毛一凡

（南通興東機(jī)場有限公司，江蘇南通）

近年來，我國經(jīng)濟(jì)得到了迅速的發(fā)展，同時(shí)也帶動(dòng)了我國民航事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，從而使機(jī)場的客流量也出現(xiàn)了前所未有的景象，因此，為了適應(yīng)這一發(fā)展，我國政府加大了對(duì)航線、航路的拓寬，也增加了航班量，同時(shí)也使人們的運(yùn)行安全無法得到保障。從民航的視角出發(fā)，飛機(jī)能否接收到正確的信號(hào)關(guān)乎著飛機(jī)的飛行安全同時(shí)也跟乘客的生命安全緊密相連，由此看來，精準(zhǔn)度較高的導(dǎo)航信號(hào)測距以及測向?qū)τ陲w機(jī)的安全飛行有著重要的作用。當(dāng)今社會(huì)對(duì)于民航最根本的運(yùn)行保障方式是無線電導(dǎo)航，它的主要目的是將精準(zhǔn)的信號(hào)傳遞給飛機(jī)，使飛機(jī)能夠在航路上按照既定的方向進(jìn)行安全的飛行，而且還要利用機(jī)載電子設(shè)備來處理所接收到的信息，以保障飛機(jī)能夠能夠按照準(zhǔn)備的位置、速度前進(jìn)。多普勒全向標(biāo)在飛機(jī)的飛行以及著陸上廣泛應(yīng)用，在飛機(jī)的飛行過程中采用的是視距傳播方式，所以，在所有的頻段中此方式受到的干擾程度與其他頻段的測向系統(tǒng)相比較而言要低很多。在所有的頻段中，較細(xì)窄的脈沖以及比較尖銳的天線方向性圖也隨之產(chǎn)生，所以對(duì)接收器設(shè)備的精準(zhǔn)度有著較高的要求。采用視距傳播方式的這種導(dǎo)航系統(tǒng)雖然有很多的優(yōu)點(diǎn)，但它也有較明顯的缺點(diǎn)，比如說地表面下面的信號(hào)不能進(jìn)行接收與提供，而且運(yùn)用的導(dǎo)向還主要在近程上。文章對(duì)多普勒的全向信標(biāo)進(jìn)行了闡述，而且對(duì)于影響飛機(jī)測向的因素也進(jìn)行了分析。

1 多普勒效應(yīng)

1.1 多普勒的概念

電磁波若要發(fā)送到對(duì)方必須經(jīng)過特定的媒介才可以到達(dá)。從一般情況來說，電磁波的發(fā)射點(diǎn)相對(duì)于信號(hào)接收方來說確定性比較強(qiáng)，信號(hào)接收方和電磁波源頭的信號(hào)頻率基本保持一致。如果電磁波源頭發(fā)射點(diǎn)與信號(hào)接收位置發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)信號(hào)接收方獲得的信號(hào)頻率和電磁波源頭的信號(hào)頻率相差很大的現(xiàn)象，相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況的不同，導(dǎo)致頻率差值也有所不同。這種現(xiàn)象被稱作多普勒效應(yīng)。

1.2 發(fā)射與接收信號(hào)在傳播過程中相對(duì)運(yùn)動(dòng)頻率波動(dòng)的比較

下面研究一下信號(hào)發(fā)射源與接收機(jī)在媒介的傳播中出現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的情況下，接收機(jī)所接收到的信號(hào)頻率出現(xiàn)偏差到底是誰造成的。比如說，以信號(hào)源發(fā)射的信號(hào)頻率看作是Ft，信號(hào)的發(fā)射源與接收機(jī)它們之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度用Vd來代替，接收機(jī)接收到的信號(hào)頻率用Fr來代替，那么可以得出公式為Fr=(Vr+Vd)/l=Vp/l+Vd/l，

其中，Vρ是電波在空間中的傳播速度為3*100000000m/s，λ為電波的波長。

因?yàn)椋篎t=Vr/l，所以：

最終可以看出多普勒頻率的偏差值就是Fd=Vd/l。

所以，當(dāng)發(fā)射機(jī)與發(fā)射頻率信號(hào)不變的環(huán)境中，發(fā)射機(jī)與接收機(jī)天線之間也存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象，這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象的出現(xiàn)使得數(shù)值發(fā)生了偏差，于是就有了多普勒頻移的現(xiàn)象的出現(xiàn)。

通過以上公式可以明顯的看出，當(dāng)發(fā)射機(jī)向著接收機(jī)運(yùn)動(dòng)，接收頻率大于發(fā)射頻率時(shí)，多普勒的頻率移動(dòng)則為正；當(dāng)發(fā)射機(jī)背著接收機(jī)運(yùn)動(dòng)，接收頻率就會(huì)小于發(fā)射頻率，這時(shí)的多普勒的頻率移動(dòng)則為負(fù)。

