南理工导航1-2014课件

1、导航技术基础（导航技术基础（1）教师：李 胜E-mail:本课程参考资料本课程参考资料n导航系统理论与应用导航系统理论与应用刘建业等编著，西北工业大学出版社，刘建业等编著，西北工业大学出版社，2010.03n导航系统导航系统袁信等编著，航空工业出版社，袁信等编著，航空工业出版社，1993nGPS卫星导航定位原理与方法（第二版）卫星导航定位原理与方法（第二版）刘基余，科学出版社，刘基余，科学出版社，2008n惯性导航惯性导航秦永元，科学出版社，秦永元，科学出版社，2006.5n导航与定位导航与定位信息化战争的北斗星信息化战争的北斗星李跃主编，国防工业出版社，李跃主编，国防工业出版社，2008 导

2、航技术是一门重要的现代导航技术是一门重要的现代综合性应用技术学科，它是飞机、综合性应用技术学科，它是飞机、舰船、火箭、卫星、车辆等运动舰船、火箭、卫星、车辆等运动载体能够顺利完成任务的关键技载体能够顺利完成任务的关键技术之一，也是国家科学技术实力术之一，也是国家科学技术实力的一个重要标志。的一个重要标志。原始导航技术原始导航技术司南司南n司南，战国时期（司南，战国时期（475B.C.221B.C.）韩非子韩非子有度篇有度篇 夫人臣之侵其主也，如地形焉，夫人臣之侵其主也，如地形焉，即渐以往，使人主失端，即渐以往，使人主失端，东西易面而不自知。东西易面而不自知。故先王立故先王立司南司南以端朝夕。以

3、端朝夕。 原始导航技术原始导航技术指南车指南车n三国时期，魏国，马钧三国时期，魏国，马钧原始导航技术原始导航技术指南车指南车n指南车：指南车：又称司南车，又称司南车，是中国古代劳动人民，是中国古代劳动人民，利用差速齿轮原理，制利用差速齿轮原理，制作的一种用来指示方向作的一种用来指示方向的机械装置。的机械装置。n“车虽回运而手常指南车虽回运而手常指南”晋书晋书舆服志舆服志 原始导航技术原始导航技术记里鼓车记里鼓车n又称记里车、大章车，古代用来记录车辆行过距离的马车又称记里车、大章车，古代用来记录车辆行过距离的马车 原始导航技术原始导航技术记里鼓车记里鼓车n车上装有一组减速齿车上装有一组减速齿轮，

4、与轮轴相连。车轮，与轮轴相连。车行一里时，控制击鼓行一里时，控制击鼓木人的中平轮正好转木人的中平轮正好转动一周，木人便击鼓动一周，木人便击鼓一次；车行一次；车行10里时，里时，控制敲钟木人的上平控制敲钟木人的上平轮正好转动一周，木轮正好转动一周，木人便敲钟一次。人便敲钟一次。朱彧朱彧萍洲可谈萍洲可谈 舟师识地理，舟师识地理， 夜则观星，夜则观星， 昼则观日，昼则观日， 阴晦观指南针阴晦观指南针问题一：什么是导航技术？问题一：什么是导航技术？问题一：什么是导航技术？问题一：什么是导航技术？ 引导引导运载体运载体或或人员人员从一从一个地方到达另一个地方的科个地方到达另一个地方的科学技术。学技术。原

5、始导航设备原始导航设备罗盘罗盘n罗盘，公元罗盘，公元10981100，广州，商船，广州，商船原始导航设备原始导航设备牵星板牵星板n过洋牵星术过洋牵星术 n牵星板一副，十二片，乌木牵星板一副，十二片，乌木为之，自小渐大，大者长七为之，自小渐大，大者长七寸余。标为一指、二指，以寸余。标为一指、二指，以至十二指，俱有细刻，若分、至十二指，俱有细刻，若分、寸然。又有象牙一块，长二寸然。又有象牙一块，长二寸，四角皆缺，上有半指、寸，四角皆缺，上有半指、半角、一角、三角等字，颠半角、一角、三角等字，颠倒相向，盖周髀算尺也。倒相向，盖周髀算尺也。原始导航设备原始导航设备六分仪六分仪n六分仪（六分仪（Sext

