第一讲-导航技术1教程

上海海事大学应士君9/4/2019第一讲9/4/2019何为导航？9/4/2019引导某一对象，从指定航线的一点运动到另一点的方法。导航分两类：(1)自主式导航：用飞行器或船舶上的设备导航，有惯性导航、多普勒导航和天文导航等；(2)非自主式导航：用于飞行器、船舶、汽车等交通设备与有关的地面或空中设备相配合导航，有无线电导航、卫星导航。在军事上，还要配合完成武器投射、侦察、巡逻、反潜和援救等任务。一、导航的来源9/4/2019

导航来源于人类交通和军事活动对方位或位置识别的需求，其目的是要解决“我现在在哪里？”和“我向哪里去？”这类基本定位和引导问题。

在远古时代，人们利用地形地物作参照物或者通过观察太阳和星体的方位，作为到达目的地的方法或手段。

为了克服天气和能见度的限制，后来陆续出现了指南车、计里鼓和磁罗盘等最初的导航装置，此时对导航的要求主要还是辨别方向。9/4/2019

相传公元前约2600年，涿鹿大战中，黄帝部落发明了指南车

有记载最早的用来指示方向的一种机械导航装置，主要采用差动齿轮的传动原理，无论车体如何行进，都可根据车轮的转动，由车上木人指示出固定方向（南向）。9/4/2019指南车

记里鼓车是中国古代的一种距离测量装置，它同样利用齿轮机的差动原理，通过对所行进的路程进行计数，实现“记里车

行一里路，车上木人击鼓，行十里路，车上木人击镯”的目

的。计里鼓9/4/2019大约公元前一千年，天文星历导航开始应用。9/4/2019天文导航：

公元前580－500年希腊哲学家毕达哥拉斯和公元前

504－450年帕梅尼德斯（Parmenides），在科学

上得出了地球是球形的结论

公元前276－195年由埃拉托斯特尼（Eratosthenes）确定了地球的大小。

公元前150－100年，著名天文学家喜帕恰斯（Hipparkhos）提出了用地理纬度和经度来表示地

球上某点位置的方法，由此建立了近代天文导航的基础。9/4/2019天文导航：公元27－97年间，我国就已有关于地磁指南工具的记载。9/4/2019磁罗盘：1569年，荷兰发明家格哈德·鱼雷默出版了世界海图。

1601年英国人约翰·托普出版了海员历。1731年，六分仪在英国问世。

1761年，英国钟表匠JohnHarrison发明了第一台航海表。至此，海上导航得到了快速发展，原始的推算导航仪器出现并得到初步应用，海员们通过测量船体的速度增量并进行外推来确定自己的位置，这成为后来惯性导航技术（inertialnavigation）的理论基础。9/4/2019惯性导航：早期的导航活动来源于人们当时所掌握的地磁现象、天文知识、惯性技术等知识，导航精度比较低下，应用的范围也仅限于陆路和海上交通，对于早期海上船舰的航行安全起到了至关重要的作用，推动了经济的发展，对战争具有重要的辅助作用。

从19世纪末到20世纪初，无线电技术开始用于导航中的计时器校准和方位测量，由此进入了无线电导航时代，翻开了导航史上的崭新一页。9/4/2019无线电导航：二、无线电导航的发明及特点9/4/201919世纪末，无线电测向技术正式应用于船舶导航

随着无线电技术的迅猛发展，无线电导航的概念逐步建立，无线电导航设备和系统也逐步完善。

二战以来，对导航的需求不断提高，使导航的功能从主要提供运载体的航向转变为主要提供位置信息。

导航己经发展成一门专业的技术，形成了较为完备的科学体系，并成为航空、航海和陆路交通可以完全依赖及必须依赖的技术手段。

最初和主要形式是在地面台（站）上为船舶和飞机进行导航

20世纪80年代开始，由于卫星导航的发展及应用，以及其他新型导航方式的出现，开辟了无线电导航的一个新的应用领域，进入了以卫星导航为主要形式的精密导航时代。9/4/2019无线电导航的特点9/4/2019

受外界条件（如昼夜、季节、气象等）的限制较小；测量导航参数的精度较高，测量速度快；系统体积小、质量轻，可靠性高；系统价廉经济，易于推广和流行。三、船舶导航与导航系统的定义与任务9/4/2019

