飞机在没有GPS的情况下如何导航?
在GPS问世之前,飞机主要依赖天体导航来确定位置。天体导航利用星星、行星或太阳的位置来进行导航。虽然这种方法精确且难以干扰,且不需要外部广播基础设施,但手动操作耗时且复杂。
角度计算机:早期自动化的解决方案
20世纪60年代初,为了解决这个问题,美国为B-52轰炸机开发了一种自动系统,该系统能够自动跟踪星星并计算导航信息。由于当时数字计算机尚未成熟,该系统采用了一种名为角度计算机的机电模拟计算机进行三角函数计算。
角度计算机的结构和功能
角度计算机并非传统意义上的陀螺仪或惯性测量单元(IMU),而是一种复杂的机电系统。它通过内部的复杂机构,模拟“天球”,通过指针来表示星星的位置。通过读取电信号(通过称为同步器的设备),角度计算机可以获得方位角和仰角的角度信息,从而为导航系统提供数据。
Astro Compass系统
角度计算机是Astro Compass系统的一部分,该系统能够锁定一颗星星并生成高精度的方向(即罗盘方向),精确到十分之一度。Astro Compass系统围绕“Astro Tracker”构建,后者是一种光学系统,用于跟踪星星。Astro Tracker安装在飞机顶部,配备一个4英寸玻璃穹顶。它包含一个跟踪望远镜,利用光电倍增管检测星星的光芒。一个陀螺仪和复杂的电机系统提供了一个“稳定平台”,即使飞机倾斜和移动,也能保持望远镜的精确垂直。一个棱镜会旋转和倾斜,以将望远镜对准特定的星星。
Astro Compass系统的组件
Astro Compass系统由19个组件组成,其中包括10个放大器和计算机组件,以及9个控制和指示面板,供B-52的导航员使用。
控制Astro Compass
Astro Compass的控制面板允许用户通过旋转旋钮逐个输入数据。首先,通过主控制面板选择数据值,如时钟时间、星 #1 的星体时角 (SHA) 或星 #3 的赤经。然后旋转“设置控制”旋钮,直到达到正确的值。每个旋钮都有不同的几何形状,方便用户通过触摸来区分。
数据输入和Air Almanac
导航员需要从Air Almanac(航海年历)中获取星体位置信息,Air Almanac是美国政府出版的,每四个月发行一本新卷。年历包含每天的一页,提供太阳、重要值(如第一天体点 Aries)、可见行星和月球的位置数据。另外,还有单独的表格和图表提供星星的位置信息。
导航三角形:计算星星的位置
Air Almanac以全球坐标系统提供星星的坐标,而Astro Compass需要知道星星在飞机当地坐标系统中的坐标。这需要通过使用球面三角学和“导航三角形”来改变坐标系统。
角度计算机的工作原理
角度计算机通过物理模型来解决导航三角形。它的输入包括星星的赤经和当地时角,从而计算出星星的仰角和方位角。它利用一个半球,半径为 2 5/8 英寸,星星指针在球体表面被机械定位。通过滑动机构,将星星的位置转化为仰角和方位角。
线路定位
Astro Compass 还可以用来确定飞机的位置,利用“线路定位”技术。如果从某个星星仰视角度为 90 度,说明该星星正位于飞机的正上方。如果飞机移动一定距离,仰视角度会发生变化。通过测量不同位置的仰视角度,可以绘制出一条线路,飞机位于该线路的某处。利用多个星星,可以绘制出多条线路,交点即为飞机的可能位置。
结论
角度计算机是机械模拟计算机的代表,在数字计算机尚未成熟时,它为解决导航问题提供了有效的解决方案。它结合了物理机构、电气电路、真空管和固态电子器件,最终被数字计算机所取代。
总而言之,B-52轰炸机中的Astro Compass系统代表了早期自动导航技术的复杂性和创新性,它结合了机械工程、光学和电子技术的精妙结合,为在没有GPS的情况下进行精确导航提供了可能。