kkbct Posted 2007年6月23日 08:07 Posted 2007年6月23日 08:07 二战中的航空无线电导航技术（上） 作者：RainbowRider 前言 航空无线电导航技术自20世纪20年代首次使用以来已发生了翻天覆地的变化，其中以二战时期的变革最为显著，许多沿用至今的方法都是在那时奠定了基础，本文综合了一些资料并加以总结，以供参考。标题中的“航空无线电导航”指有机载人员或机载设备积极参与的方法，因此不包括地面测向技术和地面雷达导航。 第一章 无形的路标 1942 年5月30日，初夏日最后一抹余晖在西北部天空刚消失不久，英国东部各大小机场就纷纷忙碌起来，各种发动机的喧嚣声震耳欲聋，不多久，一批批轰炸机编队象望不到边的黑云，轰隆隆地压过了海峡。此时海峡对岸上空阴云密布，偶然云散处，脚下西欧腹地黑沉沉的一片，往日灯火辉煌、车水马龙的景象全无踪影，在远处有几束白光划破夜空，同时传来了朦胧的炮声。领头的一架威灵顿轰炸机上，导航员正在微弱的灯光下，聚精会神地看着阴极射线管上的一个个小信号，同时在一张标有曲线网格的地图上作点划线，在那地图上，一条长长的粗线从英格兰起头，到莱茵河畔的科隆市中止。“修正航向为xxx，预定到达时间20分钟！”渐渐地云散开了，而白光束却越来越近，越来越密，脚下开始出现阵阵爆响和颠簸，但飞行员全然不顾，飞机航向针老老地“粘”在xxx上。“接近目标，投放照明火焰！”机窗外，映着明亮的月光，大楼、民宅和厂房清晰可见，一条银色的宽带从中蜿蜒而过…“燃烧弹准备，放！放！放！”对于科隆市的居民来说，以后的九十分钟完全象一场恶梦：爆炸的轰响声、玻璃的碎裂声、房屋的倒塌声、人群的叫喊声和高炮的射击声混杂成一首地狱交响曲。在天上，数不尽的轰炸机群一批接一批地赶到，千余吨燃烧弹和高爆炸弹带着嘘啸的声响飞向那一簇簇熊熊燃烧的烈火… 第二章 最初的年月 当莱特兄弟的追随者们第一次能象鸟一样在空中自由翱翔时，激动和喜悦之情使他们完全忘却了要回的“家”，何况那时的飞机大都也只能在自家“后院”盘旋，根本不会迷路，谈不上导航。随着飞机性能的改进和提高，飞行拉力赛成了早期飞行员一举成名的理想场所，由于需要作长距离飞行，航空导航即被提到日程上来了。1911年，法国飞行员Jean Conneau以较慢的飞机屡败飞快速飞机的选手，他的秘密是一个防风地图夹，这样他能在飞行中按地图上的路标走直线，而其他选手没有地图的帮助，只得沿着公路走曲线，至此地图导航便诞生了。当然地图导航只适用于天气晴朗的陆地，但早期的飞行探险家们显然不愿受大陆的限制，一旦飞机的航程足够可以飞越大洋，新的一轮挑战马上就开始了。跨海飞行主要靠罗盘，一旦航向正确，根据飞机空速和大致的风速可以预计到达彼岸的时间，要是天气晴朗，还可借助星空导航，但绝大部分时间，飞行员能做的只是祈祷！跨海飞行著名的例子是1927年美国的Charles Lindburgh首次单人飞越大西洋，在此飞行期间，他还发明了一种新“方法”。那次飞行一开始就不顺利，飞机遇上了暴雨云，此后罗盘失灵片刻，最后 Lindburgh疲劳过度而小睡了一会儿，飞机就是在这种不可靠的情况下飞行了几十个小时，就连技术过人的Lindburgh当时也不知道自己能否成功地踏上欧洲，焦急之中，发现了一艘渔船，他低飞过去，然后破着嗓门大喊：“爱尔兰在哪里？” 当飞行先驱们以大无畏的精神挑战自然的时候，科学家和工程师们则在另一个领域艰苦奋战。早在1911年，就有人研究了无线电波的定向性[1]，在一次世界大战中，德国齐柏林飞艇轰炸伦敦时就使用了原始的地面无线电测向导航[2]，而机载无线电测向仪是在20年代才得到较普遍的应用的[1]，至此航空无线电导航翻开了第一页。 第三章 无线电测量方法 用于导航的无线电测量可分为两类：测向和测距，以下将分别讲述。 3.1 方向的测量和指示 3.1.1 无线电测向（Direction Finding） 无线电测向是最早被应用于航空导航的技术，机载测向仪的核心是机身上那醒目的环形接收天线，无线电波（低频至中频）则由地面台发送。图1即为理想化的环形天线示意图，假设无线电波是在垂直面偏振的，当无线电信号与环面成90度时，在AB和CD段的感应电压正好抵销而不产生感应电流；当信号与环面成0度时，感应电流最大。理论上说，只要旋转天线环至感应信号最弱时就可知信号的来源，但是环形天线有一个180度不可确定性，即把环转180度，所得到的信号强度是一致的（相位则相反），在90度和270度时出现两个零点或最小值。为了准确无误地测出信号的真实方位，必须再叠加一个不随方向变化的信号源，该信号可从横穿飞机顶部的金属丝天线那儿获得[3]，这个信号的强度和相位经调节可使叠加后的总信号在0度时加倍，而在180度时出现唯一的一个零点或最小值，一旦在转动天线环后得到这个最小值就可准确地判别出无线电信号的来源。 图1. 理想的环形天线示意图（摘自文献[4]）。 早期的环形天线线圈外有个金属套管保护（见图2），后期出现的飞机中有用橄榄球形护套替代环形套管以减小空气阻力。环形天线必须旋转才能辨别方向，在早期的飞机上，天线是手工旋转的，同时飞行员听声捕捉最弱的信号。自从40年代以来，自动旋转机构变得十分地普及[4]，当自动仪器捕捉到最弱信号时，旋转终止，机头与信号源的夹角由一仪表显示，这种仪器通常叫做无线电罗盘。 图2. 典型的装在金属套管内的环形天线，套管底部塞有一段绝缘材料（摘自文献[2]）。 机载无线电测向的最大优点是对地面发射站的要求极低，只要频率适当，无论是导航台、通讯台还是无线电广播台均可被测向，但是由于机载设备的重量和体积都有限制，机载测向的精确度就很成问题，即使是现代的机载自动测向仪误差也高达2度，二战时的仪器误差就可想而知了。无线电测向主要被用作回归机场或在友方领土诸多发射塔上进行跳跃式飞行，一旦深入敌后，测向仪充其量只能作辅助导航工具。 