主题：【原创】无线电导航简介 -- 代码ABC
家园 【原创】无线电导航简介 提起无线电导航许多学过三角的人都会下意识地认为这只是一个对无线电信标台的测角问题。其实，大多数无线电导航技术用的不是载体和信标台的角度信息。这是因为测量无线电来波角度的精度很低，玩过无线电测向的人都知道测向天线给出的角度并不怎么靠谱。这有几个原因，首先无线电波传输时和光线一样有折射和反射现象，接受设备如果测的是一个反射波的角度就比较悲剧，其次依靠天线方向图分辨来波方向的分辨力比较差，想精确测角需要其他技巧，而这些技巧不是通过简单的旋转天线搞定的。具体的测角技术可以参看我闲扯雷达中的一篇。在实际运作中，我们采用的是差分方式来完成导航（测角/测距）的。
早期比较有名的无线电导航系统是洛伦兹导航系统，原理是使用两个天线分别发送摩尔斯电码的“点”和“划”信号，这两个天线都是定向天线——即只在比较小的角度有辐射，同时两个天线方向稍微有点分开，保证其辐射范围有少量的重合，在这个重叠范围里接收机才能同时收到“点”和“划”两种信号，偏离的话就只能收到一种，而且通过点、划的声音大小和接受情况飞行员可以知道偏左还是偏右。这就是我所说的差分原理了，不过最早的差分计算靠的是飞行员的耳朵。这种导航方式可以让飞行员沿一条直线飞行，一开始普遍用于机场的进近导航，二战的时候首先被德军用来做为夜间轰炸的无线电导航。
德国先是使用一种叫“X”的导航系统，有多个不同地点的导航台发射多个洛伦兹波束，其中一条主波束指向目标（把目标当作返航的飞机场），另外几个波束则与主波束相交在几个固定的导航点上，让飞行员确认中途位置，最后一个导航点则与投弹定时器结合，当收到这个波束信号时定时器启动，在确定的飞行速度和方向（主波束控制）下可以确保轰炸准确。这个导航系统让德军的飞行看起来像一群人在环中的导弹，导航系统可以令投弹误差控制在30米之内！考文垂就是这么完蛋的。不过这种导航方式，人的主动性发挥不出来，英国人后来采用欺骗方式发射和主波束相同的引导波束，但功率更强，把德军飞行员骗上了错误的方向，不但把炸弹扔到了无人的地方，有时候还把飞机降落到错误的地方——比如，英国的机场。当然德军后来也改进了导航系统，不过基本形式还是差不多的，曾经使用巴黎的广播电台做引导波束，不过这时使用的是定向天线发射。事实上，无线电导航很少用民用广播点台，原因一个是我前面说到的测角精度问题。另一个就是不知道民用广播电台的准确位置。
从上面可以看出，一开始的无线电导航局限性很大，大多是为了特定的目标设计的。飞行员并不能真正做到靠无线电导航技术随时了解自身的位置。而且在这些导航机制中，飞机必须沿固定航线飞，这样也给防御方调兵遣将带来很大的方便。真正的导航系统需要让载体在自由运动的过程中随时知道自己的位置，而不是简单地对其航线进行引导。
无线电罗盘：
这是最简单的一种无线电导航措施，通常使用一个环形天线和一个全向的鞭状天线组合成一个方向图是心型的接收机，这时方向图的零点就指向信标台的方向。玩过无线电测向的同学应该和熟悉这种测量方式。通过控制电路将方向图的零点始终指向信标台，我们就有了一个指向信标台的罗盘。这个罗盘没有磁针罗盘的磁偏问题，不过容易被干扰。在高空和平台的海面上工作不错，然而在山峦起伏存在多个反射波的环境中比较悲剧。然而它简单，外部依赖少，至今还是各种飞机必备的导航措施。地面上有许多专用的信标台，通常是军民两用，这些信标台有各自的编码和确切的地理坐标。只要两个信标台你就可以在地图上找到自己的位置，不过别忘记实际上你是在一个球面上，而飞机的高度不为零，如果按平面三角方法来计算的话是有系统误差的。不过我想这种简单的测角误差本身已经足够大了，测角误差大致是5度的量级。
（倒，要出差，待续）
