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导航系统的作用，一是要告诉“我在哪里”，二是“我该住哪里去”。人类最早的导航设备大概是在公元前2600年，传说中的黄帝部落与蚩尤部落在涿鹿大战中使用的指南车，它使得黄帝的军队在大风雨中仍能知道当前位置，并能辨别前进方向，从而取得战争的胜利。几千年过去了，虽然导航系统的种类和先进性已今非昔比，但仍然要解决这两个基本问题。特别是在预警机的载机上加装了雷达、通信等电子设备后，飞机原有的导航系统已不能满足电子设备高精度工作的需要，还需要加装任务导航，不光告诉预警机当前的位置和要去的地方，还要给全机的电子设备提供正常工作的基准信号，那么，导航系统的基本原理是什么，主要手段有哪些，在预警机中如何应用，又是如何保障预警机上的所有电子设备正常工作的?在给你答案之前，让我们先从小时候玩过的陀螺说起。
陀螺中隐藏的奥秘
童年美好的记忆里，总少不了一些好玩的游戏。孩提时代对万物充满了好奇，不曾想到，长大以后所感受到的科技，竟然可以从游戏中找到一些奥秘。在笔者准备介绍惯性导航系统的时候，记忆已被带回了20多年前，带回到用细细的鞭子抽打着地面上陀螺的情景。高速旋转的陀螺有两个基本特性，一是它的自转轴——也就是它的几何对称轴，在没有外力抽打的作用下，其轴线总是指向一个固定方向，专业上称为“定轴”性，它是陀螺惯性的一种表现。陀螺越重、转得越快，惯性就越大，保持的指向性就越强。此外，陀螺在被鞭子抽打后，其自转轴不再指向竖直方向，而是“摇头晃脑”起来。这是因为陀螺在外力作用下自转的同时，自转轴会围绕另外一根轴线转动，其轨迹处于一个圆锥面上。这就是陀螺的“进动”特性。定轴性和进动性分别说明了陀螺在高速旋转时，没有外力作用和有外力作用时的运动特点，这就是隐藏在陀螺中的奥秘，也是惯性导航的基础。
惯性导航——导航系统中的全能冠军
想让预警机顺利地飞向目的地，需要保持正确的姿态和朝向。为能够预算到达目的地的时间，除要知道目的地的位置外，还要知道当前的位置，并以适当的速度飞行。这里面讲到了姿态、当前位置和速度几个要素。就姿态来说，可从俯仰、横滚和航向三个独立的运动方向来度量。例如，飞机的抬头和低头是俯仰方向的运动，左翼抬起右翼下沉是横滚方向的运动，飞机在水平面内改变机头的朝向，就是航向的运动，由于陀螺在高速旋转时具有指向某个固定方向的能力，所以可以设置三根轴线分别指向不同方向的陀螺，轴线的指向就是基准方向，当飞机姿态变化时，实际姿态可用相对于基准方向的偏离来测量。
在惯性导航系统中，除应用传统的机械式陀螺外，人们还发明了光学陀螺，用以取代机械部件，减轻重量、提高可靠性和改善精度(也就是测量的准确性)。它主要包括激光陀螺和光纤陀螺两种，都是根据法国物理学家萨格纳克的理论发展起来的：当同一光束被分光镜分开后，在一个环形的通道中沿两个相反的方向(顺时针和逆时针)前进，如果环形通道本身有一个转动速度，那么两路光线所走的路程不一样，从而相位的变化量不样，因此，这两路光线在叠加时，会产生干涉条纹：干涉条纹也会转动，但转动的快慢与环形通道本身的角速度成正比。利用光程的变化所导致的相位变化来测量环路的转动速度的，称为光纤式陀螺：利用光纤环路中光的谐振频率的变化来测量环路的转动速度的，称为激光陀螺仪。
根据陀螺仪安装的位置不同，惯性导航系统还有平台式惯导和捷联式惯导的区别。前面说过，惯导陀螺轴线的指向在高速旋转时是固定的，但在外力作用下会发生偏离。如果把陀螺直接固定在姿态变化的飞机上，引起飞机姿态变化的力也会作用在陀螺上，使其指向发生变化、导致姿态测量丧失基准。于是，人们想到把惯导装在一个托架上，为惯导提供安装平台。同时，利用托架把飞机的运动同惯导隔离开，不管飞机姿态如何，惯导陀螺的指向保持不变，这样的惯导就叫平台式惯导。捷联式惯导则没有托架，惯导直接安装在飞机上，通过数学的方法表示飞机的运动，并通过计算机软件从数学上将飞机的运动抵消掉，实现飞机的运动同惯导的隔离，从而减轻设备的重量和体积。由于没有了复杂的机械结构，提高了设备的可靠性，只是这种方法的精度相对于平台式惯导更不容易做好，主要是计算量非常大。随着计算机技术的飞速发展，捷联式惯导的性能正在往全面优于平台式惯导的方向前进。
