飞机导航系统发展

飞机导航系统发展

1徐兴斌 ,2曹成哲 ,3吴有涛

1空军工程大学航空机务士官学校  河南信阳 464000

2空航空大学初训基地河南信阳 464000

3空军工程大学航空机务士官学校河南信阳   464000

摘  要：飞机导航系统是飞机上至关重要的一个系统，是飞机的眼睛。本文从飞机导航系统历史发展的角度，介绍了目视导航、无线电导航、惯性导航、星基导航、基于性能的导航等典型导航的技术特点和发展历程。

关键词：飞机导航系统 导航系统介绍 导航设备介绍

引言

1903年，莱特兄弟（Wright Brothers）制造的第一架飞机“飞行者1号”在美国北卡罗莱纳州试飞成功。自此，飞机开始发展成为一种重要的远程交通工具。然而作为一种运输工具，飞机在天空飞行时需要一定的设备给飞机和飞行员提供方向，来引导飞机从一个地方飞到另一个地方，我们把这种引导飞机的方式叫做导航。航空百年，飞机的导航方式也随着时间发生了重大改变。

一、目视导航

飞机诞生之初，科技水平落后，飞行高度、速度也都比较小，所以当时的飞机导航主要是目视导航，即依赖于飞行员的肉眼观察进而确定飞机的位置和飞行方向。目视导航这种方法简单可靠，但易受天气和地标等条件的限制。在这种飞行方式中飞行员基本靠纯目视，然后配合地图或者记忆力，寻找一下有特征的地标，来确认飞行的路线，这也是为何飞行行业需要严格要求飞行员的视力。这就是最原始的领航方法，地标领航，也是每个飞行员的必修科目。

目视飞行作为核心导航一直使用了很多年，即使是现在，我们依然还在沿用目视导航规则，这是导航的根本。

二、无线电导航

由于目视导航对飞行员及天气等因素有较高的要求，使得飞行有很大局限，随着科技进步，人们发现可以利用无线电来进行飞机导航。在第一次世界大战期间（约1914-1918年），无线电导航技术问世。当人们发现无线电可以作为信息的传播载体时，飞机的导航系统迎来了新的篇章。仅仅过了不到20年，西方各国就建设了许许多多的无线电台，为空中的飞机提供指引。由于无线电导航是通过无线电波的直接传播或者经过大气电离层的反射传播，作用距离远，设备简单可靠，即便是夜间或复杂气象条件下也可以保证飞行安全，因而在无线电的加持下，飞机可以飞得更高、更远。

无线电测向技术最早应用导航，是达索的MB220客机，机头上的环状天线，就是机载测向仪的核心。二战时期，执行远程任务的轰炸机，都需要进行大编队出航，整个编队都要跟着领航机飞行。领航员靠着无线电和地图的指引，将编队带到轰炸目标上空。轰炸完毕后，靠着本土大功率无线电导航指引返航。领航轰炸机极其重要，上面至少有2个以上的领航员进行导航点修正。为了防止迷航或者战损，有的时候领航轰炸机不止一架，所以二战中有领航资格的飞行员才会得到所有空勤人员的自发尊重。

三、惯性导航

陆基无线电导航技术在上世纪二十年代后期逐渐成为了民航的主要导航技术，但是其依托于地面设施以及系统的支持，飞机与地面设备必须通过无线电波进行“互动”，在自助定位导航上存在较大的困难，也限制了航空事业的发展进步。所以在无线电导航发展得如火如荼的时候，科学家还研发了⼀种完全不基于地面设备的导航方法——惯性导航系统。所谓惯性导航系统就是利用万物皆有惯性这一定律，通过在飞机上安装陀螺仪和加速度计，测量飞机的加速度，然后通过对加速度进行积分，得到飞机的速度和位移。六十年代具备自主导航能力的INS（惯性导航系统）应用于航空领域，军航上能够满足其生存能力、干扰力、反利用、反欺骗的要求，所以也被广泛应用。民航上INS能够提供很好的连续性导航服务，并且在一定时间内导航参数精度很高，且更新速度快。上世纪七十年代末期数字计算机的出现，再加上宽体飞机的应用发展，使INS进入了发展高峰期。许多陆基导航与INS相比较，显得INS优势更加明显，特别是其可以进行航空器的三维方面的显示（位置、速度），还能提供航向姿态等重要信息。INS成为了民航航空器的基本导航系统被广泛应用。

这种导航方法只依靠飞机上的仪器而与外界无关，且不易受无线电干扰，有着独特的优势，只不过缺点也很明显，那就是随着时间的推移，惯导的累积误差会越来越大。所以，现代飞机往往会通过别的导航方法来修正惯导误差。

