南理工导航6-2014

1、1导航技术基础（导航技术基础（6）教师：李 胜E-mail: Blog: http:/ n安装在基准站上的安装在基准站上的GPS接收机观测接收机观测4颗卫星颗卫星后便可进行三维定位，解算出基准站的坐后便可进行三维定位，解算出基准站的坐标。标。n求取解算出的坐标与基准站的已知坐标之求取解算出的坐标与基准站的已知坐标之间的误差。间的误差。n基准站利用数据链将此改正数发送出去，基准站利用数据链将此改正数发送出去，由用户站接收，并且对其解算的用户站坐由用户站接收，并且对其解算的用户站坐标进行改正。标进行改正。 n作用范围作用范围100km以内以内5伪距差分原理伪距差分原理n在基准站上的接收机要求得它至

2、可见卫星在基准站上的接收机要求得它至可见卫星的距离，并将此计算出的距离与含有误差的距离，并将此计算出的距离与含有误差的测量值的测量值 加以比较。利用一个加以比较。利用一个-滤波器将滤波器将此差值滤波并求出其偏差。此差值滤波并求出其偏差。n将所有卫星的测距误差传输将所有卫星的测距误差传输 给用户，用户给用户，用户利用此测距误差来改正测量的伪距。利用此测距误差来改正测量的伪距。n用户利用改正后的伪距来解出本身的位置，用户利用改正后的伪距来解出本身的位置， 就可消去公共误差，提高定位精度。就可消去公共误差，提高定位精度。6载波相位差分技术载波相位差分技术n称为称为RTK技术（技术（real time

3、 kinematic），），n由基准站通过数据链实时将其载波观测量由基准站通过数据链实时将其载波观测量及站坐标信息一同传送给用户站。用户站及站坐标信息一同传送给用户站。用户站接收接收GPS卫星的载波相位卫星的载波相位 与来自基准站的与来自基准站的载波相位，并组成相位差分观测值进行实载波相位，并组成相位差分观测值进行实时处理，能实时给出厘米级的定位结果。时处理，能实时给出厘米级的定位结果。n实现载波相位差分实现载波相位差分GPS的方法分为两类：的方法分为两类：修正法修正法和和差分法差分法。7三种差分三种差分GPS定位方法的比较定位方法的比较n位置差分的先决条件是基准站和用户站观测同一位置差分的先

4、决条件是基准站和用户站观测同一组卫星的情况。适用于用户与基准站间距离在组卫星的情况。适用于用户与基准站间距离在100km以内的情况。以内的情况。n伪距差分能将两站公共误差抵消，但随着用户到伪距差分能将两站公共误差抵消，但随着用户到基准站距离的增加又基准站距离的增加又 出现了系统误差。用户和基出现了系统误差。用户和基准站之间的距离对精度有决定性影响。准站之间的距离对精度有决定性影响。n载波相位差分是建立在实时处理两个测站的载波载波相位差分是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的。它能实时提供观测点的三维坐标，相位基础上的。它能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度。并达到厘米级的高精度

5、。8按照差分按照差分GPS工作模式分类工作模式分类n局域差分（局域差分（LADGPS Local Area DGPS）单基准站差分单基准站差分多基准站差分多基准站差分n广域差分（广域差分（WADGPS Wide Area DGPS）9单基准站差分单基准站差分v结构：一个基准站、数据通讯链和用户结构：一个基准站、数据通讯链和用户v特点特点优点：结构、模型简单优点：结构、模型简单缺点：差分范围小，精度随距基准站距缺点：差分范围小，精度随距基准站距离的增加而下降，可靠性低离的增加而下降，可靠性低10多基准站差分多基准站差分v结构：多个基准站、数据通讯链和用户结构：多个基准站、数据通讯链和用户v特点特

6、点n优点：优点：差分精度高、可靠性高，差分差分精度高、可靠性高，差分范围增大范围增大n缺点：差分范围仍然有限，模型不完缺点：差分范围仍然有限，模型不完善善11广域差分广域差分v结构：多个基准站、数据通讯链和用户结构：多个基准站、数据通讯链和用户v特点特点v优点：差分精度高、差分精度与距离无优点：差分精度高、差分精度与距离无关、差分范围大关、差分范围大v缺点：系统结构复杂、建设费用高缺点：系统结构复杂、建设费用高12惯性导航系统（惯性导航系统（INS）nInertial Navigation Systemn一种利用惯性敏感器件、基准方向及最初一种利用惯性敏感器件、基准方向及最初的位置信息来确定运

