Every takeoff is optional. Every landing is mandatory.

——航空谚语

回顾人类飞行的历史，自从飞机被发明以来，最常被人们记住的是查尔斯·林德伯格独自飞越大西洋的那一年。1927年还见证了其他创纪录的飞行，这些飞行带来了更大的挑战。但事实证明，在长途飞行中，导航技术的局限性往往是致命的。但是在 GPS 成为通用的导航工具之前，飞机是如何导航的呢？

飞行是冒险家的最后游戏

正如这幅 1927 年的漫画所展示的那样，由飞行冒险家驾驶的陆地飞机的飞行常常以灾难告终。林德伯格在他的跨大西洋飞行中使用了感应器罗盘、漂移瞄准器、速度计时器（漂移瞄准器的秒表）和八天时钟，驾驶着圣路易斯精神号。

尽管天气偏差和极度疲劳，林德伯格还是在距离他预定的大圆圈路线 5 公里的范围内到达了爱尔兰海岸。但他知道是运气，而不是技能或设备，才能实现如此精确——他飞行过程中的风并没有造成明显的漂移。除了在跨大西洋飞行中有时不确定自己的位置外，林德伯格还发现自己在加勒比和拉丁美洲之旅中迷失了几次。在每种情况下，有缺陷设备都让他沮丧，甚至让他的生命和飞行活动陷入危机。

图1 飞行冒险漫画

最初的长途飞行尝试大多是采用没有其他硬件支持下的目视飞行进行导航的。通过识别包括河流、城市、山脉、塔楼和湖泊在内的地标，并将它们与打印的图表进行比较来确认自己的方位。在夜间，飞行员可以利用高速公路、机场和城市灯光进行导航。使用固定点作为参考的技术是最早教授给飞行员的导航技术之一。然而，引航是一种简单的导航技术。但这不是一种有效的导航技术。飞机在地面时，受天气条件限制，飞行员视野有限。然而，随着飞机进入军事用途，在更高的高度和更远的距离飞行，准确的导航对于任何飞行都变得至关重要。

天文+时间的导航方式保障飞行的安全

目视导航的不确定性给飞行带来不可估量的风险。许多技术专家争相改进和提出适用于飞行的导航方法和工具。受限于技术原因，当时主流的方法是天文导航，导航员将使用六分仪来计算飞机相对于太阳、月亮或星星的位置。这种方法一直使用到 1960 年代的喷气机时代。早期的波音747甚至在驾驶舱顶部都有一个六分仪端口，737客机则直接装备了六分仪潜望镜。

而同时期创新者威姆斯注意到飞行中的延时计算和非精准计时或引发致命后果。时速320公里的飞机跨越1.6公里的路程仅需18秒。虽然船只可以携带可靠的天文钟来进行天文观测，但飞行员需要更小、更轻、更容易精确计时的时钟。可制造这样的时钟，但要以精度和准确性为代价。一种解决方案应运而生，使用无线电广播时间信号，使空中导航员能够准确地将他们的手表设置为秒。他在1927年开发出适合现代时钟的导航系统，时角飞行表。在那个只能测角的时代，它可以同步电台信号，通过旋转表圈或内圈，确保秒级精准。与六分仪、飞行图表以及电台信号来计算经度，再结合天文观测获得纬度即可精准定位。后来，威姆斯在二战后与他人共同创立了导航研究所，并在 1960 年代开发了用于阿波罗计划的天体空间导航系统。

图2 六分仪

除此之外，聪明的航空专家开始向航海学习，使用罗盘进行距离测算，用航位推算和天文罗盘方法来计算他们的位置。航位推算使用先前已知的位置，利用速度和飞行时间来估计飞机的当前位置，本质上是在已知的初始位置上累加推算的位置以获得当前的位置。虽然天气可能会影响这些传感器的推算，但航位推算已经是一种相对准确的计算飞机位置的方法，在早期的长途飞行中大量应用。

无线电的加入带来了基于频率的时间系统

在第二次世界大战中，航海家开始讨论机械时间转向基于频率的时间系统。1940 年，英国科学家和工程师开发了GEE，一种实用的中程（长达数百英里）无线电导航系统，基于测量无线电信号组之间的时间延迟。美国在这一努力的基础上创建了一个名为 LORAN的远程导航系统，为船舶和飞机提供海洋覆盖。

虽然最初并不比天体导航更准确，但 LORAN 有一个很大的优势：它在天空乌云密布时工作。而在白天，当六分仪太阳“射门”只能提供一条位置线时，罗兰给出了一个精确的定位。GEE 和 LORAN 是美国和英国军队在二战中必不可少的工具。另外，这使得参考标准时间的机械时钟和手表对导航变得不那么重要，因为LORAN可以准确地计算出与其内部时间的相对位置。而LORAN和GEE使用的就是如下双曲线交会的定位原理。

图3 双曲线交会定位原理

在甚高频全向距离飞行导航方式中，飞机接收来自固定地面信标的通信，使其能够继续飞行轨迹并找到自己的位置。这种导航方法在无线电覆盖的区域相当可靠，并一直在使用，尤其是在飞机的着陆过程中。当然，飞机可以使用机载无线电与地面通信，接收地勤人员的指令。虽然这在起飞和着陆期间是可行的，但无线电的距离有限，这意味着一旦飞机在几百英里之外，通信就变得不可能了。

所以，过去的飞行机组会配置一名导航员，其工作是专门推算飞机航线和进行机上无线电通信。导航员的主要作用是保证在无线电丢失的情况下飞机员还可以大致得到飞机的位置。尤其在一些跨洋航班，可用的分流机场也较少，无线电信号就非常有可能丢失。

计算机时代的到来打开飞机导航的新方式

喷气机时代的开始也标志着一种新的导航方法的引入：惯性导航系统（INS）。INS 用高度敏感的运动和旋转传感器逐步淘汰了较旧的天体系统。这标志着部分计算机导航传感器的首次使用，这一趋势将持续到 GPS 成为所有飞行器导航的标配。计算机开始取代人力进行飞行位置测算工作，也让导航员这一职业逐渐消失在航空活动中。计算机的高效和高精度使飞行员能够根据当前位置让飞机按既定的飞行路线飞行，从而避免了反复的导航位置推算。

在如今飞行器普遍使用GPS和INS来提高基本的导航信息，微机让飞行驾驶更加简单和自动化，飞行机组不再需要机械师和领航员。另外，如今的飞机自动驾驶系统，能够让飞机自主接收地面导航信号或GPS信号，获得飞机实时姿态和位置，来自动控制飞行器完成三轴动作。飞行已经成为人们选择长距离出行的主要交通方式。依照国际航协发布《2020年航空运输安全报告》航空旅行的致命风险平均为0.13，即假如一名旅客必须每天搭乘飞机旅行，461年才可能遭遇至少一次致命事故。平均而言，一名旅客每天旅行，20,932年才会100%经历一次致命事故。总事故率在每580,000次飞行仅发生1.71或1起事故。

无疑，如今的导航系统已经为飞行安全和飞行效率提供了全方位的保障和支持。如今的飞行已然是：Every takeoff is optional. Every landing is secured