导航学(第一章)导航系统概述

导航学教授：魏二虎1课程目的意义飞机空间站导弹舰船卫星月球车意义：导航技术是众多应用领域的关键基础技术！2JDAM低成本制导武器

精确打击-现代战争的主要手段！弹道导弹远程空空导弹舰空导弹

精确打击

导航技术

核心技术

陆、海、空、天武器系统

应用于

精确制导

精确打击

必要条件重大需求牵引导航技术与时俱进3目标信息获取是精确打击的前提高分辨率对地观测系统必要条件导航技术技术瓶颈国家中长期发展规划16个重大专项之一!美无人侦察机“全球鹰”在执行任务侦察卫星机载高分辨率SAR、激光扫描系统重大需求牵引导航技术与时俱进

对地观测4课程目的意义教学目的：学习和掌握与导航有关的基础知识学习和了解各种导航系统的理论，方法和技术，重点学习惯性导航技术为学习和研究现代导航理论和导航技术打下基础学习方法重在实践 5课程的主要内容简介第1章导航系统概述第2章定位与导航基础第3章惯性导航系统第4章卫星定位系统第5章无线电、天文和其它传统导航系统第6章新型导航技术6

第一章导航系统概述

内容提纲

1.1、引言§1.2、导航技术发展简史§1.3、导航技术中常用的基本参数§1.4、思考与练习题7提供载体的导航参数，位置、速度和姿态引导载体从出发点到达目的地的技术和方法（1）何为导航？（2）与大地测量的区别作用对象定位形式输出物理量实时性要求位置精度要求导航运动载体动态定位速度、姿态、位置很高米、十米级大地测量大地地物静态定位精确位置不高厘米、毫米级§1.1

引言8§1.1引言将航行载体从起始点引导到目的地的过程称为导航。导航系统给出的基本参数是载体在空间的即时位置、速度和姿态、航向等，导航参数的确定由导航仪表或导航系统来完成。测量导航参数的整套设备

称为导航系统。9§1.1

引言导航系统有两种工作状态：指示状态和自动导航状态。指示状态：如导航设备提供的导航信息仅供驾驶员操纵和引导载体用，则导航系统工作指示状态，在指示状态下，导航系统不直接对载体进行控制；自动导航状态：如果导航系统直接提供的信息给载体的自动驾驶控制系统，由自动驾驶控制系统操作和引导载体，则导航系统工作于自动导航状态。在这两种工作状态下，导航系统的作用都只是提供导航参数，“导航”含义也侧重于测量和提供导航参数。10

导航有多种技术途径，如无线电导航，天文导航，惯性导航等可实现相应的导航任务。§1.1

引言11§1.1

引言惯性导航具有高度自主的突出优点，以牛顿力学为理论为基础，只依靠安装在载体内的惯性测量传感器陀螺、加速度计和相应的配套装置建立基准坐标系，进而获得载体的加速度，推算速度、位置等导航参数。另外，单纯惯性导航不能完全满足高精度、长时间、远程导航等要求，将惯导系统和其他导航系统综合，构成以惯性导航为主，其他导航手段为辅的组合导航系统，应用日益广泛。12§1.1

引言

制导是一个与“导航”相关的概念，制导是指自动控制和导引飞行器按预定轨迹和飞行路线准确到达目标的过程，既包含了应用导航的测量值，又包含自动控制的闭环的全部工作过程。

制导系统的主要功能包括1）根据起始点、目标点和有关约束的信息，建立航迹参数（如位置、速度、航向、航路点、航线等）；2）测量载体的实际运动，确定载体的真实运动参数；3）根据航迹参数与实际运动参数，自动产生控制（制导）信息，传输给运动载体的相应控制部件。13§1.1

引言飞机上的自动驾驶系统可以结合计算机中已存储的飞行路径中各航路点位置信息，再根据导航系统提供的即时导航参数，就能计算出各种可用来纠正飞机航行偏差、指导正确航行方向的制导参数。惯导系统和多普勒导航系统还可计算出航迹角误差。14§1.1

引言国外已装机应用的组合导航系统有天文／惯性组合导航系统VOE／DME／惯性组合导航系统多普勒／惯性组合导航系统罗兰／惯性组合导航系统等20世纪70年代发展起来的导航星全球定位系统，具有全球性和高精度、实时三维定位测速能力。由卫星定位系统和惯性导航系统综合的导航系统已经在军事和民用领域大量使用。另外，地形、景象辅助惯性组合导航系统也已经在军事领域获得越来越多的应用。15

