飞机上天,迷路了怎么办?

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  飞行员如何知道自己在在哪里?又如何知道机场在哪?这是看起来像是一个哲学问题。但是如果这个问题用飞行术语解答,其实就可以翻译成——飞行员如何对飞机进行导航的?又是怎么找到机场落地的。

  在飞行届,有个大家都熟知的黄金定律用来提示飞行员们驾驶飞机的优先顺序,分别是 aviate(飞行)、navigate(导航)、(communicate)通讯。可以看到,导航是排在第二位的,重要性仅次于控制好飞机。

  

  什么是导航

  那什么是导航呢?对于目视飞行来说,导航是指飞行员使用海上或陆地上的目视参考点,并通过对比航图来推测飞机的相对行系或相对位置。

  简单的说,就是飞行员们通过观察山体,河流,高大的建筑,城市等等显著的可识别的物体或地标,通过记忆和经验,参考航图进行目视导航。另外在地标不明显的区域,可以根据之前记忆的位置和时间,通过地速矢量推算出飞机当前的位置,这种方法我们叫推测领航法——Dead reckoning,目视法和推测领航法是互相结合着使用的。

  这种简单的目视飞行方法虽然比较好飞,但是也有弊端。就是飞行员 / 领航员只有一直能清晰的看见外部参考,才能保证安全的飞行。

  想象一下,如果你正在目视飞行时出现了一块较低的云挡住了你的视线,或者类似的雨、雾、烟尘等等类似的较低能见度的天气现象出现时,你的目视参考会变得模糊、甚至看不见了,那会是多么可怕的一种情况——就像你开着车子,突然发现前面的路不见了一样——失去了目视参考飞行员就无法再进行导航了,这种现象叫迷航。如果迷航发生在在空域繁忙区域,飞机有可能会与其他航空器相撞,如果迷航发生在山区,则飞机还会有撞山的风险。

  

  仪表飞行法

  为了避免恶性事故的发生,聪明的飞行员们想出了另外一种行之有效的飞行方法,我们叫仪表飞行法。

  在仪表飞行期间,不但需要飞机上有相关的仪表设备,也需要地面导航设备的配合,才可以对飞机的方向、位置进行校准和确认。

  另外值得注意的一点是,在仪表飞行条件下,能见度没有要求(可以为 0)。

  

  因为仪表飞行允许飞行员在没有视觉参考的情况下进行,就必须要一种或多种的导航方式来帮助飞行员在无法目视的情况下导航,比如地面上常见的导航助航设备,包括 DME,VOR,NDB 等等。

  地面导航基站系统

  传统飞机导航原理很简单,导航台是一个点,飞机是另外一个点。数学学过:通过两点之间有且只有一条直线。利用这个原理,即可确定导航台和飞机的之前的大概关系(主要是方位)。所以在飞一个航班之前,会在飞机所飞的航路上设置一些地面导航台,飞机在飞行过程中根据导航台引导飞行(向着台或者背着台按照直线飞行),当飞机被引导到机场上空后,在通过设计好的程序,通过仪表着陆系统(后面提到的 ILS 等方式)引导飞机着陆。在整个飞行期间,由各地的空管通过一次或二次雷达对飞机进行监视。

  说到地面导航基站系统,最早可推溯到第一次世界大战期间。最早的仪表导航系统叫 RDF(Radio direction finding)是 NDB 系统的前身。类似中波或短波广播电台,人类发明了无线电以后除了收听电台节目以外使用无线电进行导航的第一种产品。就是地面基站发射一个信号,让飞机通过安装一个接收器来接收传来的信号,告知飞机的一个大概的飞行方向。

  

  但是由于精度问题,这种设备最终被转为备用方案,有些则直接被淘汰(因为该设备极易受到干扰,而且设备只提供方向信息没有距离信息,虽然使用距离远,但是精度太差)为了安全的飞行和降落,飞行员们需要更加精密的仪表导航及进近系统,比如后来发明的 VOR、DME、ILS 等等。

  早在 1932 年,美国就开发并使用了 ILS 系统(仪表着陆系统),这种设备可以将飞机引导到更低的高度,使得落地更加容易。因为盲降系统的广泛使用,使得商业航班的返航率大大降低,公司运营成本也随之降低了不少。

  

  仪表着陆系统工作原理示意图

  虽然在 1970 年到 80 年之间有了更先进的 MLS 系统(微波着陆系统),但是由于成本的原因以及星基导航(星基导航就是大家都熟悉的类似美国的 GPS 系统)的广泛使用,最终,微波导航系统还是没有被推广。而目前依靠卫星导航的 GNSS 进近体系已广泛被人们接受了。

  

  微波着陆系统工作示意图

  星基导航

  星基导航(global navigation satellite system,GNSS)是以后飞机导航的大趋势,包含大家所熟知美国的 GPS 系统,当然还有大家不知道的,比如俄罗斯的 GLONASS 系统,欧盟的 Galileo(伽利略)系统和中国的 compass(北斗)系统等都属于 GNSS 范畴,可用卫星数量达到 100 颗星以上。

  (截止 2018 年 7 月 12 日,中国北斗系统已经成功发射 31 颗卫星,在不久的将来,会有更多的卫星升空,进一步提升星基导航的竞争力。)

  

  中国北斗卫星导航系统

  GNSS 的定位原理也非常简单,两个点可以确定一条直线,而不同空间的几个点加起来不但可以确定飞机的方向,还能确定飞机的位置、高度、速度等等一切飞机相对运动的数据。

  

  新一代的程序设计正是利用这些方法使机场的运行成本降低。同时,GNSS 系统具有更高的精确度,和以前任何的陆基系统相比起来都更加方便,因为它(GNSS)几乎在地球上的任何位置使用,并且只需要几十颗卫星即可提供全球覆盖。由于这些优点,GNSS 导致几乎所有以前的导航系统开始逐渐淘汰并不再更新了。

  何时该下降高度?

  至于飞机怎么知道什么时候该下降高度,不瞒你说,这也是一个飞行员的基本功。

  飞机设计好以后,都有一个固定的飘降性能,飞行员在得知距机场的测距之后,通过计算三角关系函数换算(不会三角函数关系计算的飞行员,都是不太合格的飞行员)。

  

  按照合理的下降剖面使飞机下降,加入机场上空标准的进场程序,按照机场规定好的进场程序下降高度后(也可以跟随着雷达引导下降高度),加入盲降进近或者其他进近方式,跟随航道和下滑道指引截获盲降系统,完成落地。

  

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