飛機導航系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀

王蒙

從1903年問世以來，飛機就因其超快的飛行速度、超高的交通效率和不受限于地形地勢的諸多優(yōu)勢而蓬勃發(fā)展起來。在這百年飛行史中，有一個因素始終凌駕于飛機的所有優(yōu)勢之上，那就是飛行安全。

每個人都想要飛得安全，所以知道飛機的準確位置就很必要，這時候?qū)Ш较到y(tǒng)就派上了大用處。作為飛機的“眼睛”，導航可不是只通過“看”這么簡單的方法，而是通過復雜的無線電系統(tǒng)、慣導系統(tǒng)、衛(wèi)星系統(tǒng)、圖像識別系統(tǒng)來綜合“感知”和“收發(fā)”信號，確切地計算出飛機的當前位置，從而順利地讓飛機從出發(fā)地航行到目的地。

從目視導航到無線電導航

在飛機誕生之初，由于飛行高度、飛行速度都比較小，所以當時的主要導航方法就是目視導航，即由飛行員自己用肉眼觀察地面和前方的情況。這對飛行員提出了較高的要求，并且只能在能見度較好的天氣下飛行。因為飛行員需要時刻關注地面上的各類地標，從而知道自己當前的飛行位置。如果天氣不好，能見度很差，飛行員無法觀察到地標，就只能自己推測大致航跡，因此這樣的方法很不精確并且危險性極高。

沒過多久，人們就發(fā)現(xiàn)可以利用無線電導航來代替目視導航。當時的西方社會已經(jīng)進入了電氣化時代，馬可尼、特斯拉、波波夫等人都對無線電的發(fā)現(xiàn)和應用作出了貢獻。當人們發(fā)現(xiàn)無線電可以作為信息的傳播載體時，飛機的導航系統(tǒng)迎來了新的篇章。僅僅過了不到20年，西方各國就建設了許許多多的無線電臺，為空中的飛機提供指引。

到了20世紀30年代，無線電羅盤已經(jīng)成熟地安裝在飛機上。羅盤通過測量不同無線電臺相對于飛機的方位角，就可以計算出飛機的當前位置。由于無線電導航是通過無線電波的直接傳播或者經(jīng)過大氣電離層的反射傳播，很少受到氣象條件的影響，作用距離遠，設備簡單可靠，即使在夜間或者復雜氣象條件下，也能確保飛機的安全著陸。因此，在無線電的“加持”下，飛機可以飛得更高、飛得更遠，也飛得更安全了。

從伏爾導航到慣性導航

隨著無線電技術的不斷成熟，以及兩次世界大戰(zhàn)的催化，20世紀40年代至50年代，伏爾導航系統(tǒng)（VHF Omnidirectional Range，VOR）被規(guī)定為專用的國際標準民用導航系統(tǒng)，這種基于甚高頻的測向系統(tǒng)最遠可以達到400公里的作用距離，將無線電導航臺所用的頻率和工作方式進行了標準化，從而大大簡化了機載無線電設備的設計。這套系統(tǒng)一直沿用至今，可謂“寶刀不老”。

在VOR進行測向的同時，飛機上的測距儀（Distance Measuring Equipment，DME）系統(tǒng)負責測距。由于無線電波的速度為光速，通過測量飛機發(fā)出的無線電波往返于地面導航臺所需的時間，就可以算出飛機的斜距。當然了，如果想計算飛機的水平距離，則需要加入飛機的高度進行解算，這是一個非?；A的勾股定理問題，還是比較容易解決的。

值得一提的是，20世紀50年代，還出現(xiàn)了一種塔康導航系統(tǒng)（Tactical Air Navigation System，TACAN），可以同時完成測向和測距兩種功能。

無線電導航系統(tǒng)都依托于地面設備，飛機與地面設備必須通過無線電波進行“互動”，所以在無線電導航發(fā)展得如火如荼的時候，科學家還研發(fā)了一種完全不基于地面設備的導航方法——慣性導航系統(tǒng)。