内容提纲1.1、引言1.2、导航技术发展简史§1.3、导航技术中常用的基本参数§1.4、思考与练习题16导航技术发展历史古代路标、指南针、天文等20年代磁罗盘、速度表、里程表——仪表导航30年代无线电导航问世40-70年代惯性导航系统、多普勒导航系统80年代末全球卫星定位系统问世90年代惯性/卫星组合导航系统大量推广2000年后新型导航系统和复合导航系统17天文导航——航海、航天惯性导航——与惯性器件水平有关无线电导航——卫星导航推算导航——速度和航向地形、景象匹配导航物理场匹配导航常见导航方法和技术18§1.2、导航技术发展简史1.2.1、早期导航方式（19世纪前）战国时期（约公元前475年—前221年）：司南；北宋（公元960年—1127年）初期：指南针；之后，人们把指南针固定在方位盘里，制出了罗盘针。18世纪末，液体磁罗经，一种新型的磁罗盘和附属的防磁设备，它能抵抗舰身磁场的干扰，大大减小外界对磁针的影响，保持罗面稳定。19天文导航依靠星体的信息定位的一种导航方式。受天气影响较大，误差较大。§1.2、导航技术发展简史

1.2.1、早期导航方式（19世纪前）20天文导航星敏感器跟踪标志星21§1.2、导航技术发展简史

1.2.1、早期导航方式（19世纪前）

早期人们还利用地标进行导航。在运载体上用光学等方法，量测到（已标明位置的）地物地标的距离、方位等几何参量，用测向或测距法定出运载体瞬时地理位置。常用的仪器有六分仪、经纬仪、望远镜等。这是一种较为简单而可靠的导航方法，但易受气象条件和地域的限制。22§1.2、导航技术发展简史

1.2.1、早期导航方式（19世纪前）

随着科学技术与导航技术的发展，又出现了大气数据航程推算法（也叫仪表领航法），以航空导航为例，自20世纪二三十年代开始，飞机上出现了仪表导航系统。231.2.2无线电导航系统无线电导航的发明，使导航系统成为航行中真正可以依赖的工具，具有划时代的意义！一战时海上首先使用了无线电通讯，后来就演化为无线电信标台，这就是无线电导航的雏形。广义上讲所有以无线电波为导航信息载体的导航系统都可以叫无线电导航系统。包括多普勒效应测速，用雷达测距和测定方位，用导航台定位。

（卫星导航也应属于无线电导航的一种，但由于其特殊性一般拿出来单独讨论。）24二战及战后时期的航海无线电导航的发展近程无线电导航系统VOR/DME、塔康（TACAN)系统，作用范围100-500公里中程无线电导航系统罗兰A（loran-A）系统，作用范围500-1000公里远程无线电导航系统罗兰C（loran-C）系统，作用范围2000-3000公里超远程无线电导航系统奥米伽（Omega）系统，作用范围均大于10000公里25VOR系统VOR（甚高频全向信标，伏尔）工作频段108~118MHz，连续波作用距离200nmile。

(10000m以内的高度)

导航信息：相对于磁北来说飞机对于地面台的方位，精度±4.5°

无线电信标：±3°至±10°

局限性：只能给出方位，不能给出具体位置。26DMEDME（测距器）：

1949年国际民航组织接受以DME为标准航空近程导航系统工作方式。机载设备——〉（询问脉冲）地面台机载设备〈——（应答）地面台根据询问脉冲与应答脉冲的时间间隔，乘以电报传播速度测距。作用距离：200nmile（飞行高度10000m时）精度：0.5nmile或距离地面台3%局限性：只能对有限询问信号进行回答，因此，只能为110架左右的飞机服务。一般情况下,伏尔/测距器（VOR/DME）设在一处，同时指示方位与距离,形成极坐标近程定位导航系统。27TACAN民用机场上的TACAN系统野战机场上的TACAN系统使用URN25Tacan导航系统的英国航母

