导航与定位技术(李晋)遥测遥控课件

导航与定位技术导航与定位技术是一种利用各种卫星导航系统及地面基准系统,实现精确定位和导航的综合技术。其中包括卫星导航定位、惯性导航、无线电测距定位等多种方式。这些技术广泛应用于航空、航海、车载导航、测绘等领域。as课程概述课程目标掌握导航和定位的基本原理，了解各种先进导航定位技术的工作机理及应用场景。课程内容涵盖卫星导航系统、惯性导航系统、组合导航系统、遥感技术、遥测遥控技术等。授课方式采用理论讲授、案例分析、实践操作等多种教学方式，提高学生的学习积极性。导航与定位的历史1古老的航海技术从远古时期开始,人类就利用星星、日月、地形等自然元素进行初步的导航和定位。218世纪海上航行的进步随着航海仪器的出现,如罗盘、沙漏、经纬仪等,海上导航技术得到了显著提升。320世纪卫星导航系统的兴起冷战时期,美苏两大陆军分别研发出GPS和GLONASS等卫星导航系统,彻底改变了导航定位的方式。坐标系与坐标转换直角坐标系以直角坐标的X、Y轴为基准的坐标系。广泛应用于空间分析和计算。地理坐标系以经度和纬度为基准的坐标系,描述地球表面上的位置。常用于导航和定位。地图投影坐标系将3D的地球表面投射到2D平面上的坐标系。保留了一些地理特征,但会造成一定的形状和面积失真。不同坐标系之间需要进行复杂的数学变换,以确保不同系统之间的数据能够正确匹配和处理。这是导航定位技术中的关键步骤。导航定位基本原理三角测量定位通过测量至少三个参考点的距离或角度,确定目标物的位置坐标。这是最基本的导航定位原理。时间差定位通过比较多个参考点发送信号到接收端的时间差,计算出目标物的位置。这需要系统时间同步。多普勒频移定位利用目标物相对于参考点的运动速度,通过多普勒频移检测来推算目标位置。适用于高速移动目标。惯性导航定位通过测量目标物在三维空间的位移和加速度变化,推算出当前位置。不依赖外部信号,但存在累积误差。卫星导航系统卫星导航系统是利用一组布置在地球轨道上的人工卫星提供全天候、全天时的定位、导航和授时服务的系统。它包括空间段、地面监测和控制段以及用户段三大部分。通过卫星发送的无线电信号,用户设备可以确定自身的位置及时间。卫星导航系统的主要优势包括覆盖范围广、持续性强、高精度定位和授时能力等。它广泛应用于军事、民航、交通运输、农业、测绘等各领域。GPS系统概述卫星网络GPS系统由24颗卫星组成的卫星网络,可提供全球范围内的导航定位服务。卫星以跟踪轨道绕地球旋转,确保任何时间内,地球任何位置都有4颗以上卫星可见。地面控制GPS系统需要地面控制中心对卫星进行监控和轨道控制,保证卫星工作状态并发送校正数据。这些控制中心全天候监测卫星状态,及时发布修正参数。用户接收用户通过手持或车载的GPS接收机接收卫星发送的信号,经过一系列计算后即可确定自身的位置、速度和时间信息。GPS信号接收机组成天线接收机的天线负责接收从GPS卫星发射的无线电信号。它可以是静态的杆状天线或动态的反射式天线。射频前端射频前端将微弱的无线电信号放大、滤波并下变频到可以被处理器识别的中频信号。基带处理器基带处理器解调接收的中频信号,并计算出卫星到接收机的伪距。它还执行定位计算。性能控制单元此单元负责监控和控制整个接收机系统,如天线控制、电源管理和用户界面等。GPS定位原理1卫星定位通过接收多颗GPS卫星发射的无线电信号,获取卫星的空间位置和时间信息。2距离测量测量接收机到每颗GPS卫星的距离,根据三角测量原理确定接收机的位置。3时钟同步利用四颗以上GPS卫星的测距数据,计算接收机的时钟偏差并进行修正。4位置计算通过多颗GPS卫星的距离测量值,使用最小二乘法等算法计算出接收机的三维坐标。GPS定位的基本原理是通过接收多颗GPS卫星发出的无线电信号,测量接收机到每颗卫星的距离,利用三角测量的原理计算出接收机的三维位置坐标。