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摘 要：民航飞机飞行时，需对地面台所发出的导航信号逐步接收，进而判断出自身所在的区域位置。多普勒全向信标导航是目前广泛应用的导航信号装置，其导航信号里的可变信号由多普勒的效应而生成，经过分析多普勒效应相关的原理，并对全向信标工作的过程加以综合，就能系统化认知全向信标导航的信号。本文对全向信标导航工作原理与多普勒效应以及多普勒的效应于全向信标导航中的运用进行简单分析，望对相关人员有所帮助。
关键词：多普勒效应；全向信标；导航
中图分类号：J915 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）21-0319-02
1 前 言
在飞机飞行的过程当中，务必要时刻明确自身所处的位置，对飞机飞行位置加以明确的方式包括许多，比如机载定位与卫星定位的系统以及航管雷达的定位等，现阶段，运用的比较多的方法就是地面导航台定位的方法。使用地面的导航台对无线电波进行接收与射出，来对飞机于导航台的间距、方位的信息加以检测，为飞机提供一个间距指引或者水平方位角的指引，是距离与方位角的导航。多普勒的全向信标导航是方位角的导航方式。全向信标导航是经地面的台站将无线电的信号辐射于空中，当飞机将信号接收到之后，通过分析与处理，获得与地面台对应的磁北方位角。因为已知了地面导航台站经纬度，所以飞机能够按照此来对当时所处的位置加以明确。
2 全向信标导航的工作原理与多普勒效应简介
2.1 全向信标导航的工作原理
全向信标的导航系统是包括机载的接收机与地面的发射机所组合而成。机载的接收机是对地面台所射出的方位讯息信号加以容纳和整理，在整理后经仪表将其显示出来，供给飞行者地面台与飞机的磁方位。相关全向信标的地面台所发射的信号带着方位讯息，是调制过的两个单独30Hz的信号。此30Hz的信号，其中的一个为基准信号，为无方向性，亦是同一时间，在信标台各个方位之上的飞机所接收到基准信号均一样的相位。另一个为可变的信号，相同时间，在信标台各方位之上的飞机所接纳到可变的信号均不一样的相位。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。飞机能判断基准信号和可变信号间存在的不同，把磁北方位当作根基，来对飞机的运行方位加以判定。
2.2 多普勒效应简介
2.2.1 多普勒效应的定义
电磁波属于较为复杂的一种物理性现象，经过特定的媒介发送到接收方。通常情况下，电磁波源头的发射点与信号的获取方比较属于确定的，接收方所获得的信号频率与电磁波的源头频率基本相同。若电磁波的源头与接收的位置一起出现相对运动的现象，则接收测量方取得的频率将和电磁波源头的真实频率有所不同。经相对运动的情况来对其频率的差值加以确定与判断。由于电磁波的源头频率或者是观察方与媒介相对而出现的运动，使观察方的察觉波频发生改变被称作多普勒的效应。
2.2.2 接收和发射频率的对比
对接收机和发射机相对的运动情况加以分析，相应接收机所接收到的频率改成：假设发射机将F信号发出，接收和发射设备相互间有着相对运动的现象，用V来表示速度，那么接收机d取得信号频率Fr的为：Fr=（Vρ+Vd）/λ=Vρ/λ+Vd/λ，由此证明，发射机的发射频率信号在保持不变且接收机与发射机的天线间有着相对运动情况时，则接收机所获得的信号频率已不属于发射的频率，变为于发射频率的基础上出现的增量值，亦是出现多普勒频移的现象。从上面的公式可看到，在发射设备往着接收设备处移动过程中，多普勒频率的移动表示为（+），其接收的频率大于发射的频率；如果情况相反，则多普勒频率的移动表示为（-），其接收的频率小于发射的频率。
2.2.3 旋转信号的分析
如果预先设定好的接收设备与发射天线间的距离明显比发射天线旋转半径大，则能确定在接收环绕圆心发出信号的内容前，不会因为和接收设备间的距离有偏差而改变幅值（如图1所示）。