多普勒效應(yīng)的應(yīng)用范圍比較廣，比如：用雷達(dá)來監(jiān)測飛機(jī)的飛行方位，機(jī)動(dòng)汽車速度的測量還有對(duì)人造衛(wèi)星的追蹤等等各種領(lǐng)域。目前氣象雷達(dá)的觀測也運(yùn)用到了多普勒效應(yīng)，當(dāng)然，多普勒效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)不僅僅是為了應(yīng)用到這些領(lǐng)域，隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，在不久的將來，將會(huì)有更多的領(lǐng)域應(yīng)用到多普勒效應(yīng)，為人們的生產(chǎn)、生活提供更準(zhǔn)備的定位。

2 全向信標(biāo)導(dǎo)航

2.1 全向信標(biāo)地面臺(tái)信號(hào)的實(shí)現(xiàn)

為了能夠獲得兩個(gè)獨(dú)立的30Hz調(diào)制信號(hào)，全向信標(biāo)發(fā)射機(jī)不僅對(duì)載波信號(hào)發(fā)出了輻射，而且也對(duì)邊帶波信號(hào)進(jìn)行了輻射。一般來說，載波頻率為F0，則相應(yīng)的邊帶頻率分別為：上邊帶頻率為F0+9960Hz，下邊帶頻率為F0-9960Hz。要保障載波信號(hào)上端與下端的信號(hào)水平一致，而且幅度和位置上也要保持一致性，這就需要對(duì)其進(jìn)行合理的操控。在空中合并進(jìn)而產(chǎn)生調(diào)幅信號(hào)，利用接收設(shè)備進(jìn)行接收處理。

2.2 全面信標(biāo)接收機(jī)的處理

當(dāng)接收機(jī)監(jiān)測到來自地表面的信號(hào)之后，會(huì)通過振幅、電波對(duì)所接收到的信號(hào)加工處理，一路經(jīng)9960Hz帶通濾波器進(jìn)行濾波，就可以獲取帶30Hz調(diào)頻的9960Hz信號(hào)。另一路可以通過30Hz濾波器獲得另外一項(xiàng)30Hz的信號(hào)，這從多普勒全向信標(biāo)的角度來看是最根本的信號(hào)來源，而相位比較器是對(duì)從不同路徑獲得的30Hz信號(hào)對(duì)它們進(jìn)行相位的一種比較，它們之間的差值就是飛機(jī)偏離地面信號(hào)臺(tái)的方位數(shù)，宇航員可以通過儀盤上的電磁指示器準(zhǔn)確的看出方位角。

3 多普勒全向信標(biāo)工作的基本原理

多普勒全向信標(biāo)是得到國際公認(rèn)的短程的一種導(dǎo)航系統(tǒng)，它在相位測角系統(tǒng)中扮演著重要的角色。多普勒全向信標(biāo)由普通全向信標(biāo)發(fā)展而來的，是通過多普勒效應(yīng)以及天線系統(tǒng)測量出來的方位角的一種信號(hào)。多普勒全向信標(biāo)使用的是頻率段在108-117.975MHz之間，其頻道的間隔是0.05MHz。多普勒全向信標(biāo)的輻射信號(hào)是在水平極化的方式下進(jìn)行的。

全向信標(biāo)導(dǎo)航系統(tǒng)是由地面的發(fā)射機(jī)與飛機(jī)身上的接收機(jī)所組成，當(dāng)?shù)孛姘l(fā)射機(jī)發(fā)射出的信號(hào)由飛機(jī)上的接收機(jī)接受信號(hào)再進(jìn)行加工得出飛機(jī)當(dāng)前所在的具體的位置。

4 影響多普勒全向信標(biāo)測向精度的內(nèi)在因素

多普勒全向信標(biāo)設(shè)備的質(zhì)量對(duì)于測向的精準(zhǔn)度也有一定程度的影響，而制作一臺(tái)多普勒全向信標(biāo)的設(shè)備需要經(jīng)歷一個(gè)很漫長的歷程，從原材料的采購，產(chǎn)品的生產(chǎn)到出廠，需要經(jīng)過很多的工序才可以完成的，而且每一道工序中都可存在著一定程度的誤差，這就導(dǎo)致了多普勒全向信標(biāo)設(shè)備的不準(zhǔn)確性。多普勒全向信標(biāo)設(shè)備導(dǎo)致的誤差應(yīng)從下面幾個(gè)方面進(jìn)行討論：

4.1 由于地面臺(tái)站與天線之間的距離間隔導(dǎo)致的誤差

地面臺(tái)站與天線之間的距離間隔最終產(chǎn)生的誤差，是由于多普勒全向信標(biāo)的天線系統(tǒng)中出現(xiàn)的“8”字形，信號(hào)的這種局部交錯(cuò)導(dǎo)致了信號(hào)的失真使方向性圖出現(xiàn)了穩(wěn)定的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)引發(fā)了誤差的產(chǎn)生。

