萬博士的航空講堂

萬志強(qiáng)

十二、飛行器的導(dǎo)航系統(tǒng)

在空中的飛行器要確定后面如何飛行時(shí)，首先必須知道自身當(dāng)前的位置（經(jīng)度、緯度、高度）以及速度的大小和方向，并將它們與預(yù)定的航線進(jìn)行對比，制定新的飛行計(jì)劃。此外，飛機(jī)飛行時(shí)往往還需要知道從起飛開始至當(dāng)下已經(jīng)飛越的路徑（即航跡）。這些信息的獲得都依賴導(dǎo)航系統(tǒng)。

導(dǎo)航，實(shí)際上就是通過各種手段獲得飛行器的位置信息、速度信息和加速度信息等。導(dǎo)航系統(tǒng)就是提供這些信息的系統(tǒng)。

常見的導(dǎo)航方式包括：無線電導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航、天文導(dǎo)航、圖像導(dǎo)航、組合導(dǎo)航。

1.無線電導(dǎo)航

需要由地面導(dǎo)航臺發(fā)射一定的無線電波，然后通過機(jī)上的接收設(shè)備，測定飛行器相對于導(dǎo)航臺的方位、距離等參數(shù)，從而確定飛行器的導(dǎo)航參數(shù)（圖1）。

無線電導(dǎo)航使用的無線電波是通過直接傳播或大氣電離層反射傳播的，很少受氣候條件的限制，而且作用距離遠(yuǎn)、精度高、設(shè)備簡單可靠，是飛行器導(dǎo)航的主要技術(shù)手段之一。尤其在夜間或復(fù)雜氣象條件下，為了保證飛行器的安全著陸，無線電導(dǎo)航系統(tǒng)是必不可少的導(dǎo)航工具。但其也有缺點(diǎn)，易被發(fā)現(xiàn)和干擾，且需導(dǎo)航臺的支持才能夠工作。

2.慣性導(dǎo)航

是通過測量飛行器的加速度（線加速度和角加速度），經(jīng)運(yùn)算處理得到其當(dāng)時(shí)的速度和位置的一種綜合性導(dǎo)航技術(shù)。

慣性導(dǎo)航方式的優(yōu)點(diǎn)：不依賴于外部設(shè)備所提供的信息，完全依靠自身的慣性測量設(shè)備所測量的加速度，因此不受飛行器以外的環(huán)境條件影響，也無法對其進(jìn)行干擾。但這種方式也有缺點(diǎn)：定位誤差會隨時(shí)間積累而增加，而為了提高精度，一方面要把設(shè)備做大從而導(dǎo)致重量增加（圖2），另一方面需通過其它導(dǎo)航方式進(jìn)行校正。

3.衛(wèi)星導(dǎo)航

是用專用的導(dǎo)航衛(wèi)星取代地面導(dǎo)航臺發(fā)射導(dǎo)航信息的一種導(dǎo)航方式。它與無線電導(dǎo)航方式有一定的相似之處，都要通過發(fā)射和接收無線電信號進(jìn)行，且都要計(jì)算飛行器相對于無線電導(dǎo)航臺或?qū)Ш叫l(wèi)星的位置。

衛(wèi)星導(dǎo)航方式是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的先進(jìn)導(dǎo)航技術(shù)。它充分利用衛(wèi)星高度高、信號覆蓋面廣的特點(diǎn)，可完成地面導(dǎo)航臺所無法實(shí)現(xiàn)的功能。它沒有積累誤差，天氣影響較小，能進(jìn)行全球、全天候?qū)Ш?。但也有整個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)比較復(fù)雜，導(dǎo)航信號較弱，易受人為干擾等缺點(diǎn)。

目前，世界上有幾種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，其中性能最好、功能最完備的是美國的衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)，簡稱GPS（圖3）。另外，還有俄羅斯的全球?qū)Ш叫l(wèi)星網(wǎng)（GLONASS）、歐洲空間局計(jì)劃中的“伽利略”導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)以及中國正在發(fā)展的“北斗”導(dǎo)航定位衛(wèi)星系統(tǒng)等。

