导航技术概论及组合导航基本概念

1、第1讲 导航系统简介(jin ji)共五十一页2主要(zhyo)内容1、导航技术的定义(dngy)与分类2、组合导航系统3、各导航系统基本原理共五十一页31、导航技术的定义(dngy)与分类什么(shn me)是导航？有哪些导航方法？共五十一页4导航目的：在哪里？到哪里去？怎么去？定义：以某种手段或方式引导航行体安全、准确、经济、便捷地在既定的时间内，按照既定的航行路线，准时(zhn sh)地到达目的地。导航要实时、连续的给出载体的位置、速度、姿态角、加速度、航向等导航参数。共五十一页51、导航(dohng)技术的定义与分类无线电导航现有导航系统天文导航惯性导航卫星导航数据库参考导航组合导航系

2、统地文导航推位导航共五十一页6组合导航系统通过对两种或多种导航系统测量或输出信息进行综合处理（应用卡尔曼滤波等数据处理技术），获得更高的导航精度和可靠性，集各个子系统的优点(yudin)于一身。组合导航目的：获得更好的精度、可靠性等2、组合(zh)导航系统共五十一页7(1)协合超越：利用各子系统的导航信息并作有机处理，形成单个子系统不具备(jbi)的功能和精度。(2)性能互补：组合导航系统综合利用了各子系统的信息，使各子系统取长补短，提高适用范围。(3)互为余度：各子系统观测同一信息源，测量冗余，增加了导航系统的可靠性。组合导航技术可以克服单一导航设备各自的缺点，扬长避短，使得导航能力、精度、

3、可靠性和自动化程度大大提高。2、组合(zh)导航系统组合导航系统特点共五十一页82、组合(zh)导航系统组合方式：惯导/卫星(wixng)组合导航系统惯导/多普勒组合导航系统惯导/天文组合导航系统惯导/卫星/天文组合导航系统以惯导为主系统！共五十一页9组合导航(dohng)的基本思想：惯性导航系统的输出信号与独立测量的由其它导航系统导出的相同的量进行比较；通过卡尔曼滤波器或其他滤波方法给出对导航系统误差的实时估计；通过适当的校正方式，对惯性导航系统进行修正，就有可能获得比单独惯性系统更高的导航精度。2、组合(zh)导航系统共五十一页10本课程所涉及(shj)的主要内容第一部分：组合导航系统理论

4、基础组合导航的基本概念典型的导航系统的工作原理及特点导航系统误差分析及建模方法第二部分：状态估计(gj)部分组合导航系统状态估计方法：卡尔曼滤波，扩展卡尔曼，无迹卡尔曼滤波，粒子滤波，联邦滤波第三部分：组合导航系统举例INS/GPS组合导航系统INS/DVL组合导航系统共五十一页11考核(koh)方式考试：闭卷考试总成绩：平时成绩+卷面(jun min)成绩参考教材：组合导航系统，孙枫 惯性导航系统，黄德鸣 捷联惯导系统原理，陈哲 卡尔曼滤波与组合导航原理，秦永元共五十一页12 3、各导航系统基本原理共五十一页13无线电导航现有导航系统天文导航惯性导航卫星导航数据库参考导航组合导航系统地文导航

5、推位导航共五十一页3.1 数据库参考(cnko)导航(DBRN， database reference navigation)地球的陆地上或海床上的每个点有独一无二的三维位置，即经度、纬度和相对于海平面的高度或深度，这个点也有独一无二的磁力(cl)和重力度量值。基本原理：利用预先测量的数据库或地图作为参考，与传感器测量信息进行比较和匹配来确定位置。14共五十一页3.1 数据库参考(cnko)导航(DBRN， database reference navigation)地磁导航 (Geomagnetic Navigation)重力导航 (Gravity Navigation)地形导航 (Terr