但是对于惯导来说，光有陀螺是不够的。因为飞机的姿态变化是由飞机的运动引起的，而飞机有转动和平移运动，陀螺只能测出转动的数据，平动的测量还要靠加速度计。加速度是速度随时问的变化率，知道了时间和初始速度，就能够算出当前速度。而速度是距离随时间的变化率，知道了速度、时间和最初的位置数据，还能算出走过的距离，从而知道当前位置。
利用陀螺仪和加速度计工作的导航系统称为惯性导航，它因符合了牛顿的惯性力学规律而得名。通过上文的介绍，我们可以看出，惯性导航工作仅仅依赖于自身的陀螺、加速度计等设备，不需要利用外界的导航台和无线电波，也不向外辐射能量。所以，其应用不受外界环境的限制，可以在海陆空天和水下，隐蔽性也好，不受干扰，无法被敌人利用，生存能力强。它可以提供包括加速度、速度、位置、姿态和航向等最全面的导航参数。正是凭借其自主导航特性和全面提供导航参数的能力，惯性导航堪称导航系统中的“全能冠军”。
并不完美的惯性导航
但惯性导航有个重要缺点，就是它的定位误差随着工作时间的增多而变大，专业上称为“漂移”。当有外力作用时，陀螺会发生进动，其轴线的指向会发生变化，造成基准方向的改变。由于加速度计测量的分别是三个不同基准方向上的值，实际上是合加速度的三个方向上的分量，因此，在基准方向发生改变后，加速度的测量值就不再正确，由于位置数据是加速度乘以时间得到速度后再乘以时间得到的，因此时间越长，位置误差就越大。
团队的力量——组合导航
由于惯导的定位会产生漂移，这为需要长时间利用惯导工作的预警机带来了不小的麻烦。对于E－3这样的预警机，一般每次在空中要巡逻6个小B寸以上。惯导的典型定位误差，第一小时内不大于0.8海里(1海里等于1.852千米)。如果连续工作6小时，平均每小时误差在2海里以上，累计误差高达12海里，这对预警机自身的导航和引导协同作战的战斗机来说都是不利的。
解决办法就是利用组合导航，也就是把不同原理的导航设备组合起来，使它们各自发挥长处，扬长避短。由于惯导的定位精度随时间增大，因此，组合导航的一个出发点就是要弥补惯导的这个缺点。最常用的组合导航，是把惯性导航和无线电导航结合起来：一方面利用惯性 导航信息丰富、自主性好、不易受干扰的优点，另一方面，利用无线电导航的定位精度非常稳定并且非常高的优点。而在惯性导航和无线电导航的组合中，预警机中应用最多的就是惯性导航和卫星导航(特别是GPS导航)的组合。
进入寻常百姓家的GPS
无论是驴友的登山探险，还是有车一族的兜风远游，似乎都少不了GPS--全球定位系统(准确地说，是一个GPS接收机)。与惯性导航的自主导航特性不同，GPS利用无线电波工作。经过30多年的应用与推广，GPS早已从战场走向民间，应用越来越广，精度越来越高，是无线电导航的杰出代表。
GPS由卫星、接收机和地面控制站三大部分组成。定位原理是单程无源接收，用户无需发射信号，只需接收卫星信号并进行相应处理。举例来说，一个无线电信号从一颗卫星传输到地球上的一个GPS接收机的时间间隔为0.067秒，则接收机可以算出卫星在20000千米外，这等于0.067秒乘以无线电的传输速度30万千米／秒，可以断定接收机必定位于一个半径为20000千米的球面上的某个地方，这个卫星是该球面的中心。如果能同时利用另外两颗卫星进行相同的测距运算，就是三个相交的球面，它们会相交于一点，这一点就是接收机所处的位置，因此理论上，如果接收机能够同时“看到”三颗卫星，就能完成测距，但是，对GPS了解多一些的读者会说，不是同时看到4颗星才能测距吗?这到底是怎么回事呢?