6、ant）由分度弧、指标臂、动由分度弧、指标臂、动镜、定镜、望远镜和测镜、定镜、望远镜和测微轮组成，弧长约为圆微轮组成，弧长约为圆周的六分之一。周的六分之一。1730年英国数学家年英国数学家John Hadley。 六分仪六分仪六分仪原理演示六分仪原理演示利用六分仪定位的基本步骤利用六分仪定位的基本步骤n用六分仪测得某恒星的用六分仪测得某恒星的高度角，高度角，n根据天文年历及时钟查根据天文年历及时钟查出该时刻恒星星下点的出该时刻恒星星下点的位置位置n在地图上作出一个等高在地图上作出一个等高圆。圆。n用同样的方法观测另外用同样的方法观测另外一颗恒星可得到第二个一颗恒星可得到第二个等高圆。等高圆。n

7、两个圆有两个交点，一两个圆有两个交点，一个是舰船的真实位置，个是舰船的真实位置，另一个是虚假位置。另一个是虚假位置。 2005年年10月月29日日12:0012:10nAn old world map produced in Amsterdam 1689 天文导航（天文导航（Celestial Navigation）n根据天体来测定运载器位置和航向的导航根据天体来测定运载器位置和航向的导航技术，我们将其称为天体导航。技术，我们将其称为天体导航。n天体相对地球的运动规律是完全确定的，天体相对地球的运动规律是完全确定的，因此可以利用观测天体的位置来解决导航因此可以利用观测天体的位置来解决导航问题。

8、问题。n主要仪器星体跟踪器，标准时间发生器，主要仪器星体跟踪器，标准时间发生器，计算机三大部分。计算机三大部分。天文导航天文导航星体跟踪仪星体跟踪仪无线电导航无线电导航n18941906年，无线电的发明为导航系统的发展具有划时代的意义。年，无线电的发明为导航系统的发展具有划时代的意义。Guglielmo Marconi Edwin Howard ArmstrongAlexander Stepanovich Popov 无线电导航技术发展的初级阶段无线电导航技术发展的初级阶段n1912年，世界上第一个无线电导航系统，年，世界上第一个无线电导航系统，即振幅式测向仪，也称为无线电罗盘，工即振幅式测向

9、仪，也称为无线电罗盘，工作频率作频率0.11.75MHz。n第一次世界大战期间（第一次世界大战期间（19141918年），年），海上无线电导航；海上无线电导航；n20世纪世纪20年代，第一台航空导航无线电信年代，第一台航空导航无线电信标在欧洲设立；标在欧洲设立；n特点：航海导航技术领先，航空导航技术特点：航海导航技术领先，航空导航技术许多是在航海导航技术启示下发展的；测许多是在航海导航技术启示下发展的；测向能力强于定位能力。向能力强于定位能力。无线电导航发展的中期阶段无线电导航发展的中期阶段n二战期间，海洋导航，罗兰二战期间，海洋导航，罗兰A（LORAN）系统的研制成功；采用脉冲信号，载频：系

10、统的研制成功；采用脉冲信号，载频：2MHz左右，作用范围：左右，作用范围：400海里。海里。n50年代末期，年代末期，LORAN-A的改进型的改进型LORAN-C研制成功，依然采用脉冲信号，作用距离：研制成功，依然采用脉冲信号，作用距离：1000海里（海里（n mile） 。采用脉冲包络技术，而且利用了脉冲载频相位采用脉冲包络技术，而且利用了脉冲载频相位完成了各台站间的同步和为用户接收机测量时完成了各台站间的同步和为用户接收机测量时间差间差LORAN系统台站在世界上的分布系统台站在世界上的分布无线电导航发展的中期阶段无线电导航发展的中期阶段n1968年，美国海军开发和使用的奥米加导年，美国海军

11、开发和使用的奥米加导航系统航系统(Omega Navigation System) n工作频率：工作频率：1014KHz的的VLF，n优点：可以实现全球导航优点：可以实现全球导航n缺点：缺点：定位精度一般在定位精度一般在24海里左右。海里左右。易受干扰易受干扰用户设备昂贵用户设备昂贵奥米加导航系统的台站奥米加导航系统的台站La Moure Omega Transmitter 无线电导航发展的中期阶段无线电导航发展的中期阶段n仪表着陆系统仪表着陆系统1941年出现，年出现，1946年被国际民航组织认定为标年被国际民航组织认定为标准着陆导航设备准着陆导航设备n作用：作用：由地面发射的两束无线电信号

