第一节 空中领航

一、空中领航概述

（一）空中领航的基本概念

在地面上，如果要去一个陌生的地方，凭借一张地图和路牌的指示就可以到达目的地。而在广袤的空中，飞机是如何确定飞机位置、飞行方向和飞行距离的呢？这一切就需要借助空中领航的有关知识来完成。广义的领航包括两方面的含义：一是空中领航。二是地面引导。

小资料

1988年7月11日，新疆航空公司TU-154M型2603号飞机在执行“乌鲁木齐-广州-上海”航班任务时，机上满载162名中外旅客及11名机组人员。飞机进入湖北、安徽、江西三省交界区域，由于遇雷雨区，飞机作机动飞行，离开正常航路进行绕飞，很不幸的是，他们居然迷路啦……

空中领航是指飞行人员使用领航设备，测定飞机相对于地面位置，确定飞机航向、速度和高度，将飞机准确地引领到预定地点的一系列活动。

地面引导是指地面人员使用引导设备，计算出引导数据，将飞机引领到预定目标的一系列活动。按照引导设备的不同，可分为自动化引导和人工引导。自动化引导，是在测得空中目标信息后，自动获取数据并传输给计算机，计算机根据引导人员确定的目标和飞机飞向目标的方法，自动计算出引导数据，引导人员据此对空中飞机所实施的引导。人工引导，是利用地图上标出的或雷达显示的飞机航迹，对飞机所进行的指挥引导。

（二）空中领航发展简史

早期飞机的领航设备简陋，飞行人员主要是用地图与地面对照来判定位置和飞行方向。1910年，英法两国飞行员在飞行竞赛中，参照飞机上简易磁罗盘指示的飞行方向，沿着铁路、公路由伦敦飞到曼彻斯特，这是一次早期著名的空中领航活动。

在第一次世界大战期间，飞行员利用飞机上的磁罗盘、空速表、高度表和地图相结合，实施空中领航，并开始在空勤组内专设一名空中领航员。

第二次世界大战中，由于雷达、无线电等技术的发展，飞行人员使用无线电领航设备、航空六分仪和天文罗盘等实施空中领航。无线电领航的出现，是空中领航方法的一次飞跃，是一个里程碑，它使飞机能够在复杂的气象条件下安全起飞和着陆，能够准确地沿航线飞到目的地，增强了飞机的机动飞行能力，取得了极大的经济效益，是目前一种主要的领航方法。

随着电子计算机、雷达、激光、红外、微波、自动控制和其他信息系统等科学技术的迅速发展，空中领航和地面引导的自动化程度越来越高。飞机从起飞到着陆阶段的领航问题，逐步由电子计算机控制和处理，较之人工控制，可以更准确、迅速地实施空中领航和地面引导。

1973年，美国开始研制用于导航的全球卫星定位系统，由于卫星导航所具有的优点，受到了世界各国的广泛重视，卫星导航技术对未来的导航、通信及空中交通管理产生了深远的影响，这一技术的成功应用将导航技术推入了卫星导航时代，具有划时代的意义。

二、领航基本方法

根据使用设备的不同，常用的领航方法有：地标罗盘领航、无线电领航、天文领航、雷达领航、惯性领航、卫星领航等。现代有些飞机装有由几种不同的领航设备组成的、由电子计算机控制的综合领航系统实施空中领航，以提高引领飞机的准确性和自动化程度。虽然领航方法多种多样，各有千秋，但其基本方法都是一样的：确定飞机当前位置、计算出到预定地点的飞行方向和飞行时间，引导飞机准确地飞到预定地点。不同的领航方法，区别在于获得这些信息的途径与计算方法的不同。