3.1.2 定向信标测向（Radio Range） 3.1.2.1 Lorenz波束 摆在科学家面前的难题是如何以轻巧简便的机载设备来获得精确的方向测定，答案是在地面发射台上下功夫，使用精确的定向信标。二战时使用的定向信标测向法的核心均为“等强信号”（equi-signal），早在1907年，德国的Schellar就提出了等强信号的发射方式[3]，但使之成名的是德国 Lorenz公司的盲降系统，有时包含等强信号的波束干脆就叫做Lorenz波束。 等强信号是由两个相隔很近的发射塔发射相位互补的莫尔斯码产生，这两种代码可以是字母E（由“.”或点组成）和字母T（由“－”或横组成），也可以是字母A（由“.－”组成）和字母N（由“－.”组成）。如用点横系统，当飞机在波束中线的左侧时，飞行员听见的是点，在右侧时听见的是横，在中央时由于同时接收两个信号，听见的是没有中断的等强信号（见图3）。 Lorenz波束的频率是28－35MHz（兆赫）[5]，振幅可能调制为音频以便于收听点和横。Lorenz系统中的波束是单向的，如果把发向跑道另一头的波束也算上，充其量也只是双向的，对于360度中的其他方向，该系统完全没有定向能力，因此只能用于引导降落和很特殊的轰炸引导（如德国的 Knickebein系统），而不能用于普通的航空导航。 图3. Lorenz波束引导飞机降落（摘自文献[5]）。注意，发射天线一般位于跑道的尽头（跑道外），而不是如图显示的在跑道上。 3.1.2.2 四向信标（Four-Course Range） 鉴于双向Lorenz波的不足，30－40年代的定向信标一般为四向，最早的四向信标可能出现于1924年[6]，到1929年该系统才普及美国，类似系统在英国也曾出现。四向信标是由两个环形天线或两组（四个）原理相似的Adcock天线塔组成，两组天线塔的面成直角（见图4），一组天线发射字母A，另一组发射字母N，每组天线在发射时与其面成直角的方向是没有信号的，因此如图显示，在西北和东南能收到单纯的莫尔斯码“N”，在东北和西南是“A”，在正东、西、南、北是等强信号。大部分四向信标在中央有第五个发射塔，以使四个等强信号能在任何方向出现，这样有一群四向信标就可建立一个四通八达的航线网，这在当时是一个重大技术突破。 图4. 四向信标的原理（摘自文献[4]），中间的“X”代表两组天线面的角度。 四向信标的电波是中低频信号：190－535kHz（千赫）[7]，电波均被调制成1020Hz[4]以便收听莫尔斯码。与Lorenz波束相似，四向信标的等强信号宽度有3度[4,7]，这对于前者引导降落问题还不大，因为降落的关键是飞机着地时的位置，这恰恰是等强信号波束最窄的部位；对于远航的飞机，3度波束的误差就很大了，因此每200英里左右必须另有一个四向信标，这样每个信标只使用100英里，偏差可控制在2.6英里内。远距离使用四向电波的另一个障碍是地形反射和天波干扰，这使电波在远距离接收时其可分辨性（A或N）降低，由于中低频信号的传输距离很远，远方的四向信号非但不起导航作用，而且还干扰了近处的信号，因此四向信标系统共有65个频道，每两个频道间相隔3kHz[4]。四向信标最大的不足是只有四向，即使这四个方位也没有明确的区分，种种局限使该系统在二战后被逐渐淘汰了。 3.1.2.3 早期的全方位信标 1938年Lorenz公司的Ernst Kramar博士发明了多航向的Elektra信标以弥补四向信标的不足[8]，在二战初期他又改进了该信标使其能为处于任何方向的飞机指示方位，这就是最早的全方位信标：Sonne（意为“太阳”）。据说，Kramar博士原想把这个新发明命名为Salome（圣经人物），但遭到德国空军的强烈反对！ Sonne 信标的基本原理是发射一个旋转的间隔排列的信号图（图5），图上诸多等强信号由点和横隔开，旋转开始前先广播电台代号，每次旋转持续30秒，共输出60个点或横，旋转完毕时所有等强信号正好转了一格。飞行员或导航员要做的就是数一下从旋转开始到等强信号出现的点数或横数，比如他听到20个点，如果已知他所处的方位两个等强信号间隔是15度的话，他的方位则是参考等强信号的方位加5度，但是那个参考等强信号的方位靠Sonne信标是无法获得的，这必须通过无线电测向或其他导航手段来猜测[8,9]。尽管存在着以上弱点，但在通常情况下，两个相邻的等强信号间的角度差很大，不会混淆，就30－40年代的技术水平而言，Sonne信标是相当先进的导航工具。 旋转的信号图是由两个或三个发射塔同时发射信号来完成的，如果是双塔制，两个塔发射的信号相差是90度，如果是三塔制（Sonne的通常设计），两旁副塔的信号与主塔信号的相差分别为－90和＋90度，两个副塔的间距是信号波长的3倍。 Sonne信号的频率与四向信标的频率相似，为300kHz，但其发射功率为1.5－5kW[9]，远远超过四向信标的275－400W[4]。强大的发射功率使Sonne信标的作用距离长达1000多海里，但是Sonne信号也受天波的干扰，最大干扰段是在400海里左右，这时天波和地波的强度相当，当距离更远时，天波占主导地位，测量误差反而减小。在没有天波干扰的白天使用，Sonne信标的误差仅为0.2－0.6度[9]，这别说是在当时就是在今天也是首屈一指的。 图5. 旋转的信号图（摘自文献[9]），两侧有数字标记的箭头代表各参考等强信号，该图是假设双塔制的，三塔制的信号图与此类似。 以上提到的所有定向信标测向法的共同之处是机载设备十分地简单，只是通常的无线电接收机，而方向测定却比机载测向仪精确。此外，靠定向信标所获得的方位是飞机在地图上的绝对方位，这个方位不随机头的指向而改变，这显然不同与测向仪所测的信标与机头的夹角，而绝对方位的测量大大简化了在侧风情况下保持在航线上飞行的操作步骤。 