力学与导航定位技术

1、力学与导航定位技术1绪论导航技术是现代科技中一个很重要的领域，而物理是导航技术理论与实践的 技术学科。在这其中，力学理论占了一大部分。力学与导航技术息息相关，很多 设计原理都是根据力学计算出来的，包括平衡，扫描，计算定位等等，都需要力 学计算原理作为基础。在这里，我简单地介绍了一些导航技术方面知识和力学发 展应用原理以及其中的联系与运用。2导航定位技术定位与导航技术是涉及自动控制、计算机、微电子学、光学、力学以及数学 等多学科的高技术，是实现飞行器特别是航天器飞行任务的关键技术，也是武器 精确制导的核心技术，这对于提高航空器、航天器以及武器装备的机动性、反应 速度和远程精确打击能力具有重要意义

2、，在海、陆、空、天等现代高技术武器及 武器平台中得到广泛的应用。按照定位导航的方式可分成：卫星定位导航、自主式导航、组合导航以及无 源导航。2.1卫星导航2.1.1卫星导航简介采用导航卫星对地面、海洋、空中和空间用户进行导航定位的技术。利用太 阳、月球和其他自然天体导航已有数千年历史，由人造天体导航的设想虽然早在 19世纪后半期就有人提出，但直到20世纪60年代才开始实现。1964年美国建 成“子午仪”卫星导航系统，并交付海军使用，1967年开始民用。1973年又开 始研制“导航星”全球定位系统。苏联也建立了类似的卫星导航系统。法国、日 本、中国也开展了卫星导航的研究和试验工作。卫星导航综合了

3、传统导航系统的 优点，真正实现了各种天气条件下全球高精度被动式导航定位。特别是时间测距 卫星导航系统，不但能提供全球和近地空间连续立体覆盖、高精度三维定位和测 速，而且抗干扰能力强。2.1.2卫星导航组成部分卫星导航系统由导航卫星、地面台站和用户定位设备三个部分组成。导航卫星：卫星导航系统的空间部分，由多颗导航卫星构成空间导航网。地面台站：跟踪、测量和预报卫星轨道并对卫星上设备工作进行控制管理， 通常包括跟踪站、遥测站、计算中心、注入站及时间统一系统等部分。跟踪站用 于跟踪和测量卫星的位置坐标。遥测站接收卫星发来的遥测数据，以供地面监视 和分析卫星上设备的工作情况。计算中心根据这些信息计算卫星

4、的轨道，预报下 一段时间内的轨道参数，确定需要传输给卫星的导航信息，并由注入站向卫星发 送。用户定位设备：通常由接收机、定时器、数据预处理器、计算机和显示器 等组成。它接收卫星发来的微弱信号,从中解调并译出卫星轨道参数和定时信息 等，同时测出导航参数（距离、距离差和距离变化率等），再由计算机算出用户的 位置坐标（二维坐标或三维坐标）和速度矢量分量。用户定位设备分为船载、机 载、车载和单人背负等多种型式。2.1.3卫星导航主要原理卫星导航按测量导航参数的几何定位原理分为测角、时间测距、多普勒测速 和组合法等系统，其中测角法和组合法因精度较低等原因没有实际应用。多普勒测速定位：“子午仪”卫星导航系

5、统采取这种方法。用户定位设备 根据从导航卫星上接收到的信号频率与卫星上发送的信号频率之间的多普勒频 移测得多普勒频移曲线，根据这个曲线和卫星轨道参数即可算出用户的位置时间测距导航定位：“导航星”全球定位系统采用这种体制。用户接收设 备精确测量由系统中不在同一平面的4颗卫星（为保证结果唯一，4颗卫星不能 在同一平面）发来信号的传播时间，然后完成一组包括4个方程式的模型数学运 算，就可算出用户位置的三维坐标以及用户钟与系统时间的误差。用户利用导航卫星所测得的自身地理位置坐标与其真实的地理位置坐标之 差称定位误差，它是卫星导航系统最重要的性能指标。定位精度主要决定于轨道 预报精度、导航参数测量精度及