12、实现航向道和下由地面发射的两束无线电信号实现航向道和下滑道指引，建立一条由跑道指向空中的虚拟路滑道指引，建立一条由跑道指向空中的虚拟路径，飞机通过机载接收设备，确定自身与该路径，飞机通过机载接收设备，确定自身与该路径的相对位置，使飞机沿正确方向飞向跑道并径的相对位置，使飞机沿正确方向飞向跑道并且平稳下降高度，最终实现安全着陆。且平稳下降高度，最终实现安全着陆。 仪表着陆系统的组成仪表着陆系统的组成n一个完整的仪表着陆系统包括一个完整的仪表着陆系统包括:方向引导系统方向引导系统距离参考系统距离参考系统目视参考系统目视参考系统 仪表着陆系统仪表着陆系统方向引导系统方向引导系统n航向台航向台 (Lo

13、calizer, LOC/LLZ)，位于跑道，位于跑道进近方向的远端，波束为角度很小的扇形，进近方向的远端，波束为角度很小的扇形，提供飞机相对于跑道的航向道提供飞机相对于跑道的航向道(水平位置水平位置)指指引；引；n下滑台下滑台(Glide Slope, GS/Glide Path,GP)，位于跑道入口端一侧，通过仰角为位于跑道入口端一侧，通过仰角为3度左右度左右的波束，提供飞机相对跑道入口的下滑道的波束，提供飞机相对跑道入口的下滑道(垂直位置垂直位置)指引；指引；The Glideslope station for runway 09R at Hanover Airport in Germa

14、ny nLocalizer array and approach lighting at Whiteman Air Force Base, Johnson County, Missouri. 下降速度计算公式：下降速度计算公式：RD =GA (GS/ 60 ) 100 其中：其中：nRD：下降速率，：下降速率，Rate of Descent（ft/m）nGA：下滑角，：下滑角，Glideslope angle，（度），（度）nGS：飞行速度，：飞行速度，Groundspeed（节）（节）n如果下滑角为标准如果下滑角为标准3度，则公式可简化为度，则公式可简化为:RD= 5GS仪表着陆系统仪表着陆

15、系统距离参考系统距离参考系统n指点标指点标(Marker Beacon)：提供飞机相对跑：提供飞机相对跑道入口的粗略的距离信息；道入口的粗略的距离信息；n距离测量设备距离测量设备(Distance Measuring Equipment, DME)会和仪表着陆系统同时会和仪表着陆系统同时安装，使得飞机能够得到更精确的距离信安装，使得飞机能够得到更精确的距离信息，或者在某些场合替代指点标的作用；息，或者在某些场合替代指点标的作用；仪表着陆系统仪表着陆系统目视参考系统目视参考系统n精密进近轨迹指示器精密进近轨迹指示器(Precision Approach Path Indicator, PAPI)

16、，提供飞行器，提供飞行器相对正确的下滑道的位置的目相对正确的下滑道的位置的目视参考。视参考。n进近灯光系统进近灯光系统 (Approach Light System, ALS)，供夜间，供夜间或者低能见度进近情况下提供或者低能见度进近情况下提供跑道入口位置和方向的醒目的跑道入口位置和方向的醒目的目视参考。目视参考。 进近灯光系统进近灯光系统无线电导航发展的中期阶段无线电导航发展的中期阶段n精密进近雷达（精密进近雷达（PAR, Precision approach radar）n作用：测量下滑中飞机的方位、仰角作用：测量下滑中飞机的方位、仰角和距离，再将飞机的实际位置和预定和距离，再将飞机的实际

17、位置和预定的下滑道相比，然后由地面指示飞机的下滑道相比，然后由地面指示飞机的左右上下运动。的左右上下运动。精密进近雷达（精密进近雷达（A/N GPN-22）无线电导航发展的中期阶段无线电导航发展的中期阶段n伏尔系统伏尔系统1946年出现，并于年出现，并于1949年作为国际民航组织所年作为国际民航组织所接受的甚高频全向信标（接受的甚高频全向信标（VHF omnidirectional range，简称，简称VOR）n连续波工作体制连续波工作体制n工作频率：工作频率：108118MHz；n导航范围：导航范围：200海里海里n精度：精度： 4.5度度无线电导航发展的中期阶段无线电导航发展的中期阶段n

18、距离测量设备（距离测量设备（DME）n工作频率：工作频率：9601215MHzn工作距离：工作距离：200海里海里n精度：精度：0.5海里海里n采用问答式工作机制，根据时间采用问答式工作机制，根据时间差得到测量距离。差得到测量距离。伏尔测距系统伏尔测距系统无线电导航发展的中期阶段无线电导航发展的中期阶段n塔康系统（塔康系统（Tactical Air Navigation）n主要用于航空母舰保障舰载飞机沿预定航主要用于航空母舰保障舰载飞机沿预定航线飞向目标，机群的空中集结，以及在复线飞向目标，机群的空中集结，以及在复杂气象条件下引导飞机归航和进场。杂气象条件下引导飞机归航和进场。n工作频率：工作