假设接收的设备在天线正北的地方，天线从1点方位发出，绕着圆心逆时针转动，其速率是ρ周/s。相比于接收的设备来讲，当天线处在1点的方位时，相应运动仅是水平方向分量的程度，并未存在纵向位置运动的变化，此时Vd的值即是0，相应多普勒的频移Fd一样也是0，当天线在运动至2点位置的时候，则发射天线的运动将会完全向着接收设备的方位变化，这时运动的速度和天线运动的速度基本一致将会到达最大值，这时多普勒频移Fd会到达最大值。而当天线运动到3点状方位时，多普勒的频移则又会出现转至1点方位的情况，Fd和Vd都是0。伴随天线继续的运动，当其至4点方位时，接收机和发射天线间的距离被不断拉大，其也会达至最高的速度，多普勒的频移为最大的负值。
当发射天线开始旋转的时候，处在正北方位的接收机所接收到的频率信号已不是发射机的周期运动的频繁程度，而成为一个伴随时间而持续发生改变的频率（如图2）。此频率改变存在一定的规律，天线旋转的速率关系到频率的上升和下降周期。由此信号，可经接收机而解调出不同信号（如图3），信号周期运动的频繁程度亦是天线旋转的速率ρ。
3 多普勒效应于全向信标导航当中的应用
3.1 全向信标机可变信号
当天线做的旋转运动一样时，飞机获得的多普勒频移的曲线相位因方位不同而不一样，而且相位和其方位信息有关。此部分隐藏的多普勒频移方位信息的曲线，亦是我们所需的全向信标可变的信号。若基准是用的任何一个于角度上的相位均一样的信号来当的，那么用此基准信号和可变的信号相对比，则飞机与地面台间的磁方位就是飞机所接收的可变信号和基准信号间的相位差。
3.2 地面台信号
为了获得两个单独30Hz的调制信号，需全向信标的发射机对载波的信号与边带波的信号分别辐射。一般载波的频率是Fo，上边带与下边带的频率分别是Fo+9960Hz和Fo-9960Hz。经控制后，使得载波的信号与上下边带波的信号于相位、幅度与频率上保持相应关系，在空中将调幅的信号组合，就可于机载接收机里将9960Hz副载波的信号解调出来。基准30Hz的信号直接在载波的信号之上调幅，经中央天线将其发射出去，于接收机内将基准30Hz的信号解调出来。可变的30Hz信号是经边带天线用30周每秒的速率绕着中央天线进行旋转而对上下边带的信号加以辐射，实现多普勒的频移。若当上边带的旋转辐射使多普勒的频移Fd形成时，接收机所接收到信号的频率是（Fo+9960Hz）+Fd。因为下边带与上边带在对称的方位上面辐射，多普勒所形成的频移是-Fd，接收机所接收到信号的频率是（Fo-9960Hz）-Fd。载波信号与上下边带信号于空中将调幅信号形成，经接收机解调及滤波电路检波之后，获得的调频副载波是9960Hz+Fd，鉴频之后获得可变的30Hz信号。同步管控全向信标发射机的内部，确保磁北方位可变的信號与基准信号的相位始终一致。唯有严格确保磁北方位的相位一致，才可确保飞机于各方位均能获得精确的方位角指示。
3.3 接收机处理
全向信标机载接收机的运作程序如图4所示，当机械接收的天线获得信号数据之后，经对振幅和电路的检波，获得调频的信号。然后通过限幅电路和鉴频电路形成FM的信号，对于多普勒形成一个全向信标可变的信号；另外一路于滤波器的作用下所形成AM的信号，就是多普勒全向信标基准的信号。对基准与可变信号的相位所存在的不同进行比较分析，可获得相对地面台站的磁方位，飞行员可以直接读取到方位角的数据。
4 结束语
多普勒效应应用的领域非常广泛，比如应用雷达老监测飞机飞行的状态、人造卫星的追踪、检测汽车行驶的速度等。此外多普勒效应于当前气象雷达的观测当中发挥的作用也非常重要。在全向信标导航中应用多普勒效应只是当中的很小一部分内容，相信伴随现代科技快速的发展，多普勒效应应用的范围势必会更为广泛，提供给人们更为精确的定位类服务。
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.
