二战中的航空无线电导航技术

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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
二战中的航空无线电导航技术
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
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？”
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…
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。
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！
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。
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。
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。