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军工科普丨飞机如何飞行万里不迷航?

华夏经纬网 > 军事 > 兵器大观 > 空战      2021-10-08 15:27:42

  飞机如何不迷航

  ■张皓岚 刘任丰 李 姗  

  上图:地面导航台和人造卫星为飞机指引航向示意图。资料照片

  世界航空史曾有这样一件趣事:1978年,飞行员杰伊·普罗奇诺驾驶塞斯纳188型飞机,因机载自动定向仪损坏,被困在南太平洋上空陷入绝境。此时,一架载有88名乘客的客机恰好从附近经过。于是,上演了“大飞机找小飞机”的神奇一幕,堪称现实版“大海捞针”。

  飞行万里不迷航,是飞机高效可靠完成各项任务的前提。早期,飞机导航方式较为单一,受复杂地貌和空中不稳定气流的影响,飞行员很容易迷失航向。针对这一问题,航空导航技术应运而生。

  现代航空导航技术如何发展而来?各类导航系统如何精准引导飞机抵达目的地?请看海军航空大学一级领航员王桂建的解读。

  观山看海行天下

  走进军用运输机的领航舱,纵横交错的线路和精密复杂的仪器让人目不暇接。这些部件构成导航系统,帮助战机确定航向。

  有人会问:一个多世纪前,没有现代化导航系统,飞机如何飞抵目的地?

  这个问题曾困扰着当时的飞行员。飞行员从高空向下望,连绵的山脉、蜿蜒的河流,很难辨别方位,不免心生疑惑:“这是飞到哪里了?”

  当时,飞行员凭经验总结出最原始的导航方法——地标导航。这种方式基本靠“瞅”,飞行员需要根据地图和记忆寻找特征地形,从而确定飞行路线。

  1911年,在一次比赛中,美国飞行员基恩从容地驾驶飞机,屡屡超越飞得更快的选手,他的飞行秘诀是一张防风地图。这张防风地图,能让他驾驶飞机飞直线,而其他选手只能参照公路地标。

  然而,参照自然地貌的地标导航只适用于晴天飞行,一旦遇到复杂天气该怎么办呢?20世纪20年代,科研人员在地面铺设了几百座箭头状导航信标。每座信标长21米,被刷成明亮的黄色,上方有一座15米高塔,塔顶安装一盏燃气灯,塔底有小屋供应燃料。

  采用这种导航方式,飞行员从远处就能看到箭头,百余个箭头横跨整个美国,为飞行员飞行指明方向。

  对富有冒险精神的飞行探险家而言,“跨越大海”是他们新一轮的挑战目标。

  广袤大洋一望无际,缺少目视参照物,又该怎么办?当时,飞行员们认为,只要航向准确,他们就可以根据风速和飞行速度,大致计算出飞行时间和位置,从而完成跨洋飞行。

  1927年,美国飞行员查尔斯·林白作出一个大胆决定——带着一枚指南针、一块偏流测量仪和几张地图,独自开启了跨越大西洋的航程。

  天有不测风云。大西洋上空,一场突如其来的暴风雨致使飞机罗盘失灵。在空中盘旋数个小时后,查尔斯终于透过舷窗发现了一艘渔船。他难掩激动心情,超低空飞了过去,大喊:“爱尔兰在哪里?”

  经过连续计算和飞行修正,查尔斯终于看到爱尔兰的海岸线。起飞33.5小时后,他降落在巴黎布尔歇机场,成为单飞不降落、横跨大西洋的第一人。

  虽然此次跨海飞行航线与计划航线只偏差不到5公里,但飞行导航过程中的艰险经历让科研人员认识到:要想顺利完成海上飞行,需要一种更先进的航空导航方式。

  耳听八方定方位

  20世纪30年代,随着无线电技术日益成熟,人们发现,这项技术除了用于通信交流,还可以进行航空导航。于是,科研人员将无线电技术与罗盘结合,计算出飞机的飞行位置。

  与目视导航相比,无线电导航不易受到气象条件影响,即使在夜间或复杂气象条件下,也能确保飞机飞行安全。

  最初,无线电导航是利用布设在地面的中/长波无方向信标台和测距仪定位。它们就像茫茫大海中的灯塔,向周边空间不断发射信号。飞机上的无线电接收系统如同顺风耳,能从各种信号中“听”出不同信息。比如,飞机在导航台什么方位、有多远距离,从而为飞机精准定位、引导航向。