1、导航（navigation）是引导运载体（船舶）按既定航线航行的整个引导过程。–“引导由导航系统或设备为运载体（船舶）的操纵者提供必要的导航参量。–控制是操纵者根据导航参量，酌情实施对运载体（船舶）进行航行控制。2、导航系统9/4/2019

导航系统

（Navigation

System）是实施导航的专用设备组合式设备的统称。导航系统侧重于实现特定导航功能的设备组合体，组合体内的各部分都必须按特定的协同方式工作才能实现系统功能导航设备一般是指导航系统中某一相对独立部分的型号产品，或实现某一导航功能的单机。3、无线电导航9/4/2019

利用无线电技术对运载体航行的全部（或部分）过程实施导航，称为无线电导航。能够完成全部或部分无线电导航功能（或任务）的技术装置组合称为无线电导航系统或设备。置于地面、船舰或已知运动轨迹的卫星上，为其他用户提供导航定位功能的无线电导航系统或设备，称为无线电导航台（站）。4、无线电导航的基本任务（以航空为例）航路导航系统：完成航线导航任务的系统；

着陆引导系统：完成进场着陆引进的导航系统（有的着陆引导系统具有离港引导能力）。

随着空域中飞机密度增高，特别是港区空域更加突出，空中航 行管制显得非常必要，这也是导航业务的一个重要方面，专门 用于空中航行管制的系统称为空中交通管制系统（9A/4T/2C01S9-Air Traffic

Control

System）。导引运载体沿既定航线航行；

确定运载体当前所处的位置及其航行参数，包括航向、速度、姿态等实时运动状态；

导引运载体在夜间和复杂气象条件下的安全着陆或进港；

保证运载体准确、安全地完成航行任务所需要的其他导引任务9/4/2019四、导航系统的分类——1、按所测量的电气参量划分9/4/2019

振幅式无线电导航系统；如无线电罗盘，仪表着陆系统（ILS）相位式无线电导航系统；如VOR，欧米伽系统、台卡系统，罗兰-A等等。

频率式无线电导航系统；如频率式高度表，多普勒导航系统

脉冲（时间）式无线电导航系统；如脉冲式高度表，应答/测距系统（DME）

复合无线电导航系统，即可同时测量两个或两个以上相同或不同的电气参量的系统。如TACAN系统和LORAN-C等。2、按所测量的几何参量划分9/4/2019

无线电测角导航系统（直线位置线）：伏尔、罗盘无线电测距系统（圆位置线）：塔康、DME

无线电测距差系统（双曲线位置线）：罗兰－Ａ、罗兰－C

无线电测距和系统（椭圆位置线）：星基导航有源定位无线电复合式系统3、按系统的组成情况划分9/4/2019自备式（自主式）：仅靠装在运载体上的导航设备就能 独立地为该运载体提供导航服务。(多普勒自主推算导航系统、惯性系统)

他备式（非自主式）:需由运载体外的安装位置已知的导航设备配合机载设备协调工作才能实现对运载体的导航。（无线电罗盘、伏尔、TACAN、卫星导航系统）4、按导航台的安装位置分类9/4/2019

地基导航系统：导航台安装在地球表面的某一确知位置上。（无线电罗盘、伏尔、罗兰-C）空基导航系统：导航台安装在空中某一特定载体上。（多普勒自主推算导航系统）星基导航系统：导航台安装在人造卫星上。（GPS、GLONASS、北斗导航系统）5、按导航系统最大有效作用距离分类9/4/2019近程导航系统：500km（伏尔、罗盘、塔康）中程导航系统：1000km

（罗兰-B）远程导航系统：3000km（罗兰-C）

超远程导航系统：＞10,000km

（奥米伽、多普勒、

GPS、GLONASS

）6、按工作方式划分9/4/2019

有源工作方式导航系统：用户设备工作时需要发射信号；

无源工作方式导航系统：用户设备不须发射信号。五、导航基本参量和术语9/4/2019航线和航迹导航中常用的速度参量导航中常用的角度参量导航中常用的距离参量1、航线和航迹9/4/2019

航线：指船舶在两地间的海上航行路线，每个航次的具体航线，应根据航行任务和航行地区的地理、水文、气象等情况，以及船舶状况拟定。大圆航线：沿最短大圆弧线航行的航线。恒向航线：保持恒定不变航向的航线。