該方法通過在飛機上安裝陀螺儀和加速度計，測量飛機的加速度，然后通過對加速度進行積分，得到飛機的速度和位移。這種導航方法只依靠飛機上的儀器而與外界無關，且不易受無線電干擾，有著獨特的優(yōu)勢，只不過缺點也很明顯，那就是隨著時間的推移，慣導的累積誤差會越來越大。所以，現(xiàn)代飛機往往會通過別的導航方法來修正慣導誤差。

衛(wèi)星導航系統(tǒng)

技術發(fā)展日新月異，現(xiàn)代的飛機導航更多地依賴于“天上的燈塔”，也就是全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，這相當于把原本在地面的導航臺“搬到了”天上。衛(wèi)星的位置高，覆蓋范圍廣，可以輕易地實現(xiàn)全球?qū)Ш?，這是任何其他的導航系統(tǒng)都無法媲美的。

從20世紀70年代開始，美國和前蘇聯(lián)（俄羅斯）都進行了各自的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)研制，美國研制的就是現(xiàn)在家喻戶曉的GPS系統(tǒng)，于1994年全面建設完成，并且于2010年重新優(yōu)化調(diào)整了GPS衛(wèi)星的分布，大大改善了導航設備的精度。

前蘇聯(lián)（俄羅斯）研制的是格洛納斯（GLONASS）系統(tǒng)，原計劃1995年建成，但是由于蘇聯(lián)解體導致計劃擱淺，直到2001年俄羅斯才重新啟動建設，于2010年完成了全部24顆衛(wèi)星的發(fā)射。

此外，歐盟和中國也從20世紀90年代開始，分別研制建設了各自的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，即伽利略系統(tǒng)和北斗系統(tǒng)。其中，伽利略系統(tǒng)已完成22顆衛(wèi)星的發(fā)射，而北斗系統(tǒng)已經(jīng)完成了北斗三號建設并提供服務。所以，目前共有4套全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，但應用最廣泛的還是美國的GPS系統(tǒng)。

從20世紀80年代起，各國就逐步將全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)作為飛機的導航源進行應用。其基本原理是：飛機上的接收機收到衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號，求出飛機相對衛(wèi)星的距離，由于衛(wèi)星相對于地面基站的位置已知，那么通過解算一組方程就可以計算出飛機的位置。

由于鐘差的存在，理論上需要4顆衛(wèi)星才可完成解算。但實際上，飛機在同一時間能接收到信號的衛(wèi)星遠不止4顆，所以可以挑選其中信號最佳的4顆，使得計算結(jié)果更加準確。

目前在役的絕大部分飛機都支持衛(wèi)星導航功能，其定位精度完全可以滿足航行要求，并且具有全天候、全覆蓋、無源測距等諸多優(yōu)勢，是目前飛機導航當仁不讓的“上上之選”。

此外，一種基于圖像匹配技術的導航系統(tǒng)也在研究中。其原理是，地球表面的山川、平原、森林、峽谷、河流、典型建筑物等特征，短期內(nèi)一般不會隨著時間和氣候的變化而變化，所以可以將這些地形數(shù)據(jù)制作成數(shù)字化地圖，事先存儲在飛機的計算機中。在飛機飛越的時候，通過探測設備對所在區(qū)域進行測量，再跟數(shù)字化地圖進行比對，從而得到飛機的位置。

具體來說，該導航系統(tǒng)可以分為地形匹配導航和景象匹配導航兩種，目前較多地應用在軍用飛機低空突防或者導彈制導中，在民機中鮮有應用。

說到底，導航要解決的核心問題是讓飛機知道自己的位置，并且沿既定路線從一個地方飛到另一個地方。所以，一旦沒有了導航，飛機就像是失去了眼睛，后果不堪設想。當前，新技術蓬勃發(fā)展，新概念層出不窮，未來的導航技術也必將沿著智能化、自動化、綜合化的方向不斷前進，未來的飛機必將擁有更加“炯炯有神的雙眼”，從而更安全、更高效、更可靠地翱翔在藍天白云之上。