28罗兰（LORAN）导航系统罗兰导航系统是一种根据测量距离差来定位的系统，全名是远程式导航系统（LONGRANGENAVIGATIONSYSTEM）。目前使用的罗兰C导航系统作用距离可达2000公里，定位精度优于300米。29Loran-AUSCGLoran-AstationintheSWPacificCommercialreceiverforfishermenmilitaryreceiverforUS30loran-CLoran-C天线70年代loran-C接收系统90年代loran-C接收系统31自主式导航陆基无线电导航系统的优点是把整个导航系统的复杂性集中在导航台上，使机载的用户设备比较简单，价格低廉，可靠性高，易于推广。缺点：从作战角度看，依赖导航台发送的无线电波，影响系统的生存力，抗干扰力，（反利用，抗欺骗能力）。新思路：通过机载测速、测向来推算运载体的位置，不依赖地面导航台，称为自主式导航系统，一种推算导航系统。32§1.2、导航技术发展简史

1.2.3多普勒雷达导航系统1960－1970年代多普勒雷达导航系统和惯性导航系统相继出现。原理：利用随飞机速度变化，在发射波和反射波之间产生的频率差—多普勒频移的大小，来测量飞机相对地面的速度。再借助机上航向系统输出航向角，将地速分解成沿地理北向和东向的速度分量，进而确定两个方向的距离变化及、经纬度大小，也就确定了飞机位置。33多普勒雷达还可以用于天气监测优点：无需地面台，主动式，自主性强。缺点：工作时必须发射电波，容易受干扰和暴露自己；定位精度与发射面形状有密切关系，当飞机在海面和沙漠上空工作时，由于反射性极差会大大降低工作性能；导航精度也受雷达天线姿态的影响，当飞机接收不到反射波时，就会完全丧失工作能力。34§1.2、导航技术发展简史

1.2.4惯性导航系统惯性导航是一种完全自主式的先进的导航方法，它是根据牛顿力学定律，利用惯性器件来测量运载体本身的加速度，经过一次积分得到运载体的速度，再经过一次积分得到运载体的地理位置。提供运载体姿态、速度和位置九维导航信息隐蔽性好，工作不受气象条件的限制航天、航空和航海领域中的一种广泛应用的主要导航方法35陀螺仪∫∫加速度计矢量矢量在哪个坐标系里计算?如何确定坐标系?∫ZXY36§1.2、导航技术发展简史

1.2.4惯性导航系统(2013-11-14)1理论和基础1687年牛顿提出了力学和引力定律，是惯性技术的基础；1765年俄国欧拉院士出版了“刚体绕定点转动的理论”的书，是陀螺仪理论的基础；1852年发现了陀螺效应，法国科学家首先使用“Gyro”(Gyroscope—转动+观察)这个名词；1923年，舒勒发表了84.4分的无干扰理论，陀螺仪的设计开始完善；1939年，原苏联布尔佳科夫院士出版的“陀螺仪实用理论”一书，认为是陀螺仪实用理论的奠基性著作。37§1.2、导航技术发展简史

1.2.4惯性导航系统

2现代陀螺的“史前期”（18世纪中期—20世纪初）1810年前后，德国培根做了第一个具有转动陀螺的雏形陀螺；1851年，傅科的陀螺、傅科摆，验证了地球的自转；1851年，法国物理学家让·傅科在巴黎国葬院安放了一个钟摆装置，直接证明了地球自西向东的自转。1880年前后，特鲁弗、霍普金斯发明了电动机用于陀螺的驱动，陀螺仪开始走向实用；1927年，安修茨设计了实用的用于航海的陀螺罗经，使用了几乎半个世纪。

1851年傅科实验场景

法国国葬院内傅科摆38§1.2、导航技术发展简史

1.2.4惯性导航系统3近代惯导系统的发展（20世纪初—1990年代）（1）初期

1920年前后，出现了供飞机使用的转弯速率指示器、人工水平仪和方位陀螺。

人工水平仪：测量飞机姿态角的关键问题是在飞机上建立一个当地垂线基准，该垂线基准既具有方向选择性，又具有方向稳定性。取陀螺仪的方向稳定性这一长处，以陀螺仪作为仪表的工作基础，并取摆的方向选择性这一长处，用摆对陀螺仪进行修正，使陀螺仪获得敏感垂线的方向选择性。垂直陀螺仪就是通过这种技术途径在飞机上建立一个精确而稳定的垂线基准。

垂直陀螺仪结构原理图39§1.2、导航技术发展简史

1.2.4惯性导航系统方位陀螺仪：能使自转轴保持水平的二自由度陀螺仪。利用陀螺特性而做成的测量飞机航向角的一种陀螺仪表。1942年10月3日，德国的庇纳门德火箭研究中心在维纳·冯·布劳恩的主持下制成“V”型导弹，并于1944年用以轰炸英国。它是当时世界上独一无二的付诸实际使用的第一个惯性制导系统。维纳·冯·布劳恩V-2弹道导弹V-2发射情景40§1.2、导航技术发展简史