航迹：船舶的实际轨迹在水面或地面上的投影（水平投影）。2、导航中常用的速度参量对水速：运载体相对水媒质的运动速度。风流速：空气和水流相对地球表面的运动速度。对地速：运载体相对地球表面的运动速度。

航行速度三角形：对水速、风流速在地面的投影与对地速构成的三角形。对地速可通过求解航行速度三角形得出。9/4/20193、导航中常用的角度参量9/4/2019

航向（船舶首向）：船舶纵轴首端的水平指向。船舶的航向与对水速度矢量方向是一致的。航向由选定的基准方向（真北）顺时针转到该指向的夹角来定量标度。真航向：船舶重心点的真北顺时针转到船舶纵轴的夹角在水平面的投影。磁航向：船舶重心点的磁北顺时针转到船舶纵轴的夹角在水平面的投影。电台航向（电台相对方位）

航迹角：基准方向和航迹之间的夹角。航迹方向与对地速度矢量方向是一致的。

流压角：船舶纵轴首向和航迹方向之间的夹角。因为船舶的航向与对水速度矢量方向一致，航迹方向与对地速度矢量方向是一致，因此流压角是由于对水速和对地速矢量方向不同造成的，究其根本是由于风流造成的。

方位：表示两点间相对位置的量，由观测点基准方向顺时针转到两点连线之间的夹角在水平面的投影来标度目标点的方位。9/4/2019

运载体真方位：以导航台真北为基准，顺时针转到导航台与运载体之间的夹角在水平面的投影。

运载体磁方位：以导航台磁北为基准，顺时针转到导航台与运载体之间的夹角在水平面的投影。

电台（导航台）真方位：以运载体真北为基准，顺时针转到导航台与运载体之间的夹角在水平面的投影。

电台（导航台）磁方位：以运载体磁北为基准，顺时针转到导航台与运载体之间的夹角在水平面的投影。

电台向对方位：以运载体纵轴方向为基准方向，顺时针转到导航台与运载体之间的夹角在水平面的投影。9/4/20194、导航中常用的距离参量9/4/2019水深：从某一基准水平面到海底的垂直距离。水面水深：海平面到海底的垂直距离。龙骨水深：船舶龙骨到海底的垂直距离。传感器水深：换能器面到海底的垂直距离。

高度：从运载体重心到某一基准水平面的垂直距离。绝对高度：运载体重心到平均海平面的垂直距离。相对高度：运载体重心到某一指定参考水平面的垂直距离。真实高度：运载体重心到实际地面的垂直距离。9/4/2019

斜距：不在同一高度层或同一铅垂线上的两点之间的距离。地面斜距：斜距在地面上的投影。9/4/2019六、无线电导航系统的性能及技术指标精度覆盖范围（工作区、作用距离）系统容量导航信息更新率连续性、可用性和可靠性系统完好性9/4/2019（一）、精度9/4/2019

精度是指系统为运载体所提供的位置与运载体当时的真实位置之间的重合度。

导航系统为用户提供的实测导航参量（如实时位置、方位、距离等）与其真实参量之间的偏差称为导航参量误差，简称导航误差。9/4/20191、导航误差的典型表示法1）平均误差2）均方根误差–均方误差RMS（Root

Mean

Square

Error）描述了定

位精度所对应的置信椭圆（二维定位）或置信椭球（三维定位）的大小。置信椭圆的长、短半轴分别表示了二维位置坐标分量的标准差（如经度的αλ和纬度的αφ），如果误差统计分布是服从于正态分布，随机误差落在一倍标准差（1α）的概率值是68.3％，2α、3α的概率值分别为95.5％、99.7％。

通常定义均方根误差的三倍（即3σ）为最大误差，在正态分布条件下，随机误差落在±3σ范围内的概率为99.73%。

在导航系统精度评估或鉴定中经常用2σ的限定值，在正态分布条件下，随机误差在±2σ范围内的概率为95.45%。9/4/20193）最大误差4）概率误差γ9/4/2019概率误差又称或然误差，在一组测量中，测量误差落在之内的测量次数占总测量次数的

50％，在正态分布时，概率误差γ和均方根误差σ有下述关系：γ＝0.675σ5）圆概率误差CEP9/4/2019

圆概率误差CEP（Circular

Error

Probable）是以真

实位置为圆心，偏离圆心概率为50％的二维离散点分

布的度量，定义为CEP＝0.59（αλ＋αφ）。同理，当概率为95％时有CEP95＝CEP×2.08＝1.2272（αλ＋αφ），也记作“R95”，表示概率为95％的二维点位精度；当