6、ain Aided Navigation)特点：由于可获取的各种数据资源的条件限制，数据库参考系统往往不能为航行(hngxng)体提供全程连续导航，所以通常和其他导航系统结合在一起使用。15共五十一页16地文导航又称为(chn wi)陆标定位，是一种通过观测陆标与船泊只见的某种相互位置关系进行定位的方法。陆标是指海图上标有准确位置可供目视或雷达观测，用以导航或定位的山头、岛屿、灯塔、立标及其它显著固定物标的统称。利用罗经、测距仪和六分仪等观测仪器，观测陆标的方位、距离和水平角，按一定法则确定船位。3.2 地文导航(dohng)（Terrestrial Navigation ）共五十一页17船位

7、线（Line of Position） ：在导航上，凡是观测值相等点的轨迹称为等值线，在导航定位中常称为位置线或船位线。陆标定位使用(shyng)的船位线主要有以下三种：方位船位线、距离船位线和水平角船位线。 3.2 地文导航(dohng)（Terrestrial Navigation ）共五十一页18基本原理：当船舶航行时，如对某一物标进行观测，则观测时的船位必然位于该船位线上的某一点，但究竟位于哪一点，单有一条船位线是无法确定的。如能在同一时刻(shk)测得两条或两条以上的船位线，则它们的交点即为观测时的船位，这就是陆标定位的原理，这一原理在导航定位系统中是普遍适用的。2 地文导航(doh

8、ng)（Terrestrial Navigation ）共五十一页19利用各种船位线组合起来进行定位，可得到(d do)不同的定位方法。常用的定位方法有：两标方位法、三标方位法、三标两角法、两标距离法、三标距离法、方位距离法以及方位水平角法等。3.2 地文导航(dohng)（Terrestrial Navigation ）两标方位法三标方位法共五十一页20特点：这种导航简单、可靠；但受气象条件影响比较严重，在能见度低的情况下很难测到目标，无法进行导航。在无物标的大海、沙漠中利用这种方法(fngf)导航也很困难。3.2 地文导航(dohng)（Terrestrial Navigation ）共五

9、十一页213.3 推位导航(dohng)（DR, Dead reckoning）基本原理：起始时刻的位置(wi zhi)已知，速度的大小和方向可通过测量得到，则下一时刻的位置(wi zhi)可通过计算得到。共五十一页3.3 推位导航(dohng)（DR, Dead reckoning）航向: 磁罗经,陀螺罗经,平台罗经,惯性导航航速: 水压(shu y)计程仪,电磁计程仪,多普勒计程仪,声相关计程仪 多普勒效应：当机械波或电磁波的发射源与接收点间沿两者连线方向存在相对速度时，接收频率与发射频率并不相同，这一频率差称为多普勒频移。共五十一页233.4 惯性导航(un xn do hn)（INS-

10、Inertial navigation ）惯性导航是完全不依赖于外部声、光、电、磁传播的信号自主式的进行导航定位(dngwi)的手段，因而它不受地域的限制，不受自然和人为的干扰和影响，无论太空、空间、地面、地下、水面、水下都能全天候可靠的工作。共五十一页24这种不依赖(yli)外界信息，只靠对载体(vehicle)本身的惯性测量来完成导航任务的技术称作惯性导航。 3.4 惯性导航(un xn do hn)（INS-Inertial navigation）共五十一页25用什么测量加速度大小？加速度计（ accelerometer ）用什么确定加速度方向(fngxing)？ 陀螺仪（gyrosco

11、pe）陀螺仪和加速度计是惯性系统最关键的核心惯性器件！3.4 惯性导航(un xn do hn)（INS-Inertial navigation ）共五十一页26惯性导航的重要性 洲际导弹、战略远程轰炸机、导弹核潜艇构成了三大(sn d)战略威慑力量。而这三大战略威慑力量都离不开惯性技术的支撑。3.4 惯性导航(un xn do hn)（INS-Inertial navigation）共五十一页27b.惯性导航系统的组成及工作原理(yunl) 惯性导航系统的基本组成元件为陀螺仪和加速度计 。共五十一页28各种惯性导航(un xn do hn)系统共五十一页293.4 惯性导航(un xn do