衛(wèi)星導(dǎo)航方式不僅在航空上得到應(yīng)用，在地面也有廣泛的應(yīng)用，如車載導(dǎo)航儀就使用了GPS進(jìn)行導(dǎo)航。

4.天文導(dǎo)航

是通過觀測天體并測定其與飛行器之間的角度來確定飛行器位置和航向的導(dǎo)航方法。

天文導(dǎo)航的觀念有著悠久的歷史。數(shù)千年前，我們的祖先遙望著浩淼的宇宙，就思索并實(shí)踐了利用太陽、月球和其他自然天體指引方向的方法，如海上航行的船只借助天體的位置指引方向。

5.圖像匹配導(dǎo)航

利用地球表面的山川、平原、森林、河流、海灣、建筑物等地表特征形狀進(jìn)行導(dǎo)航的方式。

使用這種導(dǎo)航方式時(shí)，首先需要知道飛行區(qū)域的數(shù)字化地形數(shù)據(jù)（稱為原圖，如不同位置的高度信息），然后在飛行時(shí)通過探測設(shè)備再次測量取得實(shí)際的數(shù)字化地形數(shù)據(jù)（實(shí)時(shí)圖），并將實(shí)時(shí)圖與預(yù)先存儲的原圖進(jìn)行比較，由此確定飛行器實(shí)際飛行的地理位置與標(biāo)準(zhǔn)位置的偏差，從而對飛行器進(jìn)行導(dǎo)航。

利用圖像匹配導(dǎo)航，飛行器可進(jìn)行地形跟蹤，并保持一定的真實(shí)高度（圖4）；也可使其按照數(shù)字地圖中相同地形高度進(jìn)行地形回避飛行，繞過高山、在山谷中穿行（圖5）。

6.組合導(dǎo)航

上述導(dǎo)航各有優(yōu)缺點(diǎn)，單獨(dú)使用則都有一定的局限性。為了提高導(dǎo)航的精度，通常將以上幾種導(dǎo)航方式進(jìn)行組合，構(gòu)成組合導(dǎo)航方式，彌補(bǔ)不同導(dǎo)航技術(shù)的不足，發(fā)揮各種導(dǎo)航技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，互相取長補(bǔ)短。組合后的系統(tǒng)能提高導(dǎo)航精度，增加導(dǎo)航系統(tǒng)工作的可靠性。例如，將慣性導(dǎo)航設(shè)備和GPS組合，可以構(gòu)成體積很小的組合導(dǎo)航設(shè)備（圖6），應(yīng)用于小型無人機(jī)領(lǐng)域。

與導(dǎo)航相類似的還有一個(gè)概念，稱為制導(dǎo)，是導(dǎo)引和控制飛行器按一定規(guī)律飛向目標(biāo)或預(yù)定軌道的技術(shù)和方法。制導(dǎo)過程中，首先需要通過導(dǎo)航系統(tǒng)測得飛行器與目標(biāo)或預(yù)定軌跡的相對位置關(guān)系，然后發(fā)出制導(dǎo)信息傳遞給飛行器控制系統(tǒng)，以控制飛行。因此，導(dǎo)航是制導(dǎo)的基礎(chǔ)。常見的制導(dǎo)方式分為有線制導(dǎo)（圖7）、雷達(dá)制導(dǎo)、紅外制導(dǎo)（圖8）、激光制導(dǎo)等。

十三、飛行器的測量、

探測與顯示系統(tǒng)

航空器在空中飛行時(shí)，一方面要了解實(shí)時(shí)的飛行參數(shù)，需用到測量系統(tǒng)；另一方面，還要探測航路上是否有其它飛行器及前方的氣象情況，需用到探測系統(tǒng)；此外，還要把測量和探測的情況顯示出來供飛行員查看，需用到顯示系統(tǒng)。

1.測量系統(tǒng)

飛機(jī)在飛行過程中有很多相關(guān)的參數(shù)要測量，如飛行的速度、高度、加速度、姿態(tài)角與角速度、迎角、側(cè)滑角等，都需使用專門的設(shè)備。例如飛行的空速通過空速計(jì)測量，地速通過GPS測量，飛行高度通過無線電高度表或氣壓高度表測量，加速度可用加速度傳感器測量，姿態(tài)角與角速度通過陀螺儀測量，迎角和側(cè)滑角通過迎角傳感器測量等。