6、其几何放大系数和用户动态特性测量精度。轨道 预报精度主要受地球引力场模型影响和其他轨道摄动力影响；导航参数测量精度 主要受卫星和用户设备性能、信号在电离层、对流层折射和多路径等误差因素影 响，它的几何放大系数由定位期间卫星与用户位置之间的几何关系图形决定；用 户的动态特性测量精度是指用户在定位期间的航向、航速和天线高度测量精度。 2.1.4卫星导航系统介绍GPS卫星导航GPS是美国国防部为军事目的建立的，旨在彻底解决海上、空中和陆地运载 工具的导航和定位问题，全部24颗导航卫星（21颗工作卫星和3颗备用卫 星） 系统已经建成。GPS采用码分多址（CDMA），定位精度通常15m左右，主要应用 于

7、单点导航定位与相对测地定位，具有全天候、定位迅速、精度高、可连续提供 三维位置（纬度、经度和高度）、三维速度和时间信息等一系列优点，是实现全球 导航定位的高新技术。通常GPS接收机接收到四颗卫星的信号就能够确定移动载 体的方位，是当前移动目标导航定位的主流。1992年GPS正式向全世界开放， 1994年在中国市场开始得到应用。GPS以精确位置与定时信息，已成为支持世 界范围各种民用、科技和商业活动的一种资源。GLONASS卫星导航系统GLONASS是前苏联研制并为俄罗斯继续发展的全球卫星导航系统，其组成和 功能与美国的GPS相类似，可用于陆、海、空等各类用户的定位、测速及 精密 定时等。目前已

8、完成了 24颗工作卫星加一颗备用卫星空间星座布局，每天24 小时每时刻各地的用户可见58颗卫星。卫星识别采用频分多址（FDMA），24 颗卫星各占一个频率，现已向全世界开放。GALILEO卫星导航系统欧洲为了满足本地区导航定位的需求，计划开发针对GPS和GLONASS的广域 星基增强系统（EGNOS），包括地面设施和空间卫星，以提高GPS和GLONASS系 统的精度、完备性和可用性。同时，为了打破目前世界美、俄全球定位系统在这 一领域的垄断，欧洲决定启伽利略计划，建立自主的民用全球卫定位系统 （GALILEO）o EGNOS是欧洲GALILEO计划的第一阶段，也是GALILEO计划的基础。 G

9、ALILEO系统将建成全球性的定位和导航系统，它由星座部分、有效载荷、地面 监控系统以及区域控制部分组成。GALILEO系统将成为独立性、全球性、欧洲人 控制的，以卫星为基础的民用导航和定位系统。其总的战略意图是：（1）建立一 个高效的民用导航及定 位系统；（2）使之具备欧洲乃至世界运输业可以信赖的 高度安全性，并确保任何未来系统安全置于欧洲人的控制之下；（3）该系统的实 施将为欧洲工业进军正在兴起的卫星导航市场的各个方面提供一个良好的机会， 使他们能够站在一个合理的基础上公平竞争。2.1.4.4北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统BeiDou （COMPASS） Navigation Satel

10、lite System ）是 中国正在实施的自主研发、独立运行的全球卫星导航系统。北斗卫星导航系统由 空间端、地面端和用户端三部分组成。空间端包括5颗静止轨道卫星和30颗非 静止轨道卫星。地面端包括主控站、注入站和监测站等若十个地面站。用户端由 北斗用户终端以及与美国GPS、俄罗斯“格洛纳斯”（GLONASS）、欧洲“伽利略” （GALILEO）等其他卫星导航系统兼容的终端组成。2.2自主导航2.2.1自主导航简介随着武器性能的不断提高，军事战略思想也在不断地发展，武器系统对导航 技术提出更高的技术要求，自主导航技术适应军事战略和武器系统的新要求发展 起来的。自主导航技术是航行器或武器系统在不

