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发布日期:2021年06月20日
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航空史话

飞机导航系统的发展与现状

时间:2021年01月18日   来源:中国商飞公司新闻中心
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  1903年问世以来,飞机就因其超快的飞行速度、超高的交通效率和不受限于地形地势的诸多优势而蓬勃发展起来。在这百年飞行史中,有一个因素始终凌驾于飞机的所有优势之上,那就是飞行安全。 

  每个人都想要飞得安全,所以知道飞机的准确位置就很必要,这时候导航系统就派上了大用处。作为飞机的“眼睛”,导航可不是只通过“看”这么简单的方法,而是通过复杂的无线电系统、惯导系统、卫星系统、图像识别系统来综合“感知”和“收发”信号,确切地计算出飞机的当前位置,从而顺利地让飞机从出发地航行到目的地。 

                                      

  从目视导航到无线电导航 

  在飞机诞生之初,由于飞行高度、飞行速度都比较小,所以当时的主要导航方法就是目视导航,即由飞行员自己用肉眼观察地面和前方的情况。这对飞行员提出了较高的要求,并且只能在能见度较好的天气下飞行。因为飞行员需要时刻关注地面上的各类地标,从而知道自己当前的飞行位置。如果天气不好,能见度很差,飞行员无法观察到地标,就只能自己推测大致航迹,因此这样的方法很不精确并且危险性极高。 

  没过多久,人们就发现可以利用无线电导航来代替目视导航。当时的西方社会已经进入了电气化时代,马可尼、特斯拉、波波夫等人都对无线电的发现和应用作出了贡献。当人们发现无线电可以作为信息的传播载体时,飞机的导航系统迎来了新的篇章。仅仅过了不到20年,西方各国就建设了许许多多的无线电台,为空中的飞机提供指引。 

  到了20世纪30年代,无线电罗盘已经成熟地安装在飞机上。罗盘通过测量不同无线电台相对于飞机的方位角,就可以计算出飞机的当前位置。由于无线电导航是通过无线电波的直接传播或者经过大气电离层的反射传播,很少受到气象条件的影响,作用距离远,设备简单可靠,即使在夜间或者复杂气象条件下,也能确保飞机的安全着陆。因此,在无线电的“加持”下,飞机可以飞得更高、飞得更远,也飞得更安全了。 

                                                        

  从伏尔导航到惯性导航 

  随着无线电技术的不断成熟,以及两次世界大战的催化,20世纪40年代至50年代,伏尔导航系统(VHF Omnidirectional RangeVOR)被规定为专用的国际标准民用导航系统,这种基于甚高频的测向系统最远可以达到400公里的作用距离,将无线电导航台所用的频率和工作方式进行了标准化,从而大大简化了机载无线电设备的设计。这套系统一直沿用至今,可谓“宝刀不老”。 

  VOR进行测向的同时,飞机上的测距仪(Distance Measuring EquipmentDME)系统负责测距。由于无线电波的速度为光速,通过测量飞机发出的无线电波往返于地面导航台所需的时间,就可以算出飞机的斜距。当然了,如果想计算飞机的水平距离,则需要加入飞机的高度进行解算,这是一个非常基础的勾股定理问题,还是比较容易解决的。 

  值得一提的是,20世纪50年代,还出现了一种塔康导航系统(TacticalAirNavigationSystemTACAN),可以同时完成测向和测距两种功能。 

  无线电导航系统都依托于地面设备,飞机与地面设备必须通过无线电波进行“互动”,所以在无线电导航发展得如火如荼的时候,科学家还研发了一种完全不基于地面设备的导航方法——惯性导航系统。 

  该方法通过在飞机上安装陀螺仪和加速度计,测量飞机的加速度,然后通过对加速度进行积分,得到飞机的速度和位移。这种导航方法只依靠飞机上的仪器而与外界无关,且不易受无线电干扰,有着独特的优势,只不过缺点也很明显,那就是随着时间的推移,惯导的累积误差会越来越大。所以,现代飞机往往会通过别的导航方法来修正惯导误差。 

                                              

  卫星导航系统

  

 

  技术发展日新月异,现代的飞机导航更多地依赖于“天上的灯塔”,也就是全球卫星导航系统,这相当于把原本在地面的导航台“搬到了”天上。卫星的位置高,覆盖范围广,可以轻易地实现全球导航,这是任何其他的导航系统都无法媲美的。 

  20世纪70年代开始,美国和前苏联(俄罗斯)都进行了各自的全球卫星导航系统研制,美国研制的就是现在家喻户晓的GPS系统,于1994年全面建设完成,并且于2010年重新优化调整了GPS卫星的分布,大大改善了导航设备的精度。 

  前苏联(俄罗斯)研制的是格洛纳斯(GLONASS)系统,原计划1995年建成,但是由于苏联解体导致计划搁浅,直到2001年俄罗斯才重新启动建设,于2010年完成了全部24颗卫星的发射。 

  此外,欧盟和中国也从20世纪90年代开始,分别研制建设了各自的卫星导航系统,即伽利略系统和北斗系统。其中,伽利略系统已完成22颗卫星的发射,而北斗系统已经完成了北斗三号建设并提供服务。所以,目前共有4套全球卫星导航系统,但应用最广泛的还是美国的GPS系统。 

  20世纪80年代起,各国就逐步将全球卫星导航系统作为飞机的导航源进行应用。其基本原理是:飞机上的接收机收到卫星发射的无线电信号,求出飞机相对卫星的距离,由于卫星相对于地面基站的位置已知,那么通过解算一组方程就可以计算出飞机的位置。 

  由于钟差的存在,理论上需要4颗卫星才可完成解算。但实际上,飞机在同一时间能接收到信号的卫星远不止4颗,所以可以挑选其中信号最佳的4颗,使得计算结果更加准确。 

  目前在役的绝大部分飞机都支持卫星导航功能,其定位精度完全可以满足航行要求,并且具有全天候、全覆盖、无源测距等诸多优势,是目前飞机导航当仁不让的“上上之选”。 

  此外,一种基于图像匹配技术的导航系统也在研究中。其原理是,地球表面的山川、平原、森林、峡谷、河流、典型建筑物等特征,短期内一般不会随着时间和气候的变化而变化,所以可以将这些地形数据制作成数字化地图,事先存储在飞机的计算机中。在飞机飞越的时候,通过探测设备对所在区域进行测量,再跟数字化地图进行比对,从而得到飞机的位置。 

  具体来说,该导航系统可以分为地形匹配导航和景象匹配导航两种,目前较多地应用在军用飞机低空突防或者导弹制导中,在民机中鲜有应用。 

  说到底,导航要解决的核心问题是让飞机知道自己的位置,并且沿既定路线从一个地方飞到另一个地方。所以,一旦没有了导航,飞机就像是失去了眼睛,后果不堪设想。当前,新技术蓬勃发展,新概念层出不穷,未来的导航技术也必将沿着智能化、自动化、综合化的方向不断前进,未来的飞机必将拥有更加“炯炯有神的双眼”,从而更安全、更高效、更可靠地翱翔在蓝天白云之上。 

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