7、载体在惯性空间中的的位置信息来确定运载体在惯性空间中的位置、方向和速度的自主式导航系统。有位置、方向和速度的自主式导航系统。有时简称为惯导。时简称为惯导。13惯性空间惯性空间n惯性空间是符合牛顿力学定律的空间，是惯性空间是符合牛顿力学定律的空间，是绝对静止或只作匀速直线运动的空间。绝对静止或只作匀速直线运动的空间。14惯性导航系统的基本工作原理惯性导航系统的基本工作原理n以牛顿力学定律为基础以牛顿力学定律为基础n通过惯性仪表测量载体在惯性参考系的加通过惯性仪表测量载体在惯性参考系的加速度；速度；n将它对时间进行将它对时间进行积分积分，且把它变换到导航，且把它变换到导航坐标系；坐标系；n得到在导

8、航坐标系中的速度、偏航角和位得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。置等信息。 15平面惯性导航系统原理图平面惯性导航系统原理图16惯性导航系统的优点惯性导航系统的优点n隐蔽性好且不受外界电磁干扰的影响；隐蔽性好且不受外界电磁干扰的影响；n可全天侯、全时间地工作于空中、地球表可全天侯、全时间地工作于空中、地球表面乃至水下；面乃至水下；n所产生的导航信息全面、连续性好而且噪所产生的导航信息全面、连续性好而且噪声低；声低；n数据更新率高、短期精度和稳定性好；数据更新率高、短期精度和稳定性好；17惯性导航系统的缺点惯性导航系统的缺点n定位误差随时间而增大长期精度差；定位误差随时间而增大长期精度

9、差；n每次使用之前需要较长的初始对准时间；每次使用之前需要较长的初始对准时间；n设备的价格较昂贵；设备的价格较昂贵；n不能给出时间信息；不能给出时间信息；18惯性导航系统的组成结构惯性导航系统的组成结构n惯性测量仪表惯性测量仪表：用来测量载体运动的线加速度和：用来测量载体运动的线加速度和角速度信息；角速度信息；n惯导平台惯导平台：用来模拟一个导航坐标系，把加速度：用来模拟一个导航坐标系，把加速度计的测量轴稳定在导航坐标系，并用模拟的方法计的测量轴稳定在导航坐标系，并用模拟的方法给出载体的姿态和方位信息；给出载体的姿态和方位信息；n导航计算机导航计算机：完成导航计算和平台跟踪回路中指：完成导航计

10、算和平台跟踪回路中指令角速度信号的计算；令角速度信号的计算；n输入输出单元输入输出单元：给定初始参数及系统需要的其他：给定初始参数及系统需要的其他参数，并显示各种导航信息；参数，并显示各种导航信息；19惯性导航系统坐标系惯性导航系统坐标系n地球坐标系（地球坐标系（xe,ye,ze）WGS84坐标系坐标系原点地球质心，原点地球质心，z轴指向地球轴指向地球北极方向，北极方向，x轴指向格林威治轴指向格林威治子午线与赤道交点，子午线与赤道交点，y轴构成轴构成右手坐标系；右手坐标系；n地理坐标系（地理坐标系（ xg,yg,zg ）原点位于运载体质心，原点位于运载体质心，x轴沿轴沿当地纬线指向东；当地纬线

11、指向东；y轴沿当地轴沿当地子午线指向北；子午线指向北；z轴沿当地地轴沿当地地理垂线指向天，因此也称为理垂线指向天，因此也称为（东北天坐标系）；（东北天坐标系）；20惯性导航系统的分类（一）惯性导航系统的分类（一）n按照导航系统采用的导航坐标系不同，可按照导航系统采用的导航坐标系不同，可以将导航系统分为：以将导航系统分为：当地水平惯导系统当地水平惯导系统：采用当地水平坐标系作为：采用当地水平坐标系作为导航坐标系；如指北方位惯导系统；游动方位导航坐标系；如指北方位惯导系统；游动方位惯导系统；惯导系统；空间稳定惯导系统空间稳定惯导系统：导航坐标系采用地球坐标：导航坐标系采用地球坐标系，即惯导平台稳定

12、在惯性空间，这种惯导平系，即惯导平台稳定在惯性空间，这种惯导平台只有稳定回路，不需要跟踪回路；台只有稳定回路，不需要跟踪回路；21惯性导航系统的分类（二）惯性导航系统的分类（二）n按照惯性导航仪表的安装方式，可以将惯按照惯性导航仪表的安装方式，可以将惯性导航系统分为：性导航系统分为：平台式惯性导航系统平台式惯性导航系统：将陀螺仪和加速度计安：将陀螺仪和加速度计安装在一个稳定平台上，以平台坐标系为基准，装在一个稳定平台上，以平台坐标系为基准，测量运载体运动参数的惯性导航系统；测量运载体运动参数的惯性导航系统；捷联式惯性导航系统捷联式惯性导航系统：加速度计和陀螺仪直接：加速度计和陀螺仪直接安装在运

