万博士的航空讲堂

万志强

十二、飞行器的导航系统

在空中的飞行器要确定后面如何飞行时，首先必须知道自身当前的位置（经度、纬度、高度）以及速度的大小和方向，并将它们与预定的航线进行对比，制定新的飞行计划。此外，飞机飞行时往往还需要知道从起飞开始至当下已经飞越的路径（即航迹）。这些信息的获得都依赖导航系统。

导航，实际上就是通过各种手段获得飞行器的位置信息、速度信息和加速度信息等。导航系统就是提供这些信息的系统。

常见的导航方式包括：无线电导航、惯性导航、卫星导航、天文导航、图像导航、组合导航。

1.无线电导航

需要由地面导航台发射一定的无线电波，然后通过机上的接收设备，测定飞行器相对于导航台的方位、距离等参数，从而确定飞行器的导航参数（图1）。

无线电导航使用的无线电波是通过直接传播或大气电离层反射传播的，很少受气候条件的限制，而且作用距离远、精度高、设备简单可靠，是飞行器导航的主要技术手段之一。尤其在夜间或复杂气象条件下，为了保证飞行器的安全着陆，无线电导航系统是必不可少的导航工具。但其也有缺点，易被发现和干扰，且需导航台的支持才能够工作。

2.惯性导航

是通过测量飞行器的加速度（线加速度和角加速度），经运算处理得到其当时的速度和位置的一种综合性导航技术。

惯性导航方式的优点：不依赖于外部设备所提供的信息，完全依靠自身的惯性测量设备所测量的加速度，因此不受飞行器以外的环境条件影响，也无法对其进行干扰。但这种方式也有缺点：定位误差会随时间积累而增加，而为了提高精度，一方面要把设备做大从而导致重量增加（图2），另一方面需通过其它导航方式进行校正。

3.卫星导航

是用专用的导航卫星取代地面导航台发射导航信息的一种导航方式。它与无线电导航方式有一定的相似之处，都要通过发射和接收无线电信号进行，且都要计算飞行器相对于无线电导航台或导航卫星的位置。

卫星导航方式是20世纪80年代发展起来的先进导航技术。它充分利用卫星高度高、信号覆盖面广的特点，可完成地面导航台所无法实现的功能。它没有积累误差，天气影响较小，能进行全球、全天候导航。但也有整个导航系统比较复杂，导航信号较弱，易受人为干扰等缺点。

目前，世界上有几种卫星导航系统，其中性能最好、功能最完备的是美国的卫星全球定位系统，简称GPS（图3）。另外，还有俄罗斯的全球导航卫星网（GLONASS）、欧洲空间局计划中的“伽利略”导航卫星系统以及中国正在发展的“北斗”导航定位卫星系统等。

卫星导航方式不仅在航空上得到应用，在地面也有广泛的应用，如车载导航仪就使用了GPS进行导航。

4.天文导航

是通过观测天体并测定其与飞行器之间的角度来确定飞行器位置和航向的导航方法。

天文导航的观念有着悠久的历史。数千年前，我们的祖先遥望着浩淼的宇宙，就思索并实践了利用太阳、月球和其他自然天体指引方向的方法，如海上航行的船只借助天体的位置指引方向。

5.图像匹配导航

利用地球表面的山川、平原、森林、河流、海湾、建筑物等地表特征形状进行导航的方式。

使用这种导航方式时，首先需要知道飞行区域的数字化地形数据（称为原图，如不同位置的高度信息），然后在飞行时通过探测设备再次测量取得实际的数字化地形数据（实时图），并将实时图与预先存储的原图进行比较，由此确定飞行器实际飞行的地理位置与标准位置的偏差，从而对飞行器进行导航。

利用图像匹配导航，飞行器可进行地形跟踪，并保持一定的真实高度（图4）；也可使其按照数字地图中相同地形高度进行地形回避飞行，绕过高山、在山谷中穿行（图5）。

6.组合导航

上述导航各有优缺点，单独使用则都有一定的局限性。为了提高导航的精度，通常将以上几种导航方式进行组合，构成组合导航方式，弥补不同导航技术的不足，发挥各种导航技术的优点，互相取长补短。组合后的系统能提高导航精度，增加导航系统工作的可靠性。例如，将惯性导航设备和GPS组合，可以构成体积很小的组合导航设备（图6），应用于小型无人机领域。

与导航相类似的还有一个概念，称为制导，是导引和控制飞行器按一定规律飞向目标或预定轨道的技术和方法。制导过程中，首先需要通过导航系统测得飞行器与目标或预定轨迹的相对位置关系，然后发出制导信息传递给飞行器控制系统，以控制飞行。因此，导航是制导的基础。常见的制导方式分为有线制导（图7）、雷达制导、红外制导（图8）、激光制导等。