收稿日期：2018-6-20
作者简介：赵晓燕（1973-），女，助理工程师，大专，主要从事导航设备维修工作。
关键词：多普勒效应；全向信标；导航
中图分类号：J915 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）21-0319-02
1 前 言
在飞机飞行的过程当中，务必要时刻明确自身所处的位置，对飞机飞行位置加以明确的方式包括许多，比如机载定位与卫星定位的系统以及航管雷达的定位等，现阶段，运用的比较多的方法就是地面导航台定位的方法。使用地面的导航台对无线电波进行接收与射出，来对飞机于导航台的间距、方位的信息加以检测，为飞机提供一个间距指引或者水平方位角的指引，是距离与方位角的导航。多普勒的全向信标导航是方位角的导航方式。全向信标导航是经地面的台站将无线电的信号辐射于空中，当飞机将信号接收到之后，通过分析与处理，获得与地面台对应的磁北方位角。因为已知了地面导航台站经纬度，所以飞机能够按照此来对当时所处的位置加以明确。
2 全向信标导航的工作原理与多普勒效应简介
2.1 全向信标导航的工作原理
全向信标的导航系统是包括机载的接收机与地面的发射机所组合而成。机载的接收机是对地面台所射出的方位讯息信号加以容纳和整理，在整理后经仪表将其显示出来，供给飞行者地面台与飞机的磁方位。相关全向信标的地面台所发射的信号带着方位讯息，是调制过的两个单独30Hz的信号。此30Hz的信号，其中的一个为基准信号，为无方向性，亦是同一时间，在信标台各个方位之上的飞机所接收到基准信号均一样的相位。另一个为可变的信号，相同时间，在信标台各方位之上的飞机所接纳到可变的信号均不一样的相位。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。飞机能判断基准信号和可变信号间存在的不同，把磁北方位当作根基，来对飞机的运行方位加以判定。
2.2 多普勒效应简介
2.2.1 多普勒效应的定义
电磁波属于较为复杂的一种物理性现象，经过特定的媒介发送到接收方。通常情况下，电磁波源头的发射点与信号的获取方比较属于确定的，接收方所获得的信号频率与电磁波的源头频率基本相同。若电磁波的源头与接收的位置一起出现相对运动的现象，则接收测量方取得的频率将和电磁波源头的真实频率有所不同。经相对运动的情况来对其频率的差值加以确定与判断。由于电磁波的源头频率或者是观察方与媒介相对而出现的运动，使观察方的察觉波频发生改变被称作多普勒的效应。
2.2.2 接收和发射频率的对比
对接收机和发射机相对的运动情况加以分析，相应接收机所接收到的频率改成：假设发射机将F信号发出，接收和发射设备相互间有着相对运动的现象，用V来表示速度，那么接收机d取得信号频率Fr的为：Fr=（Vρ+Vd）/λ=Vρ/λ+Vd/λ，由此证明，发射机的发射频率信号在保持不变且接收机与发射机的天线间有着相对运动情况时，则接收机所获得的信号频率已不属于发射的频率，变为于发射频率的基础上出现的增量值，亦是出现多普勒频移的现象。从上面的公式可看到，在发射设备往着接收设备处移动过程中，多普勒频率的移动表示为（+），其接收的频率大于发射的频率；如果情况相反，则多普勒频率的移动表示为（-），其接收的频率小于发射的频率。
2.2.3 旋转信号的分析
如果预先设定好的接收设备与发射天线间的距离明显比发射天线旋转半径大，则能确定在接收环绕圆心发出信号的内容前，不会因为和接收设备间的距离有偏差而改变幅值（如图1所示）。
