南理工導(dǎo)航6-2014

1、1導(dǎo)航技術(shù)基礎(chǔ)（導(dǎo)航技術(shù)基礎(chǔ)（6）教師：李 勝E-mail: Blog: http:/ n安裝在基準(zhǔn)站上的安裝在基準(zhǔn)站上的GPS接收機(jī)觀測(cè)接收機(jī)觀測(cè)4顆衛(wèi)星顆衛(wèi)星后便可進(jìn)行三維定位，解算出基準(zhǔn)站的坐后便可進(jìn)行三維定位，解算出基準(zhǔn)站的坐標(biāo)。標(biāo)。n求取解算出的坐標(biāo)與基準(zhǔn)站的已知坐標(biāo)之求取解算出的坐標(biāo)與基準(zhǔn)站的已知坐標(biāo)之間的誤差。間的誤差。n基準(zhǔn)站利用數(shù)據(jù)鏈將此改正數(shù)發(fā)送出去，基準(zhǔn)站利用數(shù)據(jù)鏈將此改正數(shù)發(fā)送出去，由用戶站接收，并且對(duì)其解算的用戶站坐由用戶站接收，并且對(duì)其解算的用戶站坐標(biāo)進(jìn)行改正。標(biāo)進(jìn)行改正。 n作用范圍作用范圍100km以內(nèi)以內(nèi)5偽距差分原理偽距差分原理n在基準(zhǔn)站上的接收機(jī)要求得它至

2、可見衛(wèi)星在基準(zhǔn)站上的接收機(jī)要求得它至可見衛(wèi)星的距離，并將此計(jì)算出的距離與含有誤差的距離，并將此計(jì)算出的距離與含有誤差的測(cè)量值的測(cè)量值 加以比較。利用一個(gè)加以比較。利用一個(gè)-濾波器將濾波器將此差值濾波并求出其偏差。此差值濾波并求出其偏差。n將所有衛(wèi)星的測(cè)距誤差傳輸將所有衛(wèi)星的測(cè)距誤差傳輸 給用戶，用戶給用戶，用戶利用此測(cè)距誤差來(lái)改正測(cè)量的偽距。利用此測(cè)距誤差來(lái)改正測(cè)量的偽距。n用戶利用改正后的偽距來(lái)解出本身的位置，用戶利用改正后的偽距來(lái)解出本身的位置， 就可消去公共誤差，提高定位精度。就可消去公共誤差，提高定位精度。6載波相位差分技術(shù)載波相位差分技術(shù)n稱為稱為RTK技術(shù)（技術(shù)（real time

3、 kinematic），），n由基準(zhǔn)站通過(guò)數(shù)據(jù)鏈實(shí)時(shí)將其載波觀測(cè)量由基準(zhǔn)站通過(guò)數(shù)據(jù)鏈實(shí)時(shí)將其載波觀測(cè)量及站坐標(biāo)信息一同傳送給用戶站。用戶站及站坐標(biāo)信息一同傳送給用戶站。用戶站接收接收GPS衛(wèi)星的載波相位衛(wèi)星的載波相位 與來(lái)自基準(zhǔn)站的與來(lái)自基準(zhǔn)站的載波相位，并組成相位差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)載波相位，并組成相位差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，能實(shí)時(shí)給出厘米級(jí)的定位結(jié)果。時(shí)處理，能實(shí)時(shí)給出厘米級(jí)的定位結(jié)果。n實(shí)現(xiàn)載波相位差分實(shí)現(xiàn)載波相位差分GPS的方法分為兩類：的方法分為兩類：修正法修正法和和差分法差分法。7三種差分三種差分GPS定位方法的比較定位方法的比較n位置差分的先決條件是基準(zhǔn)站和用戶站觀測(cè)同一位置差分的先

4、決條件是基準(zhǔn)站和用戶站觀測(cè)同一組衛(wèi)星的情況。適用于用戶與基準(zhǔn)站間距離在組衛(wèi)星的情況。適用于用戶與基準(zhǔn)站間距離在100km以內(nèi)的情況。以內(nèi)的情況。n偽距差分能將兩站公共誤差抵消，但隨著用戶到偽距差分能將兩站公共誤差抵消，但隨著用戶到基準(zhǔn)站距離的增加又基準(zhǔn)站距離的增加又 出現(xiàn)了系統(tǒng)誤差。用戶和基出現(xiàn)了系統(tǒng)誤差。用戶和基準(zhǔn)站之間的距離對(duì)精度有決定性影響。準(zhǔn)站之間的距離對(duì)精度有決定性影響。n載波相位差分是建立在實(shí)時(shí)處理兩個(gè)測(cè)站的載波載波相位差分是建立在實(shí)時(shí)處理兩個(gè)測(cè)站的載波相位基礎(chǔ)上的。它能實(shí)時(shí)提供觀測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，相位基礎(chǔ)上的。它能實(shí)時(shí)提供觀測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并達(dá)到厘米級(jí)的高精度。并達(dá)到厘米級(jí)的高精度