3.1.2.4 甚高频全方位信标（VHF Omnidirectional Range或VOR） VOR系统是美国在二战时期研制的，但直到1946年该系统才在美国正式使用，1949年成为国际标准。它虽然算不上真正的“二战时期的无线电导航技术”，但由于其意义深远，有必要在此作一个简述。 VOR 信号的频率范围是108－118MHz，VOR信标主要发射两组信号：一为调幅成30Hz的可变信号，另一为先调幅成9960Hz再加以调频产生一个 30Hz的参照信号，两组信号的相位经调节在发向磁北（方位0度）时为同相，在发向方位X度时，相差也正好是X度，机载设备只要测量两组信号的相差就可知飞机的方位，该方位已是绝对值，无需其他方法辅助。VOR信标的角度误差是1度[4]，由于甚高频信号是直线传播的，VOR的作用距离不超过200海里，长途飞行的飞机必须由多个VOR信标逐个进行短距离引导。VOR信标的性能远远优于先前任何定向信标，因此在战后完全取代了四向信标和其他定向手段，一跃成为无线电导航技术中的皇后，即使在惯性导航和卫星定位系统普及的今天，VOR信标仍是航空导航的支柱。 3.2 测距技术 根据导航方式的不同，有时需要知道飞机距某一导航站的绝对距离，有时只需知道飞机距两个导航站的距离之差即可，尽管这两种测量手段的细节有所不同，但原理是一样的，本文选择以测距的技术来分类。 3.2.1 连续波测距 连续波测距的原理以德国的Y-Gera:t（本文中小点均后移，有些德语名由于从英语文献中摘录可能小点已省略，请谅解）测距系统为例来介绍，该系统先由地面站发出一束42.5MHz调制成300或3000Hz频率的连续波信号[10]，当机载设备接收到后立即发回一束46.9MHz调制成相同频率的连续波，地面站在收到飞机信号后即与仍在发送的原始信号作相位比较，以计算出无线电的传输时间，然后再算出飞机距导航站的距离。举个例子说，地面站的信号调制成3000Hz，当作相位比较时发现飞机发出的信号相位比原始信号落后270度，由于3000Hz信号每个周期的振动需1/3000s（秒），因此飞机的信号晚了0.25ms（毫秒）,如果机载设备回复信号的滞后时间是0.05ms，无线电走单程的时间应是(0.25-0.05)/2=0.1ms，而单程距离则为30公里。 连续波的发射和测量所涉及的设备相对比较简单，但缺点是无法确定飞机信号晚到的时间里是否包含一个或几个周期的振动，也就是说，连续波测出的距离中可能包含一个或几个长度为波长一半的不确定值（称为“道”，lane），拿以上3000Hz（波长100公里）的信号为例，单根据那个相位差，地面站并不知道飞机是在30公里外还是80公里外或130公里外！解决办法是有的但多少有点麻烦，地面站或飞行员可在飞机出发后一直不断地记录下距离中的“道”数，为了减少工作量可使用更长波长的信号或以拍频来加宽“道”距，减少“道”数，但使用宽“道”，测距精度要下降。使用连续波的麻烦还并不至这点，如使用中低频电波（这是指其他的一些用于长距离测距的系统）在一定距离时会出现天波干扰，由于天波行走的路线比地波长，接收仪会收到飞机传来的两个不同相差的信号，自然，这时的测距精度就大打折扣了。基于类似原理，在使用连续波测距时，如有“好事者”同时发送一个或几个频率一致但相位不同的干扰信号，接收仪的计算结果顿时就成了“一锅粥”，这就是连续波测距比较容易被干扰的道理。 3.2.2 脉冲信号测距 脉冲信号测距解决了连续波测距中存在的几乎所有问题，有规律的重复脉冲信号其间距或宽度就是一种时间尺度，当地面发出的脉冲被飞机回复后，可通过测时电路或阴极射线管测出两个信号的时间差，从而算出飞机距导航站的距离。脉冲信号的重复频率一般很低，即“道”距极宽，因此不存在不确定的“道”数，同时脉冲测时差的精度也很高。此外，由于天波干扰信号总是比有用信号晚到，天波信号可很容易地被识别和去除（当然，如果使用直线电波，就没有天波干扰）。人为干扰脉冲信号还是可能的，这必须对整个频率进行噪音覆盖。 二战时期的绝对距离测量大都是由地面站完成的，再由无线电告知飞行员，这种测距方法使每个测距台只限于为一架或有限的飞机提供测距服务，使用200MHz信号的Rebecca-Eureka系统[4]是一例外，该系统中第一组信号由机载的 Rebecca仪发出，然后由地面的Eureka信标回复，再由机载的设备计算距离，该系统主要用于盟军伞兵投放，在此不作详细介绍。根据Rebecca -Eureka的原理发展起来的DME系统（Distance-Measuring Equipment）才真正使航空测距技术跨出了一大步，DME在1946年与前文说述的VOR系统一同被使用，现代DME的发射频率为978－ 1213MHz[1]，其主要优点是由机载设备发出第一组脉冲信号并接收地面站的回复再计算距离，由于每架飞机使用的频率略有不同，一个地面站可同时为诸多飞机提供测距服务。 在某些导航系统中，绝对距离并不重要，导航完全靠飞机距两个导航站距离之差来定位的，这就是下章将叙述的双曲线系统。在二战中，差值测距倒确实是靠机载设备来完成的，差值测距中的两个导航台，一个叫主台，一个叫副台，主台先发出脉冲信号（也可是连续波，本文以脉冲以例），当副台收到该信号后也发出自己的脉冲，副台脉冲总是落后于主台脉冲一固定时间，如飞机离这两个台的距离相等，飞机收到的这两个脉冲信号的时间差还应是这个固定值；如飞机离主台稍近，时间差会大于这个固定值，因此只要把飞机测得的时间差减去这个固定值就可算出飞机离这两个导航台的距离差。要具体定位还得通过主台与另一副台的信号时间差获得（下章再详述）。 