十三、飞行器的测量、

探测与显示系统

航空器在空中飞行时，一方面要了解实时的飞行参数，需用到测量系统；另一方面，还要探测航路上是否有其它飞行器及前方的气象情况，需用到探测系统；此外，还要把测量和探测的情况显示出来供飞行员查看，需用到显示系统。

1.测量系统

飞机在飞行过程中有很多相关的参数要测量，如飞行的速度、高度、加速度、姿态角与角速度、迎角、侧滑角等，都需使用专门的设备。例如飞行的空速通过空速计测量，地速通过GPS测量，飞行高度通过无线电高度表或气压高度表测量，加速度可用加速度传感器测量，姿态角与角速度通过陀螺仪测量，迎角和侧滑角通过迎角传感器测量等。

需要说明的是，与大气状态相关的参数，如静压、动压、温度、密度、高度、高度变化率、空速等信息，如果采用气压式空速表等单个传感器和仪表系统各自提供，不仅增加体积、重量和成本，而且不便维护，也影响这些信息的测量精度。为了克服这方面的缺陷，现代飞机往往都采用大气数据系统。这种系统可以提供综合的、高精度的大气数据信息。它由大气数据计算机、压力和温度传感器、迎角和侧滑角传感器，输入和输出接口及显示器等部分组成（图9）。

2.探测系统

飞机在空中飞行时除了希望了解自身的飞行参数之外，军用飞机还需了解敌机、敌方导弹的情况，民航客机还需了解航路上的实时天气状况。这就要安装探测设备对外界的信息进行探测。而雷达就是飞机最为重要的探测设备。

雷达是无线电检测与定位设备的统称。随着电子技术的发展，雷达技术从早期单一的防空设备迅速扩展到侦察、火力控制、空中交通管理、遥感、天文、地质等军用和民用领域。雷达在飞机上的应用也有很多种，如搜索警戒雷达、火力控制雷达、地形匹配雷达、气象雷达等。雷达通常安装在飞机的头部（图10）。

雷达的基本原理：通过无线电设备向空间发射无线电波。无线电波在不同介质表面会向各个方向散射一定的电波能量，其中一部分由目标反射回天线方向，成为目标回波。雷达接收目标回波后即可检测出目标的空间位置。这是通过测量天线至目标间无线电波往返的时间来确定的。

早期的雷达扫描利用天线的旋转进行，而天线的旋转则依靠机械系统控制。这种雷达天线扫描速度慢、精度低。现代高速飞机要求雷达缩短反应时间，提高扫描和跟踪速度，这些若单纯由机械操纵的天线转动很难完成。于是，随着电子技术的发展出现了相控阵雷达（图11）。

相控阵雷达的天线为平板形，其上分布有许多个小天线。小天线按一定规则排列，组成天线阵列。通过计算机控制，每个小天线发射的无线电波的相位各不相同，所有小天线发射的雷达波束在空间合成一个或多个波束。合成波束的形状可以任意控制，并能按一定规律在空间进行扫描。相控阵雷达不仅避免了机械扫描慢速、滞后和精度低等缺点，而且它所形成的多个波束可以同时搜索和跟踪多个目标。

3.显示系统

为了让驾驶员及时根据飞机测量系统所测出的参数了解飞机的状态，以及通过探测系统所探测的信息了解飞机的外界情况，必须把各种飞行信息以定量或定性的形式在显示器上显示出来。这些信息必须准确、可靠、清晰、直观、容易判读，并符合人机工效学的要求。

（1）显示系统的分类

航空器的显示系统分为机械仪表式显示系统和电子综合式显示系统。

·机械仪表式显示系统

飞机上的机械式、电气式和电动式机械仪表，均是利用显示部件间的相对运动来显示被测参数值，如指针-刻度盘、指标-刻度带、标记、图形显示、机械式计数器等，统称为机械仪表式显示系统。这类显示系统的优点是结构相对简单，显示清晰，如指针-刻度盘和指标-刻度带的显示过程能反映被测参数的变化趋势。缺点是因部件间存在的摩擦影响显示精度，寿命短、易受震动和冲击的影响，在低亮度环境中需要照明，不易实现综合显示。

20世纪70年代以前飞机的仪表大多采用机械式显示系统，因多数是单一功能的，所以在座舱仪表板安装着许多仪表：飞行员所需的主要飞行仪表安排在正前方仪表板的中间位置，一些次要的仪表则布置在两侧。图12为歼击机驾驶舱的机械仪表式显示系统。

