無線電導(dǎo)航原理與系統(tǒng)11課件

1、無線電導(dǎo)航原理與系統(tǒng)主講：黃智剛教授、李銳 講師 2009年09月 第一章 緒論一. 概述 導(dǎo)航的來源導(dǎo)航來源于人類交通和軍事活動(dòng)對方位或位置識別的需求，其目的是要解決：“我現(xiàn)在在哪里？”“我向哪里去？”導(dǎo)航的定義與任務(wù) 概念：引導(dǎo)各種運(yùn)載體（飛機(jī)、船舶、車輛等）以及個(gè)人按既定航線航行的過程稱為導(dǎo)航，它是保證運(yùn)載體安全、準(zhǔn)確地沿著選定路線，準(zhǔn)時(shí)到達(dá)目的地的一種手段 一. 概述 一. 概述 早期的導(dǎo)航手段地形地物指南車、計(jì)里鼓天文導(dǎo)航磁羅盤指南針推算導(dǎo)航慣性導(dǎo)航一. 概述 早期導(dǎo)航的缺點(diǎn)受天氣、季節(jié)、能見度和環(huán)境的制約導(dǎo)航精度低下導(dǎo)航區(qū)域有限（空中、海上或地面）安全性和準(zhǔn)確性不高一. 概述無線電

2、導(dǎo)航的發(fā)明及特點(diǎn) 無線電導(dǎo)航系統(tǒng)一般由裝在運(yùn)載體上的導(dǎo)航設(shè)備和設(shè)在地面或衛(wèi)星上的導(dǎo)航臺(tái)（站）組成通過在導(dǎo)航設(shè)備和導(dǎo)航臺(tái)站之間的無線電信號傳播和通信獲得導(dǎo)航信息，給飛機(jī)或船只指示出它們的實(shí)時(shí)位置或方位使運(yùn)載體在不同的運(yùn)動(dòng)空間和環(huán)境、不同的氣象氣候條件下都能夠順利地完成導(dǎo)航任務(wù)一. 概述無線電導(dǎo)航具有以下特點(diǎn)：受外界條件（如晝夜、季節(jié)、氣象、環(huán)境等）的限制較小。測量導(dǎo)航參數(shù)的精度較高，測量速度快。系統(tǒng)體積小、重量輕，可靠性高。系統(tǒng)價(jià)廉經(jīng)濟(jì)，易于推廣和流行。二. 無線電導(dǎo)航的基本知識 無線電導(dǎo)航的任務(wù)一般包括以下4個(gè)方面：導(dǎo)引運(yùn)載體沿既定航線航行；確定運(yùn)載體當(dāng)前所處的位置及其航行參數(shù)，包括航向、速度

3、、姿態(tài)等實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；導(dǎo)引運(yùn)載體在夜間和復(fù)雜氣象條件下的安全著陸或進(jìn)港；保證運(yùn)載體準(zhǔn)確、安全地完成航行任務(wù)所需要的其它導(dǎo)引任務(wù)。二. 無線電導(dǎo)航的基本知識導(dǎo)航系統(tǒng)的分類按所測量的電氣參量 振幅式，相位式，頻率式，脈沖（時(shí)間）式，復(fù)合式 按所測量的幾何參量 測角 ，測距 ，測距差 按系統(tǒng)的組成情況 自主式（自備式） ，非自主式（它備式） 按無線電導(dǎo)航臺(tái)（站）的安裝地點(diǎn) 陸基 ，空基，星基按有效作用距離 近程 ，遠(yuǎn)程按工作方式 有源 ，無源二. 無線電導(dǎo)航的基本知識無線電導(dǎo)航系統(tǒng)的性能及技術(shù)指標(biāo) 設(shè)計(jì)或衡量一個(gè)無線電導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)，其精度、覆蓋范圍及系統(tǒng)容量是首先需要考慮的，它們反映了導(dǎo)航系統(tǒng)所能提供