3.2.3 其他测距方法 在战后发展起来的绝对距离测量方法中有只使用单程信号测距的技术，即飞机在收到导航站（包括卫星）的时间信号后与自身的精密时钟进行比较来计算距离，当然飞机的时钟必须与导航站的钟同步，飞机的时钟校正可通过与许多装备同步原子钟的导航站进行距离测量再通过计算而获得。当然，前两节中介绍的双程信号测距方法均不需要精密时钟和时钟校正。 第四章 定位法则 测量了角度和距离后又如何把它们变为飞机在地图上的位置呢？以下是无线电导航中常用的几个定位法则，习惯上距离用希腊字母rho表示，角度用希腊字母theta表示。 4.1 rho-theta定位 顾名思义，这是已知飞机离某一导航站的距离和方位角来计算飞机位置的方法，从数学上讲这是最合理的定位法，不仅所得的位置唯一，而且两条“位置线” （Line of Position或LOP）永远成直角（见图6a），这样所定出的位置误差最小。但是要使用该系统定位，飞机上必须同时拥有测距和测向设备，这对电子设备简陋的二战飞机的确是个比较高的要求，因此绝大部分二战导航系统均不采用rho-theta定位，唯一与之接近的可能是德国的Y-Gera:t系统。战后随着电子技术的发展，基于rho-theta定位原理的VOR/DME系统一跃成为主要的导航手段。 4.2 theta-theta定位 此系统需要两个导航台，同时测量角度，再通过作图法定出飞机的位置（见图6b）。该方法的定位精度除了取决于测向精度外还取决于飞机与两个导航台的几何位置，正如前文所述，如果两条LOP线成直角，误差最小；如果飞机在两个导航台的连线（基线）上，根本就无法定位。测向既可使用无线电测向仪也可通过定向信标，由于测向普遍比测距容易，theta-theta定位法是二战时使用最多的方法之一，在条件有利的情况下，该定位法是一种“价廉物美”的体系。 图6a-b. (a) rho-theta定位法; ( theta-theta定位法（摘自文献[4]）。 4.3 rho-rho定位 这是由单纯的测距来定位的方法，定位时至少需要两个导航台同时测距，通过两个圆弧的交点定出飞机的位置，由于两个圆弧有两个交点，有时使用第三个导航台进行测距（该方法应称为rho-rho-rho法，下文中以简单的rho-rho加以统称），这不仅能得出唯一的交点还可进行时钟校正（如果需要的话），最精确的定位几何是飞机位于3个导航台中间（见图6c），在其他位置时LOP夹角变浅，定位误差增大。rho-rho系统尽管早在20年代就已存在，但在早期并没有被广泛应用，其原因是测距比测向难，而测绝对距离（rho-rho的要求）比测距离差（使用在下文要讲的双曲线法中）技术要求还要高，二战导航系统中与之接近的是英国的Oboe系统。 4.4 双曲线定位 双曲线定位法使用的是差值测距的数据（见3.2.2节），当飞机保持与两个导航台的距离差恒定时，飞机的飞行轨迹是一条以两个导航台为焦点的双曲线，如果能同时测出与另一组导航台的距离差，那么飞机必同时在另一条双曲线上，这两条双曲线的交点自然就是飞机的位置（见图6d）。单靠两组导航台（至少3个台）并不能得到唯一的交点，但在大多数情况下，另一可能的交点很容易被排除。正如上文所述，双曲线定位比rho-rho定位的技术要求低，因此在早期更受青眯，二战中著名的例子是英国的Gee系统。 连接双曲线法中的主台和副台的直线称为基线，最佳定位几何是飞机在两条基线的交角中间不远处（即为图6d显示的状况），一旦飞机远离这个最佳定位区，双曲线法比rho- rho法的定位偏差更为严重[1]，这不仅是因为双曲线的LOP夹角会变浅，而且双曲线组在两侧还会发散，产生放大的网格，因此在测距误差等同的情况下， rho-rho法的定位精度要高，此外双曲线法定位对作图的要求很高，在电脑计算取代了手工作图的今天，双曲线法的计算软件仍是所有定位软件中最复杂的。鉴于以上原因，rho-rho法这只“丑小鸭”后来居上，今天，大名鼎鼎的卫星全球定位系统（NAVSTAR GPS）用的就是rho-rho定位法则（单程信号测距，三维定位，至少需要4颗卫星才可定位和校正时钟）。 图6c-d. © rho-rho定位法（摘自文献[4]）; (d) 双曲线定位法（摘自文献[1]），其中B为主台，A和C为副台。 从理论上讲，单纯的测距定位法（包括双曲线法和rho-rho法）更适合于远程导航（一千海里以上），这是因为如使用有角度的定位法，在远离导航台时，即使是较小的角度误差都会导致较大的定位误差，而大多数测量角度的方法其误差本身就不小。相比之下，测距定位就不存在这个误差放大，但是由于技术原因，二战中所有双曲线和rho-rho定位法均为中短距离，相反，长距离的Sonne系统恰恰是以测角方法定位的。随着技术的发展，测距定位的远程导航优势才渐渐显示出来，但这已是战后二三十年的事了。 二战中的航空无线电导航技术（下） 第五章 二战无线电导航的实际应用 5.1 暗藏的杀手－德国Knickebein系统 这是二战中第一个登场的带有攻击性的导航系统，Knickebein（意为“弯腿”）是一种靠Lorenz波定向的简化了的theta-theta定位体系。该系统由两束Lorenz波组成，第一束引导飞机飞向目标，第二束波从另一个方向发出，在目标上空与第一束波相遇[5]，因此沿第一束波飞行的飞机只知道theta1，直到飞抵目标才有theta2的信息，如果因某些原因飞机偏离了第一束波那就完全迷航了，所以Knickebein系统只能算是一种专用导航系统而不具有通用导航能力。但从专用的轰炸引导角度看，Knickebein却是一种很好的系统，它的精度一般，在离导航台180英里处是1英里 [11]，但其最大的优点是设备简单而且隐蔽性好，其实英国情报部门早已缴获了装有Knickebein接收机的He 111轰炸机，但一直以为那是并无伤害力的Lorenz盲降系统，直到警觉的R.V. Jones博士发现了其中的奥妙才得以干扰[12]。 