（一）地理坐标与航空地图

地理坐标是用来确定地面和空中运动物体位置的一种最基本的坐标，领航中通常用经度和纬度表示。

地球上任意地点都有一条经线通过，某条经线的经度，就是该条经线所在平面与起始经线平面的夹角。

地球上任意地点都有一条纬线通过，某条纬线的纬度，就是该纬线上任意一点与地心的连线同赤道平面的夹角。

将地球表面的全部或者一部分地形、地物按照一定的比例缩小，用一定的方法和符号描绘在平面上的图形，就叫地图，它是地面上各种景物的简略记录。地图的种类很多，不同的地图有不同的用途。其中专供航空使用的地图叫做航空地图。

航空地图是每次飞行进行领航准备和空中实施导航必不可少的重要资料。在飞行中充分、正确、熟练地使用航空地图所提供的资料，对于保证飞行安全具有重要的意义。

（二）领航的基本参数

各地的地理坐标和海拔高度通过多年的测量已经记录在航图上，因而通过地面标志对照航图就可以确定某一点的地理坐标。也可以在知道起飞机场的地理坐标后，根据地速和航向把飞行中的航迹以及到达的时间计算出来。在具备航空地图的情况下，领航最主要的参数就是航向、空速及地速、时间和飞行高度（见图3-1）。

图3-1 领航的基本参数

1.航线

飞机从地球表面一点到另一地点的预定航行路线叫航线。航线的方向用航线角表示，从航线起点的经线北端顺时针量到航线去向的角度就是航线角，航线角的范围是0°～360°；航线距离是航线起点到终点的地面长度，它等于各段航线距离之和，航线距离的单位常用的有千米和海里。

2.航向

飞机纵轴前方的延长线叫航向线（见图3-2）。航向线的方向，即飞机纵轴前方的指向，叫做航向，航向就是飞机在空中的飞行方向，它是用航向角来表示的。从经线北端顺时针量到航向线的角度叫航向角（见图3-3），其范围为0°～360°，其中0°为正北方向，90°为正东方向，180°为正南方向，270°为正西方向。

图3-2 航向线

图3-3 航向角

飞机的航向是通过罗盘来测量的，目前民航飞机上采用的罗盘主要有：直读磁罗盘、陀螺半罗盘和陀螺磁罗盘等。在现代化的飞机上则采用航向系统，其目的是实现机载设备的综合化及实施自动飞行管理等。

3.空速及地速

飞机相对于空气运动的速度叫空速。空速是反映飞机飞行性能的一个重要参数，是飞行员正确操纵飞机的主要依据，飞行中飞机所受的各种空气动力与空速直接相关，同时空速也是领航计算不可缺少的元素。

空速是用空速表测量出来的，但由于空速表存在着机械误差、空气动力误差、空气密度误差等，使用时需要进行修正和计算。

飞行中不仅要知道空速，在领航计算中更需要知道沿航线飞行的飞机相对地面的速度，从而确定飞机所在的位置和飞机达到预定位置的时刻。飞机在地面上投影点的移动速度称为地速，地面投影点移动的轨迹称为航迹，航迹的方向用航迹角表示，从经线北端顺时针量到航迹去向的角度叫航迹角，范围为0°～360°。如果航迹与航线重合或一致，航迹角就等于航线角。

飞机在飞行中，不但相对空气运动，还会随风往下风方向飘移。在无风的情况下，机头对向哪里，飞机就飞向哪里，这时飞机的航迹完全同航向线一致，飞机的航迹角等于航向，地速等于空速；飞机顺风航行，飞机的空速和风速在一条直线上，地速等于空速加风速；同理，飞机逆风航行，地速等于空速减去风速。

图3-4 小船过河

通常情况下，空中很少遇到无风、单纯的顺风或逆风，实际情况是经常有侧风。侧风中飞机随风飘移不仅影响地速大小，还影响地速方向，使飞机的航迹线偏离飞机航向线，造成飞机的航迹角不等于航向，地速也不等于空速。正像船渡河时，船受水流的影响，船的行进方向并不是船头所指示的方向，而是偏向下游方向，飞机在侧风中飞行，航迹线相对于航向线也会朝下风方向偏（见图3-4）。