4.2 接收器出現(xiàn)的指示誤差

多普勒全向信標(biāo)的接收設(shè)備產(chǎn)生的指示誤差是受全方位的選擇器與接收機(jī)的影響而導(dǎo)致的。

4.3 極化誤差

飛機(jī)接收到垂直方向的極化波引起了多普勒全向標(biāo)極化誤差的出現(xiàn)，如果飛機(jī)在飛行過程中由于受到某種原因引起的姿勢(shì)發(fā)生了傾斜或多普勒全向信標(biāo)天線發(fā)生了任何變化時(shí)均會(huì)引起極化誤差。如果多普勒全向信標(biāo)臺(tái)與飛機(jī)之間產(chǎn)生的仰角度數(shù)越大，那么這就說明了極化誤差也越大。電磁波的極化方式與地面矢量長的方向之間有著緊密的關(guān)系。假設(shè)天線系統(tǒng)是一個(gè)常數(shù)，極化方式經(jīng)常的變化，最后判斷的方向也是有變化的。由此可以看出，方向的產(chǎn)生也受到極化方式的影響，所以在設(shè)計(jì)設(shè)備時(shí)要對(duì)極化方式有著較高的要求，只有準(zhǔn)確的極化方式才可以測出信號(hào)的真實(shí)的位置。如果采用的極化波不正確，那么對(duì)于測向也會(huì)產(chǎn)生的錯(cuò)誤的結(jié)果，從而出現(xiàn)了測向的誤差。

5 影響多普勒全向信標(biāo)測向精度的外來因素

在運(yùn)用多普勒全向信標(biāo)測向的過程中，是通過電磁波所傳播的方向來得知發(fā)射信號(hào)以及接收信號(hào)方向的。但電磁波在測向的過程中，容易受到外界因素的干擾從而導(dǎo)致了這種波陣面的失真，所以這就很難獲得發(fā)射信息的準(zhǔn)確位置，這種由于受到外界環(huán)境而產(chǎn)生的傳播方向的誤差被稱作傳播誤差，它也是形成誤差的最主要的原因。多普勒全向信標(biāo)在具體的工作原理中主要是一種視距的傳播方式，所以，傳播路徑是導(dǎo)致誤差產(chǎn)生的主要根源。

5.1 設(shè)備所在場地導(dǎo)致誤差的出現(xiàn)

當(dāng)無線電測角設(shè)備周邊的物體是樹林、天線塔、丘陵等都會(huì)對(duì)測向產(chǎn)生一定程度的影響。這些物體由于會(huì)受到入射波的影響以至產(chǎn)生二次輻射場，當(dāng)原有的基本場與此次產(chǎn)生的二次輻射場重合在一起的時(shí)候，使原有的基本場波振面發(fā)生歪曲，從而使航道上的飛機(jī)無法獲取精準(zhǔn)的位置。附近的這些物體距離測角設(shè)備越近，它產(chǎn)生的二次輻射場也就越大，從而使測得的方向發(fā)生了偏差。

5.2 海岸效應(yīng)與山區(qū)效應(yīng)產(chǎn)生的誤差

早期人們?cè)诶脽o線電波測量方向的時(shí)候就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電波從海洋經(jīng)過海岸線再傳到陸地時(shí)，電波的方向會(huì)發(fā)生幾次偏轉(zhuǎn)，最終導(dǎo)致測量方向的失真，這就是人們所說的海岸效應(yīng)。產(chǎn)生的這種誤差是由于電波傳播途徑發(fā)生了變化而產(chǎn)生的，而根本上是由于場地相位結(jié)構(gòu)失真導(dǎo)致的。

5.3 頂錐模糊產(chǎn)生的誤差

從一般情況看來，定向器設(shè)備在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)要嚴(yán)格按照接收水平面方向的入射波的要求來研發(fā)設(shè)計(jì)，而不可以用此來測量頭頂上發(fā)射機(jī)發(fā)來的信號(hào)位置。這對(duì)于航空的導(dǎo)航系統(tǒng)來說，是必要高高度重視起來的。隨著飛機(jī)飛行過程中仰角的不斷增大，都一定的極限程度時(shí)，方位測量的偏差也就顯而易見了，而且這一誤差在飛機(jī)飛行過程中不斷的發(fā)生著變化。

6 結(jié)束語

由此可見，當(dāng)無線電導(dǎo)航測向體系在發(fā)射與接收信號(hào)時(shí)極易受到外界環(huán)境的干擾，因此，誤差的出現(xiàn)也是正常存在的，所以，從民航的角度來說必須采取具體的措施來使誤差達(dá)到最小化。首先，在測向設(shè)備的選擇上要注意設(shè)備的性價(jià)比，選擇質(zhì)量較高的設(shè)備。其次、在建設(shè)多普勒全向信標(biāo)測向臺(tái)的時(shí)候要選擇合適的地點(diǎn)，并且要在重要的航路上進(jìn)行多重覆蓋。最后，日常維護(hù)也特別的重要。