说起Jones博士，据说他与丘吉尔的科学顾问F. A. Lindemann教授有关30MHz的Lorenz波是否会随地面弯曲发生了一场争论[13]，其实要说英国人一开始没有重视Knickebein系统是因为错误地认为Lorenz波是严格的直线波，这是不合乎逻辑的，即使直线波随飞机高度的增加也能传得很远，计算直线波的有效距离的近似公式如下 [4]: 距离（海里）＝1.2×平方根(高度（英尺）) 因此飞行在2万英尺的飞机可收到170海里（或195英里）外的信号，这与Knickebein的实际作用距离已是很接近了，英国在此同时秘密研制的Gee系统使用了相似的信号频率，不也覆盖到鲁尔区了吗。真正让英国人困惑的可能是标准的Lorenz波其定向性并不是很高，发射靠的是两根垂直偶极天线[3]，因此等强信号区随距离的发散很明显，这用于回收飞机问题还不大，但作为精确轰炸指示是不可想象的，此外，Lorenz盲降系统的发射功率和飞机接收机灵敏度均不适合稍远距离的导航。从Knickebein那巨大的碟形天线来看（见图7），德国人在Lorenz波的定向性和发射功率方面都下了功夫，飞机接收机的灵敏度也大大提高了，但这恰恰是露出狐狸尾巴的地方。 图7. 高达100英尺的Knickebein发射天线（摘自文献[5]） 5.2 考文垂的丧钟－德国X-Gera:t系统 1940 年11月14日晚上7点，英国军事工业重镇考文垂市上空突然响起了刺耳的空袭警报，20分钟后，第一批德国轰炸机飞临上空，一瞬间空中出现了许多带着惨白火焰的降落伞，犹如一支支飘摇的蜡烛衬着明月和中世纪古建筑的背影，不知情者一定会为之惊叹不已，但这无疑是他们对这座中世纪古城的最后一眼了，刹那间仿佛是来自地狱的烈火吞噬了市中心，接着是炸弹的轰响和更汹涌的烈焰…当考文垂的居民们在长达11个小时的轰炸后走出防空洞时，他们那熟悉的城市已经消失了 [14]。 这就是德国空军的“月光奏鸣曲”行动。至1940年9月，Knickebein系统已在干扰下失效，那么德国轰炸机靠什么摸黑找到考文垂的呢？原来德国人又拿出了第二道法宝：X-Gera:t（意为“X仪”），这其实是一个类似Knickebein原理的系统，改进之处是原来的一束Lorenz引导波被分成两小束，一束粗导，一束细导，细导波的等强信号区才20－30英尺宽[14]，在波束中飞行的偏航指示也改成仪表指示以代替听声法。此外，原来第二束目标指示波变成了3束波（分别称为“莱茵河”，“奥得河”和“易北河”，见图8），这样飞行员在到达目标前就能先定几次位，当收到“奥得河” 波束时离目标有30公里，收到“易北河”波束时离目标有15公里，通过专门的投弹时间仪可以计算出投弹准确时间。如果不加干扰，该系统的精度在当时算是矫矫者，离导航台200英里处误差为90米左右[15]，另有记载在180英里处误差仅为18米[11]！由于X-Gera:t接收仪十分专业化，因此只在 KG-100的He 111轰炸机上安装，其他轰炸机则根据先导机的燃烧弹指示投弹，该系统推出不久也被英国人成功地干扰了。从导航意义上说，X-Gera:t与 Knickebein相似，不能当作通用导航工具。 图8. X-Gera:t波束引导下的考文垂轰炸（摘自文献[15]，原图可能出自R.V. Jones博士的手稿） 5.3 独眼－德国Y-Gera:t系统 这是德国的第三道法宝，除了引导波束外，该系统取消了横向波束而在引导波源再装了一个测距台，具体测距原理已在上文叙述了（见3.2.1节），从导航意义上讲，Y-Gera:t比先前的两种系统要领先一大步，这是因为飞行员在波束上的任何位置均可定位，由于使用了rho-theta定位法（尽管是简化型），其精度自然也高。但对于德国人来说不幸的是英国情报机构早已掌握了Y-Gera:t的秘密，该系统的42-48MHz测距波可以被BBC电视台轻而易举地模仿发射（干扰原理见3.2.1节），因此在Y-Gera:t推出的第一天就被有效地干扰了[12]。 5.4 大英帝国的反击－Gee系统 吃足了德国飞机轰炸之苦的英国早已立志要以牙还牙，但英国轰炸机在白天轰炸德国遭到了惨重损失，因此夜间轰炸成了皇家空军的专业，夜间导航和“盲炸”指示自然成了英国重点研究的项目。1942年3月，第一种导航设备已装备完毕，这就是著名的Gee系统（Gee源于Grid：网格）。Gee系统是世界上第一个双曲线定位系统，该系统对两组（至少3个）导航台进行差值测距，根据两组距离差，导航员可以在特制的印有彩色双曲线网格的地图上找到两条曲线的交点。该测距系统使用的是20－85MHz的脉冲信号[4]，主台的脉冲频率是每秒500次，2个副台是每秒250次[16]，以此区分，如再有第3个副台频率则是每秒166.7次，台与台之间通常距离为50－100英里，测时使用的是阴极射线管。Gee系统的作用距离是350－400英里[11,17]，在英国的导航台可勉强覆盖到鲁尔区，但对柏林仍是鞭长莫及。 Gee系统在1942年3月8－9日晚首次大规模使用，但结果令人失望，目标埃森市几乎毫发未损。第二天晚上的轰炸却取得了一些战果，杜伊斯堡和北面的Hamborn镇均遭到一定程度的破坏，美中不足的是靠Gee导航的轰炸机把火焰信号扔错了地方，那天轰炸的原定目标仍是埃森！13－14日晚对科隆市的轰炸取得了真正的进展，经分析，Gee系统的精度只能把轰炸机带到目标附近，但根本不能以此指示轰炸，最后的轰炸全得靠月光和目视，而埃森市不仅防卫森严，而且长年笼罩在工业烟云之中，无法目视[18]。既然科隆上空的能见度要好一点，以此为目标，皇家空军立即紧锣密鼓地准备一次空前规模的千机轰炸行动，代号为“千年”[19]，这就是本文开始时的一幕。