  二战时期,跨海执行远程任务的轰炸机机群,需要跟着领航机飞行。领航员靠着无线电和地图的指引,将轰炸机机群带到目标上空。轰炸任务完毕后,再靠本土大功率无线电信标台指引返航。

  当时,中/长波无线电信标台存在传播特性不稳定、作用距离短等缺点,为克服这些问题,科研人员又研制出甚高频全向信标——伏尔导航系统。

  伏尔导航系统通信距离达400公里,统一规范了无线电导航台的频率,简化了机载无线电设备的设计。20世纪50年代,伏尔导航系统被列为专用国际标准民用导航系统,并沿用至今。

  无线电导航技术要求飞机必须与地面设备保持联通,一旦地面设备损坏或受到电磁干扰,飞机会成为“睁眼瞎”。因此,科研人员研制出一种完全不利用地面设备的惯性导航系统。

  这套系统更像是一种小型计算机,安装的陀螺仪和加速度计能够测出飞机的飞行加速度,再对加速度进行计算,得出飞机的飞行速度和位移。这种导航方式不易受无线电干扰,为飞机装上“指南针”。

  惯性导航的缺点也很明显:随着时间推移,累积误差会越来越大。所以,现代飞机往往会通过其他导航方法来修正惯导误差。

  星星指路引航程

  皓月当空,星光璀璨。如果飞行员驾驶飞机在夜间迷航,他们会利用六分仪观星,这就是天文导航。

  天文导航需要飞行员拥有丰富的天文知识储备。当遇到气流颠簸时,飞行员很容易选错参考星体,从而迷失航向。

  为了解决这一问题,早期的麦道和波音客机将天文导航融入驾驶舱设计理念中,在驾驶舱风挡玻璃顶端装上“观星窗”。这种设计能减少目视飞行中的盲区面积,即使在导航系统全部失效后,也能通过天体来判断所处位置。

  传统天文导航,飞行员需要通过复杂计算才能得出位置信息,如何让星星把位置信息直白地“告诉”飞行员呢?

  随着各国航天技术发展,科学家决定亲自动手,在天上镶上“星星”——人造卫星。这些人造卫星所构成的全球卫星导航系统,相当于把原本在地面的导航台搬到天上,被形象地称为“天上灯塔”。

  卫星导航的原理不难理解:利用飞机接收机接收卫星信号,计算出飞机相对卫星的距离,卫星相对于地面基站的位置已知,解算一组方程就能得出飞机位置。卫星位置高、覆盖范围广,可以轻松实现全球导航,这是任何导航系统都无法媲美的。

  20世纪70年代,美国和苏联争相开始研发全球卫星导航系统。

  美国GPS系统家喻户晓,这套系统于1994年全面建设完成,并于2010年重新优化调整了卫星分布,改善了导航设备精度;俄罗斯格洛纳斯系统,原计划1995年建成,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。

  20世纪90年代,欧盟开始研制伽利略导航系统。该系统卫星数量多,能提供更好的信号、传递更多的信息,安装的精确原子钟运行300万年后误差只有1秒,定位误差在1米以内。

  值得一提的是,伽利略导航系统不仅是一个独立的定位导航工具,还能与多种导航系统结合使用,提高对海洋风速、海面潮水的强度和高度等数据测量精度。

  2020年7月31日,中国北斗三号全球卫星导航系统正式开通。从2000年建成的北斗一号系统,到2012年服务亚太地区的北斗二号系统,再到2018年服务“一带一路”国家、2020年全面建成的北斗三号全球卫星导航系统,我国成为世界上第三个独立拥有全球卫星导航系统的国家。“北斗+5G”“北斗+AI”“北斗+大数据”……一个崭新未来正扑面而来。

  当前,新技术层出不穷,导航技术正向着智能化、自动化、系统化的方向发展。今年5月,第十二届中国卫星导航年会就以“时空数据,赋能未来”为主题,全面展示卫星导航时空服务对未来发展的重要意义。

  相信随着科技快速发展,在不久的将来,会出现更多精度高、范围广、不受外界干扰的航空导航系统。它们将引领战机安全、高效地穿越云层、跨越山海。


文章来源:中国军网-解放军报
责任编辑:唐诗絮
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