当今的飞机离不开卫星导航,那没有GPS和北斗之前,飞机是怎么找路的?

最开始飞机飞得又低又慢,航程也不远,因此飞行员只需要把脑袋伸出舱外,向下观察地面的湖泊、河流、山脉等标志物,就能知道自己的大致位置,再配合地图或者飞行员的记忆,基本就能飞个八九不离十,这叫做地标领航,现代飞行员仍然有这项基础训练科目。
1918年5月,美国陆军航空队飞行员开始执行一项特殊任务——驾驶飞机运输航空邮件,在纽约和华盛顿之间往返,就是通过地标领航飞行。由于单程仅360公里,地标很容易被飞行员记熟,基本不会因为偏航耽误时间,因此邮件可以实现“隔日达”,精准对接100年后中国顺丰速递的运营理念。
几年后,美国开启了浩大的4000公里航空邮路建设,横跨北美大陆,期间有13个机场经停。地面上每隔5到10公里,就用水泥敷设一座导航信标,飞行员在白天通过水泥箭头方向,夜间参考导航灯光来保证不偏航,这也是人类历史上规模最大、最硬核的地标领航项目。

原本美国希望这条航空邮路,可以像大陆铁路一样用个几十上百年,但空中导航技术的快速进步,使得其实际上只用了十几年就被废弃,美国邮政因此亏损了一大笔钱。
从用肉眼看路,到无线电引导,没有GPS和北斗之前,飞机导航系统竟然有这么多花样。
地标领航虽然技术简单,但局限性很大。首先其只能在陆地使用,不能在一片汪洋的大海上用;其次在大雨、大雾等恶劣天气中,飞行员看不到地标也无法使用;最后它的导航精度并不高。因此,人类很快发展出更科学的空中导航方式——用笔算。
1927年,美国飞行员查尔斯驾驶一架加满油的双翼机,带上指南针、偏流测量仪和地图,踏上飞跃大西洋的航路。中间虽然险些被暴风雨吹下海,但凭借过人的胆识和仔细的计算修正,最终成功降落在巴黎布尔歇机场,距离起飞前规划的航线仅偏差了不到5公里。

查尔斯使用的导航方式解决了地标领航的几个缺点,理论操作也不复杂,只需要将自己的飞行速度和时间相乘算出航程,再减去风力等因素的干扰,就能在地图上找到自己的位置,难度和中学数学题差不多。
不过随着飞机使用越来越广,更新也更可靠的无线电导航被开发出来。其原理是以远程大功率无线电发射台为坐标,飞机根据收到的信号修正自己的位置,这种导航的精度比较高,在二战中使用特别广泛。
当时,美军B-29轰炸机机群轰炸日本和德国时,队伍最前方的领航机,往往会搭载经验最丰富的领航员,通过两名以上优秀领航员反复修正编队位置,确保稳稳飞到目标上空。完成任务后,再由领航机根据无线电指引指挥编队返航。
飞机已经有120年的历史,但导航系统快速发展,其实是二战末期之后的事。
二战结束后,无线电导航发展得更快,但地面导航台建设受环境和区域的天然限制,于是各国开始研究不依赖地面的惯性导航。

这并不是一项全新技术,德国在二战末期用来轰炸英国伦敦的V-2导弹,就搭载了比较简陋的惯性导航系统,明显提高了导弹飞行精度。它的原理,是通过陀螺仪和加速度计提供稳定的加速度数据,再经过多次积分算出飞机的位置。它最大的优点是不依赖任何外部信息,即使卫星和地面导航台全部失效,依然能正常工作,不过有些人为操作失误,即使惯性导航系统也解决不了。
1982年,韩国一架波音747客机在从纽约飞往首尔时,因导航偏差误入苏联领空,结果被一架苏-15战机击落,机上269人全部丧生。事后调查发现,飞机偏航的原因是起飞后机长没有切换惯性导航模式,不断累计的偏差,葬送了机上所有人的性命。
当然,惯性导航系统本身也有一个无法消除的缺陷,就是误差累计,这是机械制造和连续积分计算带来的天生局限。解决办法主要有两个:一是再加一套导航系统,对惯性导航进行修整;二是玩命提高制造精度和计算方式,将误差减少到最小。
由于高精度惯性导航系统配件非常昂贵,因此第一种方式用的更多。事实上,即使到今天,卫星导航也往往是与惯性导航一起工作,双方互相弥补缺点。如果哪一天战争爆发,卫星导航系统不复存在了,惯性导航就是最可靠的空中导航系统。