淺析多普勒效應(yīng)在全向信標(biāo)導(dǎo)航中的應(yīng)用

摘 要：民航飛機飛行時，需對地面臺所發(fā)出的導(dǎo)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(biāo)導(dǎo)航是目前廣泛應(yīng)用的導(dǎo)航信號裝置，其導(dǎo)航信號里的可變信號由多普勒的效應(yīng)而生成，經(jīng)過分析多普勒效應(yīng)相關(guān)的原理，并對全向信標(biāo)工作的過程加以綜合，就能系統(tǒng)化認(rèn)知全向信標(biāo)導(dǎo)航的信號。本文對全向信標(biāo)導(dǎo)航工作原理與多普勒效應(yīng)以及多普勒的效應(yīng)于全向信標(biāo)導(dǎo)航中的運用進行簡單分析，望對相關(guān)人員有所幫助。

關(guān)鍵詞：多普勒效應(yīng)；全向信標(biāo)；導(dǎo)航

中圖分類號：J915 文獻標(biāo)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(dāng)中，務(wù)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(dǎo)航臺定位的方法。使用地面的導(dǎo)航臺對無線電波進行接收與射出，來對飛機于導(dǎo)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(dǎo)航。多普勒的全向信標(biāo)導(dǎo)航是方位角的導(dǎo)航方式。全向信標(biāo)導(dǎo)航是經(jīng)地面的臺站將無線電的信號輻射于空中，當(dāng)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(yīng)的磁北方位角。因為已知了地面導(dǎo)航臺站經(jīng)緯度，所以飛機能夠按照此來對當(dāng)時所處的位置加以明確。

2 全向信標(biāo)導(dǎo)航的工作原理與多普勒效應(yīng)簡介

2.1 全向信標(biāo)導(dǎo)航的工作原理

全向信標(biāo)的導(dǎo)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(guān)全向信標(biāo)的地面臺所發(fā)射的信號帶著方位訊息，是調(diào)制過的兩個單獨30Hz的信號。此30Hz的信號，其中的一個為基準(zhǔn)信號，為無方向性，亦是同一時間，在信標(biāo)臺各個方位之上的飛機所接收到基準(zhǔn)信號均一樣的相位。另一個為可變的信號，相同時間，在信標(biāo)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(zhǔn)信號和可變信號間存在的不同，把磁北方位當(dāng)作根基，來對飛機的運行方位加以判定。

2.2 多普勒效應(yīng)簡介

2.2.1 多普勒效應(yīng)的定義

電磁波屬于較為復(fù)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(yīng)。

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(yīng)接收機所接收到的頻率改成：假設(shè)發(fā)射機將F信號發(fā)出，接收和發(fā)射設(shè)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(chǔ)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(shè)備往著接收設(shè)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(zhuǎn)信號的分析

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

假設(shè)接收的設(shè)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(zhuǎn)動，其速率是ρ周/s。相比于接收的設(shè)備來講，當(dāng)天線處在1點的方位時，相應(yīng)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(yīng)多普勒的頻移Fd一樣也是0，當(dāng)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(shè)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(dāng)天線運動到3點狀方位時，多普勒的頻移則又會出現(xiàn)轉(zhuǎn)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(dāng)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(dāng)發(fā)射天線開始旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的速率關(guān)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(diào)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(zhuǎn)的速率ρ。

3 多普勒效應(yīng)于全向信標(biāo)導(dǎo)航當(dāng)中的應(yīng)用

3.1 全向信標(biāo)機可變信號

當(dāng)天線做的旋轉(zhuǎn)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(guān)。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(biāo)可變的信號。若基準(zhǔn)是用的任何一個于角度上的相位均一樣的信號來當(dāng)?shù)?，那么用此基?zhǔn)信號和可變的信號相對比，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(zhǔn)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(diào)制信號，需全向信標(biāo)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(yīng)關(guān)系，在空中將調(diào)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(diào)出來?；鶞?zhǔn)30Hz的信號直接在載波的信號之上調(diào)幅，經(jīng)中央天線將其發(fā)射出去，于接收機內(nèi)將基準(zhǔn)30Hz的信號解調(diào)出來?？勺兊?0Hz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(zhuǎn)而對上下邊帶的信號加以輻射，實現(xiàn)多普勒的頻移。若當(dāng)上邊帶的旋轉(zhuǎn)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(diào)幅信號形成，經(jīng)接收機解調(diào)及濾波電路檢波之后，獲得的調(diào)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(biāo)發(fā)射機的內(nèi)部，確保磁北方位可變的信號與基準(zhǔn)信號的相位始終一致。唯有嚴(yán)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(biāo)機載接收機的運作程序如圖4所示，當(dāng)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(diào)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(biāo)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(biāo)基準(zhǔn)的信號。對基準(zhǔn)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(jié)束語

多普勒效應(yīng)應(yīng)用的領(lǐng)域非常廣泛，比如應(yīng)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(yīng)于當(dāng)前氣象雷達的觀測當(dāng)中發(fā)揮的作用也非常重要。在全向信標(biāo)導(dǎo)航中應(yīng)用多普勒效應(yīng)只是當(dāng)中的很小一部分內(nèi)容，相信伴隨現(xiàn)代科技快速的發(fā)展，多普勒效應(yīng)應(yīng)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(wù)。

參考文獻

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

[2]熊立飛.多普勒效應(yīng)在全向信標(biāo)導(dǎo)航中的應(yīng)用分析[J].中國新通信，2017（09）：98.

[3]溫崇彬.多普勒效應(yīng)在全向信標(biāo)導(dǎo)航中的應(yīng)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(dǎo)航設(shè)備維修工作。