5、。8按照差分按照差分GPS工作模式分類工作模式分類n局域差分（局域差分（LADGPS Local Area DGPS）單基準(zhǔn)站差分單基準(zhǔn)站差分多基準(zhǔn)站差分多基準(zhǔn)站差分n廣域差分（廣域差分（WADGPS Wide Area DGPS）9單基準(zhǔn)站差分單基準(zhǔn)站差分v結(jié)構(gòu)：一個(gè)基準(zhǔn)站、數(shù)據(jù)通訊鏈和用戶結(jié)構(gòu)：一個(gè)基準(zhǔn)站、數(shù)據(jù)通訊鏈和用戶v特點(diǎn)特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)、模型簡(jiǎn)單優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)、模型簡(jiǎn)單缺點(diǎn)：差分范圍小，精度隨距基準(zhǔn)站距缺點(diǎn)：差分范圍小，精度隨距基準(zhǔn)站距離的增加而下降，可靠性低離的增加而下降，可靠性低10多基準(zhǔn)站差分多基準(zhǔn)站差分v結(jié)構(gòu)：多個(gè)基準(zhǔn)站、數(shù)據(jù)通訊鏈和用戶結(jié)構(gòu)：多個(gè)基準(zhǔn)站、數(shù)據(jù)通訊鏈和用戶v特點(diǎn)特

6、點(diǎn)n優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：差分精度高、可靠性高，差分差分精度高、可靠性高，差分范圍增大范圍增大n缺點(diǎn)：差分范圍仍然有限，模型不完缺點(diǎn)：差分范圍仍然有限，模型不完善善11廣域差分廣域差分v結(jié)構(gòu)：多個(gè)基準(zhǔn)站、數(shù)據(jù)通訊鏈和用戶結(jié)構(gòu)：多個(gè)基準(zhǔn)站、數(shù)據(jù)通訊鏈和用戶v特點(diǎn)特點(diǎn)v優(yōu)點(diǎn)：差分精度高、差分精度與距離無(wú)優(yōu)點(diǎn)：差分精度高、差分精度與距離無(wú)關(guān)、差分范圍大關(guān)、差分范圍大v缺點(diǎn)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、建設(shè)費(fèi)用高缺點(diǎn)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、建設(shè)費(fèi)用高12慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）nInertial Navigation Systemn一種利用慣性敏感器件、基準(zhǔn)方向及最初一種利用慣性敏感器件、基準(zhǔn)方向及最初的位置信息來(lái)確定運(yùn)

7、載體在慣性空間中的的位置信息來(lái)確定運(yùn)載體在慣性空間中的位置、方向和速度的自主式導(dǎo)航系統(tǒng)。有位置、方向和速度的自主式導(dǎo)航系統(tǒng)。有時(shí)簡(jiǎn)稱為慣導(dǎo)。時(shí)簡(jiǎn)稱為慣導(dǎo)。13慣性空間慣性空間n慣性空間是符合牛頓力學(xué)定律的空間，是慣性空間是符合牛頓力學(xué)定律的空間，是絕對(duì)靜止或只作勻速直線運(yùn)動(dòng)的空間。絕對(duì)靜止或只作勻速直線運(yùn)動(dòng)的空間。14慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的基本工作原理慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的基本工作原理n以牛頓力學(xué)定律為基礎(chǔ)以牛頓力學(xué)定律為基礎(chǔ)n通過(guò)慣性儀表測(cè)量載體在慣性參考系的加通過(guò)慣性儀表測(cè)量載體在慣性參考系的加速度；速度；n將它對(duì)時(shí)間進(jìn)行將它對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分積分，且把它變換到導(dǎo)航，且把它變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系；坐標(biāo)系；n得到在導(dǎo)