假设接收的设备在天线正北的地方，天线从1点方位发出，绕着圆心逆时针转动，其速率是ρ周/s。相比于接收的设备来讲，当天线处在1点的方位时，相应运动仅是水平方向分量的程度，并未存在纵向位置运动的变化，此时Vd的值即是0，相应多普勒的频移Fd一样也是0，当天线在运动至2点位置的时候，则发射天线的运动将会完全向着接收设备的方位变化，这时运动的速度和天线运动的速度基本一致将会到达最大值，这时多普勒频移Fd会到达最大值。而当天线运动到3点状方位时，多普勒的频移则又会出现转至1点方位的情况，Fd和Vd都是0。伴随天线继续的运动，当其至4点方位时，接收机和发射天线间的距离被不断拉大，其也会达至最高的速度，多普勒的频移为最大的负值。
当发射天线开始旋转的时候，处在正北方位的接收机所接收到的频率信号已不是发射机的周期运动的频繁程度，而成为一个伴随时间而持续发生改变的频率（如图2）。此频率改变存在一定的规律，天线旋转的速率关系到频率的上升和下降周期。由此信号，可经接收机而解调出不同信号（如图3），信号周期运动的频繁程度亦是天线旋转的速率ρ。
3 多普勒效应于全向信标导航当中的应用
3.1 全向信标机可变信号
当天线做的旋转运动一样时，飞机获得的多普勒频移的曲线相位因方位不同而不一样，而且相位和其方位信息有关。此部分隐藏的多普勒频移方位信息的曲线，亦是我们所需的全向信标可变的信号。若基准是用的任何一个于角度上的相位均一样的信号来当的，那么用此基准信号和可变的信号相对比，则飞机与地面台间的磁方位就是飞机所接收的可变信号和基准信号间的相位差。
3.2 地面台信号
为了获得两个单独30Hz的调制信号，需全向信标的发射机对载波的信号与边带波的信号分别辐射。一般载波的频率是Fo，上边带与下边带的频率分别是Fo+9960Hz和Fo-9960Hz。经控制后，使得载波的信号与上下边带波的信号于相位、幅度与频率上保持相应关系，在空中将调幅的信号组合，就可于机载接收机里将9960Hz副载波的信号解调出来。基准30Hz的信号直接在载波的信号之上调幅，经中央天线将其发射出去，于接收机内将基准30Hz的信号解调出来。可变的30Hz信号是经边带天线用30周每秒的速率绕着中央天线进行旋转而对上下边带的信号加以辐射，实现多普勒的频移。若当上边带的旋转辐射使多普勒的频移Fd形成时，接收机所接收到信号的频率是（Fo+9960Hz）+Fd。因为下边带与上边带在对称的方位上面辐射，多普勒所形成的频移是-Fd，接收机所接收到信号的频率是（Fo-9960Hz）-Fd。载波信号与上下边带信号于空中将调幅信号形成，经接收机解调及滤波电路检波之后，获得的调频副载波是9960Hz+Fd，鉴频之后获得可变的30Hz信号。同步管控全向信标发射机的内部，确保磁北方位可变的信號与基准信号的相位始终一致。唯有严格确保磁北方位的相位一致，才可确保飞机于各方位均能获得精确的方位角指示。
3.3 接收机处理
全向信标机载接收机的运作程序如图4所示，当机械接收的天线获得信号数据之后，经对振幅和电路的检波，获得调频的信号。然后通过限幅电路和鉴频电路形成FM的信号，对于多普勒形成一个全向信标可变的信号；另外一路于滤波器的作用下所形成AM的信号，就是多普勒全向信标基准的信号。对基准与可变信号的相位所存在的不同进行比较分析，可获得相对地面台站的磁方位，飞行员可以直接读取到方位角的数据。
4 结束语
多普勒效应应用的领域非常广泛，比如应用雷达老监测飞机飞行的状态、人造卫星的追踪、检测汽车行驶的速度等。此外多普勒效应于当前气象雷达的观测当中发挥的作用也非常重要。在全向信标导航中应用多普勒效应只是当中的很小一部分内容，相信伴随现代科技快速的发展，多普勒效应应用的范围势必会更为广泛，提供给人们更为精确的定位类服务。
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.
收稿日期：2018-6-20
作者简介：赵晓燕（1973-），女，助理工程师，大专，主要从事导航设备维修工作。