飛機導航系統的發展與現狀

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勢而蓬勃發展起來。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，這時候導航系統就派上了大用處。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、慣導系統、衛星系統、圖像識別系統來綜合“感知”和“收發”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，人們就發現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現和應用作出了貢獻。當人們發現無線電可以作為信息的傳播載體時，飛機的導航系統迎來了新的篇章。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，以及兩次世界大戰的催化，20世紀40年代至50年代，伏爾導航系統（VHF Omnidirectional Range，VOR）被規定為專用的國際標準民用導航系統，這種基于甚高頻的測向系統最遠可以達到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）系統負責測距。由于無線電波的速度為光速，通過測量飛機發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，這是一個非常基礎的勾股定理問題，還是比較容易解決的。

值得一提的是，20世紀50年代，還出現了一種塔康導航系統（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展得如火如荼的時候，科學家還研發了一種完全不基于地面設備的導航方法——慣性導航系統。

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，現代飛機往往會通過別的導航方法來修正慣導誤差。

衛星導航系統

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

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

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

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星導航系統，即伽利略系統和北斗系統。其中，伽利略系統已完成22顆衛星的發射，而北斗系統已經完成了北斗三號建設并提供服務。所以，目前共有4套全球衛星導航系統，但應用最廣泛的還是美國的GPS系統。

從20世紀80年代起，各國就逐步將全球衛星導航系統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星發射的無線電信號，求出飛機相對衛星的距離，由于衛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，使得計算結果更加準確。

目前在役的絕大部分飛機都支持衛星導航功能，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據制作成數字化地圖，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域進行測量，再跟數字化地圖進行比對，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。