这是因为GPS接收机的位置是通过时间来计算的，能不能测准时间是GSP定位的关键。GPS时间的计算是通过地面接收机和GPS卫星上时钟的时间差值获得的，由于这两台时钟所指的时刻与真实时间相比都存在着误差，所以，算出的距离不准确，专业上称为“伪距”。准确距离的获得，需要知道GPS卫星上和地面接收机的时间同真实时间的差异。GPS卫星的时钟是准确度较高的原子钟，它们与真实时间的偏离可以从GPS卫星播发的导航电文中得到，经过修正后，可以认为各个不同卫星上的时钟基本是一致(相差在20纳秒内)和已知的，而地面GPS接收机所使用的都是石英钟(如果也是原子钟的话，可能你能买得起汽车，但买不起车载的GPS)，它们与真实的GPS时间相差较大，是未知的。为求得更准确的距离，除了前面提到的三个伪距代表的未知数外，还有地面GPS接收机同准确时钟的差值，一共是4个未知数，需要求解四个方程，所以，就要利用到第4颗卫星。
上述定位过程中，还有一个参数是需要知道的，那就是每颗卫星自身所处的位置，即我们前面讲到的定位所需要的球面球心。这个信息携带在卫星向地面接收机播发的导航电文里。导航电文里除了卫星位置外，还有卫星钟同标准钟的偏差、考虑到当前大气传播对电波影响后的可能修正值等信息。
由于GPS的24颗卫星中，每颗卫星每12个小时绕地球一周，在任何时刻、任意地方，理论上都能“看到”12颗左右的卫星，而要定位，只需要4颗星就够了 所以，GPS的设计余量是很大的，用户可以选择几何位置最佳、信号最好的4颗星来实现准确定位。当然，由于气象或地形遮挡等原因，也可能一个GPS卫星的信号都收不到。
北斗系统——中国自己的卫星导航
为打破美国人对卫星导航的垄断和使用限制，很多国家力图发展自己的卫星导航。苏联、欧洲相继发展了GLONASS和“伽利略”系统，我国于2000年发射了“北斗双星”，开启了独立自主利用卫星导航的时代。2003年，第三颗星作为备份星被送入轨道，与相应的地面处理设备组成“北斗一代”导航系统。
有人将“北斗一号”导航系统称为中国版的GPS，这并不准确，“北斗一号”只有两颗卫星，仅可以满足我国及周边地区的卫星导航需求。在定位原理上也不同于GPS。用户在定位时，首先应向卫星发射定位请求信号，而不像GPS那样，用户只需要接收卫星所发送的导航电文即可自行完成测距。由于只有两颗卫星可以提供距离信息，因此，用户的位置在以这两颗卫星为中心的球面的交线(是一个圆)上。为进一步定位出第三维位置信息，还需要提供电子高程地图。
“北斗号”系统的主要特点有三。一是只能实现二维导航。二是由于用户需要发射测距请求信号以及应答信号，一方面易被侦察到，保密和安全性相对较差，限制了军事应用；另一方面，系统的用户容量取决于请求和应答信号传输所在通道是否阻塞、询问信号速度和用户的响应速度，因此，用户设备容量受到一定限制。此外，“北斗一号”不适用于高速移动的平台，进一步限制了军事应用。但是，它的最大优点是投资少、用户设备便宜，能基本满足我国境内及周边地区的卫星导航需要。而且“北斗一号”还能提供类似手机短信的短报文通信服务。因此既是导航系统，又是通信系统。由于是通信系统，在知道自身位置的同时，还能知道其它用户的位置，这是GPS所没有的功能。如果考虑通过电子高程地图补充提供的定位数据可以完成三维定位，那么，北斗一号的特点可以概括为“不仅知道我在哪里，也知道你在哪里，还能实现你我之间的信息传递”。
2007年4月14日，我国成功发射第一颗“北斗二号”卫星，标志着“北斗”二代导航系统开始建设。它在继承的基础上，将在覆盖范围、定位精度、用户容量和无源接收定位能力等方面同GPS匹敌，将成为真正的中国版GPS。2009年4月15日，我国又成功发射第二颗卫星，预计今明两年将再发射10余颗卫星，至2015年完成全部35颗卫星的发射。、随着“北斗”二代系统的逐步完善，也必将在我国自行开发的预警机上得到应用。
预警机上任务系统的基准