四、星基导航

技术发展日新月异，现代的飞机导航更多地依赖于“天上的灯塔”，也就是全球卫星导航系统，这相当于把原本在地面的导航台“搬到了”天上。卫星的位置高，覆盖范围广，可以轻易地实现全球导航，这是任何其他的导航系统都无法媲美的。从20世纪80年代起，各国就逐步将全球卫星导航系统作为飞机的导航源进行应用。其基本原理是：飞机上的接收机收到卫星发射的无线电信号，求出飞机相对卫星的距离，由于卫星相对于地面基站的位置已知，那么通过解算一组方程就可以计算出飞机的位置。

GPS是应用于航空领域的星基导航始祖，而且目前为止一直被广泛使用，性能也一直被不断的开发研究创新。虽然现在有很多的其他星基导航系统被研究使用，但是在这些后继研究创新出来的星基导航系统里都是以GPS为蓝本进行参照的，并且在研发时尽量让新的星基导航系统与GPS能在一定的条件下兼容并用。GPS也不仅仅只在航空领域大显其作用，它已经深入到了国家各个方面影响着普通百姓的生活，GPS是一个能将位置、时间、速度准确提供的赋能系统，并且GPS在社会上已经形成了一个巨大的产业链，深入各大行业，GPS是现代星基导航的基础。现阶段GNSS应用工作尝试着解决民航应用中的一些特别问题（监测问题方面的增强技术），但是其工作也是集中于GPS和其技术的研究。

新的星基导航技术越来越受到全球各国的重视，但是GNSS在高可靠性上还是尚有缺乏，不能满足民航这方面需要。美国也开展了一系列的民航星基导航研究（WAAS、LAAS、ABAS），其中前两项已经准备开始大规模的应用，ABAS正在进行技术验证。但是这些完全依赖于美军控制的GPS实时导航，在国家机密上有一定的安全隐患，所以全球各国也进行着自己的计划，譬如：欧洲的伽利略（Galileo）计划、我国的北斗计划、俄罗斯对GLONNASS也正在完善。值得一提的是我国自主设计制造的国产喷气式飞机ARJ21便首次搭载了我国的北斗卫星导航系统。

五、基于性能的导航

基于性能导航（PBN），是RNAV（区域导航）和RNP（所需性能导航）的总称。基于性能的导航是国际民航组织(ICAO)在整合各国RNAV和RNP运行实践和技术标准的基础上，提出的一种新型运行概念。PBN将飞机先进的机载设备与卫星导航及其他先进技术结合起来，涵盖了从航路、终端区到进近着陆的所有飞行阶段，使飞机可以沿任意期望的航迹运行，提供了更加精确，安全的飞行方法和更加高效的空中交通管理模式。

1.区域导航（Regional Area Navigation）

RNAV是一种全新的导航方式，飞机不必沿着导航台飞行，航路可由一系列的地理坐标点定义，既可以选择更灵活的航路，也可以在考虑气象、流量等因素和条件下将航路设计得更加优化。它是通过陆基和星基导航信号的更新，使用飞机的惯导设备连续更新，达到沿任意期望的路径的飞行目的。由于RNAV不具备机载设备导航性能监视和告警，RNAV运行偏差需由管制员监控，并与机组进行实时通讯。当机组或管制员发现飞机的实际航迹偏离了标准航迹，或认为误差不可接受，或发现其他不符合RNAV运行要求的现象，均需通报对方，此时将会终止RNAV运行，转为传统导航方式。

2所需性能导航（Required Navigation Performanc）

RNP是指对指定空域内运行所需要的导航性能精度的描述。即具备机载设备导航性能监视和告警要求的RNAV，也可认为是RNAV的升级版本。RNP对空域规划、航路设计、航空器装备等方面都产生着影响。

结束语

导航就是飞机的“眼睛”，让飞机知道自己的位置，并且沿既定路线从一个地方飞到另一个地方。当前，新技术蓬勃发展，新概念层出不穷，未来的导航技术也必将沿着智能化、自动化、综合化的方向不断前进，未来的飞机必将拥有更加“炯炯有神的双眼”，从而更安全、更高效、更可靠地翱翔在蓝天白云之上。

参考文献

[1]陈永冰，钟斌．惯性导航原理[M]．国防工业出版社，2007：53-68

[2]刘基余．GNSS 全球导航卫星系统的新发展[J]．遥测遥控，2007，28(4)：1-6

[3]邱致和，王万义．GPS 原理与应用[M]．北京电子工业出版社，2002：l95-204

[4]牛飞．GNSS 完好性增强理论与方法研究[D]：[博士学位论文]．解放军信息工程大学，2008：35-62

作者简介：徐兴斌，航空机务士官学校航空机械工程系飞机维护教研室教员，助教，研究方向：航空机务.