多普勒效應在全向信標導航中的應用分析

熊立飛

【摘要】 民航飛機的安全飛行離不開導航信號的支持，當前我國廣泛應用的導航信號主要通過多普勒效應所產(chǎn)生，本文對多普勒效應的有關(guān)原理進行了詳細的立柱與分析。

【關(guān)鍵詞】 應用分析 全向信號標 多普勒效應

處于航行狀態(tài)下的飛機要在導航信號的支持下對自身的方位進行判定。當前飛機定位方法主要包含衛(wèi)星定位、機載定位以及轉(zhuǎn)達定位等，我國則主要采用地面導航臺技術(shù)對飛機進行定位。地面導航臺能夠接收并發(fā)射無線電波，對導航臺與飛機之間的距離與方位進行測量，為飛機提供導航支持。

一、全向信標導航概述

全向信標導航系統(tǒng)主要由機載接收機與地面發(fā)射機構(gòu)成。機械接收機能夠?qū)λ_發(fā)射信號進行接收與處理，將處理后的數(shù)據(jù)信息顯示出來，飛行員則能夠通過數(shù)據(jù)信號推斷出地面臺的磁方位。全向信標地面臺所釋放出的信號包含基準信號與可變信號兩種信號，其中基準信號是同一時間點上，信標臺上所有的飛機均能夠接收到相同的相位信號；可變信號則是在同一時間點上，服用范圍內(nèi)的飛機所接收到的信號相伴各不相同。飛機能夠?qū)鶞市盘柵c可變信號之間的差異進行判定，以磁北方位為基礎(chǔ)，判斷當飛機的飛行方向。

二、多普勒效應

1、電磁波頻率。電磁波是一種十分復雜的物理現(xiàn)象，電磁波頻率是人類應用最為廣泛的電磁波規(guī)律之一，主要應用于遙控與通信等領(lǐng)域。

2、多普勒效應定義。通常情況下，相對于飛機來說，電磁波的位置是固定不變的，波源頻率與飛機收訊信號有著相同的頻率。在接收者與波源之間相對運動的狀態(tài)下，波源信號則會與飛機所接受的信號體現(xiàn)出一定程度的差異。利用頻率差數(shù)據(jù)能夠?qū)︼w機當前的飛行速度進行精確的計算。通過觀察者或波源的相對媒質(zhì)運動情況，觀察者能夠?qū)﹄姶挪l率的變化情況進行分析，這種分析方法被稱之為多普勒效應。

3、接收機與發(fā)射機相對運動狀態(tài)下頻率變化分析。發(fā)射機所釋放的電磁波信號頻率是固定不變的，飛機在飛行的狀態(tài)下，所接收到的電磁波信號則會在頻率上則會不同于電磁波在發(fā)射時的頻率，多普勒頻移由此產(chǎn)生。處于運動狀態(tài)下的飛機所接收的電磁波信號多普勒頻移信號為正值。

4、天線繞圓周旋轉(zhuǎn)時的接收信號情況分析。假設飛機處于發(fā)射塔正北方位的位置，發(fā)射機所釋放的電磁波頻率則會與接收機信號頻率之間出現(xiàn)差異，隨著時間的變化，二者之間的差異處于不斷變化的過程中。飛航設備能夠從二者之間的差異中得到一定的規(guī)律，天線旋轉(zhuǎn)速率能夠影響到頻率的降低與升高。假設天線的旋轉(zhuǎn)速率為每秒30周，飛機所能夠接收到的電磁波信號30Hz。多普革全向標通過該原理所接收的可變信號即為30Hz。上下邊帶信號和載波信號在空中形成調(diào)幅信號，在接收機里解調(diào)后，經(jīng)過濾波電路檢波，得到9 960Hz+Fd的調(diào)頻的副載波，鑒頻后得到可變30Hz信號。

三、全向信標機的可變信號

下劃線在旋轉(zhuǎn)運動的過程中，不同方位的飛機所能夠接收到的多普勒頻移也有著不同的相位，飛機方位信息與相位之間有著十分密切的關(guān)系。飛機所得到的多普勒頻移信號中就包含飛機所需要的方位信息。

以某一特定角度的相伴為基準，就可以將可變信號與基準信號之間的差異對比出來，得到基準信號與可變信號之間的相伴差，判定相對于地面臺的飛機的磁方位。

四、全向信標導航的實現(xiàn)

4.1全向信標地面臺的信號

不同調(diào)制信號之間是相互獨立的，全向信標發(fā)射機能夠同時釋放邊帶波信號與載波信號。若調(diào)制信號為30Hz，將載波頻率記為F0，上、下邊帶頻率則可分別記為Fo+9960Hz與Fo-9960Hz。通過各種手段使相伴與幅度、上下連帶波信號與載波信號之間保持一致。在信號發(fā)射的同時形成調(diào)幅信號?；鶞市盘杽t可以以載波信號為載體直接對進行調(diào)幅，飛機從路由天線接收基準信號，在接收信號的同時對基準信號進行解調(diào)?？勺冃盘杽t是天線在旋轉(zhuǎn)過程中所釋放出來的上下邊帶信號并結(jié)合多普勒頻移而得到的信號。載波信號與上下邊帶信號相結(jié)合產(chǎn)生調(diào)幅信號，經(jīng)過解調(diào)后的信號，電路檢波的處理后形成調(diào)頻副載波，最后形成可以用于確定方位的可變信號。同步控制全向信標發(fā)射機能夠使北方們基準信號與可變信號保持一致，使處于不同方位的飛機均能夠接收到相同的方位角指標。

4.2全向信標機載接收機的接收處理

全向信標機載接收機運行流程為：

源信號→接收機→振幅檢波→9960Hz濾波器→限幅器→鑒頻器→相位比較→電磁指示器

機械接收天線在獲取信號數(shù)據(jù)后，經(jīng)過電路檢波與振幅檢波，得到調(diào)頻信號。再經(jīng)過鑒頻電路與限幅電路生成FM信號，生成一個針對多普勒全向信標的可變信號。另一路在濾波器的作用下生成AM信號，即針對針對多普勒全向信標的基準信號。對比分析基準信號與可變信號的相伴差異，能夠得出相對于地面臺站來說的磁方位，飛行員能夠?qū)Ψ轿唤菙?shù)據(jù)進行直接讀取。

結(jié)束語：多普勒效應廣泛應用于民用與軍事領(lǐng)域中，應用形式包含人造衛(wèi)星跟蹤、汽車速度測量及雷達系統(tǒng)中，隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的不斷發(fā)展，相信多普勒效應理念的應用范圍將會得到進一步的拓展，為用戶提供更加準確的定位服務。