《导航概论》课件

导航概论导航是人类获取并应用空间信息的重要手段。通过先进的技术,我们可以更精确地了解自身位置及周围环境,从而做出更明智的决策和行动。这份导航概论将概括探讨导航技术的基本原理和应用前景。课程大纲课程目标全面了解导航技术的发展历史、系统分类和基本原理。掌握常见导航系统的特点及应用领域。学习导航系统的误差源及精度评估方法。知识重点包括导航系统的分类、全球导航卫星系统的基本原理、导航信号特性、定位算法、导航接收机技术以及常见应用领域。授课方式通过课堂讲授、实践演示和案例分析等多种形式，帮助学生全面理解导航技术的发展现状和未来趋势。考核方式期末考试为主,课堂表现、作业完成情况等也将纳入考核。注重理论与实践相结合的评价体系。导航发展历史1古代定位技术最早人类利用天体、地磁、陆标等进行定位导航的历史可以追溯到公元前数千年。2航海推动发展15世纪以来,随着航海技术的进步,陆地和海洋导航技术不断发展。3现代卫星导航20世纪后期,全球卫星导航系统出现并迅速发展,极大地提高了导航的精度和覆盖范围。导航系统分类全球导航卫星系统基于卫星的全球导航系统,如GPS、GLONASS、Galileo和北斗,为世界各地提供全天候、全天时的定位、导航和计时服务。区域导航卫星系统区域性的卫星导航系统,如日本的QZSS和印度的IRNSS,为特定地理区域提供高精度的定位和导航服务。地面增强系统通过地面基站网络提供的差分信息,可以大幅提高全球导航卫星系统的定位精度,如DGPS和SBAS。惯性导航系统不依赖外部信号的自主导航系统,通过加速度计和陀螺仪测量物体的运动状态来确定位置和方向。全球导航卫星系统全球覆盖全球导航卫星系统由多颗卫星组成，可提供全球范围的导航定位服务。高精度定位通过多颗卫星的精确时间和位置数据,可实现厘米级的高精度定位。实时连接用户可随时随地借助接收机接收卫星信号,获取实时的位置和时间信息。GPS1全球定位系统GPS是由美国政府建立和维护的全球导航卫星系统,由24颗卫星组成。2广泛应用GPS广泛应用于导航、定位、时间同步等领域,被广泛应用于交通、测绘、军事等多个领域。3高精度定位GPS可以提供高精度的三维定位和时间同步服务,定位精度可达米级。4免费开放GPS信号对全球用户免费开放,用户只需配备接收机即可接收和使用。GLONASS俄罗斯导航系统GLONASS是俄罗斯研发和维护的全球导航卫星系统,是当前世界上主要的卫星导航系统之一。完整覆盖GLONASS拥有24颗卫星,能为全球用户提供全天候、全天时的定位、导航和授时服务。高精度定位GLONASS在俄罗斯和邻近地区可提供高达1-2米的水平定位精度,是一个成熟可靠的导航系统。Galileo1欧洲卫星导航系统Galileo是由欧洲联盟和欧洲空间局共同开发的卫星导航系统,旨在为欧洲及其盟友提供独立的定位和时间服务。2完整度和精度Galileo致力于实现更高的信号完整度和定位精度,以满足对导航服务有更高要求的应用领域。3民用导航服务Galileo除了提供基础的导航定位服务外,还专门针对民用市场提供各种增值服务,如搜救、全球时间同步等。北斗北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统是由中国独立自主研发的全球导航系统,已成为继GPS、GLONASS和Galileo之后第四个投入运行的完整卫星导航系统。北斗卫星北斗系统由35颗导航卫星组成,包括5颗地球静止轨道卫星、3颗倾斜地球同步轨道卫星和27颗中圆地球轨道卫星。全球覆盖北斗系统已从区域性系统发展成为覆盖全球的卫星导航系统,为全球用户提供高精度、高可靠的定位、导航和授时服务。导航信号导航原理导航信号通过测量卫星与接收机之间的距离,利用三角测量原理确定接收机的位置。