探究影響多普勒全向信標測向精度的因素

毛一凡

（南通興東機場有限公司，江蘇南通）

近年來，我國經濟得到了迅速的發展，同時也帶動了我國民航事業的進一步發展，從而使機場的客流量也出現了前所未有的景象，因此，為了適應這一發展，我國政府加大了對航線、航路的拓寬，也增加了航班量，同時也使人們的運行安全無法得到保障。從民航的視角出發，飛機能否接收到正確的信號關乎著飛機的飛行安全同時也跟乘客的生命安全緊密相連，由此看來，精準度較高的導航信號測距以及測向對于飛機的安全飛行有著重要的作用。當今社會對于民航最根本的運行保障方式是無線電導航，它的主要目的是將精準的信號傳遞給飛機，使飛機能夠在航路上按照既定的方向進行安全的飛行，而且還要利用機載電子設備來處理所接收到的信息，以保障飛機能夠能夠按照準備的位置、速度前進。多普勒全向標在飛機的飛行以及著陸上廣泛應用，在飛機的飛行過程中采用的是視距傳播方式，所以，在所有的頻段中此方式受到的干擾程度與其他頻段的測向系統相比較而言要低很多。在所有的頻段中，較細窄的脈沖以及比較尖銳的天線方向性圖也隨之產生，所以對接收器設備的精準度有著較高的要求。采用視距傳播方式的這種導航系統雖然有很多的優點，但它也有較明顯的缺點，比如說地表面下面的信號不能進行接收與提供，而且運用的導向還主要在近程上。文章對多普勒的全向信標進行了闡述，而且對于影響飛機測向的因素也進行了分析。

1 多普勒效應

1.1 多普勒的概念

電磁波若要發送到對方必須經過特定的媒介才可以到達。從一般情況來說，電磁波的發射點相對于信號接收方來說確定性比較強，信號接收方和電磁波源頭的信號頻率基本保持一致。如果電磁波源頭發射點與信號接收位置發生相對運動現象時，就會出現信號接收方獲得的信號頻率和電磁波源頭的信號頻率相差很大的現象，相對運動情況的不同，導致頻率差值也有所不同。這種現象被稱作多普勒效應。

1.2 發射與接收信號在傳播過程中相對運動頻率波動的比較

下面研究一下信號發射源與接收機在媒介的傳播中出現相對運動的情況下，接收機所接收到的信號頻率出現偏差到底是誰造成的。比如說，以信號源發射的信號頻率看作是Ft，信號的發射源與接收機它們之間的相對運動速度用Vd來代替，接收機接收到的信號頻率用Fr來代替，那么可以得出公式為Fr=(Vr+Vd)/l=Vp/l+Vd/l，

其中，Vρ是電波在空間中的傳播速度為3*100000000m/s，λ為電波的波長。

因為：Ft=Vr/l，所以：

最終可以看出多普勒頻率的偏差值就是Fd=Vd/l。

所以，當發射機與發射頻率信號不變的環境中，發射機與接收機天線之間也存在著相對運動的現象，這種相對運動現象的出現使得數值發生了偏差，于是就有了多普勒頻移的現象的出現。

通過以上公式可以明顯的看出，當發射機向著接收機運動，接收頻率大于發射頻率時，多普勒的頻率移動則為正；當發射機背著接收機運動，接收頻率就會小于發射頻率，這時的多普勒的頻率移動則為負。

多普勒效應的應用范圍比較廣，比如：用雷達來監測飛機的飛行方位，機動汽車速度的測量還有對人造衛星的追蹤等等各種領域。目前氣象雷達的觀測也運用到了多普勒效應，當然，多普勒效應的發現不僅僅是為了應用到這些領域，隨著通信技術的不斷發展進步，在不久的將來，將會有更多的領域應用到多普勒效應，為人們的生產、生活提供更準備的定位。

2 全向信標導航

2.1 全向信標地面臺信號的實現

為了能夠獲得兩個獨立的30Hz調制信號，全向信標發射機不僅對載波信號發出了輻射，而且也對邊帶波信號進行了輻射。一般來說，載波頻率為F0，則相應的邊帶頻率分別為：上邊帶頻率為F0+9960Hz，下邊帶頻率為F0-9960Hz。要保障載波信號上端與下端的信號水平一致，而且幅度和位置上也要保持一致性，這就需要對其進行合理的操控。在空中合并進而產生調幅信號，利用接收設備進行接收處理。

2.2 全面信標接收機的處理

當接收機監測到來自地表面的信號之后，會通過振幅、電波對所接收到的信號加工處理，一路經9960Hz帶通濾波器進行濾波，就可以獲取帶30Hz調頻的9960Hz信號。另一路可以通過30Hz濾波器獲得另外一項30Hz的信號，這從多普勒全向信標的角度來看是最根本的信號來源，而相位比較器是對從不同路徑獲得的30Hz信號對它們進行相位的一種比較，它們之間的差值就是飛機偏離地面信號臺的方位數，宇航員可以通過儀盤上的電磁指示器準確的看出方位角。