·电子综合显示系统

随着电子技术、计算机技术和显示技术的飞速发展，20世纪70年代后期出现了电子式显示器。它把显示信息转换成光电信号。电子综合显示系统的突出优点是：

·显示灵活多样、形象逼真，显示形式有字符、图形、表格等，并可用彩色显示；

·容易实现综合显示，减少了仪表数量，使仪表板布局简洁，便于观察；

·消除了机械仪表因摩擦、震动等引起的附加误差，显示精度显著提高；

·采用固态器件，寿命长、可靠性高；

·随着集成化程度的提高，重量不断减轻，价格不断下降。

电子综合显示系统将飞行所需的基本参数信息，分类综合到几个电子显示屏上（图13），而且，这些屏幕内容还可以任意组合，显示或隐藏，并能互相切换，可将现阶段感兴趣的内容调整到飞行员习惯的位置显示。

飞行参数信息是飞行员关心的主要信息，一般综合到一个显示器中，称为主飞行显示器。显示的内容包括航向角、俯仰角、滚转角、飞行高度、速度、升降速度、机场自动着陆系统信号、失速警告等。

（2）平视显示系统

对于军用歼击机所采用的电子综合显示系统，往往会把主要飞行状态参数（如各种姿态角、速度、高度、升降速度等）与武器瞄准系统的信息结合起来，投影到飞行员正前方的成像玻璃上。这样飞行员在战斗中不必低头看仪表盘，就可以了解飞机的飞行情况。而成像玻璃在飞机进行格斗时能显示武器瞄准跟踪信息，在飞机作巡航飞行时又能显示导航信息。这种显示系统称为平视显示系统，简称平显。现代客机也使用了平视显示系统（图14）。

（3）头盔显示系统

20世纪60年代初，美国为满足武装直升机火力控制的需要，研制了一种新式的电子综合显示系统——头戴式光学瞄准具。这种瞄准具的主要功能除了能显示必要的信息之外，还能用头盔的位置来控制武器。随着技术的发展，现代头盔显示器的功能越来越全：

·控制直升机活动炮塔武器进行瞄准射击。

·跟踪和截获目标，给导弹攻击指示目标。

·目视启动控制装置。例如：飞行员的视线对准一个开关，这个开关便会显亮，加上左手按压专门的触发按钮，便可启动这个开关。

·控制电视摄像机、夜视摄像系统等镜头的转动，使其与视线保持同步。

由于具有上述独特功能，与其他显示系统相比，头盔显示器有以下3个突出的优点：

·缩短了截获目标的时间，能迅速瞄准目标和发射武器，使直升机减少被地面炮火的攻击和降低损失率。

·视野是全方位的，不受常规光学瞄准具固定安装和窄视场的限制。

·武器系统与瞄准具联动，在飞行员目视搜索和跟踪目标时，武器和相关传感器能迅速跟随到目标方位，瞄准后武器可迅速发射，大大改善了人机接口关系，减轻了飞行员的负担。

随着电子技术的发展，在头盔瞄准具的基础上，从单一的光学瞄准，又发展成今天的全天候、雷达和夜视瞄准的头盔显示/瞄准系统。这种系统已从飞机武器瞄准扩大到防空炮火、单兵导弹、地空导弹等火力控制系统。图15为F-35的头盔显示系统。

（4）显示系统发展趋势

随着电子技术、显示技术的发展，航空器显示系统也向着更高的水平迈进。彩色液晶显示器是正在走向成熟的显示器，它的优点是重量轻、体积小、功耗低、清晰度高和可靠性好；重量减轻70%，厚度减小80%，耗电量减小一半；在阳光下读数比显像管清晰；所需元器件少，且多为大规模集成电路，可靠性高，平均无故障间隔时间达2 000-5 000小时，是电子显像管的10倍。

随着语音技术，触摸屏技术的成熟，显示器正发展为大屏幕全景显示器，能将整个仪表板集成为一块大的触摸显示屏。飞行员只需触及屏幕某一位置，就可相应地改变显示格式，调出更多的数据信息，也可发出指令使系统执行任务。目前，飞行员主要是通过视觉和触觉进行飞行；今后，显示系统可通过语言通报显示信息，飞行员也可通过语音进行指令控制，减轻视觉负担。

4.航模用测量、探测和显示装置

航模上也时常会用到测量、探测和显示设备。图16为一种功能非常综合的飞行参数测试仪，可以实时测试航模的飞行速度（空速和地速）、飞行高度、经纬度、发动机的转速、电机的电流、温度等，并可通过小型数传电台把测试数据传到地面用手持显示设备显示或在电脑上显示。另外还有单独的气压高度测试仪，用于测试模型在飞行过程中的实时高度，并可通过电子显示屏显示。近年来，基于光学或超声波原理的距离探测器也开始在多旋翼模型和模型直升机上逐渐应用。图17是专家们正在进行多旋翼基于视觉的自主避障碍功能测试。（未完待续）