关键步骤包括卫星定位、距离测量、时钟同步和位置计算。DGPS定位原理1基准站使用固定位置的接收机获取校正信号2差分计算比较基准站与移动站的卫星伪距测量结果3信号发送将差分信息广播给移动站接收机DGPS(DifferentialGPS)通过使用基准站的差分校正信号来提高GPS定位的精度。基准站确定卫星伪距误差,然后将差分信息发送给移动站,移动站利用这些校正数据来消除系统误差,从而获得更精确的位置信息。GPS精度分析GPS系统的定位精度受到多方面因素的影响,包括卫星布局、电离层延迟、多路径效应等。经过差分校正后,可以大幅提高定位精度,满足各类导航应用的需求。惯性导航系统工作原理基于惯性传感器惯性导航系统利用三轴加速度计和三轴陀螺仪等惯性传感器感知位置和姿态变化。连续无中断定位通过数据融合算法,惯性导航系统可以提供连续、实时的位置和姿态信息,无需外部信号参考。自主性强惯性导航系统独立运作,不依赖任何外部信号,适用于无法获得外部参考的环境。误差累积由于测量误差的累积,惯性导航系统存在逐渐增大的漂移。需要定期校准或与其他导航系统融合。惯性传感器种类及特点1加速度计测量物体加速度的传感器,能感知三个正交轴上的加速度。常见于智能手机等设备。2陀螺仪测量物体旋转角速度的传感器,可用于检测姿态和方位变化。广泛应用于导航和稳定系统。3磁传感器检测地球磁场方向的传感器,可用于确定方位和朝向。与陀螺仪配合使用更精确。4组合惯性测量单元将加速度计、陀螺仪和磁传感器融合,提供更全面的姿态和位置信息。广泛应用于航空航天和机器人领域。惯性组合导航系统1集成多种传感器惯性导航系统通过将惯性传感器与其他导航系统如GPS、陀螺罗盘等进行融合,能够相互校正误差,提高定位精度。2发挥各自优势惯性导航系统可以弥补单一系统的不足,例如GPS在遮挡环境下的失效,而惯性系统则能够持续提供导航数据。3实时高精度定位组合导航系统能够实时处理来自多种传感器的数据,并结合先验信息进行高精度定位,满足关键应用的实时性和精确性需求。4抗干扰能力强相比单一导航系统,组合导航系统对各种干扰环境如电磁干扰、信号遮挡等有更强的抗干扰能力。组合导航系统优势提高定位精度通过多种传感器融合,可以大幅提高定位的准确性和可靠性。增强抗干扰能力在某些传感器出现故障或受到干扰时,其他传感器可以弥补缺失,提高系统的鲁棒性。保证连续定位即使单一导航系统出现故障,组合系统仍可以保持连续的导航服务。多传感器融合定位整合多种传感器多传感器融合定位通过整合来自全球导航卫星系统(GNSS)、惯性测量单元(IMU)、雷达、激光雷达等多种传感器的数据,提高定位精度和可靠性。自适应模型调整融合算法能够自适应调整权重和参数,根据环境变化动态优化定位结果,应对各种复杂场景。实时容错与故障诊断多传感器融合能够实时检测和修正各个子系统的故障,提高导航定位的鲁棒性和可用性。协同感知与决策融合定位的输出可用于辅助高级自动驾驶功能,如避障和路径规划等,实现智能协同感知与决策。北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统是中国自主建立的第二代全球导航卫星系统,主要用于为用户提供全天候、全天时的授时和定位等服务。该系统不断完善和发展,已成为中国在空间技术领域的重要成就。北斗系统由导航卫星、地面测控管理和用户接收设备等组成,通过多颗卫星的遥测遥控,为用户提供准确可靠的定位、授时和短报文通信服务。北斗系统相比GPS的优势更高定位精度北斗系统提供亚米级的定位精度,相比GPS有更优越的性能表现。更广泛的服务覆盖北斗系统覆盖范围广泛,可为全球用户提供导航和定位服务。自主可控的系统北斗系统由中国自主研发和运营,不受其他国家系统控制,具有独立性和可靠性。遥感技术概述遥感技术是利用各种传感器从远距离获取目标信息的一种手段。