1.2.4惯性导航系统3近代惯导系统的发展（20世纪初—1990年代）（2）惯性传感器的发展液浮和气浮陀螺40年代出现液浮陀螺，到50年代末60年代初，其制造技术趋于成熟。液浮技术改进了陀螺的支撑方式，减小了器件中的干扰力矩，提高了陀螺性能。50年代开始，以液浮和气浮陀螺构成的平台式惯导系统开始在飞机、舰船和导弹上广泛应用。单自由度液浮积分陀螺仪结构半液浮速率陀螺产品液浮摆式加速度计原理液浮加速度计产品41§1.2、导航技术发展简史

1.2.4惯性导航系统3近代惯导系统的发展（20世纪初—1990年代）（2）惯性传感器的发展动力调谐式挠性陀螺60年代动力调谐式挠性陀螺研制成功。1966年美国基尔福特(Kearfott)公司研制出挠性陀螺惯导系统，并用于飞机和导弹。这为后来航空惯导的典型代表美国利登公司的军用LN-39和民用LTN-72的出现奠定了基础。动力调谐式挠性陀螺仪的挠性接头动力调谐速率陀螺仪组成动力调谐式挠性陀螺仪实物挠性加速度计结构42§1.2、导航技术发展简史

1.2.4惯性导航系统3近代惯导系统的发展（20世纪初—1990年代）（2）惯性传感器的发展静电陀螺70年代，在利用高压静电场支承球形转子、取代机械支承的静电陀螺研制成功，陀螺性能进一步提高。静电陀螺原理示意图静电陀螺仪结构示意图43§1.2、导航技术发展简史

1.2.4惯性导航系统3近代惯导系统的发展（20世纪初—1990年代）（2）惯性传感器的发展光学陀螺激光于1960年在世界上首次出现。1962年，美、英、法、前苏联几乎同时开始酝酿研制用激光来作为方位测向器，称之为激光陀螺仪。60年代初期，光学装置中发现了萨格纳克效应。美国斯佩里公司于1963年首先做出了激光陀螺仪的实验装置。1966年美国霍尼威尔公司开始使用石英作腔体，并研究出交变机械抖动偏频法，使这项技术有了实用的可能。1972年，霍尼威尔公司研制出GG-1300型激光陀螺仪。80年代以后，激光陀螺、光纤陀螺广泛应用于惯性导航系统。XW-G60光纤陀螺KVH单轴光纤陀螺VG949P光纤陀螺机载三轴激光陀螺44§1.2、导航技术发展简史

1.2.4惯性导航系统3近代惯导系统的发展（20世纪初—1990年代）（3）惯性导航系统技术发展与应用1949年，J.H.Laning,Jr.发表名为“Thevectoranalysisoffiniterotationsandangles”的报告，建立了捷联式惯性导航的理论基础；同时，美国麻省理工学院德雷伯（C.S.Draper）教授验证了平台式惯导系统的可行性。1953年，德雷伯（C.S.Draper）教授，将纯惯性导航系统安装到一架B-29远程轰炸机上，首次实现了横贯美国大陆的飞行1958年美国“鹦鹉螺”号核潜艇装备液浮陀螺平台惯性导航系统的核潜艇，实际位置和计算位置仅差几海里。1960年，世界上第一套飞机惯导系统（LN-3）出厂……惯导系统鲜明的优缺点和巨大的需求，既促进惯性器件性能的不断提高和采用新原理的惯性传感器不断产生，也促进了惯性及其组合导航技术的发展。

45§1.2、导航技术发展简史

1.2.5卫星导航系统子午仪卫星导航系统（20世纪60年代）1964年1月美国海军武器实验室研制成功“子午仪（Transit）卫星导航系统”子午仪卫星导航系统在导航和定位技术发展中具有划时代的意义由于观测解算导航参数的时间长，不能满足连续实时三维导航的要求，尤其不能满足高动态目标的导航要求。

46§1.2、导航技术发展简史

1.2.5卫星导航系统2.全球卫星定位系统1970年代初期，鉴于子午仪卫星导航系统的成功及其存在的缺陷，促使美国海军和空军研究更先进的卫星导航系统。1994年3月10日，24颗工作卫星全部进入预定轨道，系统全面正常运行。全球定位系统(GPS)是一种可以定时和测距的空间交会定点的导航系统，它可以向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置、三维速度和时间信息。47§1.2、导航技术发展简史

