同而不一樣，而且相位和其方位信息有關。此部分隱藏的多普勒頻移方位信息的曲線，亦是我們所需的全向信標可變的信號。若基準是用的任何一個于角度上的相位均一樣的信號來當?shù)模敲从么嘶鶞市盘柡涂勺兊男盘栂鄬Ρ?，則飛機與地面臺間的磁方位就是飛機所接收的可變信號和基準信號間的相位差。

3.2 地面臺信號

為了獲得兩個單獨30Hz的調制信號，需全向信標的發(fā)射機對載波的信號與邊帶波的信號分別輻射。一般載波的頻率是Fo，上邊帶與下邊帶的頻率分別是Fo+9960Hz和Fo-9960Hz。經(jīng)控制后，使得載波的信號與上下邊帶波的信號于相位、幅度與頻率上保持相應關系，在空中將調幅的信號組合，就可于機載接收機里將9960Hz副載波的信號解調出來。基準30Hz的信號直接在載波的信號之上調幅，經(jīng)中央天線將其發(fā)射出去，于接收機內將基準30Hz的信號解調出來。可變的30Hz信號是經(jīng)邊帶天線用30周每秒的速率繞著中央天線進行旋轉而對上下邊帶的信號加以輻射，實現(xiàn)多普勒的頻移。若當上邊帶的旋轉輻射使多普勒的頻移Fd形成時，接收機所接收到信號的頻率是（Fo+9960Hz）+Fd。因為下邊帶與上邊帶在對稱的方位上面輻射，多普勒所形成的頻移是-Fd，接收機所接收到信號的頻率是（Fo-9960Hz）-Fd。載波信號與上下邊帶信號于空中將調幅信號形成，經(jīng)接收機解調及濾波電路檢波之后，獲得的調頻副載波是9960Hz+Fd，鑒頻之后獲得可變的30Hz信號。同步管控全向信標發(fā)射機的內部，確保磁北方位可變的信號與基準信號的相位始終一致。唯有嚴格確保磁北方位的相位一致，才可確保飛機于各方位均能獲得精確的方位角指示。

3.3 接收機處理

全向信標機載接收機的運作程序如圖4所示，當機械接收的天線獲得信號數(shù)據(jù)之后，經(jīng)對振幅和電路的檢波，獲得調頻的信號。然后通過限幅電路和鑒頻電路形成FM的信號，對于多普勒形成一個全向信標可變的信號；另外一路于濾波器的作用下所形成AM的信號，就是多普勒全向信標基準的信號。對基準與可變信號的相位所存在的不同進行比較分析，可獲得相對地面臺站的磁方位，飛行員可以直接讀取到方位角的數(shù)據(jù)。

4 結束語

多普勒效應應用的領域非常廣泛，比如應用雷達老監(jiān)測飛機飛行的狀態(tài)、人造衛(wèi)星的追蹤、檢測汽車行駛的速度等。此外多普勒效應于當前氣象雷達的觀測當中發(fā)揮的作用也非常重要。在全向信標導航中應用多普勒效應只是當中的很小一部分內容，相信伴隨現(xiàn)代科技快速的發(fā)展，多普勒效應應用的范圍勢必會更為廣泛，提供給人們更為精確的定位類服務。

參考文獻

[1]李 霞.多普勒效應在甚高頻全向信標中的應用探究[J].內蒙古科技與經(jīng)濟，2015（11）：98～100.

[2]熊立飛.多普勒效應在全向信標導航中的應用分析[J].中國新通信，2017（09）：98.

[3]溫崇彬.多普勒效應在全向信標導航中的應用[J].信息記錄材料，2017（10）：182～183.

收稿日期：2018-6-20

作者簡介：趙曉燕（1973-），女，助理工程師，大專，主要從事導航設備維修工作。