8、航坐標(biāo)系中的速度、偏航角和位得到在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的速度、偏航角和位置等信息。置等信息。 15平面慣性導(dǎo)航系統(tǒng)原理圖平面慣性導(dǎo)航系統(tǒng)原理圖16慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)n隱蔽性好且不受外界電磁干擾的影響；隱蔽性好且不受外界電磁干擾的影響；n可全天侯、全時(shí)間地工作于空中、地球表可全天侯、全時(shí)間地工作于空中、地球表面乃至水下；面乃至水下；n所產(chǎn)生的導(dǎo)航信息全面、連續(xù)性好而且噪所產(chǎn)生的導(dǎo)航信息全面、連續(xù)性好而且噪聲低；聲低；n數(shù)據(jù)更新率高、短期精度和穩(wěn)定性好；數(shù)據(jù)更新率高、短期精度和穩(wěn)定性好；17慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的缺點(diǎn)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的缺點(diǎn)n定位誤差隨時(shí)間而增大長(zhǎng)期精度差；定位誤差隨時(shí)間而增大長(zhǎng)期精度

9、差；n每次使用之前需要較長(zhǎng)的初始對(duì)準(zhǔn)時(shí)間；每次使用之前需要較長(zhǎng)的初始對(duì)準(zhǔn)時(shí)間；n設(shè)備的價(jià)格較昂貴；設(shè)備的價(jià)格較昂貴；n不能給出時(shí)間信息；不能給出時(shí)間信息；18慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)n慣性測(cè)量?jī)x表慣性測(cè)量?jī)x表：用來(lái)測(cè)量載體運(yùn)動(dòng)的線加速度和：用來(lái)測(cè)量載體運(yùn)動(dòng)的線加速度和角速度信息；角速度信息；n慣導(dǎo)平臺(tái)慣導(dǎo)平臺(tái)：用來(lái)模擬一個(gè)導(dǎo)航坐標(biāo)系，把加速度：用來(lái)模擬一個(gè)導(dǎo)航坐標(biāo)系，把加速度計(jì)的測(cè)量軸穩(wěn)定在導(dǎo)航坐標(biāo)系，并用模擬的方法計(jì)的測(cè)量軸穩(wěn)定在導(dǎo)航坐標(biāo)系，并用模擬的方法給出載體的姿態(tài)和方位信息；給出載體的姿態(tài)和方位信息；n導(dǎo)航計(jì)算機(jī)導(dǎo)航計(jì)算機(jī)：完成導(dǎo)航計(jì)算和平臺(tái)跟蹤回路中指：完成導(dǎo)航計(jì)

10、算和平臺(tái)跟蹤回路中指令角速度信號(hào)的計(jì)算；令角速度信號(hào)的計(jì)算；n輸入輸出單元輸入輸出單元：給定初始參數(shù)及系統(tǒng)需要的其他：給定初始參數(shù)及系統(tǒng)需要的其他參數(shù)，并顯示各種導(dǎo)航信息；參數(shù)，并顯示各種導(dǎo)航信息；19慣性導(dǎo)航系統(tǒng)坐標(biāo)系慣性導(dǎo)航系統(tǒng)坐標(biāo)系n地球坐標(biāo)系（地球坐標(biāo)系（xe,ye,ze）WGS84坐標(biāo)系坐標(biāo)系原點(diǎn)地球質(zhì)心，原點(diǎn)地球質(zhì)心，z軸指向地球軸指向地球北極方向，北極方向，x軸指向格林威治軸指向格林威治子午線與赤道交點(diǎn)，子午線與赤道交點(diǎn)，y軸構(gòu)成軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系；右手坐標(biāo)系；n地理坐標(biāo)系（地理坐標(biāo)系（ xg,yg,zg ）原點(diǎn)位于運(yùn)載體質(zhì)心，原點(diǎn)位于運(yùn)載體質(zhì)心，x軸沿軸沿當(dāng)?shù)鼐暰€指向東；當(dāng)?shù)鼐暰€

11、指向東；y軸沿當(dāng)?shù)剌S沿當(dāng)?shù)刈游缇€指向北；子午線指向北；z軸沿當(dāng)?shù)氐剌S沿當(dāng)?shù)氐乩泶咕€指向天，因此也稱為理垂線指向天，因此也稱為（東北天坐標(biāo)系）；（東北天坐標(biāo)系）；20慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的分類（一）慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的分類（一）n按照導(dǎo)航系統(tǒng)采用的導(dǎo)航坐標(biāo)系不同，可按照導(dǎo)航系統(tǒng)采用的導(dǎo)航坐標(biāo)系不同，可以將導(dǎo)航系統(tǒng)分為：以將導(dǎo)航系統(tǒng)分為：當(dāng)?shù)厮綉T導(dǎo)系統(tǒng)當(dāng)?shù)厮綉T導(dǎo)系統(tǒng)：采用當(dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)系作為：采用當(dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)系作為導(dǎo)航坐標(biāo)系；如指北方位慣導(dǎo)系統(tǒng)；游動(dòng)方位導(dǎo)航坐標(biāo)系；如指北方位慣導(dǎo)系統(tǒng)；游動(dòng)方位慣導(dǎo)系統(tǒng)；慣導(dǎo)系統(tǒng)；空間穩(wěn)定慣導(dǎo)系統(tǒng)空間穩(wěn)定慣導(dǎo)系統(tǒng)：導(dǎo)航坐標(biāo)系采用地球坐標(biāo)：導(dǎo)航坐標(biāo)系采用地球坐標(biāo)系，即慣導(dǎo)平臺(tái)穩(wěn)定