需要說明的是，與大氣狀態(tài)相關(guān)的參數(shù)，如靜壓、動壓、溫度、密度、高度、高度變化率、空速等信息，如果采用氣壓式空速表等單個(gè)傳感器和儀表系統(tǒng)各自提供，不僅增加體積、重量和成本，而且不便維護(hù)，也影響這些信息的測量精度。為了克服這方面的缺陷，現(xiàn)代飛機(jī)往往都采用大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)可以提供綜合的、高精度的大氣數(shù)據(jù)信息。它由大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)、壓力和溫度傳感器、迎角和側(cè)滑角傳感器，輸入和輸出接口及顯示器等部分組成（圖9）。

2.探測系統(tǒng)

飛機(jī)在空中飛行時(shí)除了希望了解自身的飛行參數(shù)之外，軍用飛機(jī)還需了解敵機(jī)、敵方導(dǎo)彈的情況，民航客機(jī)還需了解航路上的實(shí)時(shí)天氣狀況。這就要安裝探測設(shè)備對外界的信息進(jìn)行探測。而雷達(dá)就是飛機(jī)最為重要的探測設(shè)備。

雷達(dá)是無線電檢測與定位設(shè)備的統(tǒng)稱。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)技術(shù)從早期單一的防空設(shè)備迅速擴(kuò)展到偵察、火力控制、空中交通管理、遙感、天文、地質(zhì)等軍用和民用領(lǐng)域。雷達(dá)在飛機(jī)上的應(yīng)用也有很多種，如搜索警戒雷達(dá)、火力控制雷達(dá)、地形匹配雷達(dá)、氣象雷達(dá)等。雷達(dá)通常安裝在飛機(jī)的頭部（圖10）。

雷達(dá)的基本原理：通過無線電設(shè)備向空間發(fā)射無線電波。無線電波在不同介質(zhì)表面會向各個(gè)方向散射一定的電波能量，其中一部分由目標(biāo)反射回天線方向，成為目標(biāo)回波。雷達(dá)接收目標(biāo)回波后即可檢測出目標(biāo)的空間位置。這是通過測量天線至目標(biāo)間無線電波往返的時(shí)間來確定的。

早期的雷達(dá)掃描利用天線的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行，而天線的旋轉(zhuǎn)則依靠機(jī)械系統(tǒng)控制。這種雷達(dá)天線掃描速度慢、精度低?，F(xiàn)代高速飛機(jī)要求雷達(dá)縮短反應(yīng)時(shí)間，提高掃描和跟蹤速度，這些若單純由機(jī)械操縱的天線轉(zhuǎn)動很難完成。于是，隨著電子技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了相控陣?yán)走_(dá)（圖11）。

相控陣?yán)走_(dá)的天線為平板形，其上分布有許多個(gè)小天線。小天線按一定規(guī)則排列，組成天線陣列。通過計(jì)算機(jī)控制，每個(gè)小天線發(fā)射的無線電波的相位各不相同，所有小天線發(fā)射的雷達(dá)波束在空間合成一個(gè)或多個(gè)波束。合成波束的形狀可以任意控制，并能按一定規(guī)律在空間進(jìn)行掃描。相控陣?yán)走_(dá)不僅避免了機(jī)械掃描慢速、滯后和精度低等缺點(diǎn)，而且它所形成的多個(gè)波束可以同時(shí)搜索和跟蹤多個(gè)目標(biāo)。

3.顯示系統(tǒng)

為了讓駕駛員及時(shí)根據(jù)飛機(jī)測量系統(tǒng)所測出的參數(shù)了解飛機(jī)的狀態(tài)，以及通過探測系統(tǒng)所探測的信息了解飛機(jī)的外界情況，必須把各種飛行信息以定量或定性的形式在顯示器上顯示出來。這些信息必須準(zhǔn)確、可靠、清晰、直觀、容易判讀，并符合人機(jī)工效學(xué)的要求。

（1）顯示系統(tǒng)的分類

航空器的顯示系統(tǒng)分為機(jī)械儀表式顯示系統(tǒng)和電子綜合式顯示系統(tǒng)。

·機(jī)械儀表式顯示系統(tǒng)