知道了飞行的航迹角和地速就很容易地计算出飞机下方地面的位置和到达预定位置的时刻。

4.时间

时间有两种不同的含义：一是表示某一瞬间的早晚，叫时刻，如飞机从北京起飞时刻是12时40分，到达广州的时刻是15时55分；二是表示两时刻间所间隔的长短，叫时段，如飞机从北京到广州的飞行时间是3小时15分。

要表示时刻的早晚和时段的长短，就需要有时间单位，时间的基本单位是日，年和月是日的倍数，时、分、秒是日的等分。

5.飞行高度

飞机到某一基准面的垂直距离叫飞行高度，常用米或英尺为单位。

根据不同的飞行需要，常常选择不同的基准面作为测量高度的基准。根据不同基准面，飞行高度常分为两类：几何高度和气压高度。

几何高度是以地球表面上某一水平面作为基准面的高度，它实际上就是飞机相对于地球表面某处的真实高度，它只与飞机和地球表面所处的高低有关，具有稳定的几何形态。根据所选基准面不同，几何高度有真实高度、相对高度和绝对高度之分（见图3-5）。

图3-5 几种高度

真实高度是指以飞机正下方的地平面为基准面的高度。

相对高度是指以起飞机场或降落机场所在的平面作为基准面的高度。

绝对高度是指以平均海平面为基准面的高度。

气压高度是根据高度上升、大气压力逐渐降低的原理，测得某处气压值，根据这一气压值计算出来的高度。常用的气压高度有场面气压高度、修正海平面气压高度、标准气压高度等。飞行中常用的高度表指示的数据就是根据气压指示的气压高度。

场面气压高度是以起飞机场或降落机场的场面气压为基准面的高度。

修正海平面气压高度是以修正海平面气压为基准面的高度。

标准气压高度是以标准大气压，即101325帕（760mmHg）为基准面的气压高度。

（三）空中领航的基本方法

从早期的地标罗盘领航到现在普遍采用的卫星导航系统，领航方法经历了翻天覆地的变化，但无论采用什么方式领航，其基本方法都是基于地标罗盘领航，只是各种领航参数的获得、处理更加直观、更加智能化而已。

地标罗盘领航就是地标领航和罗盘领航的结合。地标领航是飞行员于飞行前在航空地图上画出所要飞行的航线，并记住航线上所要经过主要地点的地面特征；飞行中，用航空地图同所见地面对照，按辨认出来的地标确定飞机位置、飞行航向和飞行时间。罗盘领航是根据飞行中所测得的领航参数和飞机在风中航行的基本规律，通过推测和计算来确定飞机位置、飞行航向和飞行时间，以引导飞机航行的方法，罗盘领航也称为推测领航。

地标领航是最早、最原始的领航方法，其优点是方法简单可靠，缺点是受飞行地区的地形、季节、昼夜、气象条件，以及飞行高度、速度和座舱环境的影响，在实际应用中有其局限性；罗盘领航是每次航行中必不可少的最基本、最重要的领航方法，其优点是不受天气、昼夜和地区等外在条件的限制，可以在不同的条件下使用，缺点是受设备误差，作业准确性的影响以及推算的积累误差影响。所以在实际应用中，常常把地标领航与罗盘领航相结合，以地标定位为基础，推测计算为主要手段的领航方法，这样的领航方法就叫地标罗盘领航。

民航飞机的每次航行，几乎都是沿预定航线飞行的，例如北京到广州航线。当航线确定后，首先要解决的问题是，飞机应该保持多少度的航向飞行，才能使飞机沿北京到广州的预定航线飞行？飞行多长时间才能到达目的地广州？即推算飞机沿航线飞行的应飞航向和应飞时间。

