多普勒效應在全向信標導航中的應用

中國民用航空新疆空中交通管理局 李 璨

1 前言

正常飛行狀態下，飛機通過機載導航系統進行自身飛行姿態以及方位的確定。通常飛機配備機載雷達、衛星等多種方式的定位系統，當前民航飛行領域中采用地面導航臺機制實現對飛行器的定位。定位過程中通過對無線電波的收發，實現飛行器相對于導航臺地理坐標的制定，為飛行器提供飛行方位指導，為飛行器距離提供導航支持。多普勒全向信標的工作原理是DVOR設備向飛機發射兩個30Hz信號，其中一個30Hz是基準相位信號，另一個是可變30Hz信號，飛機的機載接收機通過比較兩個30Hz的相位得到飛機相對于DVOR臺的方位角，配合測距儀的距離信息，從而為飛機導航。

2 多普勒效應

2.1 多普勒定義

電磁波是由發射設備發送至接收方的一種電磁信號，通常條件下發射設備較接收方而言其地理位置是固定的，接收方接收信號的頻率與發射頻率基本相等。假如收發雙方在位置上存在相對運動的情況下，信號接收機獲取的信號頻域相對于發射頻率間存在一定的差別，兩者之間的頻率差值情況需要在具體相對運動的基礎上實現計算。這種因為發射方頻率或者收發方向對媒介產生了相對運動，致使接收方接收頻率存在一定的變化的現象定義為多普勒效應。

2.2 發射與接收頻率對比

在對接發兩個系統具有相對運動情況下產生的信號頻率差別分析過程中，定義接收機獲得的頻率產生了改變，其中發射機傳輸信號的頻率為F，收發雙方產生的相對運動的速度情況用V表示，則接收機d接收的信號頻率為Fr，可以通過下式進行計算：

由上式可以看出，在發射方發射信號不產生變化的條件下，由于發送和接收方產生了一定的相對運動，則兩者之間的信號頻率將會數值上產生一定的不同，將頻率之間的差值定義為增量值，即發生了多普勒頻移現象。通過上式可以知道，如果相對運動使得雙方距離減小，則可以使用（+）對產生的增量值進行描述，即最終接收的信號頻率相對于發射頻率有一定升高；相反如果兩者相對運動中相背離，則可以使用（-）對產生的增量情況進行描述，也就是接收頻率小于發射頻率的情況。

2.3 旋轉信號分析

在分析過程中，如果定義接收和發送雙方天線間距高于發射天線旋轉半徑，便可以確定環繞圓心發射的信號在被接收機捕獲之前，不會因為兩者的距離差異產生幅值的變化。假定接收設備位于北方向，發射天線在12點位置進行信號發射，并圍繞圓心做逆時針旋轉運動，運動速率為ρ周/秒。相對接收機，在天線處于12點位置上，相對運動僅存在水平分量，在縱向位置上不存在運動分量，即此過程中Vd值為零，產生的多普勒頻移Fd值為零，假如在1點鐘時刻下，雙方運動處于同一方向上，在此條件下相對運動速度值最大，與發射方運動值等同，即在此條件下測量的增量值為最大。天線繼續旋轉運動，在6點鐘時刻，兩者天線間距最大，相對運動速度也最大，此過程中產生的多普勒頻移值為最大負值情況。

3 全向信標導航

整個系統由發射和接收兩個部分共同組成，其中機載接收部分能夠對發射的電磁信號獲取，并做到迅速處理，隨后顯示導航信息，飛行員便可以通過數據信號實現對地面站位置的確定。發射機發送的信號分為以下兩種形式，分別為基準和可變信號。其中基準信號則是在同一時刻，位于飛機上的信標所接受的信號相位等同；而變量信號則在同一時刻，機載信標接收的信號存在一定的差異。飛機便可以根據基準和可變信號間存在的差異，實現飛行方向的確定。

3.1 地面臺信號

旨在接收機能夠獲取兩個獨立的調制信號（30HZ），則需要發射機分別進行兩類信號的處理和發送。一般條件下，將載波信號的頻率值用F0描述，而對應邊帶載波頻為F0+9960Hz、F0-9960Hz，其中前者定義為上邊帶頻率，后者為下邊帶頻率。借助合理化的控制方法來控制載波信號在上下兩端中處于穩定狀態，在空域媒介中能夠實現信號調幅合并。機載接收機獲取信號后進行處理，即對接收信號進行載波信號位置的調幅處理，發射設備使用天線進行發射，接收方便可從載波信號中實現解調。標準信號頻率是借助多普勒頻移實現信號調制，上邊帶產生的信號頻域為Fd情況下，對應的接收方截獲的頻率在數值上等于F0+9960Hz與多普勒頻移間的算數和，于此相對于接受街接收的下邊帶信號頻率為F0-9960Hz與多普勒頻移間的差值，經過濾波電路檢測后，便可以進行解調獲得可變30HZ信號。

3.2 接收機處理

天線設備接收到發射方傳輸的信號之后，隨后將對信號進行檢波處理，一路處理系統能夠實現對接收信號的帶通濾波處理，獲得調頻信息，之后信號經過限幅電路分析，便可以獲取可變信號。而另一路則同樣獲得另一30HZ信號，通過對獲得的信號進行對比分析，便可以確定飛機相對于地面基站的磁方位，在電磁指示器的幫助下實現方位角的確定。

4 結束語

總體而言，多普勒現象的應用范圍十分廣闊，如在雷達、汽車測速等領域中。同時多普勒效應在氣象雷達領域也有著十分重要的作用，全向信標導航系統中應用的多普勒效應僅是冰山一角，隨著現如今通信技術的蓬勃發展，多普勒效應的應用廣度和應用深度勢必得到進一步擴展，在導航和定位服務過程中提供更多的幫助。

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