多普勒效应在全向信标导航中的应用分析

包恩

摘要：民航飞机在空中的安全运行需要多方面的技术支持，当然飞机运行的导航信号也是其安全飞行的至关重要因素。目前，在我国被广为推广的导航信号都是利用多普勒效应所产生的。本文在多普勒效应的相关区域进行了一定的研究，并且对于其相关的原理部分也进行了分析描述。

关键词：应用分析;全向信号标;多普勒效应

飞机在航行状态下，在航行信号的支持下确定自己的方向。目前国内外的航空导航技术呈多样化发展，形式多样包括了卫星定位、转发定位以及机载定位等等。在我国运用范围比较广的还是利用地面导航台的技术对空中运行的飞机给予定位。地面导航台对空中运行的飞机通过无线电波的发射和接受来确定导航台与飞机的间距，和其飞行方向的定位，进而为飞机提供导航支持。

一、全向信标导航概述

全向信标导航系统主要由两部分组成：地面上的发射机和机载的接受机。飞行员对地面台的磁方向的确定是通过机载接受机在接受塔台发射出的信号后分析处理所得的数据信息得出的。全向信标地面台会发出两种信号：一种是信标台上所有的飞机都能够在同一时间接受到的相同相位信号，叫做基准信号。另外一种是在服务范围内的飞机同一时间点收到的信号相伴都不一样，叫做可变信号。可变信号与同一距离内飞机接收到的不同信号相关联。以磁北向作为基础，再通过基准信号和可变信号的不同进行比较分析，来判断飞机的飞行方向。

二、全向信标导航的工作原理

全向信标的导航系统包括了机载和地面两部分。为飞行员提供地面台和飞机的磁方向。全向信标地面台发射出的就是两个独立的30赫兹的信号，也就是其发射的带有方向信息的信号。两个30赫兹的信号分别就是没有方向性同时所有飞机都可接受的基准信号和信标台各方位上飞机接受的不同的可变信号。此两信号于磁北方位是一样的相位，若于任意的方位，其相位的差正是此方位与磁北方位存在的角度，用此两种信号来进行方位判定。

三、多普勒效应

电磁波是由一定的特别中介发送到接受方，它是一种复杂的物理过程。一般情况下接收信号方和波源发射点都是确定的，而且信号接收方获得的信号频率与波源频率是同一频率。如果接受测量得到的频率和波源频率有一定差异，那么接收方和波源位置一定存在相对的运动情况。根据相对运动现象判定频率差异。这种因为察看方的特殊媒介或者波源频率而产生的变动，引起的察看方感觉频率不一的情况就是多普勒效应。

1.电磁波频率。因为电磁波不是一种简单的物理现象，过程非常复杂。人类现在能利用的电磁波规律很多，电磁波的频率是被利用的最多的电磁波规律中的一种。应用范围十分广泛，对人类社会的进步起到了很重要的促进作用，主要用于通信和遥控领域。

2.有关多普勒效应的定义。一般状况下电磁波的位置很固定（相对于空中飞行的飞机），机载接受机所接受的信号频率与电磁波源头频率是一样的。如果是在接收器和波源有相对运动的状况下，两者信号是存在一定差异。飞机当前的行进速度是可以经过频率的差异通过一定的方式进行精准运算得出。多普勒效应就是因为察看方的特殊媒介或者波源频率而产生的变动所引起的察看方感觉频率不一的情况。

3.相对运动状况下接收机和发射机的频率变化分析。地面发射机发射出来的也就是波源信号频率是不会变的，而空中运行的飞机，是在不断的变动的，不会固定不变。所以飞行中的飞机接受的频率会与最初的波源频率不同，因此多普勒效应产生出来。飞机运行中接到的多普勒频率移动值一般是正值。

4.天线进行圆周运动时信号情况分析。发射塔的正北方有一架飞机，那么飞机接受机接受到的信号频率与发射机的波源频率是不同的，而且在时间推移中这个差异值会是一个变化的过程。利用一定的设备技术可以得到这种差异的规律性，而天线的转动会引起频率的升降变化，如设天线转动30周/秒，那么飞机接受到的电磁信号就是30HZ，多普勒全向标由此原理所得信号即为30赫兹。载波信号和上下边带信号形成空中调幅信号在解调和检波得到副载波，其调频为9960HZ+FD，最后可得可变30赫兹信号。

四、全向信标机的可变信号

天线在旋转中，方向不一样飞机接收机接受的多普勒频移也是存在不一样的相位，相位跟飞机方位两者间有着十分紧密的关联，在飞机所获取的多普勒频移信号里就有飞机需要的方位信息。

以某一角度为参考，可以比较可变信号与参考信号的差异，得到参考信号与可变信号的相关差异，从而确定飞机相对于地面站的磁悬浮轴承。

五、全向信标导航的实现

5.1全向信标地面台的信号

因为不同的调制信号各自所具的独立性，所以发射机在进行发射时能够同时进行，边带信号和载波信号是同时发射的。设调制信号为30赫兹，滤波信号的频率为F0，则经过分析：上边带频率为F0+9960赫兹，下边带频率为F0-9960赫兹。相伴和振幅、上下连带波信号和載波信号经过一定技术保持一致，发射时同时形成幅度调制信号。天线在旋转过程中形成的上下边带信号跟多普勒频移相结合形成了可变信号，载波和上边以及下边带信号就结合而成幅调信号。一起同时操控着全向信标发射机能使北向的基准和可变信号一样，而不同方向的飞机都可以收到同相位角数据信息。

5.2全向信标机载接收机的接收处理

全向信标机载接收机运行流程为：

源信号→接收机→振幅检波→9960Hz滤波器→限幅器→鉴频器→相位比较→电磁指示器

可变信号和基准信号的形成过程并不一样。首先是将天线设备接受到的数据信息经过电路和振幅检波得到一个调频信号。然后分成两路，一路经鉴频和限幅电路生成FM信号即可得到一个可变信号;另一路则经过滤波器生成AM信号，就是基准信号。通过基准和可变两个信号间的差异对比，就能够对地面站的定位，飞行员能获得直接的方位角数据。

结论：多普勒效应广泛的被应用于社会人民生活以及军事各个方面，包括卫星跟踪、现代医学、交通、雷达系统、汽车行业等等。航空上的运用也非常多，最有名的实例：2014年3月8日马航MH370失联，国际海事卫星组织运用多普勒效应理论，结合其他参考因素，在大量数据分析基础上给出了MH370的最终走向，MH370航班在南印度洋坠毁。随着现代科技以及通信技术的发展，多普勒效应的运用将会越来越宽阔，在民航运输业也会被愈加重视和拓展其应用范围，为民航运输业的安全保障做出更大贡献。

参考文献：

[1]李 霞.多普勒效应在甚高频全向信标中的应用探究[J].内蒙古科技与经济，2015（11）：98～100.

[2]熊立飞.多普勒效应在全向信标导航中的应用分析[J].中国新通信，2017（09）：98.

[3]温崇彬.多普勒效应在全向信标导航中的应用[J].信息记录材料，2017（10）：182～183.

（中国民用航空呼伦贝尔空中交通管理站 内蒙古 呼伦贝尔 021000）