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全向信标导航系统中多普勒效应的运用

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发布日期:2018-10-31 10:32

 1、 前言
  正常飞行状态下, 飞机通过机载导航系统进行自身飞行姿态以及方位的确定。通常飞机配备机载雷达、卫星等多种方式的定位系统, 当前民航飞行领域中采用地面导航台机制实现对飞行器的定位。定位过程中通过对无线电波的收发, 实现飞行器相对于导航台地理坐标的制定, 为飞行器提供飞行方位指导, 为飞行器距离提供导航支持。多普勒全向信标的工作原理是DVOR设备向飞机发射两个30Hz信号, 其中一个30Hz是基准相位信号, 另一个是可变30Hz信号, 飞机的机载接收机通过比较两个30Hz的相位得到飞机相对于DVOR台的方位角, 配合测距仪的距离信息, 从而为飞机导航。
  2、 多普勒效应
  2.1、 多普勒定义
  电磁波是由发射设备发送至接收方的一种电磁信号, 通常条件下发射设备较接收方而言其地理位置是固定的, 接收方接收信号的频率与发射频率基本相等。假如收发双方在位置上存在相对运动的情况下, 信号接收机获取的信号频域相对于发射频率间存在一定的差别, 两者之间的频率差值情况需要在具体相对运动的基础上实现计算。这种因为发射方频率或者收发方向对媒介产生了相对运动, 致使接收方接收频率存在一定的变化的现象定义为多普勒效应。
  2.2、 发射与接收频率对比
  在对接发两个系统具有相对运动情况下产生的信号频率差别分析过程中, 定义接收机获得的频率产生了改变, 其中发射机传输信号的频率为F, 收发双方产生的相对运动的速度情况用V表示, 则接收机d接收的信号频率为Fr, 可以通过下式进行计算:
  由上式可以看出, 在发射方发射信号不产生变化的条件下, 由于发送和接收方产生了一定的相对运动, 则两者之间的信号频率将会数值上产生一定的不同, 将频率之间的差值定义为增量值, 即发生了多普勒频移现象。通过上式可以知道, 如果相对运动使得双方距离减小, 则可以使用 (+) 对产生的增量值进行描述, 即最终接收的信号频率相对于发射频率有一定升高;相反如果两者相对运动中相背离, 则可以使用 (-) 对产生的增量情况进行描述, 也就是接收频率小于发射频率的情况。
  2.3、 旋转信号分析
  在分析过程中, 如果定义接收和发送双方天线间距高于发射天线旋转半径, 便可以确定环绕圆心发射的信号在被接收机捕获之前, 不会因为两者的距离差异产生幅值的变化。假定接收设备位于北方向, 发射天线在12点位置进行信号发射, 并围绕圆心做逆时针旋转运动, 运动速率为ρ周/秒。相对接收机, 在天线处于12点位置上, 相对运动仅存在水平分量, 在纵向位置上不存在运动分量, 即此过程中Vd值为零, 产生的多普勒频移Fd值为零, 假如在1点钟时刻下, 双方运动处于同一方向上, 在此条件下相对运动速度值最大, 与发射方运动值等同, 即在此条件下测量的增量值为最大。天线继续旋转运动, 在6点钟时刻, 两者天线间距最大, 相对运动速度也最大, 此过程中产生的多普勒频移值为最大负值情况。
  3、 全向信标导航
  整个系统由发射和接收两个部分共同组成, 其中机载接收部分能够对发射的电磁信号获取, 并做到迅速处理, 随后显示导航信息, 飞行员便可以通过数据信号实现对地面站位置的确定。发射机发送的信号分为以下两种形式, 分别为基准和可变信号。其中基准信号则是在同一时刻, 位于飞机上的信标所接受的信号相位等同;而变量信号则在同一时刻, 机载信标接收的信号存在一定的差异。飞机便可以根据基准和可变信号间存在的差异, 实现飞行方向的确定。
  3.1、 地面台信号
  旨在接收机能够获取两个独立的调制信号 (30HZ) , 则需要发射机分别进行两类信号的处理和发送。一般条件下, 将载波信号的频率值用F0描述, 而对应边带载波频为F0+9960Hz、F0-9960Hz, 其中前者定义为上边带频率, 后者为下边带频率。借助合理化的控制方法来控制载波信号在上下两端中处于稳定状态, 在空域媒介中能够实现信号调幅合并。机载接收机获取信号后进行处理, 即对接收信号进行载波信号位置的调幅处理, 发射设备使用天线进行发射, 接收方便可从载波信号中实现解调。标准信号频率是借助多普勒频移实现信号调制, 上边带产生的信号频域为Fd情况下, 对应的接收方截获的频率在数值上等于F0+9960Hz与多普勒频移间的算数和, 于此相对于接受街接收的下边带信号频率为F0-9960Hz与多普勒频移间的差值, 经过滤波电路检测后, 便可以进行解调获得可变30HZ信号。
  3.2、 接收机处理
  天线设备接收到发射方传输的信号之后, 随后将对信号进行检波处理, 一路处理系统能够实现对接收信号的带通滤波处理, 获得调频信息, 之后信号经过限幅电路分析, 便可以获取可变信号。而另一路则同样获得另一30HZ信号, 通过对获得的信号进行对比分析, 便可以确定飞机相对于地面基站的磁方位, 在电磁指示器的帮助下实现方位角的确定。
  4、 结束语
  总体而言, 多普勒现象的应用范围十分广阔, 如在雷达、汽车测速等领域中。同时多普勒效应在气象雷达领域也有着十分重要的作用, 全向信标导航系统中应用的多普勒效应仅是冰山一角, 随着现如今通信技术的蓬勃发展, 多普勒效应的应用广度和应用深度势必得到进一步扩展, 在导航和定位服务过程中提供更多的帮助。

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出版地:北京

发行周期: 双月刊

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