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航空百問:飛機如何不迷路?

時間:2021年01月07日   來源:

導航系統(tǒng)能夠幫助人們確定自己的位置,飛機的導航系統(tǒng)有些什么門道?

生活中,為了到達目的地,人們會使用多種導航方式,例如,使用車載導航系統(tǒng),查閱手機地圖尋找標志性建筑物等來辨別位置。而對于飛機來說,要在萬米高空飛行時也能精準定位而不迷航,就需要飛機導航系統(tǒng)。導航系統(tǒng)能夠提供飛機的位置、姿態(tài)、航向和速度等信息,讓飛機在缺乏參照物的天空中也能精確定位。飛機在剛誕生的時候,導航方式非常簡單,完全依靠飛行員目視觀測地標,配合地圖,可以沿著山脈或河流等有特征的地形飛行。后來人們參照航海的經(jīng)驗,使用磁羅盤來指示方位,并使用六分儀來測量某一時刻太陽與地平線的夾角,以便獲得飛機所在位置的經(jīng)緯度。

現(xiàn)代飛機主要采用以慣性導航為核心的多信息源綜合導航系統(tǒng)作為飛機導航系統(tǒng)?,F(xiàn)在就讓我們來看一看慣性導航系統(tǒng)的主要測量部件——加速度計和陀螺儀。

早期的陀螺儀主要是以牛頓力學為基礎的機械式轉子陀螺,當陀螺轉子旋轉時,陀螺的軸會指向某一固定方向保持不變,這就是陀螺的定軸性。利用定軸性可以測量出飛機每個時刻在指定方向的角速度信息,比如飛機機頭俯仰的角速度等。后來出現(xiàn)了激光陀螺和光纖陀螺,它們以沒有運動部件的光學系統(tǒng)替代了機械轉子來測量系統(tǒng)的旋轉運動,得到了廣泛應用。通過對陀螺儀測得的角速度信息進行積分處理,就能確定出飛機此時的姿態(tài)等信息。

除了姿態(tài)和航向,掌握飛機的飛行速度也很重要,那么慣導系統(tǒng)又是如何測量飛機速度的呢?這就要依靠另一個叫做加速度計的部件了。

在物體質量不變時,其加速度與所受的合外力成正比,而外力的大小可以通過某些物理量來間接測量,例如,彈簧提供彈力的大小可以通過其長度的變化來反映。慣導系統(tǒng)加速度計的原理與之相似,通過測量加速度計內部某些物理量的變化,可以計算出飛機在指定方向的加速度大小,然后對加速度信號進行積分處理,就能確定出飛機此時的飛行速度等信息了。

慣性導航系統(tǒng)幾乎可以輸出所有必需的導航信息,但是慣性解算中存在積分過程,導航誤差會隨時間不斷積累。因此飛機不能僅依靠慣性導航系統(tǒng),以慣性導航為核心的多信息源綜合導航才是主要的解決方案。

慣性導航系統(tǒng)相當于人體頭部的前庭和半規(guī)管,以衛(wèi)星導航為代表的無線電導航系統(tǒng)相當于人體的耳朵,視覺導航系統(tǒng)相當于人體的眼睛,地形輔助導航系統(tǒng)相當于人體對地形的記憶,綜合導航系統(tǒng)相當于人體的大腦。綜合導航系統(tǒng)能夠綜合處理系統(tǒng)內所有單一導航源提供的導航信息,可以為飛機在各飛行階段和任務階段,提供最優(yōu)的、統(tǒng)一的、可用的、可靠的飛機導航信息。

這就是現(xiàn)代飛機主要采用以慣性導航為核心的多信息源綜合導航系統(tǒng)作為飛機導航系統(tǒng)的原因所在。未來飛機導航系統(tǒng)將向智能化和協(xié)同化方向發(fā)展,支撐空天地一體柵格化網(wǎng)絡的愿景。

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