信号结构导航信号由载波、编码和导航消息组成,携带卫星位置、时间等关键信息。频率波段常用L波段,可穿透大气层,抗干扰能力强,适合航天、航空等领域使用。导航原理测距定位导航系统通过卫星等星点发射的导航信号计算接收机与发射源之间的距离,从而确定接收机的位置。坐标转换测量得到的距离信息需要转换成经度、纬度等坐标系中的位置信息,以便用户识别和应用。时间同步为保证测距精度,导航系统需要实现卫星与接收机之间的高精度时间同步。空间几何通过至少4颗卫星的距离信息,可以利用空间几何原理确定接收机的三维位置。信号结构信号数据导航信号携带卫星星历、系统时间等关键数据,提供定位和时间参考。编码结构信号采用特定的编码方式,如伪随机码,用于身份识别和测距。频率波段导航信号通常位于L频段,具有穿透性好、抗干扰能力强等优势。频率波段L频段L频段波长在30-1厘米之间,通常用于GPS和GLONASS系统。传输距离较远,穿透能力强,但抗干扰能力较弱。S频段S频段波长在10-1厘米之间,可用于卫星通信和天气雷达。穿透力稍弱于L频段,但抗干扰能力更强。C频段C频段波长在6-4厘米之间,主要用于有线电视、卫星通信和雷达。穿透力和抗干扰能力介于L和S频段之间。X频段X频段波长在3.75-2.4厘米之间,多用于导航雷达和成像雷达。穿透力较弱,但分辨率和抗干扰能力较强。定位算法1伪距测量通过测量卫星发射的电磁信号传播时间,可以计算出卫星和接收机之间的距离,从而进行定位。2差分定位利用多个参考站的差分校正数据,可以提高定位精度,消除大部分系统误差和环境误差。3惯性导航通过测量加速度和角速度变化,可以计算出位置和航向,无需外部信号,适用于短时间内的导航。伪距测量基于卫星距离的定位通过测量接收机到卫星的伪距,可以计算出接收机的位置坐标。伪距包含了真实距离和各种误差因素,需要进一步修正才能获得高精度的定位结果。三边测量原理接收机通过与至少4颗GPS卫星的伪距测量,利用三边测量原理可以确定自身的三维坐标位置。这是GPS定位的基本原理。信号处理技术为了从收到的卫星信号中提取出高精度的伪距测量数据,需要采用复杂的信号跟踪和数据处理技术。这是GPS接收机的核心功能之一。差分定位提高定位精度差分定位通过比较接收机接收的卫星信号与基准站接收的卫星信号,计算出位置误差并进行修正,从而提高定位精度。基准站校正基准站的位置已知,其接收到的卫星信号可以作为参考,用于校正移动接收机的测量结果。两种模式差分定位分为实时模式和后处理模式,前者可以实时提供更精确的定位,后者需要后续数据处理。广泛应用差分定位广泛应用于测绘、导航、农业、运输等领域,提升了这些领域的定位精度和可靠性。惯性导航自主定位不依赖外部参考信号,可独立进行定位导航,适用于无信号覆盖区域。惯性测量基于惯性测量单元(加速度计和陀螺仪)连续测量物体的速度和角度变化。数学模型通过复杂的数学模型和算法,将惯性测量数据转换为位置和航向信息。导航接收机1接收机组成导航接收机主要由天线、前端、信号处理器和计算模块等部分组成，可以接收和处理来自卫星的导航信号。2信号跟踪接收机使用跟踪环路持续lock住收到的卫星信号，并测量其伪距和载波相位信息。3数据处理接收机通过复杂的算法处理测量数据，计算出最终的位置、速度和时间解算结果。接收机组成天线接收机的天线用于捕获来自全球导航卫星的微弱信号。不同应用场景对天线的要求也各不相同。射频前端射频前端负责接收、放大和滤波来自天线的导航信号。这一部分决定了接收机的灵敏度和选择性。导航处理器导航处理器是接收机的核心部件,用于进行接收信号的跟踪、测距和位置计算等。其性能直接决定了定位的精度。时间基准高精度的时间基准单元可以提高接收机的定位精度,通常采用原子钟技术。