在轰炸中，由于1046架飞机以密集编队从一狭窄的通道进入德国，完全饱和了德国防空体系，因此伤亡轻微，而德国的损失在当时是惊人的：科隆市有600英亩面积（约2.4平方公里）的城区被化为瓦砾和焦土，全城基础设施严重损坏，250所工厂遭到摧毁或破坏，数万幢房屋被铲平，近6万居民无家可归[18,20]。 尽管取得了 “千年”轰炸的成功，Gee系统日后的道路仍是坎坷不平的，该系统精度差这一问题一直没有解决，有资料表明，Gee系统在离导航台250英里处只能把目标定在一个1x6英里的长条内[12]，这极有可能是前文提到的不理想的定位几何所致（见4.4节），由于所有导航台均在英国，而目标又全在导航台一侧的欧洲大陆，要解决这个定位几何问题谈何容易。42年8月后，德国开始对Gee系统进行干扰，这样就剥夺了Gee系统那最后一点可怜的精度，似乎Gee的军事生涯已经到头了，但是与德国的前三种导航方式不同的是Gee系统是一种真正的通用导航体系，其优越性在于无论飞机怎么迷航，只要还在系统覆盖范围内，就可成功定位，而且分散在不同位置的无数架飞机可以同时得到导航指示，因此尽管困难重重，Gee系统并没有消声匿迹，Gee定位仪至少可以带领出航飞机走完前半段并为“精疲力尽”甚至是支离破碎的回航飞机指引回家的路。 图9. Gee系统导航图（摘自文献[21]） 5.5 精确的双簧管－英国Oboe系统 Oboe （“双簧管”）系统在1941年几乎与Gee系统一同试验，但正式推出要晚了近一年，此时Gee系统因被干扰早已丧失了其轰炸指示功能，Oboe系统的出台正是时候。按上文的分类，Oboe系统是使用脉冲测距的rho-rho定位系统，导航台发射的信号频率高达3GHz[4]，这其实是10厘米雷达波，飞机接收到地面信号后立即回复，地面站根据时间间隔测出飞机离该站的绝对距离。Oboe系统包括两个测距站，分别称为“猫站”和“鼠站”，一站位于英格兰南部，另一站位于其北方200英里处[22]，尽管目标全在两个导航台一侧的欧洲大陆，但由于使用的是rho-rho定位，其精度远远超过Gee系统，有资料表明，Oboe系统在离导航台250英里处的定位误差为110米[12]，也有一说为270米[23]。由于10厘米雷达波是严格的直线波，Oboe的作用距离与飞机的飞行高度有关（见5.1节的计算公式），250英里极有可能就是Oboe的极限距离[24]。作用距离相对较短是Oboe系统的一大缺点。 从理论上讲，两个测距台就可以在任何地点为飞机定位，但Oboe并不是一通用导航系统，这是因为Oboe的波束仅50英尺宽 [18]，地面站只能把所有精力全放在引导目标上空的飞机（一次一架），无法为其他位置的飞机提供服务，因此Oboe系统仅在为数有限的引导队（Pathfinder）飞机上装备，作为专用的盲炸指示工具，装备了Oboe的飞机仍需要Gee作通用导航指示。Oboe系统的使用步骤如下，飞机先以其他导航方式飞到由“猫台”划出的经过目标的圆弧上，此后飞机保持在圆弧上飞行，“猫台”（又称跟踪台）不断地为飞机测距以跟踪飞机的轨迹，当飞机偏离圆弧时，立即发出莫尔斯码字母E（点）或字母T（横），同时“鼠台”（又称投放台）也为飞机测距，以计算飞机离目标的距离，并在飞机离目标8、5、3分钟时，分别发出四个莫尔斯码字母B、C、D，当飞机离目标5秒时，“鼠台”发出5个半秒的点信号和1个2.5秒的横信号，当横信号结束时飞机投弹[18]。由于使用如此复杂的跟踪和控制系统，飞机在抵达目标前15分钟必须作直线水平飞行，这无疑给截击者提供了便利，但使用地面跟踪的好处是机载设备相对简单，用Oboe系统投弹无需投弹仪。 Oboe系统于1942年12月20－21日晚首次正式使用，那天的目标是荷兰的Lutterade发电站，由于技术故障，6架蚊式机中仅3架成功地轰炸了原定目标。种种局限使Oboe没有受到太大的欣赏，这与以后出现的改进系统，如Gee-H和美国的 Micro-H也有关，Gee-H也是双台rho-rho定位体系，但由于使用了机载测距（有点象现代DME系统），该系统的灵活性大增，此外Gee-H 使用较长波长的信号，作用距离比Oboe远，但其精度比Oboe略差一点，约为560米 [25]。Micro-H使用的也是Gee-H的地面台，精度略高，约为450米[25]。 5.6 穿云透雾的眼睛－英国H2S和美国H2X地形雷达 地形雷达导航其实是地图导航的延续，不属于以上介绍的任何一种导航体系，但由于在二战时意义重大，也在此作一个简介。H2S雷达早在1938年就已试用，但第一次实战使用是1943年1月30－31日晚空袭汉堡，该系统与Oboe一样是用来弥补Gee精度差这一缺陷的。H2S名称很特殊，其来源也是众说纷纭，包括某英国高级官员对该系统带气味的否定评语[26]，而英国飞行员则称之为“甜蜜之家”（Home Sweet Home），具有讽刺意义的是，H2S雷达并没有太大的通用导航能力，其作用完全是破坏他人的甜蜜之家。 H2S雷达发射10厘米波，回波在机载阴极射线管上显示，最好的反差是水和陆地的交界，此外城镇的回波比郊外空地要强，因此可根据海岸、河弯形状和城镇分布与精确地图比较来判断目标的位置[17]。该系统的最大优点是不使用地面台，因此没有作用距离的限制，其缺点是设备沉重（300多公斤），操作难度大[18]，信号易被跟踪，此外英国人很担心德国人会从缴获的H2S雷达上发现厘米波雷达的秘密。H2X为美国研制的改进型，使用3厘米雷达波，原理与H2S相同（见图10）。 图10. 显示在H2X阴极射线管上的诺曼底海滩，上半部的小点有些是船只，下半部的半圆是海滩（摘自文献[27]）。 5.7 Gee的后继者－美国Loran系统 英国人研制Gee系统的同时，美国麻省理工学院也在研制自己的双曲线系统，这就是Loran（Long-Range Navigation，即远程导航）。