飞行导航发展历程

摘要1903年12月17日上午10时35分，莱特兄弟制造的第一架飞机“飞行者1号” 在美国北卡莱纳州试飞成功。自此，飞机开始发展成为一种重要的远程交通工具。到目前已经过去了1个世纪，飞机使用了现代先进技术能更好的保证安全飞行。作为交通工具而言，飞机最主要的任务就是交通运输。那么，就必须解决一个重要问题-------如何实现飞行导航。

原始导航阶段

飞机发展初期，没有任何导航设备。完全靠飞行员目视观测地标，基本可以实现沿着山脉或河流飞行后来，人们参照航海的经验。把磁罗盘，六分仪拿上飞机，但是飞机行速度比航海速度快很多，这些设备发挥不了作用。所以，目视飞行作为核心导航一直使用了很多年，直到后来无线电技术的发展。即使是现在，我们依然还在沿用目视导航规则，这是导航的根本。

初级导航阶段

在第一次世界大战期间（约1914-1918年），无线电导航技术问世。人们把无线电导航信标安装到了机场附近，用于帮助飞机精确地飞向机场。1946年，全向信标（VOR）出现。全向信标的方向图是一个旋转的心脏图形，可以为飞机提供相对于磁北的方位角。全向信标的最大优点就是为驾驶员提供的航线不受侧风的影响。聪明的人们利用解析几何学创立了极坐标系。从一个VOR导航台飞向另一个VOR导航台很容易。但是遇到雷暴，或复杂地形就需要飞行员运用解析几何去计算。这时出现了一个职业------飞机领航员。他们也坐在飞机上，负责准确无误地计算飞机的航向；根据飞行计划指挥飞机驾驶员的飞行方向，确保航行安全；根据气象信息，在遇到意外情况时，确定新的航向，保证航行旅客安全。极坐标这个思维深深影响着飞行发展。直到今天飞机传统仪表被设计成圆形,航图也是导航台到导航台直到第二次世界大战后（战争果然是改变人类生活方式的手段），1947年由国际民航组织ICAO确认的国际标准着陆设备。全世界的仪表着陆系统都采用ICAO的技术性能要求，因此任何配备盲降的飞机在全世界任何装有盲降设备的机场都能得到统一的技术服务。盲降技术（ILS）在水平导航的基础上，增加了垂直导航（G/S)。飞机可以更精确的着陆，甚至不需要目视参考（ILS   CAT Ⅲ 类）极坐标系过渡到球坐标系只能为飞机定向还不够，后来人们又在VOR、ILS基础上增加DME，他们组合在一起称为D-VOR、D-ILS。（DME---测距仪是从二次雷达技术中分离出来的。飞机通过发出脉冲询问信号，并接收地面测距仪台的应答脉冲信号，完成对地面测距仪台的测距任务。）DME的引入使得飞行计算更加方便，飞行员可以自己通过观测仪表导航飞行。从此飞机领航员不需要了。

现代导航阶段

科技进步发展迅速，先进的计算机设备和平面综合显示器代替传统仪表计算机（FMS）代替人脑进行大量精密计算，使飞行导航变得更加简单。飞行坐标系也开始从极坐标进入平面直角坐标系但是，能收到足够信号并用于导航的区域有限。一旦进入无法收到信号的区域还是要回到传统导航方式。因此，产生了RNAV的概念。RNAV（区域导航）使得飞机可以离开传统的无线电导航台，在特定区域实现任意航路的导航飞行。再后来，GPS得到普遍应用。全球几乎所有区域都能实现高精度的卫星导航飞行，使得“区域”这个词逐步消失。虽然可以实现全球高精度导航飞行。但是，导航精度存在地域差。聪明的人们又发明了一个名词“所需导航性能”。RNP就此诞生。RNP是对于不同的区域和飞行阶段，对应的导航精度不同，越接近跑道，导航精度要求越高。RNP可以为飞行提供水平保护区和垂直保护区。RNP飞行可以允许飞行轨迹弯曲，因此可以把这种抽象概念理解为管道内的飞行RNP的精度就是管道的粗细。RNP-1、RNP-0.3。数字表示管道粗细程度，一旦飞机碰到管道，就会触发告警。RNAV和RNP的导航规范由于RNP可以为飞机提供导航和告警，确保飞机可以在航路安全飞行。地面设备也发展到了ADS-B，二次雷达将成为历史。ADS-B（自动相关监控——广播）是一种具备空对地（航空器对空中管制）和空对空（航空器对航空器）功能的向外发射信号的监视系统。ADS-B机载电子设备每半秒钟自动向外发射识别代码、位置、高度、速率和其他数据。此系统的工作依靠航空器的其他系统提供数据，例如气压高度表编码器和全球卫星导航系统（GNSS）。PBN的应用使得导航技术进入前所未有的突破，淘汰了很多常见的设备和概念。使得平面直角坐标系的导航应用达到了极致。

未来导航阶段

未来导航发展技术将继续突破，三维空间直角坐标系将代替传统的二维平面直角坐标系。飞机可以在空间任意“管道”内飞行，也就是 3D RNP导航。增强型的高精密导航系统将代替传统盲降系统（ILS）和气压式RNP进近。最终实现全天候精密进近和自动着陆。G-BAS(地面增强系统）技术优势：传统仪表着陆系统面临着诸如下滑道、降雪、因维护的关闭、VHF干扰以及多径等诸多限制。而GBAS作为对卫星导航系统有关生命安全的增强，提供了更高等级的服务，能够支持I类和II/III类精密进近，并实现在其工作范围内从进近、着陆、离场到场面运行的全覆盖。其具体的效益包括： G-BAS可以为避开障碍物、噪音敏感区域或拥挤空域而优化设计进近路线；一套G-BAS可以服务整个机场区域，从而减少设备的建设和维护费用等。因此，在从传统导航向基于性能的导航（PBN）演变的过程中，G-BAS以其高精度、高可用性和低成本的特点，必将发挥重要的作用。3D 导航只为飞机提供空间飞行安全区域，无法实现飞机间隔的管理。所以，后面的发展将是4D 导航技术。所谓4 D导航技术是基于轨道的运行（TBO)。类似于胶囊列车，将在飞行管道内为飞行速度制定规范。目前英国国家航空交通服务（NATS）已经研发一种4D航空管理系统。
这款4D导航系统将结合飞机上的精密导航仪器和防撞系统，以及追踪飞机位置的人造卫星，无需像现在这样由ATC向飞行员发布指令。飞机便会像鸟群一样在空中排列，有序地等候降落。一旦4D导航技术完全成熟，可以自主控制飞机速度、位置。科技的发展使得飞行员和管制员没有存在的必要了。没错，无人机时代即将到来！

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