预警机上有四个基准。一是姿态基准，由惯性导航提供，用来测量飞机本身在航向、俯仰和横滚三个方面的姿态信息，GPS(和其它无线电导航设备)做不到这一点。二是位置基准，用GPS，不但定位精度能够大大提高，而且与时间无关，长期稳定。举例来说，没有GPS的情况下，定位精度以预警机在空中工作一小时计算，由于惯导漂移引起的位置误差为0.8海里，有GPS时，定位精度可以达30米左右。三是时间基准，由GPS进行授时，精度约20纳秒。由于有了GPS，定位精度、时间精度和速度测量精度都大大提高了。相比于惯导提供的速度信息，GPS提供的速度信息的准确度能提高一倍以上(GPS也能利用多普勒效应测速)。四是坐标基准。在不同的场合下，对于不同的设备，需要建立不同的坐标系例如，在测量预警机的姿态得到航向、横滚和俯仰等信息时，利用的是机体坐标系。而得到预警机以经纬度和高度表示的位置信息时，利用的是地理坐标系。GPS工作时所需要的坐标系则是地心坐标系。不同的坐标系之间常常需要转换， 这会带来计算上的误差。
预警机上为什么需要加装任务导航设备呢?这是因为导航的精度对雷达或其它电子设备的测量结果有着明显的影响。举例来说，在雷达中，如果电波从发射到接收的时间测量误差为1微秒，对应的距离误差就是150米，这还仅仅考虑的是导航系统本身的影响。实际上，雷达工作有很多环节，每个环节都会带来时间误差，但导航系统影响最大，所以人们总是想方设法提高导航系统时间测量的准确性。再以方向为例，如果航向精度为0.1度，雷达扫描时的偏差在300千米处将带来500米以上的距离偏差，影响雷达对目标的定位。在E-3A预警机上安装了2套AN／ASN-119型惯导／GPS组合导航系统互为备份。
GPS不能用时怎么办
由于GPS为美国开发，在战时信号极易被封锁或干扰。因此，预警机这种尖端武器装备必须考虑GPS不能用时的应对措施。
作为对位置误差的修正手段，可以采用“塔康”(TACAN)或“罗兰"-C等无线电导航系统代替GPS。“塔康”是“战术空中导航”的英文单词的首字母缩写，是一种近程陆基无线电导航系统，也是世界上第一种能够同时为飞机提供方位和距离信息的系统。它由地面台和机载设备组成，工作在L波段(960～1215兆赫兹)。相比工作在100千赫兹的“罗兰"-C系统，其波长较短，因此天线可以做得较小，更适用于装在舰上或飞机上。
测量距离时，“塔康”采用类似于敌我识别器询问测距的方法，也就是机载设备(又称询问器)发出询问脉冲，地面台(又称应答器或地面信标)接收后，经过一定的处理时间(一般为50微秒量级，也称地面台的时延)后发出应答脉冲，机载设备接收到信号后，将发出询问和收到应答信号之间所经过的时间减去处理时间，再乘以光速，就计算出了飞机与地面台的距离。为避免其它发射脉冲的电子系统触发“塔康”系统工作，“塔康”的发射和应答脉冲都是成对的。
“塔康”对方位的测量要从“伏尔”(VOR)系统说起。“伏尔”系统是英文“甚高频全向信标”的缩写，为飞机提供相对于地面伏尔台的方位角，工作频率在超短波的108-118兆赫兹范围内。它通过天线向空间发射电波信号，其能量在空间的分布(称为天线方向图)是一个心脏形，并以一定的频率(30赫兹)在空间旋转，以覆盖各个可能方位上出现的飞机。心脏形的最大值对准某个方位上的飞机时，飞机上的“伏尔”接收机输出信号(称为可变相位信号)的相位所对应的角度与这架飞机所处的方位有关。为使伏尔接收机输出信号的相位角等于这架飞机的方位角，心脏形旋转的频率经过综合计算选定为30赫兹，这样，测得了飞机上伏尔接收机上的相位，就知道这架飞机的方位了。而为了提供在各个方位上测量相位用的基准，伏尔系统还要发射一个全向的基准信号。“塔康”对方位的测量沿用了伏尔的思想，但在心脏形方向图的基础上又叠加了9个“小瓣”，以提高方位上的分辨能力。通过心脏形对准飞机进行方位的粗测，然后再利用9个小瓣进行精测，所以，“塔康”系统中所要计算的相位角有两个，而要发射的基准信号也有两个，分别对应于花瓣形的方向图和心脏形的方向图。“塔康”属军用设备，但是其测距方法被国际民航组织采用，称为距离测量设备(DME)，再加上用伏尔测方位，就组成了民航中目前使用最广泛的导航系统——DME／YOR系统。
