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生，本文對多普勒效應的有關原理進行了詳細的立柱與分析。

【關鍵詞】 應用分析 全向信號標 多普勒效應

處于航行狀態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星定位、機載定位以及轉達定位等，我國則主要采用地面導航臺技術對飛機進行定位。地面導航臺能夠接收并發射無線電波，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

全向信標導航系統主要由機載接收機與地面發射機構成。機械接收機能夠對塔臺發射信號進行接收與處理，將處理后的數據信息顯示出來，飛行員則能夠通過數據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，服用范圍內的飛機所接收到的信號相伴各不相同。飛機能夠對基準信號與可變信號之間的差異進行判定，以磁北方位為基礎，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象，電磁波頻率是人類應用最為廣泛的電磁波規律之一，主要應用于遙控與通信等領域。

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下，波源信號則會與飛機所接受的信號體現出一定程度的差異。利用頻率差數據能夠對飛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運動情況，觀察者能夠對電磁波頻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、接收機與發射機相對運動狀態下頻率變化分析。發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射時的頻率，多普勒頻移由此產生。處于運動狀態下的飛機所接收的電磁波信號多普勒頻移信號為正值。

4、天線繞圓周旋轉時的接收信號情況分析。假設飛機處于發射塔正北方位的位置，發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律，天線旋轉速率能夠影響到頻率的降低與升高。假設天線的旋轉速率為每秒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幅信號，在接收機里解調后，經過濾波電路檢波，得到9 960Hz+Fd的調頻的副載波，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

4.1全向信標地面臺的信號

不同調制信號之間是相互獨立的，全向信標發射機能夠同時釋放邊帶波信號與載波信號。若調制信號為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。在信號發射的同時形成調幅信號。基準信號則可以以載波信號為載體直接對進行調幅，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。可變信號則是天線在旋轉過程中所釋放出來的上下邊帶信號并結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合產生調幅信號，經過解調后的信號，電路檢波的處理后形成調頻副載波，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據后，經過電路檢波與振幅檢波，得到調頻信號。再經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，飛行員能夠對方位角數據進行直接讀取。

結束語：多普勒效應廣泛應用于民用與軍事領域中，應用形式包含人造衛星跟蹤、汽車速度測量及雷達系統中，隨著現代通信技術的不斷發展，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。