軍工科普丨飛機如何飛行萬里不迷航?

　　飛機如何不迷航

　　■張皓嵐 劉任豐 李 姍　　

　　上圖：地面導(dǎo)航臺和人造衛(wèi)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，飛行員杰伊·普羅奇諾駕駛?cè)辜{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(jīng)過。于是，上演了“大飛機找小飛機”的神奇一幕，堪稱現(xiàn)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(wù)的前提。早期，飛機導(dǎo)航方式較為單一，受復(fù)雜地貌和空中不穩(wěn)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(dǎo)航技術(shù)應(yīng)運而生。

　　現(xiàn)代航空導(dǎo)航技術(shù)如何發(fā)展而來?各類導(dǎo)航系統(tǒng)如何精準(zhǔn)引導(dǎo)飛機抵達目的地?請看海軍航空大學(xué)一級領(lǐng)航員王桂建的解讀。

　　觀山看海行天下

　　走進軍用運輸機的領(lǐng)航艙，縱橫交錯的線路和精密復(fù)雜的儀器讓人目不暇接。這些部件構(gòu)成導(dǎo)航系統(tǒng)，幫助戰(zhàn)機確定航向。

　　有人會問：一個多世紀(jì)前，沒有現(xiàn)代化導(dǎo)航系統(tǒng)，飛機如何飛抵目的地?

　　這個問題曾困擾著當(dāng)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：“這是飛到哪里了?”

　　當(dāng)時，飛行員憑經(jīng)驗總結(jié)出最原始的導(dǎo)航方法——地標(biāo)導(dǎo)航。這種方式基本靠“瞅”，飛行員需要根據(jù)地圖和記憶尋找特征地形，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，他的飛行秘訣是一張防風(fēng)地圖。這張防風(fēng)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(biāo)。

　　然而，參照自然地貌的地標(biāo)導(dǎo)航只適用于晴天飛行，一旦遇到復(fù)雜天氣該怎么辦呢?20世紀(jì)20年代，科研人員在地面鋪設(shè)了幾百座箭頭狀導(dǎo)航信標(biāo)。每座信標(biāo)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(yīng)燃料。

　　采用這種導(dǎo)航方式，飛行員從遠處就能看到箭頭，百余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?！笔撬麄冃乱惠喌奶魬?zhàn)目標(biāo)。

　　廣袤大洋一望無際，缺少目視參照物，又該怎么辦?當(dāng)時，飛行員們認(rèn)為，只要航向準(zhǔn)確，他們就可以根據(jù)風(fēng)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——帶著一枚指南針、一塊偏流測量儀和幾張地圖，獨自開啟了跨越大西洋的航程。

　　天有不測風(fēng)云。大西洋上空，一場突如其來的暴風(fēng)雨致使飛機羅盤失靈。在空中盤旋數(shù)個小時后，查爾斯終于透過舷窗發(fā)現(xiàn)了一艘漁船。他難掩激動心情，超低空飛了過去，大喊：“愛爾蘭在哪里?”

　　經(jīng)過連續(xù)計算和飛行修正，查爾斯終于看到愛爾蘭的海岸線。起飛33.5小時后，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(dǎo)航過程中的艱險經(jīng)歷讓科研人員認(rèn)識到：要想順利完成海上飛行，需要一種更先進的航空導(dǎo)航方式。

　　耳聽八方定方位

　　20世紀(jì)30年代，隨著無線電技術(shù)日益成熟，人們發(fā)現(xiàn)，這項技術(shù)除了用于通信交流，還可以進行航空導(dǎo)航。于是，科研人員將無線電技術(shù)與羅盤結(jié)合，計算出飛機的飛行位置。

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

　　最初，無線電導(dǎo)航是利用布設(shè)在地面的中/長波無方向信標(biāo)臺和測距儀定位。它們就像茫茫大海中的燈塔，向周邊空間不斷發(fā)射信號。飛機上的無線電接收系統(tǒng)如同順風(fēng)耳，能從各種信號中“聽”出不同信息。比如，飛機在導(dǎo)航臺什么方位、有多遠距離，從而為飛機精準(zhǔn)定位、引導(dǎo)航向。

　　二戰(zhàn)時期，跨海執(zhí)行遠程任務(wù)的轟炸機機群，需要跟著領(lǐng)航機飛行。領(lǐng)航員靠著無線電和地圖的指引，將轟炸機機群帶到目標(biāo)上空。轟炸任務(wù)完畢后，再靠本土大功率無線電信標(biāo)臺指引返航。

　　當(dāng)時，中/長波無線電信標(biāo)臺存在傳播特性不穩(wěn)定、作用距離短等缺點，為克服這些問題，科研人員又研制出甚高頻全向信標(biāo)——伏爾導(dǎo)航系統(tǒng)。