元宝推荐：MacArthur, 通宝推：潮起潮落,njyd,Chaoshk,家园 二战时太平洋战场的航母舰载机，就是靠无线电导航吧 舰载机起飞以后，一出去就是一二百海里，而且航母的位置肯定要变化的，觉得舰载机飞行员的素质比陆基飞行员高得多了，长时间在海上飞行找到自己要去的地方，这个估计要经过长时间训练。
家园 说说我知道的一些 二战时舰载机的导航主要还是靠航位推算，根据速度、方向和飞行时间推算当前的位置。飞行员出发时都会有飞行计划告诉他们怎么飞。对于那些双人的攻击机来说好一点，有一个副手可以帮忙做导航的工作。单人的战斗机比较悲惨，而且一旦卷入空战完事后不容易准确知道自己的方位。因此二战时舰载机飞行员迷航率其实很高，据一些当时的飞行员推测，可能有差不多1/4的损失是因为迷航。
导航其实是舰载机飞行员最重要的科目之一，现在也是如此。由于航母是移动的，战时无线电静默期间也不会发送远程导航信号（二战的航母没有为舰载机做专门的远程无线电导航设备）大部分时间只能靠自己。因此搜索又是另一个科目，当导航出现误差的时候就只能靠搜索作业来找舰队，如果编队没被拆散成单机还是比较好办的，误差个几十海里问题不是太大。
另外，二战美军的航母有一种专门的短程导航台，将一个圆周分成24个15度角的区域，每个区域分别发送不同的字母（莫尔斯码），这样如果飞行员就可以找出大致的方位回来。因为如果你飞偏了就会收到另一个字母的莫尔斯码。这种设备采用UHF频段发送，视距传播，在高空比较有效。这应该是当时仅有的无线电导航设备了（为舰载机的）
家园 【原创】也聊聊天文定位 为了更好的理解天文定位，推荐大家看一部德国拍的二战片：《从海底出击》，里面有一段内容生动的表现了二战时德国潜艇在大西洋上定位的困难。由于天气恶劣，导致长时间无法看到太阳，也就无法测定准确船位，从而无从确定正确航向去截击盟国护航船队。
里面有好几个镜头是表现艇员在舰桥上用六分仪测定太阳高度的，很真实。
天文定位，误差按今天的标准来看是相当大的。测定者如果技术不熟练，或者仪器本省误差大，或者受天气因素影响，船位差个几十海里也不是不可能的。
二战那个时代距现在并不太遥远，而数百年前的航海家们就更依赖这种几乎是唯一的定位手段了。
中国的航海技术一度领先世界，但慢慢被欧洲远远的抛在了后面，这里因素很多，但我认为中国的天文学在航海领域的实用化程度不高是一个重要原因。如果要再细究一下技术层面的原因，我认为这与中国制表业几乎是空白有很大关系。
时间和经度是密切相关的，而没有精密的钟表，再完善的天文表册也没用。中国在民国时代还不能工业化生产精密钟表，航海如何能领先？
明代更早些，航海者们测定纬度是比较容易的，六分仪就能很方便的测定。比如：北极星可以作为很好的测定高度的天体，用六分仪测定其与水天线的夹角，就可以得出船舶所在的纬度。比如，船在北极点，那么北极星就在头顶，即纬度90度；在赤道，则北极星的高度为0，即纬度0度。
而经度就不那么简单了。
所以，古代有一种等纬航法，就是船长只知道船的纬度，经度不知道，那么就沿着某一纬度一直向西或向东航行，直到找到陆地，再根据地标确定经度。
那个时代航海真是冒险的事业啊！都不知道自己在地球上的什么位置，就那么一直走下去。向航海家们致敬！
家园 关于钟表的误差 现在机械手表准确性一般以是否符合天文台标准来衡量。很多知名品牌的瑞士机械表上都标准有：SUPERLATIVE CHRONOMERTER OFFICIALIY DERTIFED字样，这个标准在日差正负4秒以内。
当然也有一些品牌误差很小，但不去通过天文台认证，这个标准只是给大家一个关于目前好的机械手表误差的参照。
机械钟的误差要大于手表，而手表能大量制造不过百多年。
在清代产自西洋的机械钟绝对是稀罕物。民国时国内已经可以造钟，但手表还不行。
在18世纪及更早，钟的误差很大，即使是船舶专用的航海钟，误差也非常大。想靠这种钟来准确测算经度很难。
