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(tài)下，飛機通過機載導(dǎo)航系統(tǒng)進行自身飛行姿態(tài)以及方位的確定。通常飛機配備機載雷達、衛(wèi)星等多種方式的定位系統(tǒng)，當(dāng)前民航飛行領(lǐng)域中采用地面導(dǎo)航臺機制實現(xiàn)對飛行器的定位。定位過程中通過對無線電波的收發(fā)，實現(xiàn)飛行器相對于導(dǎo)航臺地理坐標(biāo)的制定，為飛行器提供飛行方位指導(dǎo)，為飛行器距離提供導(dǎo)航支持。多普勒全向信標(biāo)的工作原理是DVOR設(shè)備向飛機發(fā)射兩個30Hz信號，其中一個30Hz是基準(zhǔn)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(dǎo)航。

2 多普勒效應(yīng)

2.1 多普勒定義

電磁波是由發(fā)射設(shè)備發(fā)送至接收方的一種電磁信號，通常條件下發(fā)射設(shè)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(fā)射頻率基本相等。假如收發(fā)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(fā)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(chǔ)上實現(xiàn)計算。這種因為發(fā)射方頻率或者收發(fā)方向?qū)γ浇楫a(chǎn)生了相對運動，致使接收方接收頻率存在一定的變化的現(xiàn)象定義為多普勒效應(yīng)。

2.2 發(fā)射與接收頻率對比

在對接發(fā)兩個系統(tǒng)具有相對運動情況下產(chǎn)生的信號頻率差別分析過程中，定義接收機獲得的頻率產(chǎn)生了改變，其中發(fā)射機傳輸信號的頻率為F，收發(fā)雙方產(chǎn)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(fā)射方發(fā)射信號不產(chǎn)生變化的條件下，由于發(fā)送和接收方產(chǎn)生了一定的相對運動，則兩者之間的信號頻率將會數(shù)值上產(chǎn)生一定的不同，將頻率之間的差值定義為增量值，即發(fā)生了多普勒頻移現(xiàn)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(chǎn)生的增量值進行描述，即最終接收的信號頻率相對于發(fā)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(chǎn)生的增量情況進行描述，也就是接收頻率小于發(fā)射頻率的情況。

2.3 旋轉(zhuǎn)信號分析

在分析過程中，如果定義接收和發(fā)送雙方天線間距高于發(fā)射天線旋轉(zhuǎn)半徑，便可以確定環(huán)繞圓心發(fā)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(chǎn)生幅值的變化。假定接收設(shè)備位于北方向，發(fā)射天線在12點位置進行信號發(fā)射，并圍繞圓心做逆時針旋轉(zhuǎn)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(chǎn)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(fā)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(xù)旋轉(zhuǎn)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(chǎn)生的多普勒頻移值為最大負值情況。

3 全向信標(biāo)導(dǎo)航

整個系統(tǒng)由發(fā)射和接收兩個部分共同組成，其中機載接收部分能夠?qū)Πl(fā)射的電磁信號獲取，并做到迅速處理，隨后顯示導(dǎo)航信息，飛行員便可以通過數(shù)據(jù)信號實現(xiàn)對地面站位置的確定。發(fā)射機發(fā)送的信號分為以下兩種形式，分別為基準(zhǔn)和可變信號。其中基準(zhǔn)信號則是在同一時刻，位于飛機上的信標(biāo)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(biāo)接收的信號存在一定的差異。飛機便可以根據(jù)基準(zhǔn)和可變信號間存在的差異，實現(xiàn)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(diào)制信號（30HZ），則需要發(fā)射機分別進行兩類信號的處理和發(fā)送。一般條件下，將載波信號的頻率值用F0描述，而對應(yīng)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(wěn)定狀態(tài)，在空域媒介中能夠?qū)崿F(xiàn)信號調(diào)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(diào)幅處理，發(fā)射設(shè)備使用天線進行發(fā)射，接收方便可從載波信號中實現(xiàn)解調(diào)。標(biāo)準(zhǔn)信號頻率是借助多普勒頻移實現(xiàn)信號調(diào)制，上邊帶產(chǎn)生的信號頻域為Fd情況下，對應(yīng)的接收方截獲的頻率在數(shù)值上等于F0+9960Hz與多普勒頻移間的算數(shù)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(jīng)過濾波電路檢測后，便可以進行解調(diào)獲得可變30HZ信號。

3.2 接收機處理

天線設(shè)備接收到發(fā)射方傳輸?shù)男盘栔?，隨后將對信號進行檢波處理，一路處理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對接收信號的帶通濾波處理，獲得調(diào)頻信息，之后信號經(jīng)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(xiàn)方位角的確定。

4 結(jié)束語

總體而言，多普勒現(xiàn)象的應(yīng)用范圍十分廣闊，如在雷達、汽車測速等領(lǐng)域中。同時多普勒效應(yīng)在氣象雷達領(lǐng)域也有著十分重要的作用，全向信標(biāo)導(dǎo)航系統(tǒng)中應(yīng)用的多普勒效應(yīng)僅是冰山一角，隨著現(xiàn)如今通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展，多普勒效應(yīng)的應(yīng)用廣度和應(yīng)用深度勢必得到進一步擴展，在導(dǎo)航和定位服務(wù)過程中提供更多的幫助。

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