12、 hn)（INS-Inertial navigation ）共五十一页30惯性导航(un xn do hn)涉及的问题什么是惯性空间：坐标系及坐标系变换 惯性导航1：坐标系及方向余弦用什么测加速度，怎么(zn me)测加速度 惯性导航2：加速度及比力方程有了加速度，怎么求速度，怎么求位置 （控制方程，基本方程，误差方程） 惯性导航3：平台式惯导系统基本原理捷联惯导系统 惯性导航4：捷联惯导系统基本原理3.4 惯性导航（INS-Inertial navigation）共五十一页31优点：（1）依靠自身测量的加速度推算位置，自主式导航系统；（2）不需要接收外部信息，不受外界干扰；（3）不向外辐射能

13、量，隐蔽性好；（4）测量位置的同时，还能测量姿态角。缺点：（1）位置由加速度经二次积分获得，误差随时间积累；（2）对惯性(gunxng)元件精度要求高，系统成本高。3.4 惯性导航(un xn do hn)（INS-Inertial navigation）共五十一页32无线电导航(dohng)的基本任务是：测距和测向1）在同一(tngy)介质中，无线电波按直线传播；2）在同一介质中，无线电波的传播速度为常数；3）无线电波具有反射性。 无线电波的上述3个基本特性为测距和测向奠定了基础。利用直线传播特性可测定辐射电波的目标方向，而恒速特性可测定目标的距离。3.5 无线电导航（Radio navig

14、ation）共五十一页33利用无线电导航技术实现船舶导航定位主要是确定船舶的位置线。无线电导航主要有三种方法，即测量(cling)方位法、测量(cling)距离法和测量(cling)距离差法。3.5 无线电导航(dohng)（Radio navigation）（1）测量方位法（测向法）：通过测量无线电指向目标的方位，分最小值、最大值、比较测量法，确定船舶所处位置线。测量方位法共五十一页34测量(cling)距离法3.5 无线电导航(dohng)（Radio navigation）（2）测距法：通过测定船舶与无线电发射台的距离，确定船舶所处的位置圆，再由不同的导航台测出两条或两条以上的位置线，从

15、而确定船位。共五十一页35测量(cling)距离差法3.5 无线电导航(dohng)（Radio navigation）（3）测距离差法：根据船舶与两个无线电发射台的距离之差为常数，确定船舶所处的位置线-以导航台为焦点的双曲线，再由不同导航台测出两条或两条以上的位置线，从而确定船位。共五十一页36罗兰系统（LORAN）罗兰C 1957年建成，1960年以后得到大力发展；主要用于航海，美国研制；罗兰C系统是一种低频脉冲双曲线导航系统，属于测距差双曲线导航系统， 同时利用脉冲信号和载波相位(xingwi)来测量距离差，进而求得双曲线位置线实现定位。劳兰C采用90110kHz的低频频率，该频率传播距

16、离远(1000海里左右)，稳定性好。缺点：无线电传播不稳定及噪音干扰。只能定位，无法给出载体姿态。3.5 无线电导航(dohng)（Radio navigation）共五十一页37 天文导航是根据天上星座的运行规律来对地面上的目标进行定位的。通过观测星体相对地球的位置参数（例如仰角）以及观测时间，即可确定观测者在地球上的位置，从而引导运动(yndng)体航行，这就是天文导航或天体导航。3.6 天文(tinwn)导航（Celestial navigation）共五十一页38天文船位圆法：每测量一个天体的高度和顶距时，必位于以该天体投影点b为圆心，以为半径的等高圆上(天文船位圆或位置圆)，因此就获

17、得了一部分与自身地理位置有关的信息。继续(jx)观测第二个天体，得到另一个等高圆。这两个等高圆在地球表面上相交于两点，其中一点就是测者所在地 。3.6 天文(tinwn)导航（Celestial navigation）共五十一页39为了测得船位，测者在同一地点至少要观测两个天体，便可得到两个天文船位圆，它们相交得到两个交点。由于(yuy)天文船位圆的半径很大，这两个交点相距很远，因此，靠近推算船位的一个交点就是测者的观测船位，这就是天文船位圆原理，也就是通常所指的双星定位原理。也可以用第三颗星来消除模糊度，即三星定位原理。3.6 天文(tinwn)导航（Celestial navigation