飞行前，需要在航空地图上进行地图作业，画出将要飞行的航线，量出航线角，根据气象部门预报的风力风向推算出飞机沿预定航线飞行所应保持的航向——应飞航向（见图3-6）。推算应飞航向的目的就是使飞机的航迹线与预定航线重合，使飞机沿航线准确到达预定地点。

图3-6 地图作业

在无风或顺、逆风的情况下，飞机的航迹与航向一致，机头对向哪里，飞机就能飞到哪里。因此，当飞机准确通过起点时，就应将航向对准目的地，即保持应飞航向等于航线角飞行，飞机就能沿航线飞到预定地点。

在有侧风的情况下，如果飞机通过起点时仍然采取航向等于航线角飞行，由于受侧风的影响，飞机将产生偏流角，航迹线将偏到航线的下风方向，最终飞机将不能飞到预定地点上空。

飞机在有侧风的情况下飞行，为了使航迹线与航线重合，必须使飞机的航向线向迎风方向修正一个偏流角，即在航线角基础上迎风修正一个偏流角，得到应飞航向（见图3-7）。

图3-7 应飞航向

应飞航向=航线角-偏流角

由于修正了偏流，虽然航向线没有对向预定地点，但在侧风的影响下，航迹线正好与航线重合，飞机将沿着航线飞到预定地点上空。渡河的小船要想到达对岸，必须将船头对向预定靠岸地点的上游，也是这个道理。

地图作业中还应推算好应飞时间，应飞时间的推算是根据航线距离和飞机地速进行计算的。

应飞时间=航线距离÷飞机地速

实际飞行中会出现很多偏差，如航行参数保持不好、风力风向变化等都会造成实际飞行与地图作业的差距。为了能及时发现和修正偏差，地图作业时还要在航线中途选择几个较明显的地标作为检查点，计算出飞机从起点（或航线上的其他点）到检查点的应飞时间并量出检查点偏离航线的距离等。飞行中，根据到检查点的实际时间与应飞时间的比较、飞机偏离检查点的位置等判断出飞机偏航情况，在后续航段及时修正。检查点的作用是使飞行员在飞行中偏差较小时，及时发现并修正偏差，避免偏差得不到及时修正而造成的大偏差，甚至迷航。

三、现代飞机的导航设备系统

现代飞机用先进的导航设备系统取代了传统的领航方式，导航设备系统是由地面导航设施和机载导航设备共同组成的。在民航飞机上广义的机载导航设备包括：罗盘系统、甚高频全向信标系统、仪表着陆系统、无线电高度表、测距机以及气象雷达等。

（一）传统的导航设备系统

传统的地面导航设施对于目视飞行来说，主要是指机场上的各种标志和指挥旗帜，为了保障飞机的夜间飞行，一般在机场和机场附近的航路上建立有灯光标志，使飞机在夜间按照一定的灯光指示着陆或起飞。

20世纪30年代，无线电用在导航领域，开始了仪表飞行时代，驾驶员用无线电仪表来准确地确定飞机与地面无线电发射台的方位和距离，从而实现沿着航路点的信标完成飞行。目前在用的地面导航设施主要有：

1.指点信标（Marker Beacon）

指点信标是低功率的无线电发射台，它安置在航路的固定点上，垂直向上发出特定的编码信息，只有飞机经过它上空时，才能收到它的信号，驾驶员以此来确定飞机在航路上的准确位置。

2.无方向信标

也称为中波导航台（NDB）。无方向信标发射单一的中长波，飞机上的自动定向仪（ADF）接收这个信号。自动定向仪的旋转环形天线在正对无线电台时信号最强，这时通过电子线路使天线自动锁定在这个方向上，就可以测出飞机对于这个信标的方位，利用无线电全罗盘指示出来。利用一个中波导航台，驾驶员只能确定飞机的方位，如果测定出相对于两个中波导航台的方位，这两条方位线的交点就是飞机的位置。这样就可以用中波导航台确定飞机的位置。