作为GPS不能用的情况下位置修正的另一种补充手段，可以使用“罗兰”-C系统。它的工作频率较低，更适合远距离传输，作用距离更远，达2000千米以上，远远大于“塔康”的500千米以内，“罗兰”－C系统工作时，由位于地面的主台和一个副台分别发射两个测距信号，位于飞机上的接收机测量这两个信号的时间差，算出距离差。由于距离差保持不变的轨迹是一条双曲线，表明飞机应该在以主台和这个副台为焦点的一条双曲线上。再利用主台和另外一个副台，可以得到另外一条双曲线，两条双曲线的交点，就是飞机的位置。
“塔康”和“罗兰”-C系统所给出的距离和方位，只是二维的位置信息，要提供三维信息，还需要同大气机配合使用。大气机利用高度和气压的关系，通过测量某一飞行高度上的气压来求得高度。“塔康”和“罗兰”-C系统的定位误差要比GPS低一个数量级，但也远远优于长航时下的惯导，典型值在400米以内。
就时间来说，预警机有两个问题，一是授时，又叫对时，也就是获得预警机工作的时间起点。二是守时，电就是以足够的精度保持时钟的走动。GPS可对预警机进行授时，GPS不能用时，可以利用短波进行授时，也可以利用惯性导航自身的时间，甚至还可以由人工向预警机的计算机进行手工输入。当然，时间起点的准确程度要大大小于CPS。为更好地进行守时，预警机的任务导航设备还像GPS系统一样，引入了原子钟，守时误差在10秒内。
预警机的系列文章介绍到本期，执行预警机作战任务的主要电子设备基本上介绍完了，都偏重于硬件组成、实际上，就像大家所熟悉的计算机离开了操作系统、应用程序这些软件后，无异于废铁一样，预警机光有硬件设备也不能完成既定的作战功能，那么，预警机上的软件是什么样的，预警机上的软件所依赖的计算机又是什么样的，相应的人机界面又是如何?请看下期：预警机的大脑与灵魂——计算机与软件系统。
陀螺中隐藏的奥秘
童年美好的记忆里，总少不了一些好玩的游戏。孩提时代对万物充满了好奇，不曾想到，长大以后所感受到的科技，竟然可以从游戏中找到一些奥秘。在笔者准备介绍惯性导航系统的时候，记忆已被带回了20多年前，带回到用细细的鞭子抽打着地面上陀螺的情景。高速旋转的陀螺有两个基本特性，一是它的自转轴——也就是它的几何对称轴，在没有外力抽打的作用下，其轴线总是指向一个固定方向，专业上称为“定轴”性，它是陀螺惯性的一种表现。陀螺越重、转得越快，惯性就越大，保持的指向性就越强。此外，陀螺在被鞭子抽打后，其自转轴不再指向竖直方向，而是“摇头晃脑”起来。这是因为陀螺在外力作用下自转的同时，自转轴会围绕另外一根轴线转动，其轨迹处于一个圆锥面上。这就是陀螺的“进动”特性。定轴性和进动性分别说明了陀螺在高速旋转时，没有外力作用和有外力作用时的运动特点，这就是隐藏在陀螺中的奥秘，也是惯性导航的基础。
惯性导航——导航系统中的全能冠军
想让预警机顺利地飞向目的地，需要保持正确的姿态和朝向。为能够预算到达目的地的时间，除要知道目的地的位置外，还要知道当前的位置，并以适当的速度飞行。这里面讲到了姿态、当前位置和速度几个要素。就姿态来说，可从俯仰、横滚和航向三个独立的运动方向来度量。例如，飞机的抬头和低头是俯仰方向的运动，左翼抬起右翼下沉是横滚方向的运动，飞机在水平面内改变机头的朝向，就是航向的运动，由于陀螺在高速旋转时具有指向某个固定方向的能力，所以可以设置三根轴线分别指向不同方向的陀螺，轴线的指向就是基准方向，当飞机姿态变化时，实际姿态可用相对于基准方向的偏离来测量。
在惯性导航系统中，除应用传统的机械式陀螺外，人们还发明了光学陀螺，用以取代机械部件，减轻重量、提高可靠性和改善精度(也就是测量的准确性)。它主要包括激光陀螺和光纤陀螺两种，都是根据法国物理学家萨格纳克的理论发展起来的：当同一光束被分光镜分开后，在一个环形的通道中沿两个相反的方向(顺时针和逆时针)前进，如果环形通道本身有一个转动速度，那么两路光线所走的路程不一样，从而相位的变化量不样，因此，这两路光线在叠加时，会产生干涉条纹：干涉条纹也会转动，但转动的快慢与环形通道本身的角速度成正比。利用光程的变化所导致的相位变化来测量环路的转动速度的，称为光纤式陀螺：利用光纤环路中光的谐振频率的变化来测量环路的转动速度的，称为激光陀螺仪。