12、在慣性空間，這種慣導(dǎo)平系，即慣導(dǎo)平臺(tái)穩(wěn)定在慣性空間，這種慣導(dǎo)平臺(tái)只有穩(wěn)定回路，不需要跟蹤回路；臺(tái)只有穩(wěn)定回路，不需要跟蹤回路；21慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的分類（二）慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的分類（二）n按照慣性導(dǎo)航儀表的安裝方式，可以將慣按照慣性導(dǎo)航儀表的安裝方式，可以將慣性導(dǎo)航系統(tǒng)分為：性導(dǎo)航系統(tǒng)分為：平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)：將陀螺儀和加速度計(jì)安：將陀螺儀和加速度計(jì)安裝在一個(gè)穩(wěn)定平臺(tái)上，以平臺(tái)坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，裝在一個(gè)穩(wěn)定平臺(tái)上，以平臺(tái)坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，測(cè)量運(yùn)載體運(yùn)動(dòng)參數(shù)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)；測(cè)量運(yùn)載體運(yùn)動(dòng)參數(shù)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)；捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)：加速度計(jì)和陀螺儀直接：加速度計(jì)和陀螺儀直接安裝在運(yùn)

13、動(dòng)載體上，慣導(dǎo)平臺(tái)的功能由計(jì)算機(jī)安裝在運(yùn)動(dòng)載體上，慣導(dǎo)平臺(tái)的功能由計(jì)算機(jī)來(lái)完成，有時(shí)也稱作來(lái)完成，有時(shí)也稱作“數(shù)學(xué)平臺(tái)數(shù)學(xué)平臺(tái)”；22平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)原理圖平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)原理圖23捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)原理圖捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)原理圖24慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的工作過(guò)程慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的工作過(guò)程n標(biāo)定標(biāo)定：確定加速度計(jì)敏感的比力和陀螺儀敏感的：確定加速度計(jì)敏感的比力和陀螺儀敏感的角速率與實(shí)際的比力和角速率之間的關(guān)系，提供角速率與實(shí)際的比力和角速率之間的關(guān)系，提供正確表達(dá)加速度計(jì)和陀螺儀輸出的系數(shù)。正確表達(dá)加速度計(jì)和陀螺儀輸出的系數(shù)。n初始對(duì)準(zhǔn)初始對(duì)準(zhǔn)：確定每個(gè)加速度計(jì)輸入軸的方向或者：確定每個(gè)加速度計(jì)輸入軸的方向或者捷聯(lián)矩

14、陣的初始值；捷聯(lián)矩陣的初始值；n狀態(tài)初始化狀態(tài)初始化：確定導(dǎo)航坐標(biāo)系中比力二重積分的：確定導(dǎo)航坐標(biāo)系中比力二重積分的積分常數(shù)（初始速度和初始位置）積分常數(shù)（初始速度和初始位置）n當(dāng)前狀態(tài)計(jì)算當(dāng)前狀態(tài)計(jì)算：根據(jù)加速度計(jì)和陀螺儀輸出，按：根據(jù)加速度計(jì)和陀螺儀輸出，按照力學(xué)方程組實(shí)時(shí)解算并提供載體的速度、位置照力學(xué)方程組實(shí)時(shí)解算并提供載體的速度、位置和姿態(tài)角等導(dǎo)航參數(shù)信息；和姿態(tài)角等導(dǎo)航參數(shù)信息；25慣性測(cè)量?jī)x表慣性測(cè)量?jī)x表n慣性測(cè)量?jī)x表是指陀螺儀、加速度計(jì)和陀慣性測(cè)量?jī)x表是指陀螺儀、加速度計(jì)和陀螺儀與加速度計(jì)的組合裝置。螺儀與加速度計(jì)的組合裝置。陀螺儀用來(lái)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)載體在慣性空間中的角運(yùn)動(dòng)；陀螺儀用