3.甚高频全向信标系统（VOR）

甚高频全向信标系统是一种无线电测向系统。它由机载的全向信标接收机和地面的全向信标台组成。全向信标台沿航路布置，飞机上的接收机收到信号就可以得出相对发射台的方位角，测出的方位角在无线电指示器上显示出来。其工作频段为108.10～117.90兆赫的甚高频段，故此得名。VOR发射机发送的信号有两个：一个是相位固定的基准信号；另一个是信号的相位随着围绕信标台的圆周角度是连续变化的，也就是说各个角度发射的信号的相位都是不同的。向0°（指向磁北极）发射的与基准信号是同相的（相位差为0），而向180°（指向磁南极）发射的信号与基准信号相位差180°。

在飞机的接收机上，从接收到信号的射频频率可以确定它是来自哪一个VOR台，由于发射机的天线是定向天线而且在不断旋转，当天线正对飞机时信号强度最强，而当天线与飞机相背时信号强度最弱。飞机上的VOR接收机根据所收到的两个信号的相位差就可以计算出飞机相对于VOR台的方位。

VOR只能向飞机提供方向信息，不能给出飞机与导航台之间的距离，因此VOR通常与测距仪（DME）同址安装，在提供给飞机方向信息的同时，还能提供飞机到导航台的距离信息，这样飞机的位置就可以被确定下来。甚高频全向信标出现于第二次世界大战之后，1949年被国际民航组织（ICAO）选为国际导航标准设备，直到目前VOR仍然是世界上大部分地区的主要航线导航设备。

4.测距仪（DME）系统

它的目的是使飞机通过测量它和测距台之间脉冲电波往返的时间来测出飞机到测距台之间的距离。DME系统由飞机上安装的询问机和地面站台上的应答机组成。机上的询问机向地面发出两个一组的脉冲对，脉冲对到达地面站，地面站上的应答机被触发，应答机随即回送一个频率相同编码的脉冲信号，机上的接收机收到信号后测量出发射及收到脉冲对的时间间隔，由此测出飞机到地面站的直线距离。

（二）现代导航设备系统

现代导航系统主要有惯性导航系统和卫星导航系统。民航飞机用得较多的是卫星导航系统，卫星导航系统是20世纪80年代后期迅速推广的导航方法，它的出现使整个导航系统发生了革命性的变化。目前在用的主要有美国的GPS全球定位系统、俄罗斯的格洛纳斯全球导航卫星系统（GLONASS）和我国的北斗卫星导航系统，下面将逐一介绍。

1.惯性导航系统

惯性导航系统（简称“惯导”，INS）是一种不需要外部信息支持、也不向外部发射信号的自主式导航系统。惯导工作起来有很好的独立性和隐蔽性，被军用飞机、军用舰船等广泛采用。惯导不仅能在包括空中、地面的环境里独立自主地工作，还可以在水下可靠地工作。

惯导的工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量物体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中，就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息，在预先储存的地图上进行推算，就可得出物体的位置信息，因此属于一种推算导航方式。工作时，从一已知点的位置根据连续测得的物体航向角和速度推算出下一点的位置，因而可连续测出运动体的当前位置。惯性导航系统中的陀螺仪用来形成一个导航坐标系，使加速度计的测量轴稳定在该坐标系中，并给出航向和姿态角；加速度计用来测量运动体的加速度，经过对时间的一次积分得到速度，速度再经过对时间的一次积分即可得到距离。