根据陀螺仪安装的位置不同，惯性导航系统还有平台式惯导和捷联式惯导的区别。前面说过，惯导陀螺轴线的指向在高速旋转时是固定的，但在外力作用下会发生偏离。如果把陀螺直接固定在姿态变化的飞机上，引起飞机姿态变化的力也会作用在陀螺上，使其指向发生变化、导致姿态测量丧失基准。于是，人们想到把惯导装在一个托架上，为惯导提供安装平台。同时，利用托架把飞机的运动同惯导隔离开，不管飞机姿态如何，惯导陀螺的指向保持不变，这样的惯导就叫平台式惯导。捷联式惯导则没有托架，惯导直接安装在飞机上，通过数学的方法表示飞机的运动，并通过计算机软件从数学上将飞机的运动抵消掉，实现飞机的运动同惯导的隔离，从而减轻设备的重量和体积。由于没有了复杂的机械结构，提高了设备的可靠性，只是这种方法的精度相对于平台式惯导更不容易做好，主要是计算量非常大。随着计算机技术的飞速发展，捷联式惯导的性能正在往全面优于平台式惯导的方向前进。
但是对于惯导来说，光有陀螺是不够的。因为飞机的姿态变化是由飞机的运动引起的，而飞机有转动和平移运动，陀螺只能测出转动的数据，平动的测量还要靠加速度计。加速度是速度随时问的变化率，知道了时间和初始速度，就能够算出当前速度。而速度是距离随时间的变化率，知道了速度、时间和最初的位置数据，还能算出走过的距离，从而知道当前位置。
利用陀螺仪和加速度计工作的导航系统称为惯性导航，它因符合了牛顿的惯性力学规律而得名。通过上文的介绍，我们可以看出，惯性导航工作仅仅依赖于自身的陀螺、加速度计等设备，不需要利用外界的导航台和无线电波，也不向外辐射能量。所以，其应用不受外界环境的限制，可以在海陆空天和水下，隐蔽性也好，不受干扰，无法被敌人利用，生存能力强。它可以提供包括加速度、速度、位置、姿态和航向等最全面的导航参数。正是凭借其自主导航特性和全面提供导航参数的能力，惯性导航堪称导航系统中的“全能冠军”。
并不完美的惯性导航
但惯性导航有个重要缺点，就是它的定位误差随着工作时间的增多而变大，专业上称为“漂移”。当有外力作用时，陀螺会发生进动，其轴线的指向会发生变化，造成基准方向的改变。由于加速度计测量的分别是三个不同基准方向上的值，实际上是合加速度的三个方向上的分量，因此，在基准方向发生改变后，加速度的测量值就不再正确，由于位置数据是加速度乘以时间得到速度后再乘以时间得到的，因此时间越长，位置误差就越大。
团队的力量——组合导航
由于惯导的定位会产生漂移，这为需要长时间利用惯导工作的预警机带来了不小的麻烦。对于E－3这样的预警机，一般每次在空中要巡逻6个小B寸以上。惯导的典型定位误差，第一小时内不大于0.8海里(1海里等于1.852千米)。如果连续工作6小时，平均每小时误差在2海里以上，累计误差高达12海里，这对预警机自身的导航和引导协同作战的战斗机来说都是不利的。
解决办法就是利用组合导航，也就是把不同原理的导航设备组合起来，使它们各自发挥长处，扬长避短。由于惯导的定位精度随时间增大，因此，组合导航的一个出发点就是要弥补惯导的这个缺点。最常用的组合导航，是把惯性导航和无线电导航结合起来：一方面利用惯性 导航信息丰富、自主性好、不易受干扰的优点，另一方面，利用无线电导航的定位精度非常稳定并且非常高的优点。而在惯性导航和无线电导航的组合中，预警机中应用最多的就是惯性导航和卫星导航(特别是GPS导航)的组合。
进入寻常百姓家的GPS
无论是驴友的登山探险，还是有车一族的兜风远游，似乎都少不了GPS--全球定位系统(准确地说，是一个GPS接收机)。与惯性导航的自主导航特性不同，GPS利用无线电波工作。经过30多年的应用与推广，GPS早已从战场走向民间，应用越来越广，精度越来越高，是无线电导航的杰出代表。
GPS由卫星、接收机和地面控制站三大部分组成。定位原理是单程无源接收，用户无需发射信号，只需接收卫星信号并进行相应处理。举例来说，一个无线电信号从一颗卫星传输到地球上的一个GPS接收机的时间间隔为0.067秒，则接收机可以算出卫星在20000千米外，这等于0.067秒乘以无线电的传输速度30万千米／秒，可以断定接收机必定位于一个半径为20000千米的球面上的某个地方，这个卫星是该球面的中心。如果能同时利用另外两颗卫星进行相同的测距运算，就是三个相交的球面，它们会相交于一点，这一点就是接收机所处的位置，因此理论上，如果接收机能够同时“看到”三颗卫星，就能完成测距，但是，对GPS了解多一些的读者会说，不是同时看到4颗星才能测距吗?这到底是怎么回事呢?