11、依赖于外部信息的条件下实现精 确导航的关键技术，它大大提高了航行器或武器系统的机动性、隐蔽性、强干扰 性和生存能力。自主式导航定位系统是利用导航的惯性原理，利用距离传感器、 方向传感器等传感器测量运动载体的位移和航向信息，由此解算出移动载体的位 置。主要包括惯性导航系统INS和航迹推算Dead Reckoning。2.2.2自主导航系统介绍2.2.2.1 惯性导航系统 INS（Inertial Navigation System）一机和稳定平台（捷联式为数学平台）组成。由陀螺和加速度计测量运动载体相对于惯性空间的角 速度和线加速度，通过计算机夹杂导航解算，从而获得运动载体相对某一基准的 导航参

12、数。INS具有在高速率下捕捉数据的能力，且精度很高，但是如果时间较 长，精度则降低。为提高绝对精度，就需要增加别的传感器作为辅助。2.2.2.2航迹推算定位DRDR包括罗盘仪、速率仪、里程仪、转速计。这些传感设备能够测量出正在 行驶的车辆的旅行距离、速度和方位，在短时间内这些传感器的精度较高，但对 于长时间得采取措施以避免累积误差。2.3组合导航组合导航，用GPS、无线电导航、天文导航、卫星导航等系统中的一个或几 个与惯导组合在一起，形成的综合导航系统。大多数组合导航系统以惯导系统为 主，其原因主要是由于惯性导航能够提供比较多的导航参数。还能够提供全姿态 信息参数，这是其他导航系统所不能比拟的

13、。此外，它不受外界干扰，隐蔽性好， 这也是其独特的优点。惯导系统定位误差随时间积累的不足可以由其他导航系统 补充。组合导航是近代导航理论和技术发展的结果。每种单一导航系统都有各自的 独特性能和局限性。把几种不同的单一系统组合在一起，就能利用多种信息源， 互相补充，构成一种有多余度和导航准确度更高的多功能系统。新的数据处理方 法，特别是卡尔曼滤波（见波形估计）方法的应用是产生组合导航的关键。卡尔 曼滤波通过运动方程和测量方程，不仅考虑当前所测得的参量值，而且还充分利 用过去测得的参量值，以后者为基础推测当前应有的参量值，而以前者为校正量 进行修正，从而获得当前参量值的最佳估算。当有多种分系统参与

14、组合时，就可 利用状态矢量概念。通常，取误差本身作为状态矢量，不是对速度、方位本身等 作出最佳估计，而是对速度误差、方位误差等作出最佳估计。把这一估算从实际 测得的速度、方位中减去，就得到此时此刻的速度、方位等参量。组合导航实际 上是以计算机为中心，将各个导航传感器送来的信息加以综合和最优化数学处 理，然后进行综合显示。导航传感器包括各种导航设备和计算机外部设备等，而 显示设备等都是输出设备。2.4无源导航无源导航技术-地形匹配导航、重力场匹配导航以及磁场匹配导航是当代 导航的一个重要发展方向。由于地形匹配、重力匹配、磁匹配辅助导航系统不依 赖于目前仅由少数国家掌握的卫星导航系统GNSS(GP

15、S/GLONASS)，并具有高度 自主性、隐蔽性、抗干扰性和高精度等诸多优点，能满足军事各种导航定位要 求，引起了导航界及军方的普遍关注和高度重视，已成隐蔽性运动载体无源导航 的重要手段。现在国际上普遍采用是：INS/地形匹配、INS/重力匹配、INS/磁场 匹配以及 它们的组合导航定位。这种技术主要用于航海和天领域。在未来的世界里，无论做什么都需要很好地利用各种科学技术来为我们服 务。而导航的技术必然会贯穿于我们生活的各个方面。未来的战争也必然不是人 数的战争，而是科技的战争。所以谁很好地利用了导航技术，谁就可以取得最终 战争的胜利。3力学3.1力学简介力学是研究物质机械运动规律的科学。自然