其实，在几百年前，即使准确地知道船位也并无多大意义（比如误差几海里以内），因为那时候还没有精确的海图。
假如我们穿越时空，只送给哥伦布一个GPS定位仪，那对他航海也没有任何意义，因为他没有精确的海图，甚至不知道地球到底是方是圆；航向也要靠误差很大的磁罗盘。
我们可能都在电影里看到过这样的镜头：在桅杆上，一个水手狂喜的大喊，陆地！陆地！接着，甲板上传来了大家的欢呼。为什么他们会这样惊喜，因为何时能看到陆地，对所有人来说都是个未知数，包括船长在内。
所以那个时代，航海是真的冒险。
家园 经度实际是一个相对概念 纬度可以通过测量天体（通常是恒星）的高度角测定，因为地球自转轴相对恒星的固定的（忽略地球公转半径）。而经度是地球上各地在自转圆周上的相对位置，一个圆没有起点也没有终点。因此认为地选定一条经线作为0度经线（本初子午线）来统一大家的坐标系。
早期航海测量的其实是相对的经度，方法也很简单，只要测量正午太阳过顶的时间变化就可以了。地球24小时转一圈，因此每一度的经度变化太阳正午时间相差4分钟，在30度纬度上大致是向正东或正西跑96公里，在古代航海技术中应该半天内可以搞定。因此找一个一天内误差不超过1分钟的计时器不难做大致的定位。这个也是早期在没有精密时钟也能越洋航行的原因之一。
家园 老兄是行家 英国前几年拍了一部电视剧《longitude》，我觉得非常好。就是描写大航海时代主人公为了解决经度定位难题，如何殚精竭虑发明精密钟表的故事。
片子很值得一看。
家园 比较好的例子可以看《神秘岛》 凡尔纳的小说《神秘岛》介绍了一种通过简易工具通过天文观测进行经纬度测量的方法。当然了，经度测量还是要一个时间参考。
家园 【原创】无线电导航系统简介（二） Omega和Loran-C
中文分别叫欧米加和罗兰-C导航系统，曾经是美国海军/海岸警卫队在前GPS时代用于全球定位的导航系统(目前Omega已经关闭，而美国海岸警卫队和加拿大海岸警卫队也关闭了其负责的Loran-C导航台）。其中Omega系统是真正的全球定位系统，而罗兰-C则是覆盖北美、欧洲和太平洋大部准全球定位系统。值得注意的是前GPS时代主要是海军在用全球定位系统，我猜原因多半是大多数飞机还飞不出局部导航系统的覆盖范围，只有远洋海军才需要覆盖全球的定位系统。当然，空军在长距离飞行的时候还会使用另一种全球定位系统——六分仪。天文定位其实是大部分综合导航系统的一个后备。
Omega和Loran-C使用类似的技术进行定位。其原理是多个导航台同步发射导航信号，同步并不是说他们同时发送导航信号，而是同一组的导航台以一个精确的时间间隔轮流发射导航信号，比如导航站A在时刻0发送一个导航脉冲，导航站B在时刻0+1毫秒后发送一个导航脉冲。接受机可以测量这两个脉冲的到达时间间隔，从而得出当前位置和两个导航站之间的距离差。中学的解析几何告诉我们和两定点距离差为常数的曲线是以这两定点为焦点的双曲线。那么我们再找两个站测量其到达的脉冲间隔，我们就可以知道另一条双曲线，这两条双曲线的交点就是我们当前的位置。为保证这些时差测量的准确性，同一组导航台必须使用一个高精度、高稳定性的时钟源。Omega全球使用8个站共用一个时钟，而Loran则对导航站分组，每个组使用一个时间源。在具体实现上Loran和Omega有一些重要区别。Loran工作在低频段电波可以沿地球曲面传播，因此不受地球曲面影响。晚上地波减弱还可以使用天波，不过精度下降。Omega工作在甚低频需要更大的天线，除了不受地球曲面影响外，还可以到达10-20米深的水下——核潜艇发来贺电。Loran是脉冲式的，而Omega发射的是连续波，因此测量时差是Omega接收机实际测量的是各站台信号的相位差。由于不同的距离差可以得到相同的相差，所以需要多个不同的频率来解算真正的距离差。Loran的频率高一些定位精度好一些，不过误差也在百米量级。Omega更差不过可以全球覆盖。有了GPS后Loran在2010年关闭，Omega则在1997年关闭。由于两个系统的频率都很低，接收机需要较长的天线，用在船舶上问题不大，飞机上用的不多。飞机上用的导航系统主要是VOR/DME（民用）和TACON(军用）