15、來(lái)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)載體在慣性空間中的角運(yùn)動(dòng)；加速度計(jì)用來(lái)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)載體在慣性空間中的線運(yùn)動(dòng)；加速度計(jì)用來(lái)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)載體在慣性空間中的線運(yùn)動(dòng)；n“慣性級(jí)慣性級(jí)”慣性儀表慣性儀表是指精度能夠滿足慣是指精度能夠滿足慣性系統(tǒng)最基本要求，并且能夠用于導(dǎo)航系性系統(tǒng)最基本要求，并且能夠用于導(dǎo)航系統(tǒng)的慣性儀表。統(tǒng)的慣性儀表。慣性級(jí)陀螺儀的隨機(jī)漂移率小于慣性級(jí)陀螺儀的隨機(jī)漂移率小于0.015 /h；慣性級(jí)加速度計(jì)的隨機(jī)漂移率小于慣性級(jí)加速度計(jì)的隨機(jī)漂移率小于10-4g/h；26陀螺儀（陀螺儀（gyroscope）n在古希臘語(yǔ)中，在古希臘語(yǔ)中，Gyroscope表示旋轉(zhuǎn)敏感表示旋轉(zhuǎn)敏感器器n陀螺儀是一種用于測(cè)量運(yùn)載體旋轉(zhuǎn)角速

16、度陀螺儀是一種用于測(cè)量運(yùn)載體旋轉(zhuǎn)角速度和角度的慣性測(cè)量?jī)x表；和角度的慣性測(cè)量?jī)x表；n經(jīng)典陀螺儀具有高速旋轉(zhuǎn)的剛體轉(zhuǎn)子，現(xiàn)經(jīng)典陀螺儀具有高速旋轉(zhuǎn)的剛體轉(zhuǎn)子，現(xiàn)在陀螺儀這一名稱已推廣到?jīng)]有剛體轉(zhuǎn)子在陀螺儀這一名稱已推廣到?jīng)]有剛體轉(zhuǎn)子而與經(jīng)典陀螺儀而與經(jīng)典陀螺儀功能相同功能相同的儀表；的儀表；27陀螺儀：定義、緣起陀螺儀：定義、緣起陀螺：陀螺： 繞自身對(duì)稱軸高速旋轉(zhuǎn)的剛體繞自身對(duì)稱軸高速旋轉(zhuǎn)的剛體 陀螺儀：陀螺儀：陀螺陀螺 + + 支撐及輔助裝置，支撐及輔助裝置，實(shí)現(xiàn)某種測(cè)量功能實(shí)現(xiàn)某種測(cè)量功能 從玩具陀螺說(shuō)起從玩具陀螺說(shuō)起 高速旋轉(zhuǎn)的陀螺具有定軸性高速旋轉(zhuǎn)的陀螺具有定軸性 定軸性易被破壞定軸性易被

17、破壞 破壞（干擾）因素破壞（干擾）因素 非對(duì)稱支撐帶來(lái)的干擾力矩非對(duì)稱支撐帶來(lái)的干擾力矩 旋轉(zhuǎn)受到的摩擦力旋轉(zhuǎn)受到的摩擦力 28地球自轉(zhuǎn)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)地球自轉(zhuǎn)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)n傅科擺（傅科擺（1851年）年）L=67mM=28kg傅科傅科(1819-1868)2930陀螺的定軸性陀螺的定軸性n陀螺的定軸性表現(xiàn)在它陀螺的定軸性表現(xiàn)在它的轉(zhuǎn)軸相對(duì)于慣性空間的轉(zhuǎn)軸相對(duì)于慣性空間是恒定不變的。是恒定不變的。n傅科傅科(1819-1868) ：法：法國(guó)地球物理學(xué)家，國(guó)地球物理學(xué)家，1852年發(fā)現(xiàn)并試圖將年發(fā)現(xiàn)并試圖將其用于驗(yàn)證地球自轉(zhuǎn)；其用于驗(yàn)證地球自轉(zhuǎn)；但由于當(dāng)時(shí)技術(shù)水平限但由于當(dāng)時(shí)技術(shù)水平限制，實(shí)驗(yàn)僅僅持續(xù)了制，實(shí)驗(yàn)僅僅持續(xù)了510分鐘；分鐘；31慣性導(dǎo)航對(duì)陀螺儀的要求慣性導(dǎo)航對(duì)陀螺儀的要求n1. 測(cè)量精度測(cè)量精度：陀螺儀的精度直接決定慣性：陀螺儀的精度直接決定慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的精度；導(dǎo)航系統(tǒng)的精度；n2. 測(cè)量范圍測(cè)量范圍：對(duì)于速率陀螺而言，測(cè)量范：對(duì)于速率陀螺而言，測(cè)量范圍是指最大測(cè)量角速度與最小測(cè)量角速度圍是指最大測(cè)量角速度與最小測(cè)量