探究影响多普勒全向信标测向精度的因素

毛一凡

（南通兴东机场有限公司，江苏南通）

近年来，我国经济得到了迅速的发展，同时也带动了我国民航事业的进一步发展，从而使机场的客流量也出现了前所未有的景象，因此，为了适应这一发展，我国政府加大了对航线、航路的拓宽，也增加了航班量，同时也使人们的运行安全无法得到保障。从民航的视角出发，飞机能否接收到正确的信号关乎着飞机的飞行安全同时也跟乘客的生命安全紧密相连，由此看来，精准度较高的导航信号测距以及测向对于飞机的安全飞行有着重要的作用。当今社会对于民航最根本的运行保障方式是无线电导航，它的主要目的是将精准的信号传递给飞机，使飞机能够在航路上按照既定的方向进行安全的飞行，而且还要利用机载电子设备来处理所接收到的信息，以保障飞机能够能够按照准备的位置、速度前进。多普勒全向标在飞机的飞行以及着陆上广泛应用，在飞机的飞行过程中采用的是视距传播方式，所以，在所有的频段中此方式受到的干扰程度与其他频段的测向系统相比较而言要低很多。在所有的频段中，较细窄的脉冲以及比较尖锐的天线方向性图也随之产生，所以对接收器设备的精准度有着较高的要求。采用视距传播方式的这种导航系统虽然有很多的优点，但它也有较明显的缺点，比如说地表面下面的信号不能进行接收与提供，而且运用的导向还主要在近程上。文章对多普勒的全向信标进行了阐述，而且对于影响飞机测向的因素也进行了分析。

1 多普勒效应

1.1 多普勒的概念

电磁波若要发送到对方必须经过特定的媒介才可以到达。从一般情况来说，电磁波的发射点相对于信号接收方来说确定性比较强，信号接收方和电磁波源头的信号频率基本保持一致。如果电磁波源头发射点与信号接收位置发生相对运动现象时，就会出现信号接收方获得的信号频率和电磁波源头的信号频率相差很大的现象，相对运动情况的不同，导致频率差值也有所不同。这种现象被称作多普勒效应。

1.2 发射与接收信号在传播过程中相对运动频率波动的比较

下面研究一下信号发射源与接收机在媒介的传播中出现相对运动的情况下，接收机所接收到的信号频率出现偏差到底是谁造成的。比如说，以信号源发射的信号频率看作是Ft，信号的发射源与接收机它们之间的相对运动速度用Vd来代替，接收机接收到的信号频率用Fr来代替，那么可以得出公式为Fr=(Vr+Vd)/l=Vp/l+Vd/l，

其中，Vρ是电波在空间中的传播速度为3*100000000m/s，λ为电波的波长。

因为：Ft=Vr/l，所以：

最终可以看出多普勒频率的偏差值就是Fd=Vd/l。

所以，当发射机与发射频率信号不变的环境中，发射机与接收机天线之间也存在着相对运动的现象，这种相对运动现象的出现使得数值发生了偏差，于是就有了多普勒频移的现象的出现。

通过以上公式可以明显的看出，当发射机向着接收机运动，接收频率大于发射频率时，多普勒的频率移动则为正；当发射机背着接收机运动，接收频率就会小于发射频率，这时的多普勒的频率移动则为负。

多普勒效应的应用范围比较广，比如：用雷达来监测飞机的飞行方位，机动汽车速度的测量还有对人造卫星的追踪等等各种领域。目前气象雷达的观测也运用到了多普勒效应，当然，多普勒效应的发现不仅仅是为了应用到这些领域，随着通信技术的不断发展进步，在不久的将来，将会有更多的领域应用到多普勒效应，为人们的生产、生活提供更准备的定位。

2 全向信标导航

2.1 全向信标地面台信号的实现

为了能够获得两个独立的30Hz调制信号，全向信标发射机不仅对载波信号发出了辐射，而且也对边带波信号进行了辐射。一般来说，载波频率为F0，则相应的边带频率分别为：上边带频率为F0+9960Hz，下边带频率为F0-9960Hz。要保障载波信号上端与下端的信号水平一致，而且幅度和位置上也要保持一致性，这就需要对其进行合理的操控。在空中合并进而产生调幅信号，利用接收设备进行接收处理。

2.2 全面信标接收机的处理

当接收机监测到来自地表面的信号之后，会通过振幅、电波对所接收到的信号加工处理，一路经9960Hz带通滤波器进行滤波，就可以获取带30Hz调频的9960Hz信号。另一路可以通过30Hz滤波器获得另外一项30Hz的信号，这从多普勒全向信标的角度来看是最根本的信号来源，而相位比较器是对从不同路径获得的30Hz信号对它们进行相位的一种比较，它们之间的差值就是飞机偏离地面信号台的方位数，宇航员可以通过仪盘上的电磁指示器准确的看出方位角。

