飛機(jī)如何不迷航

文 張皓嵐 劉任豐 李 姍

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(jī)，因機(jī)載自動(dòng)定向儀損壞，被困在南太平洋上空陷入絕境。此時(shí)，一架載有88名乘客的客機(jī)恰好從附近經(jīng)過。于是，上演了“大飛機(jī)找小飛機(jī)”的神奇一幕，堪稱現(xiàn)實(shí)版“大海撈針”。

飛行萬里不迷航，是飛機(jī)高效可靠完成各項(xiàng)任務(wù)的前提。早期，飛機(jī)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(yùn)而生。

飛行萬里不迷航是飛機(jī)高效可靠完成各項(xiàng)任務(wù)的前提

觀山看海行天下

走進(jìn)軍用運(yùn)輸機(jī)的領(lǐng)航艙，縱橫交錯(cuò)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(jī)確定航向。

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

這個(gè)問題曾困擾著當(dāng)時(shí)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(shí)，飛行員憑經(jīng)驗(yàn)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(jī)，屢屢超越飛在前面的選手，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(jī)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?xì)鉄簦子行∥莨?yīng)燃料。

采用這種導(dǎo)航方式，飛行員從遠(yuǎn)處就能看到箭頭，百余個(gè)箭頭橫跨整個(gè)美國，為飛行員飛行指明方向。而對富有冒險(xiǎn)精神的飛行探險(xiǎn)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(shí)，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(jì)算出飛行時(shí)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(gè)大膽決定——帶著一枚指南針、一塊偏流測量儀和幾張地圖，獨(dú)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(jī)羅盤失靈。在空中盤旋數(shù)個(gè)小時(shí)后，查爾斯終于透過舷窗發(fā)現(xiàn)了一艘漁船。他難掩激動(dòng)心情，超低空飛了過去，大喊：“愛爾蘭在哪里？”

經(jīng)過連續(xù)計(jì)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(shí)后，他降落在巴黎布爾歇機(jī)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(jì)劃航線只偏差不到5公里，但飛行導(dǎo)航過程中的艱險(xiǎn)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(jìn)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(xiàng)技術(shù)除了用于通信交流，還可以進(jìn)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(jì)算出飛機(jī)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(jī)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)臺和測距儀定位的。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(jī)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(jī)在導(dǎo)航臺什么方位、有多遠(yuǎn)距離，從而為飛機(jī)精準(zhǔn)定位、引導(dǎo)航向。

二戰(zhàn)時(shí)期，跨海執(zhí)行遠(yuǎn)程任務(wù)的轟炸機(jī)機(jī)群，需要跟著領(lǐng)航機(jī)飛行。領(lǐng)航員靠著無線電和地圖的指引，將轟炸機(jī)機(jī)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(shí)，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(diǎn)，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(dá)400公里，統(tǒng)一規(guī)范了無線電導(dǎo)航臺的頻率，簡化了機(jī)載無線電設(shè)備的設(shè)計(jì)。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(jī)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(jī)會(huì)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(jì)算機(jī)，安裝的陀螺儀和加速度計(jì)能夠測出飛機(jī)的飛行加速度，再對加速度進(jìn)行計(jì)算，得出飛機(jī)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(jī)裝上“指南針”。

慣性導(dǎo)航的缺點(diǎn)也很明顯：隨著時(shí)間推移，累積誤差會(huì)越來越大。所以，現(xiàn)代飛機(jī)往往會(huì)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(jī)在夜間迷航，他們會(huì)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(chǔ)備。當(dāng)遇到氣流顛簸時(shí)，飛行員很容易選錯(cuò)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(jī)將天文導(dǎo)航融入駕駛艙設(shè)計(jì)理念中，在駕駛艙風(fēng)擋玻璃頂端裝上“觀星窗”。這種設(shè)計(jì)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(jì)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(dòng)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(jī)接收機(jī)接收衛(wèi)星信號，計(jì)算出飛機(jī)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(jī)位置。衛(wèi)星位置高、覆蓋范圍廣，可以輕松實(shí)現(xiàn)全球?qū)Ш剑@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(jì)劃1995年建成，蘇聯(lián)解體導(dǎo)致計(jì)劃擱淺，直到2001年俄羅斯才重新啟動(dòng)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(yùn)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(gè)獨(dú)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(qiáng)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(gè)獨(dú)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(gè)嶄新的未來正撲面而來。

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(dòng)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(huì)就以“時(shí)空數(shù)據(jù)，賦能未來”為主題，全面展示衛(wèi)星導(dǎo)航時(shí)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(huì)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(jī)安全、高效地穿越云層、跨越山海。