16、界物质有多种层次，从宇观的宇 宙体系，宏观的天体和常规物体，细观的颗粒、纤维、品体，到微观的分子、原 子、基本粒子。通常理解的力学以研究天然的或人工的宏观对象为主。但由于学 科的互相渗透，有时也涉及宇观或细观甚至微观各层次中的对象以及有关的规 律。力学又称经典力学，是研究通常尺寸的物体在受力下的形变，以及速度远低 于光速的运动过程的一门自然科学。力学是物理学、天文学和许多工程学的基础， 机械、建筑、航天器和船舰等的合理设计都必须以经典力学为基本依据。机械运 动是物质运动的最基本的形式。机械运动亦即力学运动，是物质在时间、空间中 的位置变化，包括移动、转动、流动、变形、振动、波动、扩散等。而平衡

17、或静 止，则是其中的特殊情况。物质运动的其他形式还有热运动、电磁运动、原子及 其内部的运动和化学运动等。力是物质间的一种相互作用，机械运动状态的变化是由这种相互作用引起 的。静止和运动状态不变，则意味着各作用力在某种意义上的平衡，因此，力学 可以说是力和(机械)运动的科学。力学在汉语中的意思是力的科学。汉语“力”字最初表示的是手臂使劲，后 来虽又含有他义，但都同机械或运动没有直接联系。“力学”一词译自英语mechanics(源于希腊语 n X a v n 机械)。在英语中，mechanics是一个多义词，既可释作“力学”，也可释作“机械学”、“结构”等。在欧洲其他语种 中，此词的语源和语义都与

18、英语相同。汉语中没有同它对等的多义词。mechanics 在19世纪50年代作为研究力的作用的学科名词传入中国时，译作“重学”，后 来改译作“力学”，一直使用至今。“力学的”和“机械的”在英语中同mechanical， 而现代汉语中“机械的”又可理解为“刻板的”。这种不同语种中词义包容范围 的差异，有时引起国际学术交流中的周折。例如机械的(mechanical)自然观，其 实指用力学解释自然的观点，而英语mechanist是指机械师，不是指力学家。3.2力学总体介绍通常理解的力学，是指一切研究对象的受力和受力效应的规律及其应用的学 科的总称。人类早期的生产实践活动是力学最初的起源。物理学的建立

19、是从力学开始的，当物理学摆脱了这种机械（力学）的自然观而 获得健康发展时，力学则在工程技术的推动下按自身逻辑进一步演化。最终，力 学和物理学各自发展成为自然学科中两个相互独立的、自成体系的学科分类。在 力学与物理学之间不存在隶属关系。按研究对象的物态进行区分，力学可以分为固体力学和流体力学。根据研究 对象具体的形态、研究方法、研究目的的不同，固体力学可以分为理论力学、材 料力学、结构力学、弹性力学、板壳力学、塑性力学、断裂力学、机械振动、声 学、计算力学、有限元分析等等，流体力学包含流体静力学、流体动力学等等。 根据针对对象所建立的模型不同，力学也可以分为质点力学、刚体力学和连续介 质力学。连

20、续介质通常分为固体和流体，固体包括弹性体和塑性体，而流体则包 括液体和气体。许多带“力学”名称的学科，如热力学、统计力学、相对论力学、电动力学、 量子力学等，在习惯上 被认为是物理学的其它分支，不属于力学的范围。力学具备完整的学科结构和体系。力学是机械工程、土木工程、道路桥梁、 航空航天工程、材料工程等的基础，在人类的实践活动中无处不在，并且深刻地 影响着人类的实践活动。3.3力学发展简史力学（dynamics）知识最早起源于对自然现象的观察和在生产劳动中的经验。 人们在建筑、灌溉等劳动中使用杠杆、斜面、汲水等器具，逐渐积累起对平衡物 体受力情况的认识。古希腊的阿基米德对杠杆平衡、物体重心位置