1.2.5卫星导航系统3.前苏联GLONASS系统及其他卫星导航系统前苏联自1978年10月开始，发射了自己的全球导航卫星系统(GLONASS)试验卫星，由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成，均匀分布在三个轨道平面上欧洲空间局(ESA)亦在筹建民用导航卫星系统，它包括在赤道平面上的六颗同步卫星(GEO)和12颗高椭圆轨道(HEO)卫星的混合卫星星座

GLONASS卫星星座分布

48§1.2、导航技术发展简史

1.2.6地形辅助导航系统1980年代以来，地形辅助导航（TAN）系统受到广泛重视，并已得到成功使用。与一般组合导航系统相比，只增加了唯一的硬件——存储数字地形高度数据的大容量存储器在低高度，特别是在山丘地带，由于GPS能观察到的导航星少，而此时TAN正处于最佳状态。

水下地形辅助系统49采用两种或两种以上的非相似导航系统对同一信息作量测量,从这些量测量中计算出各导航系统的误差并校正之。采用组合导航技术的系统称为组合导航系统参与组合的各导航系统称为子系统。§1.2、导航技术发展简史

1.2.7组合导航系统50

内容提纲1.1、引言1.2、导航技术发展简史§1.3、导航技术中常用的基本参数§1.4、思考与练习题51§1.3、导航技术中常用的基本参数测试惯性器件，导航解算以及评价导航系统性能都需要用到一些基本的物理量如长度（距离）、角度，常用的长度单位除国际单位米外，还有海里、节、密耳等海里是海上的长度单位。它原指地球子午线上纬度1分的长度，赤道上1海里约等于1843米；纬度45°处约等于1852.2米，两极约等于1861.6米。1929年国际水文地理学会议，通过用1分平均长度1852米作为1海里参数英文全称表示符号与对应相关单位的转换关系海里nauticalmilenm1海里=1852米码yardyd1码=0.9144米英尺footft1英尺=0.3048米英寸inchin1英寸=0.0254米表1.1常用长度单位及其对应转换关系表52§1.3、导航技术中常用的基本参数常用的角度单位除弧度外，还有角秒、角分、密位。如果把圆周分成6000等份，每一等份弧长所对的圆心角叫1密位。即1密位所对弧长，等于圆周长的1/6000。根据圆周长与半径的关系，每1密位所对弧长恰好等于半径的1/1000，即：弧长/密位=半径/1000。

表1.2常用角度单位及其对应转换关系表参数英文全称表示符号与对应相关单位的转换关系度degreeº1度=0.0174532925弧度角分arcmin′1角分=60角秒角秒arcsec″毫弧度milliradianmrad1毫弧度=3.44角分＝206.4角秒密位milmil1密位=3.6角分＝216角秒53§1.3、导航技术中常用的基本参数地球上，导航技术中在表示系统的某些参数时，长度和角度单位之间具有一定的对应关系，比如说某系统定位精度为每小时1海里或1角分，两者意义是相同的，这种对应是地球上的弧长与弧长在地球曲率半径下的角度之间的对应。54

内容提纲1.1、引言1.2、导航技术发展简史1.3、导航技术中常用的基本参数§1.4、思考与练习题55§1.4、思考与练习题了解导航的概念和导航系统的工作状态，导航技术在国防和民用领域的应用以及导航系统，导航技术的地位。区别导航和制导的意义，区别导航参数和制导参数。傅科摆实验验证了什么现象，是怎样来验证的？了解导航技术的发展过程。56参考文献[1]陈金枝.天文导航与星光制导.舰船科学技术,2001.1[2]丁衡高.海陆空天显神威:惯性技术纵横谈.北京:清华大学出版社,2000[3]张宗麟.惯性导航与组合导航.北京:航空工业出版社,2000.8[4]黄德鸣.惯性技术神奇的指路魔杖.济南:山东教育出版社,2001[5]何传五.几种新型陀螺简介.航天控制,2001(02)[6]姜璐,于远治,吉春生.陀螺仪在导航中的应用及其比较,船舶工程2004.2[7]曾庆化,刘建业,赖际舟,等.环形激光陀螺的最新发展.传感器技术,2004,23(11):1-4[8]R