多普勒效应用于飞机导航的研究开始于1945年末。随后，美国研制出第一个多普勒导航系统AN/APN-66。后来很多国家也相继开展多普勒雷达的研制工作。20世纪50年代，研制和生产出多种类型和用途的多普勒导航雷达。60年代，多普勒导航雷达在理论、技术和应用上趋于成熟。此后，主要工作是使设备减轻重量、小型化和多功能化，提高可靠性和同其他设备组合使用。

图1 多普勒导航雷达工作原理示意图

机上的多普勒导航雷达（图1）向地面发射电磁波，因飞机与电磁波照射的地面之间存在相对运动，雷达接收到地面回波的频率与发射电磁波的频率相差一个多普勒频率：

…（1）

式中为飞机的飞行速度，一般为空速和风速的合成速度；为速度与雷达波束轴线之间的夹角。

已知飞机的俯仰角和侧滚角，在图1的地平坐标系中可把分解成沿坐标轴、和的3个速度分量、和。仅由上式不能解算出这3个速度分量。至少须有3个波束，测出3个独立的多普勒频率、和，才能解算出、和。这样，可分别求出飞机的地速和偏流角：

…（2）

…（3）

因此，多普勒导航雷达实际上是机载的飞机速度传感器或地速、偏流角传感器。

图2 多普勒导航雷达组成框图

多普勒导航雷达由发射机、接收机、天线系统、频率跟踪器、偏流角和地速解算器以及指示器等组成（图2）。①发射机。产生稳定的射频振荡，工作于厘米波波段。②接收机。接收和放大地面回波信号，分离出含有飞机相对地面运动信息的多普勒频率。由于天线波束有一定宽度，多普勒频率实际上是类似钟形的多普勒频谱。③天线系统。产生多个针状或扇形定向波束，向地面发射电磁波，接收地面回波。天线系统一般包括馈线、收发开关、波束开关和天线。常用的天线是缝隙波导阵天线或喇叭透镜天线。④频率跟踪器。将接收机输出的多普勒频谱变换成便于测量的单频，对准并跟踪多普勒频谱的中心频率。频率跟踪器中还设有信噪比测量电路和控制电路，以避免错误跟踪和保证连续可靠的工作。⑤偏流角和地速解算器。根据频率跟踪器输出的多普勒频率和陀螺系统输出的俯仰、侧滚数据，计算出偏流角和地速，送至导航计算机进行航位推算，同时输送至指示器。⑥指示器。指示飞机的地速和偏流角数据。

多普勒导航雷达的载波调制方式可分为简单连续波方式、窄脉冲调制方式、间断连续波方式、正弦调频连续波方式和伪随机码移频键控方式。调制方式对多普勒导航雷达的性能有很大影响，如能否测量零速度、负速度、垂直速度，能否测高，以及雷达的最低工作高度和最高工作高度，适应机动飞机的能力，雷达的体积和重量等。不同调制方式的多普勒导航雷达各有优缺点。

多普勒导航雷达天线有2种安装方式。一种是将天线安装在平台上，平台伺服系统使天线平面与地面保持平行。偏流角伺服系统使天线在平台平面内转动，对偏流角进行跟踪，天线纵轴与平台纵轴间的夹角即为偏流角。把来自天线前左（右）、后右（左）2波束接收的回波相互差拍，得到多普勒频率，它正比于地速。这种安装方式用于窄脉冲调制多普勒导航雷达。另一种是将天线固联在飞机机体上。这时发射机向接收机提供稳定的相干本地振荡，与天线接收的回波进行差拍，得到多普勒频率。根据测出的多个多普勒频率，结合飞机的俯仰和侧滚数据，解算出地速和偏流角。这种安装方式通常用于除窄脉冲调制方式以外的其他调制方式的多普勒导航雷达。这种雷达能测量零速、负速和垂直速度。为了求解飞机的3个速度分量，雷达天线至少产生3个波束，但当已知飞机的攻角时，也可使用双波束天线。双波束采用“V”形配置。3个或3个以上的波束通常采用“Y”形或“X”形配置。窄脉冲调制雷达采用“X”形波束配置。

多普勒导航雷达测速误差约为0.2%，测偏流角误差约为±0.5°。在海面工作时，测速误差可增至4%，经修正后仍可达1%。多普勒导航雷达是机上唯一能精测地速和偏流角的设备，有一定的抗干扰能力，适用于俯仰、翻滚幅度不大的飞行器。多普勒雷达设备主要应用于轰炸机、运输机、侦察机、无人驾驶飞机和直升机，在民航飞机上也可使用。