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軍工科普丨飛機如何飛行萬里不迷航?

來源:中國軍網-解放軍報作者:張皓嵐 劉任豐 李 姍責任編輯:李佳琦
2021-10-08 07:20

飛機如何不迷航

■張皓嵐 劉任豐 李 姍

上圖:地面導航台和人造衞星為飛機指引航向示意圖。資料照片

世界航空史曾有這樣一件趣事:1978年,飛行員傑伊·普羅奇諾駕駛塞斯納188型飛機,因機載自動定向儀損壞,被困在南太平洋上空陷入絕境。此時,一架載有88名乘客的客機恰好從附近經過。於是,上演了“大飛機找小飛機”的神奇一幕,堪稱現實版“大海撈針”。

飛行萬里不迷航,是飛機高效可靠完成各項任務的前提。早期,飛機導航方式較為單一,受複雜地貌和空中不穩定氣流的影響,飛行員很容易迷失航向。針對這一問題,航空導航技術應運而生。

現代航空導航技術如何發展而來?各類導航系統如何精準引導飛機抵達目的地?請看海軍航空大學一級領航員王桂建的解讀。

觀山看海行天下

走進軍用運輸機的領航艙,縱橫交錯的線路和精密複雜的儀器讓人目不暇接。這些部件構成導航系統,幫助戰機確定航向。

有人會問:一個多世紀前,沒有現代化導航系統,飛機如何飛抵目的地?

這個問題曾困擾着當時的飛行員。飛行員從高空向下望,連綿的山脈、蜿蜒的河流,很難辨別方位,不免心生疑惑:“這是飛到哪裏了?”

當時,飛行員憑經驗總結出最原始的導航方法——地標導航。這種方式基本靠“瞅”,飛行員需要根據地圖和記憶尋找特徵地形,從而確定飛行路線。

1911年,在一次比賽中,美國飛行員基恩從容地駕駛飛機,屢屢超越飛得更快的選手,他的飛行祕訣是一張防風地圖。這張防風地圖,能讓他駕駛飛機飛直線,而其他選手只能參照公路地標。

然而,參照自然地貌的地標導航只適用於晴天飛行,一旦遇到複雜天氣該怎麼辦呢?20世紀20年代,科研人員在地面鋪設了幾百座箭頭狀導航信標。每座信標長21米,被刷成明亮的黃色,上方有一座15米高塔,塔頂安裝一盞燃氣燈,塔底有小屋供應燃料。

採用這種導航方式,飛行員從遠處就能看到箭頭,百餘個箭頭橫跨整個美國,為飛行員飛行指明方向。

對富有冒險精神的飛行探險家而言,“跨越大海”是他們新一輪的挑戰目標。

廣袤大洋一望無際,缺少目視參照物,又該怎麼辦?當時,飛行員們認為,只要航向準確,他們就可以根據風速和飛行速度,大致計算出飛行時間和位置,從而完成跨洋飛行。

1927年,美國飛行員查爾斯·林白作出一個大膽決定——帶着一枚指南針、一塊偏流測量儀和幾張地圖,獨自開啓了跨越大西洋的航程。

天有不測風雲。大西洋上空,一場突如其來的暴風雨致使飛機羅盤失靈。在空中盤旋數個小時後,查爾斯終於透過舷窗發現了一艘漁船。他難掩激動心情,超低空飛了過去,大喊:“愛爾蘭在哪裏?”

經過連續計算和飛行修正,查爾斯終於看到愛爾蘭的海岸線。起飛33.5小時後,他降落在巴黎布爾歇機場,成為單飛不降落、橫跨大西洋的第一人。

雖然此次跨海飛行航線與計劃航線只偏差不到5公里,但飛行導航過程中的艱險經歷讓科研人員認識到:要想順利完成海上飛行,需要一種更先進的航空導航方式。

耳聽八方定方位

20世紀30年代,隨着無線電技術日益成熟,人們發現,這項技術除了用於通信交流,還可以進行航空導航。於是,科研人員將無線電技術與羅盤結合,計算出飛機的飛行位置。

與目視導航相比,無線電導航不易受到氣象條件影響,即使在夜間或複雜氣象條件下,也能確保飛機飛行安全。

最初,無線電導航是利用佈設在地面的中/長波無方向信標台和測距儀定位。它們就像茫茫大海中的燈塔,向周邊空間不斷髮射信號。飛機上的無線電接收系統如同順風耳,能從各種信號中“聽”出不同信息。比如,飛機在導航台什麼方位、有多遠距離,從而為飛機精準定位、引導航向。