这是因为GPS接收机的位置是通过时间来计算的，能不能测准时间是GSP定位的关键。GPS时间的计算是通过地面接收机和GPS卫星上时钟的时间差值获得的，由于这两台时钟所指的时刻与真实时间相比都存在着误差，所以，算出的距离不准确，专业上称为“伪距”。准确距离的获得，需要知道GPS卫星上和地面接收机的时间同真实时间的差异。GPS卫星的时钟是准确度较高的原子钟，它们与真实时间的偏离可以从GPS卫星播发的导航电文中得到，经过修正后，可以认为各个不同卫星上的时钟基本是一致(相差在20纳秒内)和已知的，而地面GPS接收机所使用的都是石英钟(如果也是原子钟的话，可能你能买得起汽车，但买不起车载的GPS)，它们与真实的GPS时间相差较大，是未知的。为求得更准确的距离，除了前面提到的三个伪距代表的未知数外，还有地面GPS接收机同准确时钟的差值，一共是4个未知数，需要求解四个方程，所以，就要利用到第4颗卫星。
上述定位过程中，还有一个参数是需要知道的，那就是每颗卫星自身所处的位置，即我们前面讲到的定位所需要的球面球心。这个信息携带在卫星向地面接收机播发的导航电文里。导航电文里除了卫星位置外，还有卫星钟同标准钟的偏差、考虑到当前大气传播对电波影响后的可能修正值等信息。
由于GPS的24颗卫星中，每颗卫星每12个小时绕地球一周，在任何时刻、任意地方，理论上都能“看到”12颗左右的卫星，而要定位，只需要4颗星就够了 所以，GPS的设计余量是很大的，用户可以选择几何位置最佳、信号最好的4颗星来实现准确定位。当然，由于气象或地形遮挡等原因，也可能一个GPS卫星的信号都收不到。
北斗系统——中国自己的卫星导航
为打破美国人对卫星导航的垄断和使用限制，很多国家力图发展自己的卫星导航。苏联、欧洲相继发展了GLONASS和“伽利略”系统，我国于2000年发射了“北斗双星”，开启了独立自主利用卫星导航的时代。2003年，第三颗星作为备份星被送入轨道，与相应的地面处理设备组成“北斗一代”导航系统。
有人将“北斗一号”导航系统称为中国版的GPS，这并不准确，“北斗一号”只有两颗卫星，仅可以满足我国及周边地区的卫星导航需求。在定位原理上也不同于GPS。用户在定位时，首先应向卫星发射定位请求信号，而不像GPS那样，用户只需要接收卫星所发送的导航电文即可自行完成测距。由于只有两颗卫星可以提供距离信息，因此，用户的位置在以这两颗卫星为中心的球面的交线(是一个圆)上。为进一步定位出第三维位置信息，还需要提供电子高程地图。
“北斗号”系统的主要特点有三。一是只能实现二维导航。二是由于用户需要发射测距请求信号以及应答信号，一方面易被侦察到，保密和安全性相对较差，限制了军事应用；另一方面，系统的用户容量取决于请求和应答信号传输所在通道是否阻塞、询问信号速度和用户的响应速度，因此，用户设备容量受到一定限制。此外，“北斗一号”不适用于高速移动的平台，进一步限制了军事应用。但是，它的最大优点是投资少、用户设备便宜，能基本满足我国境内及周边地区的卫星导航需要。而且“北斗一号”还能提供类似手机短信的短报文通信服务。因此既是导航系统，又是通信系统。由于是通信系统，在知道自身位置的同时，还能知道其它用户的位置，这是GPS所没有的功能。如果考虑通过电子高程地图补充提供的定位数据可以完成三维定位，那么，北斗一号的特点可以概括为“不仅知道我在哪里，也知道你在哪里，还能实现你我之间的信息传递”。
2007年4月14日，我国成功发射第一颗“北斗二号”卫星，标志着“北斗”二代导航系统开始建设。它在继承的基础上，将在覆盖范围、定位精度、用户容量和无源接收定位能力等方面同GPS匹敌，将成为真正的中国版GPS。2009年4月15日，我国又成功发射第二颗卫星，预计今明两年将再发射10余颗卫星，至2015年完成全部35颗卫星的发射。、随着“北斗”二代系统的逐步完善，也必将在我国自行开发的预警机上得到应用。
预警机上任务系统的基准
预警机上有四个基准。一是姿态基准，由惯性导航提供，用来测量飞机本身在航向、俯仰和横滚三个方面的姿态信息，GPS(和其它无线电导航设备)做不到这一点。二是位置基准，用GPS，不但定位精度能够大大提高，而且与时间无关，长期稳定。举例来说，没有GPS的情况下，定位精度以预警机在空中工作一小时计算，由于惯导漂移引起的位置误差为0.8海里，有GPS时，定位精度可以达30米左右。三是时间基准，由GPS进行授时，精度约20纳秒。由于有了GPS，定位精度、时间精度和速度测量精度都大大提高了。相比于惯导提供的速度信息，GPS提供的速度信息的准确度能提高一倍以上(GPS也能利用多普勒效应测速)。四是坐标基准。在不同的场合下，对于不同的设备，需要建立不同的坐标系例如，在测量预警机的姿态得到航向、横滚和俯仰等信息时，利用的是机体坐标系。而得到预警机以经纬度和高度表示的位置信息时，利用的是地理坐标系。GPS工作时所需要的坐标系则是地心坐标系。不同的坐标系之间常常需要转换， 这会带来计算上的误差。
