[科普中国]-飞机导航系统

发展概况

早期的飞机主要靠目视导航。20世纪20年代开始发展仪表导航。飞机上有了简单的仪表，靠人工计算得出飞机当时的位置。30年代出现无线电导航，首先使用的是中波四航道无线电信标和无线电罗盘。40年代初开始研制超短波的伏尔导航系统和仪表着陆系统（见无线电控制着陆）。50年代初惯性导航系统用于飞机导航。50年代末出现多普勒导航系统。60年代开始使用远程无线电罗兰C导航系统，作用距离达到2000公里。为满足军事上的需要还研制出塔康导航系统，后又出现伏尔塔克导航系统及超远程的奥米加导航系统，作用距离已达到10000公里。1963年出现卫星导航，70年代以后发展全球定位导航系统。

导航方法导航的关键在于确定飞机的瞬时位置。确定飞机位置有目视定位、几何定位和航位推算三种方法。

目视定位目视定位是由驾驶员观察地面标志来判定飞机位置；航位推算是根据已知的前一时刻的位置和测得的导航参数来推算当前飞机的位置；几何定位是以某些位置完全确定的导航点为基准，测量出飞机相对于这些导航点的几何关系，最后定出飞机的绝对位置。

几何定位以某导航点为基准确定飞机相对于导航点的位置，从而定出飞机的位置线（即某些几何参数如距离、角度保持不变的航迹）。再确定飞机相对于另一导航点的位置，定出另一条位置线。两条位置线的交点就是飞机所在的位置。图中示出三种位置线：相对方位角为恒值的位置线是一条通过导航点的直线；距离为恒值的位置线是以导航点为中心的圆周；到两个导航点的距离差为恒值的位置线是双曲线。也可用雷达来确定飞机的位置。

航位推算根据已知的前一时刻飞机位置和测得的导航参数推算当时飞机的位置。例如根据测出的真实空速和飞机的航向，在给定风速和风向条件下利用航行速度三角形计算出地速(见飞行速度、仪表导航)，再把地速对时间进行积分，代入起始条件──前一时刻的位置，即可得到当时的飞机位置。多普勒雷达能直接测出地速和偏流角，经过积分也可得到飞机的位置。惯性导航实质上也是进行航位推算,由惯性元件测得加速度,经过两次积分得到位置信息。航位推算是近代导航的主要方法，利用这种方法的导航系统只依靠飞机上的仪器而与外界无关，且不易受无线电干扰，可进行全球导航。

导航系统飞机导航系统按照工作原理的不同可分为多种。

①仪表导航系统：利用飞机上简单仪表所提供的数据通过人工计算得出各种导航参数。这些仪表是空速表、磁罗盘、航向陀螺仪和高度表等。后来由人工计算发展为自动计算而有了自动领航仪。各种简单仪表也逐渐发展成为航向姿态系统和大气数据计算机等。

②无线电导航系统：利用地面无线电导航台和飞机上的无线电导航设备对飞机进行定位和引导。无线电导航系统按所测定的导航参数分为5类：测角系统,如无线电罗盘和伏尔导航系统；测距系统，如无线电高度表和测距器(DME);测距差系统,即双曲线无线电导航系统,如罗兰C导航系统和奥米加导航系统；测角测距系统,如塔康导航系统和伏尔-DME系统；测速系统，如多普勒导航系统。作用距离在 400公里以内的为近程无线电导航系统，达到数千公里的为远程无线电导航系统,1万公里以上的为超远程无线电导航系统和全球定位导航系统。全球定位导航则借助于导航卫星（见“导航星”全球定位系统）。此外，利用定向和下滑无线电信标可组成仪表着陆系统。无线电导航又有陆基导航和星基导航两种。

陆基导航依靠的是台站与台站之间的相对位置，由一个台站到另一个台站。譬如由NDB到NDB或由VOR到VOR或NDB与VOR之间。星基导航依赖的是一系列航路点的精确位置，它的主要特征是任一点的坐标化。它所使用的导航设施有：DME-DME、VOR-DME、GPS、GLONASS等。

全球卫星导航系统（GNSS）是星基导航系统的核心。它主要包括美国国防部掌握的GPS和前苏联从80年代开始建设现在由俄罗斯空间局管理的GLONASS，以及由西欧欧洲空间局正在建设的NAVSAT系统。GPS是目前应用最广泛的卫星导航系统，但在航空应用方面却受到了技术和政策的干扰，在纯民用的NAVSAT系统投入使用前，用户还没有自主选择的空间，所以使用的还是INS/GPS 这种组合，这也是现在我们最主要和最常用的导航方式。所以我们平常所说的GPS位置，对飞机而言，其实就是GPIRS，即INS/GPS的混合位置1。

③惯性导航系统：利用安装在惯性平台上的,3个加速度计测出飞机沿互相垂直的3个方向上的加速度,由计算机将加速度信号对时间进行一次和二次积分，得出飞机沿3个方向的速度和位移,从而能连续地给出飞机的空间位置。测量加速度也可不采用惯性平台，而把加速度计直接装在机体上，再把航向系统和姿态系统提供的信号一并输入计算机，计算出飞机的速度和位移，这就是捷联式惯性导航系统。

④天文导航系统：以天体（如星体）为基准，利用星体跟踪器测定水平面与对此星体视线间的夹角（称为星体高度角）。高度角相等点构成的位置线是地球上的一个大圆。测定两个星体的高度角可得到两个大圆，它们的交点就是飞机的位置。

⑤组合导航系统：由以上几种导航系统组合起来所构成的性能更为完善的导航系统。

导航设备飞机场终端区导航设备航台着陆引导设施。飞机接收导航台的无线电信号，进入飞机场区，对准跑道中心线进近着陆。

全向信标/测距仪台(VOR/DME)除可用在航路上作为导航设备外，也可用作机场终端区导航设备。

仪表着陆系统(ILS)。是20世纪70年代国际上通用的着陆引导设备。由航向台(LOC)、下滑台(G/P)、外指点标台(OM)、中指点标台(MM)和内指点标台(IM)组成。航向台向飞机提供航向引导信息；下滑台向飞机提供下滑道引导信息；外、中、内指点标台则分别向飞机提供飞机距跑道入口距离的信息。

地面指挥引进系统。由飞机场监视雷达(ASR)和精密进近雷达(PAR)组成。

微波着陆系统。由方位引导仰角引导和拉平仰角引导等设备所组成。2

航路导航设备中长波导航台(NDB)。是设在航路上，用以标出所指定航路的无线电近程导航设备。②全向信标/测距仪台(VOR/DME)全向信标和测距仪通常合建在一起。全向信标给飞机提供方位信息；测距仪则给飞机示出飞机距测距仪台的直线距离。

塔康(TACAN)和伏尔塔康(VORTAC)塔康是战术导航设备的缩写，它将测量方位和距离合成为一套装置。塔康和全向信标合建，称伏尔塔康。其方位和距离信息，也可供民用飞机的机载全向信标接收机和测距接收设备接收；军用飞机则用塔康接收设备接收。

罗兰系统(LORAN)远距导航系统。20世纪80年代航空上使用的主要是“罗兰-C”。“罗兰-C”系统由一个主台和两个至四个副台组成罗兰台链。

奥米加导航系统(OMEGA)。和“罗兰-C”一样，是一种远程双曲线相位差定位系统。罗兰系统和奥米加导航系统不是一个飞机场的导航设施，而是半个地球的甚至是全球性的导航设施。