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航空百问:飞机如何不迷路?

时间:2021年01月07日   来源:

导航系统能够帮助人们确定自己的位置,飞机的导航系统有些什么门道?

生活中,为了到达目的地,人们会使用多种导航方式,例如,使用车载导航系统,查阅手机地图寻找标志性建筑物等来辨别位置。而对于飞机来说,要在万米高空飞行时也能精准定位而不迷航,就需要飞机导航系统。导航系统能够提供飞机的位置、姿态、航向和速度等信息,让飞机在缺乏参照物的天空中也能精确定位。飞机在刚诞生的时候,导航方式非常简单,完全依靠飞行员目视观测地标,配合地图,可以沿着山脉或河流等有特征的地形飞行。后来人们参照航海的经验,使用磁罗盘来指示方位,并使用六分仪来测量某一时刻太阳与地平线的夹角,以便获得飞机所在位置的经纬度。

现代飞机主要采用以惯性导航为核心的多信息源综合导航系统作为飞机导航系统。现在就让我们来看一看惯性导航系统的主要测量部件——加速度计和陀螺仪。

早期的陀螺仪主要是以牛顿力学为基础的机械式转子陀螺,当陀螺转子旋转时,陀螺的轴会指向某一固定方向保持不变,这就是陀螺的定轴性。利用定轴性可以测量出飞机每个时刻在指定方向的角速度信息,比如飞机机头俯仰的角速度等。后来出现了激光陀螺和光纤陀螺,它们以没有运动部件的光学系统替代了机械转子来测量系统的旋转运动,得到了广泛应用。通过对陀螺仪测得的角速度信息进行积分处理,就能确定出飞机此时的姿态等信息。

除了姿态和航向,掌握飞机的飞行速度也很重要,那么惯导系统又是如何测量飞机速度的呢?这就要依靠另一个叫做加速度计的部件了。

在物体质量不变时,其加速度与所受的合外力成正比,而外力的大小可以通过某些物理量来间接测量,例如,弹簧提供弹力的大小可以通过其长度的变化来反映。惯导系统加速度计的原理与之相似,通过测量加速度计内部某些物理量的变化,可以计算出飞机在指定方向的加速度大小,然后对加速度信号进行积分处理,就能确定出飞机此时的飞行速度等信息了。

惯性导航系统几乎可以输出所有必需的导航信息,但是惯性解算中存在积分过程,导航误差会随时间不断积累。因此飞机不能仅依靠惯性导航系统,以惯性导航为核心的多信息源综合导航才是主要的解决方案。

惯性导航系统相当于人体头部的前庭和半规管,以卫星导航为代表的无线电导航系统相当于人体的耳朵,视觉导航系统相当于人体的眼睛,地形辅助导航系统相当于人体对地形的记忆,综合导航系统相当于人体的大脑。综合导航系统能够综合处理系统内所有单一导航源提供的导航信息,可以为飞机在各飞行阶段和任务阶段,提供最优的、统一的、可用的、可靠的飞机导航信息。

这就是现代飞机主要采用以惯性导航为核心的多信息源综合导航系统作为飞机导航系统的原因所在。未来飞机导航系统将向智能化和协同化方向发展,支撑空天地一体栅格化网络的愿景。

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