3 多普勒全向信標工作的基本原理

多普勒全向信標是得到國際公認的短程的一種導航系統，它在相位測角系統中扮演著重要的角色。多普勒全向信標由普通全向信標發展而來的，是通過多普勒效應以及天線系統測量出來的方位角的一種信號。多普勒全向信標使用的是頻率段在108-117.975MHz之間，其頻道的間隔是0.05MHz。多普勒全向信標的輻射信號是在水平極化的方式下進行的。

全向信標導航系統是由地面的發射機與飛機身上的接收機所組成，當地面發射機發射出的信號由飛機上的接收機接受信號再進行加工得出飛機當前所在的具體的位置。

4 影響多普勒全向信標測向精度的內在因素

多普勒全向信標設備的質量對于測向的精準度也有一定程度的影響，而制作一臺多普勒全向信標的設備需要經歷一個很漫長的歷程，從原材料的采購，產品的生產到出廠，需要經過很多的工序才可以完成的，而且每一道工序中都可存在著一定程度的誤差，這就導致了多普勒全向信標設備的不準確性。多普勒全向信標設備導致的誤差應從下面幾個方面進行討論：

4.1 由于地面臺站與天線之間的距離間隔導致的誤差

地面臺站與天線之間的距離間隔最終產生的誤差，是由于多普勒全向信標的天線系統中出現的“8”字形，信號的這種局部交錯導致了信號的失真使方向性圖出現了穩定的現象，這種現象的出現引發了誤差的產生。

4.2 接收器出現的指示誤差

多普勒全向信標的接收設備產生的指示誤差是受全方位的選擇器與接收機的影響而導致的。

4.3 極化誤差

飛機接收到垂直方向的極化波引起了多普勒全向標極化誤差的出現，如果飛機在飛行過程中由于受到某種原因引起的姿勢發生了傾斜或多普勒全向信標天線發生了任何變化時均會引起極化誤差。如果多普勒全向信標臺與飛機之間產生的仰角度數越大，那么這就說明了極化誤差也越大。電磁波的極化方式與地面矢量長的方向之間有著緊密的關系。假設天線系統是一個常數，極化方式經常的變化，最后判斷的方向也是有變化的。由此可以看出，方向的產生也受到極化方式的影響，所以在設計設備時要對極化方式有著較高的要求，只有準確的極化方式才可以測出信號的真實的位置。如果采用的極化波不正確，那么對于測向也會產生的錯誤的結果，從而出現了測向的誤差。

5 影響多普勒全向信標測向精度的外來因素

在運用多普勒全向信標測向的過程中，是通過電磁波所傳播的方向來得知發射信號以及接收信號方向的。但電磁波在測向的過程中，容易受到外界因素的干擾從而導致了這種波陣面的失真，所以這就很難獲得發射信息的準確位置，這種由于受到外界環境而產生的傳播方向的誤差被稱作傳播誤差，它也是形成誤差的最主要的原因。多普勒全向信標在具體的工作原理中主要是一種視距的傳播方式，所以，傳播路徑是導致誤差產生的主要根源。

5.1 設備所在場地導致誤差的出現

當無線電測角設備周邊的物體是樹林、天線塔、丘陵等都會對測向產生一定程度的影響。這些物體由于會受到入射波的影響以至產生二次輻射場，當原有的基本場與此次產生的二次輻射場重合在一起的時候，使原有的基本場波振面發生歪曲，從而使航道上的飛機無法獲取精準的位置。附近的這些物體距離測角設備越近，它產生的二次輻射場也就越大，從而使測得的方向發生了偏差。

5.2 海岸效應與山區效應產生的誤差

早期人們在利用無線電波測量方向的時候就已經發現，當電波從海洋經過海岸線再傳到陸地時，電波的方向會發生幾次偏轉，最終導致測量方向的失真，這就是人們所說的海岸效應。產生的這種誤差是由于電波傳播途徑發生了變化而產生的，而根本上是由于場地相位結構失真導致的。

5.3 頂錐模糊產生的誤差

從一般情況看來，定向器設備在進行設計時要嚴格按照接收水平面方向的入射波的要求來研發設計，而不可以用此來測量頭頂上發射機發來的信號位置。這對于航空的導航系統來說，是必要高高度重視起來的。隨著飛機飛行過程中仰角的不斷增大，都一定的極限程度時，方位測量的偏差也就顯而易見了，而且這一誤差在飛機飛行過程中不斷的發生著變化。

6 結束語

由此可見，當無線電導航測向體系在發射與接收信號時極易受到外界環境的干擾，因此，誤差的出現也是正常存在的，所以，從民航的角度來說必須采取具體的措施來使誤差達到最小化。首先，在測向設備的選擇上要注意設備的性價比，選擇質量較高的設備。其次、在建設多普勒全向信標測向臺的時候要選擇合適的地點，并且要在重要的航路上進行多重覆蓋。最后，日常維護也特別的重要。