飛機(jī)上的機(jī)械式、電氣式和電動式機(jī)械儀表，均是利用顯示部件間的相對運(yùn)動來顯示被測參數(shù)值，如指針-刻度盤、指標(biāo)-刻度帶、標(biāo)記、圖形顯示、機(jī)械式計(jì)數(shù)器等，統(tǒng)稱為機(jī)械儀表式顯示系統(tǒng)。這類顯示系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對簡單，顯示清晰，如指針-刻度盤和指標(biāo)-刻度帶的顯示過程能反映被測參數(shù)的變化趨勢。缺點(diǎn)是因部件間存在的摩擦影響顯示精度，壽命短、易受震動和沖擊的影響，在低亮度環(huán)境中需要照明，不易實(shí)現(xiàn)綜合顯示。

20世紀(jì)70年代以前飛機(jī)的儀表大多采用機(jī)械式顯示系統(tǒng)，因多數(shù)是單一功能的，所以在座艙儀表板安裝著許多儀表：飛行員所需的主要飛行儀表安排在正前方儀表板的中間位置，一些次要的儀表則布置在兩側(cè)。圖12為殲擊機(jī)駕駛艙的機(jī)械儀表式顯示系統(tǒng)。

·電子綜合顯示系統(tǒng)

隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和顯示技術(shù)的飛速發(fā)展，20世紀(jì)70年代后期出現(xiàn)了電子式顯示器。它把顯示信息轉(zhuǎn)換成光電信號。電子綜合顯示系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)是：

·顯示靈活多樣、形象逼真，顯示形式有字符、圖形、表格等，并可用彩色顯示；

·容易實(shí)現(xiàn)綜合顯示，減少了儀表數(shù)量，使儀表板布局簡潔，便于觀察；

·消除了機(jī)械儀表因摩擦、震動等引起的附加誤差，顯示精度顯著提高；

·采用固態(tài)器件，壽命長、可靠性高；

·隨著集成化程度的提高，重量不斷減輕，價(jià)格不斷下降。

電子綜合顯示系統(tǒng)將飛行所需的基本參數(shù)信息，分類綜合到幾個(gè)電子顯示屏上（圖13），而且，這些屏幕內(nèi)容還可以任意組合，顯示或隱藏，并能互相切換，可將現(xiàn)階段感興趣的內(nèi)容調(diào)整到飛行員習(xí)慣的位置顯示。

飛行參數(shù)信息是飛行員關(guān)心的主要信息，一般綜合到一個(gè)顯示器中，稱為主飛行顯示器。顯示的內(nèi)容包括航向角、俯仰角、滾轉(zhuǎn)角、飛行高度、速度、升降速度、機(jī)場自動著陸系統(tǒng)信號、失速警告等。

（2）平視顯示系統(tǒng)

對于軍用殲擊機(jī)所采用的電子綜合顯示系統(tǒng)，往往會把主要飛行狀態(tài)參數(shù)（如各種姿態(tài)角、速度、高度、升降速度等）與武器瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的信息結(jié)合起來，投影到飛行員正前方的成像玻璃上。這樣飛行員在戰(zhàn)斗中不必低頭看儀表盤，就可以了解飛機(jī)的飛行情況。而成像玻璃在飛機(jī)進(jìn)行格斗時(shí)能顯示武器瞄準(zhǔn)跟蹤信息，在飛機(jī)作巡航飛行時(shí)又能顯示導(dǎo)航信息。這種顯示系統(tǒng)稱為平視顯示系統(tǒng)，簡稱平顯。現(xiàn)代客機(jī)也使用了平視顯示系統(tǒng)（圖14）。

（3）頭盔顯示系統(tǒng)

20世紀(jì)60年代初，美國為滿足武裝直升機(jī)火力控制的需要，研制了一種新式的電子綜合顯示系統(tǒng)——頭戴式光學(xué)瞄準(zhǔn)具。這種瞄準(zhǔn)具的主要功能除了能顯示必要的信息之外，還能用頭盔的位置來控制武器。隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代頭盔顯示器的功能越來越全：

