二战时期,跨海执行远程任务的轰炸机机群,需要跟着领航机飞行 。领航员靠着无线电和地图的指引,将轰炸机机群带到目标上空 。轰炸任务完毕后,再靠本土大功率无线电信标台指引返航 。
当时,中/长波无线电信标台存在传播特性不稳定、作用距离短等缺点,为克服这些问题,科研人员又研制出甚高频全向信标——伏尔导航系统 。
伏尔导航系统通信距离达400公里,统一规范了无线电导航台的频率,简化了机载无线电设备的设计 。20世纪50年代,伏尔导航系统被列为专用国际标准民用导航系统,并沿用至今 。
无线电导航技术要求飞机必须与地面设备保持联通,一旦地面设备损坏或受到电磁干扰,飞机会成为“睁眼瞎” 。因此,科研人员研制出一种完全不利用地面设备的惯性导航系统 。
这套系统更像是一种小型计算机,安装的陀螺仪和加速度计能够测出飞机的飞行加速度,再对加速度进行计算,得出飞机的飞行速度和位移 。这种导航方式不易受无线电干扰,为飞机装上“指南针” 。
惯性导航的缺点也很明显:随着时间推移,累积误差会越来越大 。所以,现代飞机往往会通过其他导航方法来修正惯导误差 。
星星指路引航程
皓月当空,星光璀璨 。如果飞行员驾驶飞机在夜间迷航,他们会利用六分仪观星,这就是天文导航 。
天文导航需要飞行员拥有丰富的天文知识储备 。当遇到气流颠簸时,飞行员很容易选错参考星体,从而迷失航向 。
为了解决这一问题,早期的麦道和波音客机将天文导航融入驾驶舱设计理念中,在驾驶舱风挡玻璃顶端装上“观星窗” 。这种设计能减少目视飞行中的盲区面积,即使在导航系统全部失效后,也能通过天体来判断所处位置 。
传统天文导航,飞行员需要通过复杂计算才能得出位置信息,如何让星星把位置信息直白地“告诉”飞行员呢?
随着各国航天技术发展,科学家决定亲自动手,在天上镶上“星星”——人造卫星 。这些人造卫星所构成的全球卫星导航系统,相当于把原本在地面的导航台搬到天上,被形象地称为“天上灯塔” 。
卫星导航的原理不难理解:利用飞机接收机接收卫星信号,计算出飞机相对卫星的距离,卫星相对于地面基站的位置已知,解算一组方程就能得出飞机位置 。卫星位置高、覆盖范围广,可以轻松实现全球导航,这是任何导航系统都无法媲美的 。
20世纪70年代,美国和苏联争相开始研发全球卫星导航系统 。
美国GPS系统家喻户晓,这套系统于1994年全面建设完成,并于2010年重新优化调整了卫星分布,改善了导航设备精度;俄罗斯格洛纳斯系统,原计划1995年建成,苏联解体导致计划搁浅,直到2001年俄罗斯才重新启动建设,于2010年完成了全部24颗卫星的发射 。
20世纪90年代,欧盟开始研制伽利略导航系统 。该系统卫星数量多,能提供更好的信号、传递更多的信息,安装的精确原子钟运行300万年后误差只有1秒,定位误差在1米以内 。
值得一提的是,伽利略导航系统不仅是一个独立的定位导航工具,还能与多种导航系统结合使用,提高对海洋风速、海面潮水的强度和高度等数据测量精度 。
2020年7月31日,中国北斗三号全球卫星导航系统正式开通 。从2000年建成的北斗一号系统,到2012年服务亚太地区的北斗二号系统,再到2018年服务“一带一路”国家、2020年全面建成的北斗三号全球卫星导航系统,我国成为世界上第三个独立拥有全球卫星导航系统的国家 。“北斗+5G”“北斗+AI”“北斗+大数据”……一个崭新未来正扑面而来 。
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