顾名思义，Loran系统的设计原意自然是远程导航，但限于二战时期低频脉冲的精度不够，Loran系统被迫使用 1850，1900和1950kHz的脉冲，这就限制了该系统的作用距离为700－800英里[4,12]。Loran的定位精度与Gee一样也受其定位几何的影响，一般来说其精度为距离的1％[12]，但如果定位几何为最佳状态，在极限距离的定位误差仅为半英里[4]。 最早的Loran 导航站于1943年6月正式在纽芬兰至格陵兰一线开通，来往于大西洋航线上的飞机和船只均可由Loran系统导航。在欧洲战场上，Loran与Gee一样，也遭到了德国人的干扰，因此作用不大，但在太平洋战场上，日本人十分“合作”，没有加以干扰，从而使Loran一展风采，Loran导航站不仅在海岛上有，还建于印度的Assam和昆明[12]以确保援华物质的空运。 战后，美国的导航系统一统天下，以上介绍的系统中只有Loran延续了下来，传统的Loran系统在1991年全部关闭[23]，今天用于航空导航的是改进后的Loran-C系统，该系统使用的是100kHz的低频脉冲，其作用距离超过一千英里[4]，终于使Loran名副其实，此外新型电子线路和计算机软件取代了导航员，使用阴极射线管测时然后靠作图定位已成了历史。 5.8 互助互利－德国Sonne/Consol系统 Sonne 系统即由上文提到的Sonne信标组成的theta-theta定位系统，由于Sonne信标作用距离极远，Sonne系统可能是二战中唯一的远程导航手段。Sonne系统建于1942年，所有Sonne信标均建在从挪威、法国到西班牙一线，为大西洋上空的飞机和海上的潜艇提供导航服务[8]。奇怪的是，分布在如此暴露的正面上的Sonne系统既没有遭轰炸，也没有被干扰，原因很简单：英国人也在“借用”德国的系统导航！盟军戏称Sonne（Sun）系统为“Consol”（with Sun）[28]，Consol为皇家空军海岸指挥的飞机在海上飞行提供了极大的便利，这些飞机多半执行的是反潜任务，这对于为潜艇导航而建立的 Sonne系统真是一种莫大的讽刺。更有意思的是，皇家空军对该系统是如此地依赖，以致于一次位于西班牙Lugo的一Sonne信标发生了故障，由于德国零部件无法及时运到西班牙，英国人急不可待地向西班牙提供了必要的零件使该信标迅速恢复运行。图11即为这个西班牙Sonne信标的发射天线。 Sonne系统具有良好的远程导航性能，其技术在二战时期属一流水平，因此在战争结束后该系统被正式定名为Consol而在世界范围内（主要在高纬度地区）使用，纽约和旧金山均曾装备过Consol站。Consol系统在北欧一直使用到1991年。 图11. 位于西班牙Lugo的Sonne发射天线主塔（摘自文献[28]） 第六章 无线电导航的战后发展趋势 随着战火的熄灭，无线电导航系统一改战时那“百家争鸣”的状况而向标准化发展，一些在战争中赫赫有名的系统如Gee均被列入淘汰序列。战后的国际标准主要包括短距离导航的VOR/DME系统（军方使用类似的TACAN系统，即“战术空中导航系统”）和长距离导航的Loran（后成为Loran-C）系统，此外用于长距离导航的还有使用连续波测距的Omega和Decca系统。近程和远程导航的划分并不是绝对的，在大陆作长途飞行的飞机主要航行在由一连串 VOR/DME信标组成的航道上，并不需要真正的远程导航系统，即使是跨洋飞机有时也使用附近陆地上的VOR/DME信标作定位参考。相反，装备了 Loran-C接收仪的私人飞机，有时使用Loran-C系统作短途飞行。总体上说，VOR/DME的地位远远超过Loran。在以上两大系统覆盖面以外地区飞行，一般得使用古老的无线电测向法导航，当然测向仪的技术也有所改进，机载自动测向仪已不用环形天线了，取而代之的是两个垂直放置的扁扁的线圈匝，外部的方向信号可被“移植”至机内仪器测量。由于现代航空通讯使用的是专用的甚高频波段，而飞机上又不安装收音机，因此古老的测向仪的另一妙用是捕捉调幅电台[29]！ 无线电导航的强劲竞争对手是惯性导航，最早的惯性导航用于二战时期的V-2飞弹，但直到60年代，惯性导航才在航空导航上占据了一席之地。惯性导航的优点是无需导航台，因此不受信号覆盖面的限制，但是惯性导航仪结构复杂、价格昂贵，不可能完全取代无线电导航。 在90 年代以前，无线电导航的形势就是这样的：绝大多数系统均由“二战元老们”派生而来，其性能和适用性各有千秋、取长补短，但是随着无线电导航中的新秀： NAVSTAR GPS（卫星全球定位系统，参见3.2.3和4.4节）的民用化和普及化，这一平衡迅速被打破，GPS的覆盖面超过任何一远程导航系统，其精度又远远超过最精确的近程导航系统：在没有标准地面站校正的情况下，GPS已能精确至5－15米[30]。此外，该系统的接收仪小巧轻便、价格相对低廉，不难想象在不久的将来，GPS将成为航空无线电导航的主流。然而，与二战时期的技术变革速度相比，如今的新技术应用可谓是步履艰难，这在民用航空工业中尤为明显，今天，许多登机的乘客手提笔记本电脑、腰插手机、袋装电子记事簿，可他们中间有多少知道在那紧锁的驾驶舱门后[31]，那些只有飞行员才懂得使用的“神秘” 的电子设备，可能其技术水平还不如他们自己带的小玩艺儿！ 