概率为99％时，CEP99＝CEP×2.58＝1.5222（αλ＋αφ）。

对三维位置而言，则以球概率误差SEP（SphericalError

Probable）表示。2、定位误差的几何因子9/4/2019测量误差δ1引起位置线误差δ2

，位置线误差δ2导致定位误差δ3

，定位误差δ3显然与测量误差δ1有关。位置线梯度是指δ1与δ2之比（即δ1/δ2），反映的是测量误差与其位置线误差之间的转换因子关系。定位误差的几何因子是δ3与δ1之间的比例因子即δ3/δ1，由此可见，当测量误差δ1一定时，几何因子越大，定位误差越大，反之亦反。而几何因子的大小显然与位置线梯度和位置线交角有关。（二）、覆盖范围（工作区、作用距离）

覆盖范围指的是一个面积或立体空间，那里的导航信号能够使导航用户以规定的精度定出运载体的位置。覆盖范围和三大因素有关，即设备本身技术指标，安装使用环境，导航精度要求。9/4/2019（三）、系统容量9/4/2019

系统容量是指在导航系统的覆盖范围内，系统同时可提供定位服务的用户的数量。系统容量首先决定于导航系统的工作方式。（四）、导航信息更新率9/4/2019

导航信息更新率是指导航系统在单位时间内可为运载体提供定位或其他导航数据的次数。

连续性是指运载体在某特定的运行阶段，导航系统能够提供规定的定位引导功能而不发生中断的能力；

可用性是指当导航系统和用户设备都正常工作时，系统为运载体提供可用的导航服务时间与该航行阶段时间的百分比。

可靠性是指系统在给定使用条件下，在规定的时间内以规定的性能完成其功能的概率，它标志的是系统发生故障的频度。最常用的衡量可靠性指标是平均故障间隔时间（MTBF）9/4/2019（五）、连续性、可用性和可靠性

完好性也称完善性或完备性、完整性等，是指当导航系统发生故障或误差变化超出了允许的范围，不能提供可用的导航服务时，系统能够及时向用户发出告警的能力，它对保障运载体安全、可靠地使用导航信息提出了要求。9/4/2019（六）、系统完好性（七）、其他指标9/4/2019导航信息的多值性多值性是指有些无线电导航系统所给出的定位数据对应着多个可能的位置点（或位置线、位置面），如果不采用辅助手段，就无法确定其中正确的一个。导航定位信息的维数维数是指导航系统为用户所提供的是一维、二维还是三维的空间位置信息。导航系统从导航信号中导出的第四维信息（如时间）也可以归属于这个参数。七、无线电导航的应用及发展历史1早期阶段2发展阶段3成熟阶段4发展前景及军事应用9/4/2019第一阶段，时间从20世纪初至第二次世界大战前；

1902年J.Stone发明了无线电测向技术，1907年进入实用阶段；

1912年研制出世界上第一个无线电导航设备，即振幅式测向仪，也称无线电罗盘；1922年发明了超声波声纳；

20世纪20年代末期，陆续出现了四航道信标、航空无线电信标（又叫无方向信标NDB）及垂直指点信标（75

MHz信标）。1940年无方向信标的自动测向仪投入正式使用；1935年，法国首先在船上开始装备VHF频段的导航雷达9/4/2019

。1早期阶段2发展阶段9/4/2019

发展阶段也称第二阶段，时间从第二次世界大战开始至20世纪60年代初。1）.台卡系统（DECCA）

台卡导航系统于1937年提出，1944年由英国伦敦台卡导航仪公司研制成功。它属于低频连续波相位无线电导航系统，采用测距差的双曲线定位方式工作，主要用于海上船只的近程高精度定位，也可为覆盖范围内的直升机提供导航服务。

由于台卡系统的定位精度和覆盖范围均低于罗兰－C，随着罗兰－C的建设和发展，台卡用户逐渐减少。2).无线电高度表（Radio

Altimeter）9/4/2019

1938年发明了连续波调频无线电高度表，第二次世界大战后基于雷达技术产生了雷达高度表，也称脉冲高度表，它们都得到了广泛应用直至现在。无线电高度表是一种自主式航空导航设备，用于测量飞机距离地球表面的高度，包括调频体制和脉冲体制两种工作方式。基于测高范围的不同，将只可测2000m以下高度的称为小高度表，可测2000m以上的称为大高度表，一般小高度表的测量精度优于大高度表。