19、频率：9601215MHzn工作范围：工作范围：200海里海里n精度：精度： 1度和度和400m。VOR/DME antenna array Tactical Air Navigation无线电导航发展的中期阶段无线电导航发展的中期阶段n伏塔克系统伏塔克系统无线电导航发展的中期阶段无线电导航发展的中期阶段几种无线电导航系统的比较几种无线电导航系统的比较美俄导航系统对比美俄导航系统对比无线电导航发展的中期阶段无线电导航发展的中期阶段n多普勒导航系统多普勒导航系统由多普勒导航雷达和导航计算机组成。由多普勒导航雷达和导航计算机组成。无线电导航发展的后期阶段无线电导航发展的后期阶段n卫星导航系统卫星导

20、航系统利用人造地球卫星进行定位的导航利用人造地球卫星进行定位的导航系统。系统。由由地面站地面站、导航卫星网导航卫星网、卫星导航卫星导航定位接收设备定位接收设备3大部分组成。大部分组成。其定位方法有：测其定位方法有：测多普勒频移多普勒频移、测、测距距和测和测距差距差等类型。等类型。无线电导航的特点无线电导航的特点n无线电导航主要利用：无线电导航主要利用：电磁波在自由空间的直线传播。电磁波在自由空间的直线传播。电磁波在自由空间的传播速度是恒定的。电磁波在自由空间的传播速度是恒定的。电磁波在传播路线上遇到障碍物时会发生反射。电磁波在传播路线上遇到障碍物时会发生反射。n优点：不受时间、天气限制，精度高

21、，定位时间优点：不受时间、天气限制，精度高，定位时间短，设备可靠性高；短，设备可靠性高； n缺点：缺点：必须辐射和接收无线电波而易被发现和干扰，必须辐射和接收无线电波而易被发现和干扰，需要载体外的导航台支持，一旦导航台失效，与之对需要载体外的导航台支持，一旦导航台失效，与之对应的导航设备无法使用；应的导航设备无法使用；惯性导航系统惯性导航系统n定义：使用惯性框架（定义：使用惯性框架（inertial frame)通过通过测量物体加速度和旋转测量物体加速度和旋转(rotation)来判断运来判断运载体方向和位置的系统。载体方向和位置的系统。 n工作原理：利用惯性设备测量出运载体在工作原理：利用惯

22、性设备测量出运载体在东向、北向和垂直方向上的速度，然后分东向、北向和垂直方向上的速度，然后分别积分，以算出各个方向上所经过的距离，别积分，以算出各个方向上所经过的距离，并在此基础上算出运载体所经过的距离与并在此基础上算出运载体所经过的距离与方向。方向。惯性导航系统惯性导航系统n优点：优点：不依赖于外界导航台和电波的传播；不依赖于外界导航台和电波的传播；应用不受外界环境限制；应用不受外界环境限制；隐蔽性好；生存能力强；隐蔽性好；生存能力强；不受干扰；无法反利用；不受干扰；无法反利用；n缺点：缺点：误差随时间而积累；长时间工作时需要校准；误差随时间而积累；长时间工作时需要校准；导航系统的分类导航系

23、统的分类n根据导航系统对外界信息的依赖程度，根据导航系统对外界信息的依赖程度，可将其划分为：可将其划分为：自主导航系统：不依赖外界信息的导航自主导航系统：不依赖外界信息的导航系统；系统；非自主导航系统：依赖外界信息的导航非自主导航系统：依赖外界信息的导航系统；系统；半自主导航系统：所依赖的外界信息是半自主导航系统：所依赖的外界信息是自然界所固有的。自然界所固有的。导航系统的分类导航系统的分类n根据导航系统对外界信息的依赖程度，可根据导航系统对外界信息的依赖程度，可将其划分为：将其划分为：n自主导航系统自主导航系统惯性导航系统惯性导航系统n非自主导航系统非自主导航系统无线电导航系统（包括卫星导航系统）无线电导航系统（包括卫星导航系统）n半自主导航系统半自主导航系统天文导航系统天文导航系统组合导航系统组合导航系统n两种或两种以上导航技术的组合，组合后两种或两种以上导航技术的组合，组合后的导航系统称为组合导航系统。比如：的导航系统称为组合导航系统。比如：惯性惯性/卫星组合导航系统卫星组合导航系统nINS/GPS Navigation