18、）共五十一页40天文导航的特点：（1）天文导航系统是自主式系统，不需要地面设备；（2）不受人工或自然形成的电磁场的干扰；（3）不向外辐射电磁波，隐蔽性好；（4）定向、定位精度高，定位误差不随时间累积。 缺点：受天气影响(yngxing)。只能实现定位，无法测姿。需要水平平台作观测平台。3.6 天文(tinwn)导航（Celestial navigation）共五十一页41工作原理 卫星定位系统都是利用在空间飞行的卫星不断向地面广播发送某种频率并加载了某些(mu xi)特殊定位信息的无线电信号来实现定位测量的定位系统。3.7 卫星(wixng)导航（Satellite navigation）共五

19、十一页423.7 卫星(wixng)导航（Satellite navigation） 车辆导航管理 对航空器的定位及导航 车辆导航 配备GPS的巡警 共五十一页433.7 卫星(wixng)导航（Satellite navigation）GPS全球定位系统GLONASS全球定位系统GALILEO全球定位系统北斗(bi du)导航定位系统共五十一页44GPS全球定位系统GPS的英文全称是: Navigation Satellite Timing And Ranging Global Position System，简称GPS，其意为“导航星测时与测距全球定位系统”，简称全球定位系统。拥有者：美国

20、发展简史：1973年开始研制，1993年12月达到初始运行能力，1995年4月达到全运行能力。卫星组成：初始为21颗星，覆盖不良；90年代中期扩展为24颗星，覆盖全球；一直处于(chy)不断完善和更新重，截至2008年12月，在轨31颗星。3.7 卫星(wixng)导航（Satellite navigation）共五十一页45全球，全天候，全天时，多维连续定位，且精度不随时间变化，具有全球地面连续覆盖，精度高，功能多，实时定位速度快。由于GPS采用了数字通信的伪随机噪声编码技术，具有良好的抗干扰性和保密性。局限性：美国军方声称随时都有可能改变GPS政策；GPS的系统信号在高纬度地区经常出现盲区

21、；美国国防部曾强调，限制敌人在战时利用GPS；GPS无法实现水下(shu xi)导航，且战时易受干扰。GPS系统(xtng)特点共五十一页46GLONASS全球定位系统拥有者 俄罗斯 发展简史 由前苏联从80年代初开始建设的与美国GPS系统相类似的卫星定位系统，现在由俄罗斯空间局管理。苏联1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星1996年1月18日，24颗卫星正常工作运行。 卫星组成根据俄罗斯联邦太空署信息中心提供(tgng)的数据（2012年10月10日），目前有24颗卫星正常工作、3颗维修中、3颗备用、1颗测试中。3.7 卫星(wixng)导航（Satellite navigat

22、ion）共五十一页47伽利略（GALILEO）全球定位系统拥有者：欧盟 发展简史 1999年2月10日欧盟委员会宣布要发展下一代GNSS。 1997年7月至2000年底完成了伽利略系统的定义工作，包括系统的任务需求、空间段和地面段各种设备的技术性能指标。伽利略计划按如下三个阶段实现20012005年为研究开发与在轨验证阶段；20062007年为星座部署阶段；2008年后为投入使用阶段。（目前进度(jnd)比预计延迟五年）卫星组成 GALILEO系统由30颗卫星组成，其中27颗工作星，3颗备份星。每个轨道上部署9颗工作星和1颗备份星。 3.7 卫星(wixng)导航（Satellite navigation）共五十一页48北斗(bi du)卫星导航定位系统拥有者 中国 发展简史 1994年我国正式批准了北斗卫星导航系统的研制，其工程代号为“北斗一号”，先后发射了两颗北斗一号静止轨道卫星。2004年8月31日，我国拥有完全自主知识产权的“北斗二号”卫星导航系统立项