·控制直升機(jī)活動炮塔武器進(jìn)行瞄準(zhǔn)射擊。

·跟蹤和截獲目標(biāo)，給導(dǎo)彈攻擊指示目標(biāo)。

·目視啟動控制裝置。例如：飛行員的視線對準(zhǔn)一個(gè)開關(guān)，這個(gè)開關(guān)便會顯亮，加上左手按壓專門的觸發(fā)按鈕，便可啟動這個(gè)開關(guān)。

·控制電視攝像機(jī)、夜視攝像系統(tǒng)等鏡頭的轉(zhuǎn)動，使其與視線保持同步。

由于具有上述獨(dú)特功能，與其他顯示系統(tǒng)相比，頭盔顯示器有以下3個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)：

·縮短了截獲目標(biāo)的時(shí)間，能迅速瞄準(zhǔn)目標(biāo)和發(fā)射武器，使直升機(jī)減少被地面炮火的攻擊和降低損失率。

·視野是全方位的，不受常規(guī)光學(xué)瞄準(zhǔn)具固定安裝和窄視場的限制。

·武器系統(tǒng)與瞄準(zhǔn)具聯(lián)動，在飛行員目視搜索和跟蹤目標(biāo)時(shí)，武器和相關(guān)傳感器能迅速跟隨到目標(biāo)方位，瞄準(zhǔn)后武器可迅速發(fā)射，大大改善了人機(jī)接口關(guān)系，減輕了飛行員的負(fù)擔(dān)。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，在頭盔瞄準(zhǔn)具的基礎(chǔ)上，從單一的光學(xué)瞄準(zhǔn)，又發(fā)展成今天的全天候、雷達(dá)和夜視瞄準(zhǔn)的頭盔顯示/瞄準(zhǔn)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)已從飛機(jī)武器瞄準(zhǔn)擴(kuò)大到防空炮火、單兵導(dǎo)彈、地空導(dǎo)彈等火力控制系統(tǒng)。圖15為F-35的頭盔顯示系統(tǒng)。

（4）顯示系統(tǒng)發(fā)展趨勢

隨著電子技術(shù)、顯示技術(shù)的發(fā)展，航空器顯示系統(tǒng)也向著更高的水平邁進(jìn)。彩色液晶顯示器是正在走向成熟的顯示器，它的優(yōu)點(diǎn)是重量輕、體積小、功耗低、清晰度高和可靠性好；重量減輕70%，厚度減小80%，耗電量減小一半；在陽光下讀數(shù)比顯像管清晰；所需元器件少，且多為大規(guī)模集成電路，可靠性高，平均無故障間隔時(shí)間達(dá)2 000-5 000小時(shí)，是電子顯像管的10倍。

隨著語音技術(shù)，觸摸屏技術(shù)的成熟，顯示器正發(fā)展為大屏幕全景顯示器，能將整個(gè)儀表板集成為一塊大的觸摸顯示屏。飛行員只需觸及屏幕某一位置，就可相應(yīng)地改變顯示格式，調(diào)出更多的數(shù)據(jù)信息，也可發(fā)出指令使系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)。目前，飛行員主要是通過視覺和觸覺進(jìn)行飛行；今后，顯示系統(tǒng)可通過語言通報(bào)顯示信息，飛行員也可通過語音進(jìn)行指令控制，減輕視覺負(fù)擔(dān)。

4.航模用測量、探測和顯示裝置

航模上也時(shí)常會用到測量、探測和顯示設(shè)備。圖16為一種功能非常綜合的飛行參數(shù)測試儀，可以實(shí)時(shí)測試航模的飛行速度（空速和地速）、飛行高度、經(jīng)緯度、發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速、電機(jī)的電流、溫度等，并可通過小型數(shù)傳電臺把測試數(shù)據(jù)傳到地面用手持顯示設(shè)備顯示或在電腦上顯示。另外還有單獨(dú)的氣壓高度測試儀，用于測試模型在飛行過程中的實(shí)時(shí)高度，并可通過電子顯示屏顯示。近年來，基于光學(xué)或超聲波原理的距離探測器也開始在多旋翼模型和模型直升機(jī)上逐漸應(yīng)用。圖17是專家們正在進(jìn)行多旋翼基于視覺的自主避障礙功能測試。（未完待續(xù)）