21、、物体在水中 受到的浮力等作了系统研究，确定它们的基本规律，初步奠定了静力学即平衡理 论的基础。古代人还从对日、月运行的观察和弓箭、车轮等的使用中，了解一些简单的 运动规律，如匀速的移动和转动。但是对力和运动之间的关系，只是在欧洲文艺 复兴时期以后才逐渐有了正确的认识。伽利略在实验研究和理论分析的基础上，最早阐明自由落体运动的规律，提 出加速度的概念。牛顿继承和发展前人的研究成果（特别是开普勒的行星运动三 定律），提出物体运动三定律。伽利略、牛顿奠定了动力学的基础。牛顿运动定 律的建立标志着力学开始成为一门科学。此后，力学的研究对象由单个的自由质点，转向受约束的质点和受约束的质 点系。这方面的

22、标志是达朗贝尔提出的达朗贝尔原理，和拉格朗日建立的分析力 学。其后，欧拉又进一步把牛顿运动定律用于刚体和理想流体的运动方程，这看 作是连续介质力学的开端。运动定律和物性定律这两者的结合，促使弹性固体力学基本理论和粘性流体 力学基本理论孪生于世，在这方面作出贡献的是纳维、柯西、泊松、斯托克斯等 人。弹性力学和流体力学基本方程的建立，使得力学逐渐脱离物理学而成为独立 学科。从牛顿到汉密尔顿的理论体系组成了物理学中的经典力学。在弹性和流体基 本方程建立后，所给出的方程一时难于求解，工程技术中许多应用力学问题还须 依靠经验或半经验的方法解决。这使得19世纪后半叶，在材料力学、结构力学 同弹性力学之间，

23、水力学和水动力学之间一直存在着风格上的显著差别。20世纪初，随着新的数学理论和方法的出现，力学研究又蓬勃发展起来， 创立了许多新的理论，同时也解决了工程技术中大量的关键性问题，如航空工程 中的声障问题和航天工程中的热障问题等。这时的先导者是普朗特和卡门，他们在力学研究工作中善于从复杂的现象中 洞察事物本质，又能寻找合适的解决问题的数学途径，逐渐形成一套特有的方法。 从20世纪60年代起，计算机的应用日益广泛，力学无论在应用上或理论上都有 了新的进展。力学在中国的发展经历了一个特殊的过程。与古希腊几乎同时，中国古代对 平衡和简单的运动形式就已具备相当水平的力学知识，所不同的是未建立起像阿 基米德

24、那样的理论系统。到明末清初，中国科学技术已显著落后于欧洲。3.4力学的科学性质及应用领域力学不仅是一门基础科学，同时也是一门技术科学，它是许多工程技术的理 论基础，又在广泛的应用过程中不断得到发展。当工程学还只分民用工程学（即 土木工程学）和军事工程学两大分支时，力学在这两个分支中就已经起着举足轻 重的作用。工程学越分越细，各个分支中许多关键性的进展，都有赖于力学中有 关运动规律、强度、刚度等问题的解决。力学和工程学的结合，促使了工程力学各个分支的形成和发展。现在，无论 是历史较久的土木工程、建筑工程、水利工程、机械工程、船舶工程等，还是后 起的航空工程、航天工程、核技术工程、生物医学工程等，都或多或少有工程力 学的活动场地。力学既是基础科学又是技术科学这种二重性，有时难免会引起分别侧重基础 研究和应用研究的力学家之间的不同看法。但这种二重性也使力学家感到自豪， 它们为沟通人类认识自然和改造自然两个方面作出了贡献。力学是物理学、天文学和许多工程学的基础，机械、建筑、航天器和船舰等 的合理设计都必须以经典力学为基本据。机械运动是物质运动的最基本的形式。 机械运动亦即力学运动。在力学理论的指导或支持下取得的工程技术成就不胜枚举。最突出的有：以 人类登月、建立空间站、航天飞机等为代表的航天技