信号跟踪码跟踪接收机利用码跟踪环路追踪和锁定码相位,获取导航信号的时间信息。载波跟踪接收机利用载波跟踪环路跟踪和锁定载波频率,获取信号的频率信息。多径跟踪接收机利用多径抑制技术,减小多径效应对定位精度的影响。数据处理信号捕获导航接收机需要捕获来自卫星的微弱信号,并进行放大、滤波和数字化处理。数据提取从捕获的信号中提取导航数据,如卫星轨道、时间信息等,为后续的定位计算做准备。位置计算通过导航算法,如伪距测量、差分定位等,将提取的数据转换为用户的位置和时间信息。导航应用领域交通领域导航技术广泛应用于车载导航系统、城市交通管理、货运配送等领域，提升出行效率和交通管理智能化。测绘领域导航系统可支持精准的地理信息采集和测量作业，助力地图制作、工程勘测等专业领域。农业领域导航技术可用于农机自动驾驶、田间作业监测和农产品溯源等智慧农业应用，提高农业生产效率。军事领域导航技术为军事行动、装备管控和情报收集等提供精准定位支持，是现代战争不可或缺的基础。交通领域1智能交通管理导航系统可用于交通信号灯控制和动态路径规划,优化车辆行驶路径,减少拥堵。2行车安全监测结合GPS和惯性导航,可实时监测车辆行驶状况,预警碰撞风险,提高行车安全。3公共交通调度利用导航信息优化公交线路和班次调度,提高公共交通服务效率。4自动驾驶支持导航技术为自动驾驶汽车提供精准的定位和导航功能,推动自动驾驶的发展。测绘领域高精度数据采集GNSS导航系统可为测绘工作提供高精度的位置数据和导航服务,大幅提高地图绘制和空间数据采集的效率和质量。实时监测跟踪导航技术支持对测绘对象的实时定位和监测跟踪,例如测绘施工进度、动态地质灾害等。自动化测绘导航系统可为无人机、自动驾驶测绘车等自动化测绘装备提供精准的导航定位,实现全自动化测绘。农业领域卫星导航利用全球导航卫星系统(GNSS)提供的定位服务,为农业生产提供精准的位置信息。农业机械应用导航技术实现农业机械的自动化作业,提高作业效率和生产精度。精准农业通过导航数据结合其他传感信息,实现土地、作物、肥料的精细化管理。军事领域精确定位与制导导航系统在军事领域发挥着至关重要的作用,可提供高精度定位信息,支持导弹制导、飞行器导航和地面部队编队等。无人系统引导军事无人机、机器人等自主系统广泛应用导航技术,实现精确无人化作战,减少人员伤亡风险。导航系统误差源卫星钟差卫星载载的原子钟存在一定的误差,这会影响卫星发出信号的精确时间,从而导致定位精度下降。电离层延迟电离层中的电子会影响导航信号在传播过程中的传播速度,造成接收机测量距离产生误差。多径效应导航信号会在传播过程中受到反射和散射,使接收机接收到多条信号路径,产生定位误差。接收机噪声接收机自身的热噪声和电子噪声会影响信号的跟踪和测距精度,从而影响定位性能。卫星钟差1时间同步问题由于卫星原子钟与地面基准时钟存在误差,需要进行时间同步校正。2相对论效应修正卫星高速飞行以及重力场不同会产生相对论效应,需要进行相应修正。3电离层和对流层影响电离层和对流层会引起信号传播延迟,需要采用合适模型进行补偿。4精密星历数据利用地面监测站数据实时更新卫星轨道和钟差信息以提高定位精度。电离层延迟信号传播延迟导航信号在穿过电离层时会遇到延迟,因为电离层内存在大量自由电子,会改变信号的传播速度。受太阳活动影响电离层密度会随着太阳活动的变化而变化,从而导致信号延迟的不确定性。需要电离层模型修正通过建立电离层模型可以估计并补偿这种延迟,提高定位精度。多径效应什么是多径效应？多径效应是导航信号在传播过程中遇到障碍物而产生的反射信号,与直射信号产生干扰的现象。这会导致导航精度下降。如何应对多径效应？通过使用先进的信号跟踪技术和多径抑制算法,可以有效减少多径效应对定位精度的影响。