3 多普勒全向信标工作的基本原理

多普勒全向信标是得到国际公认的短程的一种导航系统，它在相位测角系统中扮演着重要的角色。多普勒全向信标由普通全向信标发展而来的，是通过多普勒效应以及天线系统测量出来的方位角的一种信号。多普勒全向信标使用的是频率段在108-117.975MHz之间，其频道的间隔是0.05MHz。多普勒全向信标的辐射信号是在水平极化的方式下进行的。

全向信标导航系统是由地面的发射机与飞机身上的接收机所组成，当地面发射机发射出的信号由飞机上的接收机接受信号再进行加工得出飞机当前所在的具体的位置。

4 影响多普勒全向信标测向精度的内在因素

多普勒全向信标设备的质量对于测向的精准度也有一定程度的影响，而制作一台多普勒全向信标的设备需要经历一个很漫长的历程，从原材料的采购，产品的生产到出厂，需要经过很多的工序才可以完成的，而且每一道工序中都可存在着一定程度的误差，这就导致了多普勒全向信标设备的不准确性。多普勒全向信标设备导致的误差应从下面几个方面进行讨论：

4.1 由于地面台站与天线之间的距离间隔导致的误差

地面台站与天线之间的距离间隔最终产生的误差，是由于多普勒全向信标的天线系统中出现的“8”字形，信号的这种局部交错导致了信号的失真使方向性图出现了稳定的现象，这种现象的出现引发了误差的产生。

4.2 接收器出现的指示误差

多普勒全向信标的接收设备产生的指示误差是受全方位的选择器与接收机的影响而导致的。

4.3 极化误差

飞机接收到垂直方向的极化波引起了多普勒全向标极化误差的出现，如果飞机在飞行过程中由于受到某种原因引起的姿势发生了倾斜或多普勒全向信标天线发生了任何变化时均会引起极化误差。如果多普勒全向信标台与飞机之间产生的仰角度数越大，那么这就说明了极化误差也越大。电磁波的极化方式与地面矢量长的方向之间有着紧密的关系。假设天线系统是一个常数，极化方式经常的变化，最后判断的方向也是有变化的。由此可以看出，方向的产生也受到极化方式的影响，所以在设计设备时要对极化方式有着较高的要求，只有准确的极化方式才可以测出信号的真实的位置。如果采用的极化波不正确，那么对于测向也会产生的错误的结果，从而出现了测向的误差。

5 影响多普勒全向信标测向精度的外来因素

在运用多普勒全向信标测向的过程中，是通过电磁波所传播的方向来得知发射信号以及接收信号方向的。但电磁波在测向的过程中，容易受到外界因素的干扰从而导致了这种波阵面的失真，所以这就很难获得发射信息的准确位置，这种由于受到外界环境而产生的传播方向的误差被称作传播误差，它也是形成误差的最主要的原因。多普勒全向信标在具体的工作原理中主要是一种视距的传播方式，所以，传播路径是导致误差产生的主要根源。

5.1 设备所在场地导致误差的出现

当无线电测角设备周边的物体是树林、天线塔、丘陵等都会对测向产生一定程度的影响。这些物体由于会受到入射波的影响以至产生二次辐射场，当原有的基本场与此次产生的二次辐射场重合在一起的时候，使原有的基本场波振面发生歪曲，从而使航道上的飞机无法获取精准的位置。附近的这些物体距离测角设备越近，它产生的二次辐射场也就越大，从而使测得的方向发生了偏差。

5.2 海岸效应与山区效应产生的误差

早期人们在利用无线电波测量方向的时候就已经发现，当电波从海洋经过海岸线再传到陆地时，电波的方向会发生几次偏转，最终导致测量方向的失真，这就是人们所说的海岸效应。产生的这种误差是由于电波传播途径发生了变化而产生的，而根本上是由于场地相位结构失真导致的。

5.3 顶锥模糊产生的误差

从一般情况看来，定向器设备在进行设计时要严格按照接收水平面方向的入射波的要求来研发设计，而不可以用此来测量头顶上发射机发来的信号位置。这对于航空的导航系统来说，是必要高高度重视起来的。随着飞机飞行过程中仰角的不断增大，都一定的极限程度时，方位测量的偏差也就显而易见了，而且这一误差在飞机飞行过程中不断的发生着变化。

6 结束语

由此可见，当无线电导航测向体系在发射与接收信号时极易受到外界环境的干扰，因此，误差的出现也是正常存在的，所以，从民航的角度来说必须采取具体的措施来使误差达到最小化。首先，在测向设备的选择上要注意设备的性价比，选择质量较高的设备。其次、在建设多普勒全向信标测向台的时候要选择合适的地点，并且要在重要的航路上进行多重覆盖。最后，日常维护也特别的重要。