二戰時期,跨海執行遠程任務的轟炸機機羣,需要跟着領航機飛行。領航員靠着無線電和地圖的指引,將轟炸機機羣帶到目標上空。轟炸任務完畢後,再靠本土大功率無線電信標台指引返航。

當時,中/長波無線電信標台存在傳播特性不穩定、作用距離短等缺點,為克服這些問題,科研人員又研製出甚高頻全向信標——伏爾導航系統。

伏爾導航系統通信距離達400公里,統一規範了無線電導航台的頻率,簡化了機載無線電設備的設計。20世紀50年代,伏爾導航系統被列為專用國際標準民用導航系統,並沿用至今。

無線電導航技術要求飛機必須與地面設備保持聯通,一旦地面設備損壞或受到電磁干擾,飛機會成為“睜眼瞎”。因此,科研人員研製出一種完全不利用地面設備的慣性導航系統。

這套系統更像是一種小型計算機,安裝的陀螺儀和加速度計能夠測出飛機的飛行加速度,再對加速度進行計算,得出飛機的飛行速度和位移。這種導航方式不易受無線電干擾,為飛機裝上“指南針”。

慣性導航的缺點也很明顯:隨着時間推移,累積誤差會越來越大。所以,現代飛機往往會通過其他導航方法來修正慣導誤差。

星星指路引航程

皓月當空,星光璀璨。如果飛行員駕駛飛機在夜間迷航,他們會利用六分儀觀星,這就是天文導航。

天文導航需要飛行員擁有豐富的天文知識儲備。當遇到氣流顛簸時,飛行員很容易選錯參考星體,從而迷失航向。

為了解決這一問題,早期的麥道和波音客機將天文導航融入駕駛艙設計理念中,在駕駛艙風擋玻璃頂端裝上“觀星窗”。這種設計能減少目視飛行中的盲區面積,即使在導航系統全部失效後,也能通過天體來判斷所處位置。

傳統天文導航,飛行員需要通過複雜計算才能得出位置信息,如何讓星星把位置信息直白地“告訴”飛行員呢?

隨着各國航天技術發展,科學家決定親自動手,在天上鑲上“星星”——人造衞星。這些人造衞星所構成的全球衞星導航系統,相當於把原本在地面的導航台搬到天上,被形象地稱為“天上燈塔”。

衞星導航的原理不難理解:利用飛機接收機接收衞星信號,計算出飛機相對衞星的距離,衞星相對於地面基站的位置已知,解算一組方程就能得出飛機位置。衞星位置高、覆蓋範圍廣,可以輕鬆實現全球導航,這是任何導航系統都無法媲美的。

20世紀70年代,美國和蘇聯爭相開始研發全球衞星導航系統。

美國GPS系統家喻户曉,這套系統於1994年全面建設完成,並於2010年重新優化調整了衞星分佈,改善了導航設備精度;俄羅斯格洛納斯系統,原計劃1995年建成,蘇聯解體導致計劃擱淺,直到2001年俄羅斯才重新啓動建設,於2010年完成了全部24顆衞星的發射。

20世紀90年代,歐盟開始研製伽利略導航系統。該系統衞星數量多,能提供更好的信號、傳遞更多的信息,安裝的精確原子鐘運行300萬年後誤差只有1秒,定位誤差在1米以內。

值得一提的是,伽利略導航系統不僅是一個獨立的定位導航工具,還能與多種導航系統結合使用,提高對海洋風速、海面潮水的強度和高度等數據測量精度。

2020年7月31日,中國北斗三號全球衞星導航系統正式開通。從2000年建成的北斗一號系統,到2012年服務亞太地區的北斗二號系統,再到2018年服務“一帶一路”國家、2020年全面建成的北斗三號全球衞星導航系統,我國成為世界上第三個獨立擁有全球衞星導航系統的國家。“北斗+5G”“北斗+AI”“北斗+大數據”……一個嶄新未來正撲面而來。

當前,新技術層出不窮,導航技術正向着智能化、自動化、系統化的方向發展。今年5月,第十二屆中國衞星導航年會就以“時空數據,賦能未來”為主題,全面展示衞星導航時空服務對未來發展的重要意義。

相信隨着科技快速發展,在不久的將來,會出現更多精度高、範圍廣、不受外界干擾的航空導航系統。它們將引領戰機安全、高效地穿越雲層、跨越山海。

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