13、动载体上，惯导平台的功能由计算机安装在运动载体上，惯导平台的功能由计算机来完成，有时也称作来完成，有时也称作“数学平台数学平台”；22平台式惯导系统原理图平台式惯导系统原理图23捷联式惯导系统原理图捷联式惯导系统原理图24惯性导航系统的工作过程惯性导航系统的工作过程n标定标定：确定加速度计敏感的比力和陀螺仪敏感的：确定加速度计敏感的比力和陀螺仪敏感的角速率与实际的比力和角速率之间的关系，提供角速率与实际的比力和角速率之间的关系，提供正确表达加速度计和陀螺仪输出的系数。正确表达加速度计和陀螺仪输出的系数。n初始对准初始对准：确定每个加速度计输入轴的方向或者：确定每个加速度计输入轴的方向或者捷联矩

14、阵的初始值；捷联矩阵的初始值；n状态初始化状态初始化：确定导航坐标系中比力二重积分的：确定导航坐标系中比力二重积分的积分常数（初始速度和初始位置）积分常数（初始速度和初始位置）n当前状态计算当前状态计算：根据加速度计和陀螺仪输出，按：根据加速度计和陀螺仪输出，按照力学方程组实时解算并提供载体的速度、位置照力学方程组实时解算并提供载体的速度、位置和姿态角等导航参数信息；和姿态角等导航参数信息；25惯性测量仪表惯性测量仪表n惯性测量仪表是指陀螺仪、加速度计和陀惯性测量仪表是指陀螺仪、加速度计和陀螺仪与加速度计的组合装置。螺仪与加速度计的组合装置。陀螺仪用来检测运动载体在惯性空间中的角运动；陀螺仪用

15、来检测运动载体在惯性空间中的角运动；加速度计用来检测运动载体在惯性空间中的线运动；加速度计用来检测运动载体在惯性空间中的线运动；n“惯性级惯性级”惯性仪表惯性仪表是指精度能够满足惯是指精度能够满足惯性系统最基本要求，并且能够用于导航系性系统最基本要求，并且能够用于导航系统的惯性仪表。统的惯性仪表。惯性级陀螺仪的随机漂移率小于惯性级陀螺仪的随机漂移率小于0.015 /h；惯性级加速度计的随机漂移率小于惯性级加速度计的随机漂移率小于10-4g/h；26陀螺仪（陀螺仪（gyroscope）n在古希腊语中，在古希腊语中，Gyroscope表示旋转敏感表示旋转敏感器器n陀螺仪是一种用于测量运载体旋转角速

16、度陀螺仪是一种用于测量运载体旋转角速度和角度的惯性测量仪表；和角度的惯性测量仪表；n经典陀螺仪具有高速旋转的刚体转子，现经典陀螺仪具有高速旋转的刚体转子，现在陀螺仪这一名称已推广到没有刚体转子在陀螺仪这一名称已推广到没有刚体转子而与经典陀螺仪而与经典陀螺仪功能相同功能相同的仪表；的仪表；27陀螺仪：定义、缘起陀螺仪：定义、缘起陀螺：陀螺： 绕自身对称轴高速旋转的刚体绕自身对称轴高速旋转的刚体 陀螺仪：陀螺仪：陀螺陀螺 + + 支撑及辅助装置，支撑及辅助装置，实现某种测量功能实现某种测量功能 从玩具陀螺说起从玩具陀螺说起 高速旋转的陀螺具有定轴性高速旋转的陀螺具有定轴性 定轴性易被破坏定轴性易被

17、破坏 破坏（干扰）因素破坏（干扰）因素 非对称支撑带来的干扰力矩非对称支撑带来的干扰力矩 旋转受到的摩擦力旋转受到的摩擦力 28地球自转的验证实验地球自转的验证实验n傅科摆（傅科摆（1851年）年）L=67mM=28kg傅科傅科(1819-1868)2930陀螺的定轴性陀螺的定轴性n陀螺的定轴性表现在它陀螺的定轴性表现在它的转轴相对于惯性空间的转轴相对于惯性空间是恒定不变的。是恒定不变的。n傅科傅科(1819-1868) ：法：法国地球物理学家，国地球物理学家，1852年发现并试图将年发现并试图将其用于验证地球自转；其用于验证地球自转；但由于当时技术水平限但由于当时技术水平限制，实验仅仅持续了制，实验仅仅持续了510分钟；分钟；31惯性导航对陀螺仪的要求惯性导航对陀螺仪的要求n1. 测量精度测量精度：陀螺仪的精度直接决定惯性：陀螺仪的精度直接决定惯性导航系统的精度；导航系统的精度；n2. 测量范围测量范围：对于速率陀螺而言，测量范：对于速率陀螺而言，测量范围是指最大测量角速度与最小测量角速度围是指最大测量角速度与最小测量