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

中國(guó)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(jī)通過機(jī)載導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行自身飛行姿態(tài)以及方位的確定。通常飛機(jī)配備機(jī)載雷達(dá)、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(tái)機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器的定位。定位過程中通過對(duì)無(wú)線電波的收發(fā)，實(shí)現(xiàn)飛行器相對(duì)于導(dǎo)航臺(tái)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(jī)發(fā)射兩個(gè)30Hz信號(hào)，其中一個(gè)30Hz是基準(zhǔn)相位信號(hào)，另一個(gè)是可變30Hz信號(hào)，飛機(jī)的機(jī)載接收機(jī)通過比較兩個(gè)30Hz的相位得到飛機(jī)相對(duì)于DVOR臺(tái)的方位角，配合測(cè)距儀的距離信息，從而為飛機(jī)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(hào)，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(hào)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(duì)運(yùn)動(dòng)的情況下，信號(hào)接收機(jī)獲取的信號(hào)頻域相對(duì)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(duì)運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)計(jì)算。這種因?yàn)榘l(fā)射方頻率或者收發(fā)方向?qū)γ浇楫a(chǎn)生了相對(duì)運(yùn)動(dòng)，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(duì)比

在對(duì)接發(fā)兩個(gè)系統(tǒng)具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況下產(chǎn)生的信號(hào)頻率差別分析過程中，定義接收機(jī)獲得的頻率產(chǎn)生了改變，其中發(fā)射機(jī)傳輸信號(hào)的頻率為F，收發(fā)雙方產(chǎn)生的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度情況用V表示，則接收機(jī)d接收的信號(hào)頻率為Fr，可以通過下式進(jìn)行計(jì)算：

由上式可以看出，在發(fā)射方發(fā)射信號(hào)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(duì)運(yùn)動(dòng)，則兩者之間的信號(hào)頻率將會(huì)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(duì)運(yùn)動(dòng)使得雙方距離減小，則可以使用（+）對(duì)產(chǎn)生的增量值進(jìn)行描述，即最終接收的信號(hào)頻率相對(duì)于發(fā)射頻率有一定升高；相反如果兩者相對(duì)運(yùn)動(dòng)中相背離，則可以使用（-）對(duì)產(chǎn)生的增量情況進(jìn)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(hào)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(hào)在被接收機(jī)捕獲之前，不會(huì)因?yàn)閮烧叩木嚯x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(diǎn)位置進(jìn)行信號(hào)發(fā)射，并圍繞圓心做逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速率為ρ周/秒。相對(duì)接收機(jī)，在天線處于12點(diǎn)位置上，相對(duì)運(yùn)動(dòng)僅存在水平分量，在縱向位置上不存在運(yùn)動(dòng)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(diǎn)鐘時(shí)刻下，雙方運(yùn)動(dòng)處于同一方向上，在此條件下相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度值最大，與發(fā)射方運(yùn)動(dòng)值等同，即在此條件下測(cè)量的增量值為最大。天線繼續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在6點(diǎn)鐘時(shí)刻，兩者天線間距最大，相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度也最大，此過程中產(chǎn)生的多普勒頻移值為最大負(fù)值情況。

3 全向信標(biāo)導(dǎo)航

整個(gè)系統(tǒng)由發(fā)射和接收兩個(gè)部分共同組成，其中機(jī)載接收部分能夠?qū)Πl(fā)射的電磁信號(hào)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(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)地面站位置的確定。發(fā)射機(jī)發(fā)送的信號(hào)分為以下兩種形式，分別為基準(zhǔn)和可變信號(hào)。其中基準(zhǔn)信號(hào)則是在同一時(shí)刻，位于飛機(jī)上的信標(biāo)所接受的信號(hào)相位等同；而變量信號(hào)則在同一時(shí)刻，機(jī)載信標(biāo)接收的信號(hào)存在一定的差異。飛機(jī)便可以根據(jù)基準(zhǔn)和可變信號(hào)間存在的差異，實(shí)現(xiàn)飛行方向的確定。

3.1 地面臺(tái)信號(hào)

旨在接收機(jī)能夠獲取兩個(gè)獨(dú)立的調(diào)制信號(hào)（30HZ），則需要發(fā)射機(jī)分別進(jìn)行兩類信號(hào)的處理和發(fā)送。一般條件下，將載波信號(hào)的頻率值用F0描述，而對(duì)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(lái)控制載波信號(hào)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(hào)調(diào)幅合并。機(jī)載接收機(jī)獲取信號(hào)后進(jìn)行處理，即對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行載波信號(hào)位置的調(diào)幅處理，發(fā)射設(shè)備使用天線進(jìn)行發(fā)射，接收方便可從載波信號(hào)中實(shí)現(xiàn)解調(diào)。標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率是借助多普勒頻移實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)制，上邊帶產(chǎn)生的信號(hào)頻域?yàn)镕d情況下，對(duì)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(duì)于接受街接收的下邊帶信號(hào)頻率為F0-9960Hz與多普勒頻移間的差值，經(jīng)過濾波電路檢測(cè)后，便可以進(jìn)行解調(diào)獲得可變30HZ信號(hào)。

3.2 接收機(jī)處理

天線設(shè)備接收到發(fā)射方傳輸?shù)男盘?hào)之后，隨后將對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢波處理，一路處理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)接收信號(hào)的帶通濾波處理，獲得調(diào)頻信息，之后信號(hào)經(jīng)過限幅電路分析，便可以獲取可變信號(hào)。而另一路則同樣獲得另一30HZ信號(hào)，通過對(duì)獲得的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析，便可以確定飛機(jī)相對(duì)于地面基站的磁方位，在電磁指示器的幫助下實(shí)現(xiàn)方位角的確定。

4 結(jié)束語(yǔ)

總體而言，多普勒現(xiàn)象的應(yīng)用范圍十分廣闊，如在雷達(dá)、汽車測(cè)速等領(lǐng)域中。同時(shí)多普勒效應(yīng)在氣象雷達(dá)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(shì)必得到進(jìn)一步擴(kuò)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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