王蒙

從1903年問世以來，飛機(jī)就因其超快的飛行速度、超高的交通效率和不受限于地形地勢(shì)的諸多優(yōu)勢(shì)而蓬勃發(fā)展起來。在這百年飛行史中，有一個(gè)因素始終凌駕于飛機(jī)的所有優(yōu)勢(shì)之上，那就是飛行安全。

每個(gè)人都想要飛得安全，所以知道飛機(jī)的準(zhǔn)確位置就很必要，這時(shí)候?qū)Ш较到y(tǒng)就派上了大用處。作為飛機(jī)的“眼睛”，導(dǎo)航可不是只通過“看”這么簡(jiǎn)單的方法，而是通過復(fù)雜的無線電系統(tǒng)、慣導(dǎo)系統(tǒng)、衛(wèi)星系統(tǒng)、圖像識(shí)別系統(tǒng)來綜合“感知”和“收發(fā)”信號(hào)，確切地計(jì)算出飛機(jī)的當(dāng)前位置，從而順利地讓飛機(jī)從出發(fā)地航行到目的地。

從目視導(dǎo)航到無線電導(dǎo)航

在飛機(jī)誕生之初，由于飛行高度、飛行速度都比較小，所以當(dāng)時(shí)的主要導(dǎo)航方法就是目視導(dǎo)航，即由飛行員自己用肉眼觀察地面和前方的情況。這對(duì)飛行員提出了較高的要求，并且只能在能見度較好的天氣下飛行。因?yàn)轱w行員需要時(shí)刻關(guān)注地面上的各類地標(biāo)，從而知道自己當(dāng)前的飛行位置。如果天氣不好，能見度很差，飛行員無法觀察到地標(biāo)，就只能自己推測(cè)大致航跡，因此這樣的方法很不精確并且危險(xiǎn)性極高。

沒過多久，人們就發(fā)現(xiàn)可以利用無線電導(dǎo)航來代替目視導(dǎo)航。當(dāng)時(shí)的西方社會(huì)已經(jīng)進(jìn)入了電氣化時(shí)代，馬可尼、特斯拉、波波夫等人都對(duì)無線電的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用作出了貢獻(xiàn)。當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)無線電可以作為信息的傳播載體時(shí)，飛機(jī)的導(dǎo)航系統(tǒng)迎來了新的篇章。僅僅過了不到20年，西方各國(guó)就建設(shè)了許許多多的無線電臺(tái)，為空中的飛機(jī)提供指引。

到了20世紀(jì)30年代，無線電羅盤已經(jīng)成熟地安裝在飛機(jī)上。羅盤通過測(cè)量不同無線電臺(tái)相對(duì)于飛機(jī)的方位角，就可以計(jì)算出飛機(jī)的當(dāng)前位置。由于無線電導(dǎo)航是通過無線電波的直接傳播或者經(jīng)過大氣電離層的反射傳播，很少受到氣象條件的影響，作用距離遠(yuǎn)，設(shè)備簡(jiǎn)單可靠，即使在夜間或者復(fù)雜氣象條件下，也能確保飛機(jī)的安全著陸。因此，在無線電的“加持”下，飛機(jī)可以飛得更高、飛得更遠(yuǎn)，也飛得更安全了。

從伏爾導(dǎo)航到慣性導(dǎo)航

隨著無線電技術(shù)的不斷成熟，以及兩次世界大戰(zhàn)的催化，20世紀(jì)40年代至50年代，伏爾導(dǎo)航系統(tǒng)（VHF Omnidirectional Range，VOR）被規(guī)定為專用的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)民用導(dǎo)航系統(tǒng)，這種基于甚高頻的測(cè)向系統(tǒng)最遠(yuǎn)可以達(dá)到400公里的作用距離，將無線電導(dǎo)航臺(tái)所用的頻率和工作方式進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，從而大大簡(jiǎn)化了機(jī)載無線電設(shè)備的設(shè)計(jì)。這套系統(tǒng)一直沿用至今，可謂“寶刀不老”。

在VOR進(jìn)行測(cè)向的同時(shí)，飛機(jī)上的測(cè)距儀（Distance Measuring Equipment，DME）系統(tǒng)負(fù)責(zé)測(cè)距。由于無線電波的速度為光速，通過測(cè)量飛機(jī)發(fā)出的無線電波往返于地面導(dǎo)航臺(tái)所需的時(shí)間，就可以算出飛機(jī)的斜距。當(dāng)然了，如果想計(jì)算飛機(jī)的水平距離，則需要加入飛機(jī)的高度進(jìn)行解算，這是一個(gè)非常基礎(chǔ)的勾股定理問題，還是比較容易解決的。

值得一提的是，20世紀(jì)50年代，還出現(xiàn)了一種塔康導(dǎo)航系統(tǒng)（Tactical Air Navigation System，TACAN），可以同時(shí)完成測(cè)向和測(cè)距兩種功能。

無線電導(dǎo)航系統(tǒng)都依托于地面設(shè)備，飛機(jī)與地面設(shè)備必須通過無線電波進(jìn)行“互動(dòng)”，所以在無線電導(dǎo)航發(fā)展得如火如荼的時(shí)候，科學(xué)家還研發(fā)了一種完全不基于地面設(shè)備的導(dǎo)航方法——慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。