VOR——甚高频全向导航/DME/TACAN
VOR也称为伏尔导航，民用航空常用的一种导航系统，玩过微软模拟飞行的应该对这东西不陌生。这是一个测量飞机和导航台相对方位角的一种导航系统。由于几样技术的组合其测角精度要高于前面说的无线电罗盘。VOR系统由地面导航站和飞机上的接收机组成。地面导航站发射一个复合信号，首先是一个调制在副信道上的30Hz的调频基准信号，然后是一个调幅参考信号，基准信号全向辐射，而参考信号则以每秒30圈的速度扫射出去。这样接收机就会收到两个30Hz的信号，其中一个是调频的基准信号，另一个是调幅的参考信号——由于参考信号以扫描方式发送，所以在接收机上看到的就是一个幅度周期变化的信号。而接收机位于导航台不同方位时这两个信号的相位是不同的，因此接收机只要检测两者的相位差就可以得出本机相对导航台的方位角。这种方式要比电子罗盘随动天线零点的方式响应快而且精度高。每个VOR站会在基准信号上以摩尔斯电码和调幅语音方式加上本台的台标。飞行员可以在VOR导航地图上选择适合的导航台和相对方位角来设定航向，在无GPS导航的时候，在自动驾驶仪上设航线就是选导航台然后设航向的过程，不过第一次玩的时候真的好晕啊。
VOR使用的是甚高频，抗干扰能力要方面要优于前面的几种使用低频信号的系统。同时测量精度方面远远好于电子罗盘（可以达到小于1度的误差），而且相对于机械随动的无线电罗盘系统其响应速度也非常快。从接收机得出的相位差信号可以驱动自动航向装置做自动驾驶，事实上部分的民航自动驾驶仪就是这么干的。因此，民航飞机基本上就是沿着导航站的连线飞行，空中航线就是一条由导航站连线组成的折线。缺点很明显这样会导致航路拥挤，同时在导航站覆盖不到的范围要抓瞎，这点在越洋航线上比较明显。毕竟VOR的覆盖范围没前面介绍的Loran和Omega大。想飞自由航线的话飞机就需要随时知道自己的位置，而不仅仅是和导航台的方位。当然这时候的自动驾驶运算也会变得更复杂——即从简单的航向保持变成航迹保持。
和VOR配合的一般还有一个DME系统(Distance measuring equipment),这个导航装置可以测量导航台和导航终端间的距离，原理非常简单，就是由机上的DME终端发送一组查询脉冲，DME收到收延迟一个固定时间（比如50毫秒）再转发回去，终端通过接收到时间计算和导航台的距离。这样VOR/DME组合就可以测出飞机当前的位置，需要注意的是这个距离是导航台到飞机间的直线距离（斜距），需要知道导航台和飞机的高度差才能准确计算出地面投影距离。
VOR虽然可以高精度地测量飞机和导航台的相对方位角，但是在军事上精度还不够。军机使用的是TACAN(台康有些翻译为塔康Tactical air navigation system）。TACAN的原理和VOR类似，不过起旋转发射的天线方向图不像VOR那样只有一个波瓣，而是有9个波瓣。旋转速度是15圈/秒。这样能产生一个15Hz的粗测用参考信号和一个135赫兹的精测参考信号，同时其基准信号是在每个波瓣扫过正东方向时发出的脉冲组成，因此TACAN可以测出真方位而不仅仅是和TACAN导航站的相对方位。TACAN用于测角，其测距则直接使用民用的DME。TACAN站可以坐成移动式的放在车辆上，所以可以在战场上做灵活地补充导航点，甚至可以装在飞机上方便两架飞机协同动作（比如寻找加油机等战术动作）。因此虽然TACAN导航也要求终端和导航站间无视距阻挡，但必要时可以在复杂地形上执行导航任务。
（又回来了，不过还是待续）