同时选择安装环境良好的接收机也很重要。接收机噪声噪声源接收机中不可避免会产生各种电子噪声,主要包括热噪声、放大器噪声和数字噪声等。这些噪声会降低信号检测的灵敏度。噪声分析通过噪声分析仪等仪器可以测量和分析接收机中各部分的噪声水平,从而识别和消除噪声的主要来源。抑制措施采用低噪声放大器、屏蔽电路、滤波器等措施可以有效降低接收机的噪声水平,提高系统的信噪比。导航系统精度评估水平定位精度水平位置误差是导航系统最重要的性能指标之一，它反映了系统在水平面上的定位精度。垂直定位精度垂直位置误差反映了系统在高度测量方面的精确程度，对于一些应用场景非常关键。时间精度高精度的时间同步是导航系统的基础，能为各种时间敏感应用提供支持。水平定位精度精确定位水平定位精度反映了导航系统确定水平位置的准确性。这一指标是衡量导航系统性能的关键指标之一。影响因素水平定位精度受诸多因素影响,包括卫星几何分布、电离层延迟、多径效应等。优化这些因素可提高定位精度。精度标准不同导航系统有不同的水平定位精度要求,如民用GPS要求在水平定位95%信任水平下小于7.8米。应用场景水平定位精度对交通引导、测绘制图、精准农业等领域至关重要。精度越高,应用场景越广泛。垂直定位精度精确测量高度垂直定位精度反映了导航系统确定目标物高度的能力。精准的高度测量有助于确保飞行安全和进行精确的工程测绘。影响因素垂直精度受到卫星几何分布、电离层延迟、多路径效应等诸多因素的影响。需要采取多种技术手段来提高垂直定位的可靠性。应用需求高精度的垂直定位在航空、海事、农业等领域有重要应用。满足不同场景的高低程要求是导航系统持续优化的目标。时间精度高精度时钟导航系统需要超高精度的原子钟提供精准的时间信息,确保时间误差在纳秒级以内。信号传播时延导航信号从卫星传播到接收机存在一定的时延,需要精确建模补偿。时间精度评估导航系统时间精度通常用标准差或概率分布来评估,确保达到要求的精度水平。导航系统保障1系统完整性确保导航系统持续稳定运行,提供高质量的位置、导航和时间服务。2系统可靠性设计冗余备份机制,确保系统能抵抗各种故障和干扰。3系统可用性提供持续不中断的服务,确保用户随时随地都能获得导航信号。系统完整性持续监测导航系统需要持续监测卫星运行状态,及时发现异常情况并采取补救措施,确保系统完整性。实时预警系统需具备故障预警功能,及时向用户发出预警信号,避免出现服务中断或故障。系统冗余备用设备和自动切换机制确保系统具备足够的冗余性,即使出现单点故障也能维持正常运行。系统可靠性系统冗余设计导航系统采用了多颗卫星和地面子系统的冗余设计,保障了在某些部件出现故障时系统仍然能够正常工作。信号冗余性通过重复发送导航信号,即使某些信号被干扰或遮蔽,接收机仍能获取足够数量的信号进行定位计算。故障检测和隔离系统内置了故障检测和隔离机制,一旦发现故障会及时向用户发出警报,并将故障部件隔离,保证整体系统的可靠性。系统可用性动态监测导航系统需要实时监测各项关键指标,以确保随时可用。任何故障或异常都应能够被及时发现和修复。冗余备份关键系统组件应该设有冗余备份,确保即使发生故障,服务也能持续不中断。备用系统应能及时启用。多源融合通过融合不同导航系统的数据,可以提高整体的可用性和可靠性,降低单一系统故障的影响。用户反馈及时收集并分析用户对系统可用性的反馈,对持续优化很有帮助。系统应提供便捷的反馈渠道。未来发展趋势1多系统融合整合GPS、北斗等多种导航系统2高精度导航利用RTK等技术实现厘米级定位3室内导航结合惯性传感器突破室内环境限制4自主导航利用机器学习实现完全自主的导航导航技术正朝着多系统协同融合、高精度定位、室内外协同、智能化自主导航的方向发展。这将进一步提高导航系统的可靠性、精度和适用性,