预警机上为什么需要加装任务导航设备呢?这是因为导航的精度对雷达或其它电子设备的测量结果有着明显的影响。举例来说，在雷达中，如果电波从发射到接收的时间测量误差为1微秒，对应的距离误差就是150米，这还仅仅考虑的是导航系统本身的影响。实际上，雷达工作有很多环节，每个环节都会带来时间误差，但导航系统影响最大，所以人们总是想方设法提高导航系统时间测量的准确性。再以方向为例，如果航向精度为0.1度，雷达扫描时的偏差在300千米处将带来500米以上的距离偏差，影响雷达对目标的定位。在E-3A预警机上安装了2套AN／ASN-119型惯导／GPS组合导航系统互为备份。
GPS不能用时怎么办
由于GPS为美国开发，在战时信号极易被封锁或干扰。因此，预警机这种尖端武器装备必须考虑GPS不能用时的应对措施。
作为对位置误差的修正手段，可以采用“塔康”(TACAN)或“罗兰"-C等无线电导航系统代替GPS。“塔康”是“战术空中导航”的英文单词的首字母缩写，是一种近程陆基无线电导航系统，也是世界上第一种能够同时为飞机提供方位和距离信息的系统。它由地面台和机载设备组成，工作在L波段(960～1215兆赫兹)。相比工作在100千赫兹的“罗兰"-C系统，其波长较短，因此天线可以做得较小，更适用于装在舰上或飞机上。
测量距离时，“塔康”采用类似于敌我识别器询问测距的方法，也就是机载设备(又称询问器)发出询问脉冲，地面台(又称应答器或地面信标)接收后，经过一定的处理时间(一般为50微秒量级，也称地面台的时延)后发出应答脉冲，机载设备接收到信号后，将发出询问和收到应答信号之间所经过的时间减去处理时间，再乘以光速，就计算出了飞机与地面台的距离。为避免其它发射脉冲的电子系统触发“塔康”系统工作，“塔康”的发射和应答脉冲都是成对的。
“塔康”对方位的测量要从“伏尔”(VOR)系统说起。“伏尔”系统是英文“甚高频全向信标”的缩写，为飞机提供相对于地面伏尔台的方位角，工作频率在超短波的108-118兆赫兹范围内。它通过天线向空间发射电波信号，其能量在空间的分布(称为天线方向图)是一个心脏形，并以一定的频率(30赫兹)在空间旋转，以覆盖各个可能方位上出现的飞机。心脏形的最大值对准某个方位上的飞机时，飞机上的“伏尔”接收机输出信号(称为可变相位信号)的相位所对应的角度与这架飞机所处的方位有关。为使伏尔接收机输出信号的相位角等于这架飞机的方位角，心脏形旋转的频率经过综合计算选定为30赫兹，这样，测得了飞机上伏尔接收机上的相位，就知道这架飞机的方位了。而为了提供在各个方位上测量相位用的基准，伏尔系统还要发射一个全向的基准信号。“塔康”对方位的测量沿用了伏尔的思想，但在心脏形方向图的基础上又叠加了9个“小瓣”，以提高方位上的分辨能力。通过心脏形对准飞机进行方位的粗测，然后再利用9个小瓣进行精测，所以，“塔康”系统中所要计算的相位角有两个，而要发射的基准信号也有两个，分别对应于花瓣形的方向图和心脏形的方向图。“塔康”属军用设备，但是其测距方法被国际民航组织采用，称为距离测量设备(DME)，再加上用伏尔测方位，就组成了民航中目前使用最广泛的导航系统——DME／YOR系统。
作为GPS不能用的情况下位置修正的另一种补充手段，可以使用“罗兰”-C系统。它的工作频率较低，更适合远距离传输，作用距离更远，达2000千米以上，远远大于“塔康”的500千米以内，“罗兰”－C系统工作时，由位于地面的主台和一个副台分别发射两个测距信号，位于飞机上的接收机测量这两个信号的时间差，算出距离差。由于距离差保持不变的轨迹是一条双曲线，表明飞机应该在以主台和这个副台为焦点的一条双曲线上。再利用主台和另外一个副台，可以得到另外一条双曲线，两条双曲线的交点，就是飞机的位置。
“塔康”和“罗兰”-C系统所给出的距离和方位，只是二维的位置信息，要提供三维信息，还需要同大气机配合使用。大气机利用高度和气压的关系，通过测量某一飞行高度上的气压来求得高度。“塔康”和“罗兰”-C系统的定位误差要比GPS低一个数量级，但也远远优于长航时下的惯导，典型值在400米以内。
就时间来说，预警机有两个问题，一是授时，又叫对时，也就是获得预警机工作的时间起点。二是守时，电就是以足够的精度保持时钟的走动。GPS可对预警机进行授时，GPS不能用时，可以利用短波进行授时，也可以利用惯性导航自身的时间，甚至还可以由人工向预警机的计算机进行手工输入。当然，时间起点的准确程度要大大小于CPS。为更好地进行守时，预警机的任务导航设备还像GPS系统一样，引入了原子钟，守时误差在10秒内。
预警机的系列文章介绍到本期，执行预警机作战任务的主要电子设备基本上介绍完了，都偏重于硬件组成、实际上，就像大家所熟悉的计算机离开了操作系统、应用程序这些软件后，无异于废铁一样，预警机光有硬件设备也不能完成既定的作战功能，那么，预警机上的软件是什么样的，预警机上的软件所依赖的计算机又是什么样的，相应的人机界面又是如何?请看下期：预警机的大脑与灵魂——计算机与软件系统。