1939年开始研制仪表着陆系统（Instrument

Landing

System），1941年

投入应用，并在1946年为国际民航组织（ICAO）定为标准着陆引导设备。ILS可为着陆中的飞机同时提供水平和垂直引导，使飞机在云层很低、能见度很差的情况下也能完成高精度的着陆过程。9/4/20193).仪表着陆系统（ILS）和精密进近雷达（PAR）

在第二次世界大战期间的野战机场和航空母舰上使用一种放在地面上或甲板上的精密进近雷达（PAR），它通过测量下滑中的飞机方位、仰角、距离等信息，来指示飞机左右或上下调整来实现着陆，其缺点是飞行员处于被动引导状态，因此在有ILS的地方它多作为备用设备使用。9/4/20194).罗兰系统（LORAN）9/4/2019

罗兰（Long

Range

Navigation）即远程导航，是一种脉冲体制的双曲线型陆基中远程无线电导航系统，由地面台站的发射装置、同步监测与控制设备、用户接收装置三大部分组成。5).多普勒导航雷达（Doppler

Navigation

Radar9/4/2019

1945年，多普勒导航系统开）始发展，这是一种自主式航空导航系统，由发射机、接收机、天线、频率跟踪器和控制指示仪组成。基于测速雷达的基本原理，系统测量出射向地面的回波信号的多普勒频移，可以得到飞机相对于地面的地速和偏流角，或飞机的三维速度分量。采用航位推算原理，对速度积分求出飞机的已飞距离，可以得到飞机的当前位置等导航信息。

多普勒导航系统由于工作范围不受限制，价格低，测速精度高，在20世纪50～70年代得到了广泛应用，缺点是用于定位时存在对时间的积累误差。6).伏尔（VOR）9/4/2019伏尔是甚高频全向信标（VHF

Omni—Range）的简称，是二战后期在美国发展起来的近程导航系统，1946年成为美国标准，1949年被ICAO采纳为国际标准的航空近程导航系统。VOR可指示出飞机相对导航台的磁正北方向的方位角，精度高于无线电罗盘，主要用于使飞机保持在给定的航线上飞行。20世纪

60年代由联邦德国研制的多普勒伏尔（DVOR）系统，克服了

场地内地形地物对系统发射信号的影响，提高了系统的精度。伏尔只能给飞机指示出方位，为了给飞机提供出在空中的位置，一般与测距器配合采用方位加距离的极坐标方式进行定位。7).甚低频导航系统9/4/2019美国的欧米伽（omega）系统和俄罗斯的阿尔法（alpha）系统都属于甚低频双曲线全球导航系统。

通过对甚低频连续波信号的相位比对来进行双曲线形式的定位，其发射装置由分布在世界各地的8个甚低频地面发射台组成，每一发射台都包括定时和控制子系统、发射子系统和天线子系统，用于向地面、海上和空中用户提供甚低频无线电信号，可实现导航信号对全球的覆盖。8).测距器（DME）9/4/2019

测距器是在第二次世界大战中随着雷达的发展应用而出现的，它通过测量无线电脉冲在空中的传播时间获得飞机到地面导航台站的距离，包括普通测距器（DME／N）和精密测距器（DME／P）两种。9).塔康（TACAN）9/4/2019

战术空中导航系统TACAN（Tactical

AirNavigation

System）是美国海军1955年研制并投入装备的近程无线电导航系统，由地面设备（也称塔康信标）和机载设备组成。3成熟阶段9/4/2019

成熟阶段也称第三阶段或卫星导航阶段，时间从20世纪60年代中期至今。1).卫星导航系统子午仪导航卫星系统（Transit

NavigationSatellite

System）GPS和GLONASS卫星导航系统其他卫星导航系统2).微波着陆系统（MLS）9/4/2019

1978年国际民航组织批准将时间基准波束扫描体制的微波着陆系统，作为新型的飞机着陆引导的标准设备。它通过测量微波波束往复扫描时经过飞机的时间间隔，得到飞机相对于跑道终点的方位角和俯仰角，来引导飞机进近和着陆，可以满足高等级的

CAT

II、Ш类着陆标准。3).地形辅