它通过光学、热成像、雷达等多种探测方式,对地球表面或大气层进行观测,获取各种类型的数据,为各种应用领域提供信息支持。遥感技术已广泛应用于气象监测、资源勘探、环境保护等多个领域。遥感数据类型及特点光学遥感利用可见光、近红外等电磁波谱获取地物信息的遥感数据,具有高分辨率且信息丰富的特点。雷达遥感利用微波电磁波探测地物信息的遥感数据,能在阴雨天气下持续采集,为研究复杂地形提供有力支持。高光谱遥感利用众多窄波段同时采集地物光谱信息的遥感数据,可精细识别地物特征,在农业、矿产等领域应用广泛。激光雷达遥感利用激光脉冲测量地物距离的遥感数据,可获取精细的三维地物信息,在地形测绘中广泛应用。遥感数据处理流程1获取数据从卫星或无人机等传感器收集遥感影像2预处理进行几何校正、辐射校正等初步处理3影像分析采用分类、目标识别等方法提取有价值信息4产品输出生成地图、统计数据等最终分析成果遥感数据处理流程涵盖了从数据获取、预处理、影像分析到最终产品输出的全过程。这一流程确保了遥感数据能够转化为有价值的地理信息,为导航定位等领域提供重要支撑。遥感在导航中的应用卫星遥感数据高分辨率的卫星遥感图像为导航系统提供了精确的地理空间数据,包括地形、地貌、交通设施等信息,为确定位置和规划路径提供了重要依据。图像分析与建模遥感技术可对卫星图像进行分析与处理,提取出道路网络、建筑物等特征,并建立高度精确的数字地图,大幅改善导航系统的定位精度。目标识别与追踪遥感技术还可用于实时监测和跟踪移动目标,如车辆、船舶等,为导航系统提供动态路况信息,提高导航效率。遥感影像与导航的结合遥感技术可以提供航空和卫星影像数据,为导航系统提供高精度的地理信息支撑。通过将遥感影像与全球导航卫星系统(GNSS)数据相结合,可以实现更加精准的定位和导航功能,广泛应用于交通管理、智慧城市建设等领域。遥感影像可以为导航系统提供高分辨率、实时更新的地图信息,而GNSS则为影像数据的定位与匹配提供基础支撑。两种技术的融合能够大幅提升导航系统的性能和应用场景。遥测技术概述数据采集遥测技术通过远程传感器收集各类数据,如温度、湿度、气压等,为决策提供依据。信号传输遥测数据通过无线电波、光纤等方式实时传输到地面控制中心,确保及时获取最新信息。数据处理接收到的数据需要进行分析、格式转换等处理,以便用户直观、有效地利用信息。反馈控制遥测系统可以根据监测数据实时调整系统参数,提高工作效率和稳定性。遥测数据传输方式无线传输利用无线电波在远距离传输遥测数据,适用于地面和空间设备。有线传输通过电缆或光纤在短距离内高速稳定地传输遥测数据。数据存储传输将遥测数据先记录存储在设备上,再通过物理运输传输给接收端。遥测系统组成及功能1传感器负责实时采集各种物理量和环境参数数据。2数据采集与处理单元将传感器采集的模拟数据转换为数字信号,并进行初步处理。3通信单元负责将数据通过无线电信号或有线电缆传输到地面控制系统。4电源供给系统为整个遥测系统提供稳定的电力支持。遥控技术概述远程控制遥控技术可通过无线信号远距离控制设备或设施的运作。无线传输遥控系统采用无线通讯技术传输控制指令和反馈信息。自动化遥控能实现设备的自动化运行,降低人工干预的需求。遥控系统组成及工作原理1发射端遥控器,发射信号2传输信道无线电波,红外线等信号传输3接收端接收器,解码并执行指令遥控系统由发射端、传输信道和接收端三部分组成。发射端的遥控器发送指令信号,经过无线电波或红外线等信道传输到接收端,接收器解码并执行相应的动作。整个过程实现了人与机器的远程交互控制。遥测遥控系统在导航中的应用实时监测遥测系统可以实时监测目标的位置、速度、航向等参数,为导航提供关键数据。远程控制遥控技术可以远程控制导航设备的行驶轨迹和功能,提高导航系统的灵活性。综合应用将遥测遥控系统与卫星导航、惯性导航