惯性导航系统有如下主要优点。

第一，由于惯导是不需要任何外部信息的支持，也不向外部发射电磁波的自主式系统，故隐蔽性好、不易受外界电磁干扰的影响。

第二，惯导可全天候、全球、全时间地工作于空中、地面甚至水下，通用性好。

第三，惯导能提供位置、速度、航向和姿态角数据，所产生的导航信息连续性好而且噪声低。

第四，惯导数据更新率高、短期精度和稳定性好。

惯性导航系统的主要缺点有：

第一，由于导航信息是经过积分计算得出的，定位误差随时间而增大，长期精度差。

第二，每次使用之前需要花费较长的时间进行初始对准。

第三，设备的价格较昂贵。

第四，不能给出时间信息。

图3-8 GPS示意图

2.GPS全球定位系统

GPS是全球定位系统（Global Positioning System）的简称，中文简称为“球位系”。GPS是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的卫星导航定位系统。其主要目的是为陆、海、空三大军事领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通信等军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成部分。经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年3月，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星已布设完成（见图3-8）。

GPS由空间部分、地面部分和用户设备部分构成。

GPS的空间部分由24颗工作卫星组成，它位于距地球表20200千米的同步轨道上，均匀分布在6个轨道面上（每个轨道面4颗），轨道倾角为55°。此外，还有3颗有源备份卫星在轨运行。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星，并能在卫星中预存导航信息。

GPS的地面部分是指地面控制系统，由监测站（Monitor Station）、主控制站（Master Monitor Station）、地面天线（Ground Antenna）所组成。主控制站位于美国科罗拉多州春田市（Colorado Spring），地面控制站负责收集由卫星传回的信息，并计算卫星星历、相对距离、大气校正等数据。

GPS用户设备部分即GPS信号接收机（见图3-9），其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接收天线至卫星的距离和距离的变化率，解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。

图3-9 GPS信号接收机

GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。

GPS有高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等主要特点，使之在陆地、海洋和航空航天领域都有广泛应用。陆地应用方面主要包括车辆导航、应急反应、大气物理观测、地球物理资源勘探、工程测量、变形监测、地壳运动监测、市政规划控制等；海洋应用主要包括远洋船最佳航程航线测定、舰船实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝、水文地质测量以及海洋平台定位、海平面升降监测等；航空航天应用主要包括飞机导航、航空遥感姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等（见图3-10）。

3.格洛纳斯全球卫星导航系统

格洛纳斯全球卫星导航系统（GLONASS）是由苏联（现俄罗斯）国防部独立研制和控制的第二代军用卫星导航系统，与美国的GPS相似，该系统也开设民用窗口。GLONASS技术可为全球海陆空以及近地空间的各种军民用户全天候、连续地提供高精度的三维位置、三维速度和时间信息（见图3-11）。

图3-10 汽车用GPS信号接收机

图3-11 GLONASS系统

格洛纳斯全球卫星导航系统标准配置为24颗卫星，包括21颗工作星和3颗备份星，分布于3个圆形轨道面上，轨道高度19100千米，倾角64.8°（见图3-12）。

4.北斗卫星导航系统

北斗卫星导航系统［BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System］是我国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统（CNSS），是除美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的格洛纳斯全球卫星导航系统（GLONASS）之后第三个成熟的卫星导航系统。北斗卫星导航系统致力于向全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务，其建设与发展遵循开放性、自主性、兼容性、渐进性四项原则（见图3-13）。

图3-12 发射GLONASS卫星的质子火箭

图3-13 北斗卫星导航系统

北斗卫星导航系统也是由空间端、地面端和用户端三部分组成。空间端包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，为用户提供开放服务和授权服务两种方式的服务。开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为10米，授时精度为50纳秒，测速精度为0.2米／秒。授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。地面端包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站。用户端由北斗用户终端以及与美国GPS、俄罗斯GLONASS等其他卫星导航系统兼容的终端组成（见图3-14）。

图3-14 北斗系统的应用

我国在2000年10月31日成功发射北斗系统的第一颗“北斗一号”卫星，2010年12月18日，已成功发射7颗北斗导航卫星，计划2012年左右，“北斗”系统将覆盖亚太地区，2020年左右覆盖全球。该系统已成功应用于测绘、电信、水利、渔业、交通运输、森林防火、减灾救灾和国家安全等诸多领域，经济效益和社会效益显著。