　　伏爾導(dǎo)航系統(tǒng)通信距離達400公里，統(tǒng)一規(guī)范了無線電導(dǎo)航臺的頻率，簡化了機載無線電設(shè)備的設(shè)計。20世紀(jì)50年代，伏爾導(dǎo)航系統(tǒng)被列為專用國際標(biāo)準(zhǔn)民用導(dǎo)航系統(tǒng)，并沿用至今。

　　無線電導(dǎo)航技術(shù)要求飛機必須與地面設(shè)備保持聯(lián)通，一旦地面設(shè)備損壞或受到電磁干擾，飛機會成為“睜眼瞎”。因此，科研人員研制出一種完全不利用地面設(shè)備的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。

　　這套系統(tǒng)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(dǎo)航方式不易受無線電干擾，為飛機裝上“指南針”。

　　慣性導(dǎo)航的缺點也很明顯：隨著時間推移，累積誤差會越來越大。所以，現(xiàn)代飛機往往會通過其他導(dǎo)航方法來修正慣導(dǎo)誤差。

　　星星指路引航程

　　皓月當(dāng)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(dǎo)航。

　　天文導(dǎo)航需要飛行員擁有豐富的天文知識儲備。當(dāng)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(dǎo)航融入駕駛艙設(shè)計理念中，在駕駛艙風(fēng)擋玻璃頂端裝上“觀星窗”。這種設(shè)計能減少目視飛行中的盲區(qū)面積，即使在導(dǎo)航系統(tǒng)全部失效后，也能通過天體來判斷所處位置。

　　傳統(tǒng)天文導(dǎo)航，飛行員需要通過復(fù)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?

　　隨著各國航天技術(shù)發(fā)展，科學(xué)家決定親自動手，在天上鑲上“星星”——人造衛(wèi)星。這些人造衛(wèi)星所構(gòu)成的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，相當(dāng)于把原本在地面的導(dǎo)航臺搬到天上，被形象地稱為“天上燈塔”。

　　衛(wèi)星導(dǎo)航的原理不難理解：利用飛機接收機接收衛(wèi)星信號，計算出飛機相對衛(wèi)星的距離，衛(wèi)星相對于地面基站的位置已知，解算一組方程就能得出飛機位置。衛(wèi)星位置高、覆蓋范圍廣，可以輕松實現(xiàn)全球?qū)Ш?，這是任何導(dǎo)航系統(tǒng)都無法媲美的。

　　20世紀(jì)70年代，美國和蘇聯(lián)爭相開始研發(fā)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

　　美國GPS系統(tǒng)家喻戶曉，這套系統(tǒng)于1994年全面建設(shè)完成，并于2010年重新優(yōu)化調(diào)整了衛(wèi)星分布，改善了導(dǎo)航設(shè)備精度;俄羅斯格洛納斯系統(tǒng)，原計劃1995年建成，蘇聯(lián)解體導(dǎo)致計劃擱淺，直到2001年俄羅斯才重新啟動建設(shè)，于2010年完成了全部24顆衛(wèi)星的發(fā)射。

　　20世紀(jì)90年代，歐盟開始研制伽利略導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)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300萬年后誤差只有1秒，定位誤差在1米以內(nèi)。

　　值得一提的是，伽利略導(dǎo)航系統(tǒng)不僅是一個獨立的定位導(dǎo)航工具，還能與多種導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)合使用，提高對海洋風(fēng)速、海面潮水的強度和高度等數(shù)據(jù)測量精度。

　　2020年7月31日，中國北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通。從2000年建成的北斗一號系統(tǒng)，到2012年服務(wù)亞太地區(qū)的北斗二號系統(tǒng)，再到2018年服務(wù)“一帶一路”國家、2020年全面建成的北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，我國成為世界上第三個獨立擁有全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家?！氨倍?5G”“北斗+AI”“北斗+大數(shù)據(jù)”……一個嶄新未來正撲面而來。

　　當(dāng)前，新技術(shù)層出不窮，導(dǎo)航技術(shù)正向著智能化、自動化、系統(tǒng)化的方向發(fā)展。今年5月，第十二屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航年會就以“時空數(shù)據(jù)，賦能未來”為主題，全面展示衛(wèi)星導(dǎo)航時空服務(wù)對未來發(fā)展的重要意義。

　　相信隨著科技快速發(fā)展，在不久的將來，會出現(xiàn)更多精度高、范圍廣、不受外界干擾的航空導(dǎo)航系統(tǒng)。它們將引領(lǐng)戰(zhàn)機安全、高效地穿越云層、跨越山海。