参考文献 [1] J. Powell, “Aircraft Radio Systems”, Pitman Publishing Inc. 1981. [2] J.L. Nayler, E. Ower, “Aviation : Its Technical Development”, Peter Owen Ltd. 1965. [3] P.V.H. Weems, “Air Navigation”, McGraw-Hill Book Co. 1938. [4] M. Kayton, W.R. Fried, “Avionics Navigation Systems”, John Wiley & Sons Inc. 1969. [5] 网上文章：www.geocities.com/pentagon/2833/gen...knickebein.html [6] 网上文章：www.encarta.msn.com, under “Air Traffic Control” [7] 网上文章：www.navfltsm.addr.com/ndb-nav-history.htm [8] 网上文章：W.F. Blanchard,“SONNE/CONSOL”http://webhome.idirect.com/~jproc/h...lic/consol.html [9] W. Bauss, “Radio Navigation Systems for Aviation and Maritime Use”, Pergamon Press 1963. [10] 有关Y-Gera:t的文献极少，本文引用的是一仿制Y-Gera:t系统的无线电业余爱好者写的文章: www.carc.org.uk/html/archive2.html [11] 网上文章：www.danshistory.com/ww2/navigate.html [12] 网上文章：“The Wizard War: WW2 & The Origins Of Radar” www.vectorsite.net/ttwiz.html [13] 网上文章： B. Momsen, “Codebreaking and Secret Weapons in World War II” http://math.berkeley.edu/~wodzicki/Enigma/4enigma.htm [14] 网上文章：D. McGrory, “The Coventry Blitz” www.cwn.org.uk/heritage/blitz [15] 网上文章：www.geocities.com/pentagon/2833/gen...et/xgeraet.html [16] 网上文章：http://ares.redsword.com/gps/apps/g...nav_systems.htm [17] 网上文章：http://koti.mbnet.fi/~fishu/b-17/devel/finding.html [18] R. Jackson,“Before the Storm: The Story of Bomber Command 1939-42”， Cassell & Co. 1972. [19]“千年”行动的计划目标第一为汉堡，第二才是科隆，在轰炸前由于汉堡能见度不好，才决定轰炸科隆，参见网上文章：http://elshamwolds.50g.com/cologne1942.html [20] 注：当时皇家空军轰炸德国的主要目的是打击德国军民的士气，而“专家”认为打击士气最有效的方法是使德国平民无家可归。 [21] 网上文章：www.381st.org/stories_howland-mickey.html [22] W. B. Breuer, “Secret Weapons of World War II”, John Wiley and Sons 2000. [23] 网上文章：www.whittsflying.com/Page53History.htm [24] 注：也有文献指出Oboe的作用距离为300英里，但笔者宁可相信文献[18]上所说的：在25000英尺高度，其作用距离是200英里，如高度增加，距离更远一点。 [25] 网上文章：C. J. Westgate, “The Reich Wreckers: An Analysis of the 306th Bomb Group during World War II”http://papers.maxwell.af.mil/projec...c/98-514-15.pdf [26] 注：H2S与带气味的硫化氢的写法一致。其实H2S和H2X的最后一个字母并非随机，微波2.5-4GHz称为S波段，6-12.5GHz称为X波段，而H2S的频率为3GHz，H2X的频率为10GHz。 [27] 网上文章：www.486th.org/Photos/AC3/Mickey5.htm [28] 网上文章：http://josecadaveira.tripod.com/militaryruins/id38.html [29] 注：飞机上不装收音机为的是不影响飞行员与地面通话，拿测向仪当收音机用其实是很“油”的做法。 [30] 注：GPS本身是冷战的产物，其高精度的目的是摧毁敌人的核弹井，自然，该系统民用化后，美国的军事目标也将受到威胁，因此在1991年，民用GPS信号中加了一个随机误差，使之精度降到100米。该误差于2000年5月1日取消，而在9.11事件后也没有再恢复，因此今天我们得以享受到价格低廉的精确导航系统。 [31] 注：9.11事件之前，世界上许多航空公司的客机驾驶舱并不是禁区，只要彬彬有礼地请求，乘客即可获准入舱参观甚至同行。笔者就有幸多次入舱，坐在早已废弃的无线电操作员/导航员的座位上，头顶着一大排开关旋钮，戴着耳机，一边收听地面通讯，一边正而八经地拿着各种导航图研究，这感觉真是比坐头等舱还过瘾！
IL2-Aviation Posted 2007年6月23日 08:50 Posted 2007年6月23日 08:50 楼主助人为乐，楼下的表示衷心感谢，你的帖子虽然比较长，但是 能让我们学到点东西。
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