該方法通過在飛機(jī)上安裝陀螺儀和加速度計(jì)，測(cè)量飛機(jī)的加速度，然后通過對(duì)加速度進(jìn)行積分，得到飛機(jī)的速度和位移。這種導(dǎo)航方法只依靠飛機(jī)上的儀器而與外界無關(guān)，且不易受無線電干擾，有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，只不過缺點(diǎn)也很明顯，那就是隨著時(shí)間的推移，慣導(dǎo)的累積誤差會(huì)越來越大。所以，現(xiàn)代飛機(jī)往往會(huì)通過別的導(dǎo)航方法來修正慣導(dǎo)誤差。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

技術(shù)發(fā)展日新月異，現(xiàn)代的飛機(jī)導(dǎo)航更多地依賴于“天上的燈塔”，也就是全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，這相當(dāng)于把原本在地面的導(dǎo)航臺(tái)“搬到了”天上。衛(wèi)星的位置高，覆蓋范圍廣，可以輕易地實(shí)現(xiàn)全球?qū)Ш?，這是任何其他的導(dǎo)航系統(tǒng)都無法媲美的。

從20世紀(jì)70年代開始，美國(guó)和前蘇聯(lián)（俄羅斯）都進(jìn)行了各自的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)研制，美國(guó)研制的就是現(xiàn)在家喻戶曉的GPS系統(tǒng)，于1994年全面建設(shè)完成，并且于2010年重新優(yōu)化調(diào)整了GPS衛(wèi)星的分布，大大改善了導(dǎo)航設(shè)備的精度。

前蘇聯(lián)（俄羅斯）研制的是格洛納斯（GLONASS）系統(tǒng)，原計(jì)劃1995年建成，但是由于蘇聯(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。

此外，歐盟和中國(guó)也從20世紀(jì)90年代開始，分別研制建設(shè)了各自的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，即伽利略系統(tǒng)和北斗系統(tǒng)。其中，伽利略系統(tǒng)已完成22顆衛(wèi)星的發(fā)射，而北斗系統(tǒng)已經(jīng)完成了北斗三號(hào)建設(shè)并提供服務(wù)。所以，目前共有4套全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，但應(yīng)用最廣泛的還是美國(guó)的GPS系統(tǒng)。

從20世紀(jì)80年代起，各國(guó)就逐步將全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為飛機(jī)的導(dǎo)航源進(jìn)行應(yīng)用。其基本原理是：飛機(jī)上的接收機(jī)收到衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號(hào)，求出飛機(jī)相對(duì)衛(wèi)星的距離，由于衛(wèi)星相對(duì)于地面基站的位置已知，那么通過解算一組方程就可以計(jì)算出飛機(jī)的位置。

由于鐘差的存在，理論上需要4顆衛(wèi)星才可完成解算。但實(shí)際上，飛機(jī)在同一時(shí)間能接收到信號(hào)的衛(wèi)星遠(yuǎn)不止4顆，所以可以挑選其中信號(hào)最佳的4顆，使得計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確。

目前在役的絕大部分飛機(jī)都支持衛(wèi)星導(dǎo)航功能，其定位精度完全可以滿足航行要求，并且具有全天候、全覆蓋、無源測(cè)距等諸多優(yōu)勢(shì)，是目前飛機(jī)導(dǎo)航當(dāng)仁不讓的“上上之選”。

此外，一種基于圖像匹配技術(shù)的導(dǎo)航系統(tǒng)也在研究中。其原理是，地球表面的山川、平原、森林、峽谷、河流、典型建筑物等特征，短期內(nèi)一般不會(huì)隨著時(shí)間和氣候的變化而變化，所以可以將這些地形數(shù)據(jù)制作成數(shù)字化地圖，事先存儲(chǔ)在飛機(jī)的計(jì)算機(jī)中。在飛機(jī)飛越的時(shí)候，通過探測(cè)設(shè)備對(duì)所在區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，再跟數(shù)字化地圖進(jìn)行比對(duì)，從而得到飛機(jī)的位置。

具體來說，該導(dǎo)航系統(tǒng)可以分為地形匹配導(dǎo)航和景象匹配導(dǎo)航兩種，目前較多地應(yīng)用在軍用飛機(jī)低空突防或者導(dǎo)彈制導(dǎo)中，在民機(jī)中鮮有應(yīng)用。

說到底，導(dǎo)航要解決的核心問題是讓飛機(jī)知道自己的位置，并且沿既定路線從一個(gè)地方飛到另一個(gè)地方。所以，一旦沒有了導(dǎo)航，飛機(jī)就像是失去了眼睛，后果不堪設(shè)想。當(dāng)前，新技術(shù)蓬勃發(fā)展，新概念層出不窮，未來的導(dǎo)航技術(shù)也必將沿著智能化、自動(dòng)化、綜合化的方向不斷前進(jìn)，未來的飛機(jī)必將擁有更加“炯炯有神的雙眼”，從而更安全、更高效、更可靠地翱翔在藍(lán)天白云之上。