4、的導(dǎo)航信息的準(zhǔn)確性、可服務(wù)區(qū)域、用戶數(shù)量方面的性能；而其它的導(dǎo)航參數(shù)對導(dǎo)航用戶也是重要的，尤其對于航空用戶來說，是保障飛行安全、高效所必不可少的。 二. 無線電導(dǎo)航的基本知識精度：導(dǎo)航系統(tǒng)的精度是指系統(tǒng)為運(yùn)載體所提供的位置與運(yùn)載體當(dāng)時(shí)的真實(shí)位置之間的誤差大小 ，常用均方誤差（RMS ），圓概率誤差（CEP ）。覆蓋范圍：一個(gè)面積或立體空間，那里的導(dǎo)航信號能夠使導(dǎo)航用戶以規(guī)定的精度定出運(yùn)載體的位置。 系統(tǒng)容量：導(dǎo)航系統(tǒng)的覆蓋范圍內(nèi)，系統(tǒng)同時(shí)可提供定位服務(wù)的用戶的數(shù)量。 二. 無線電導(dǎo)航的基本知識導(dǎo)航信息更新率：導(dǎo)航系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)可為運(yùn)載體提供定位或其他導(dǎo)航數(shù)據(jù)的次數(shù)。 系統(tǒng)完好性：完好性也稱完

5、善性或完備性、完整性等，是指當(dāng)導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)生故障或誤差變化超出了允許的范圍，不能提供可用的導(dǎo)航服務(wù)時(shí)，系統(tǒng)能夠及時(shí)向用戶發(fā)出告警的能力 。二. 無線電導(dǎo)航的基本知識連續(xù)性：運(yùn)載體在某特定的運(yùn)行階段，導(dǎo)航系統(tǒng)能夠提供規(guī)定的定位引導(dǎo)功能而不發(fā)生中斷的能力，表明了系統(tǒng)可連續(xù)提供導(dǎo)航服務(wù)的性能。 可用性：是指當(dāng)導(dǎo)航系統(tǒng)和用戶設(shè)備都正常工作時(shí)，系統(tǒng)為運(yùn)載體提供可用的導(dǎo)航服務(wù)時(shí)間與該航行階段時(shí)間的百分比 可靠性：指系統(tǒng)在給定使用條件下，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)以規(guī)定的性能完成其功能的概率 三.無線電導(dǎo)航的應(yīng)用及發(fā)展歷史 綜觀無線電導(dǎo)航的發(fā)明和發(fā)展史，一般都是通過單獨(dú)或相互搭配地應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)為運(yùn)載體提供實(shí)時(shí)方位或定位信息

6、的目的。到目前為止，人們主要使用的還是陸基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，包括：為航空服務(wù)的伏爾（VOR）、測距器（DME）、塔康（TACAN）、航空無線電信標(biāo)（Aeronautical Radiobeacon）、儀表著陸系統(tǒng)（ILS）、微波著陸系統(tǒng)（MLS）、精密進(jìn)近雷達(dá)（PAR）等； 主要為航海服務(wù)的羅蘭C（LoranC）、航海無線電信標(biāo)（Maritime Radiobeacon）三.無線電導(dǎo)航的應(yīng)用及發(fā)展歷史 最近20年間，以GPS為主導(dǎo)的衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)獲得了飛速發(fā)展，在各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用 三.無線電導(dǎo)航的應(yīng)用及發(fā)展歷史總的來講，無線電導(dǎo)航的發(fā)展歷程經(jīng)歷了三個(gè)典型的發(fā)展階段：從以定向?yàn)橹鞯脑缙陔A段，

7、到全面開展、日趨完善的發(fā)展階段，再到現(xiàn)在衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用普及、多導(dǎo)航手段并舉的成熟階段。三.無線電導(dǎo)航的應(yīng)用及發(fā)展歷史早期階段 時(shí)間從20世紀(jì)初至第二次世界大戰(zhàn)前 。 這一階段由于發(fā)明了無線電測向技術(shù)，使導(dǎo)航系統(tǒng)真正成為了可用于引導(dǎo)航行的可靠裝置。 無線電羅盤、定向器、四航道信標(biāo)、扇形無線電信標(biāo) 可以測出信標(biāo)臺(tái)的方向，或進(jìn)一步測出兩個(gè)及以上信標(biāo)臺(tái)的方位進(jìn)行船只的定位 三.無線電導(dǎo)航的應(yīng)用及發(fā)展歷史發(fā)展階段 時(shí)間從第二次世界大戰(zhàn)開始至六十年代初。在這一階段中，名目繁多的各種無線電導(dǎo)航系統(tǒng)因?yàn)閼?zhàn)爭需要而發(fā)明和研制出來：塔康（TACAN）測距器（DME）甚低頻導(dǎo)航系統(tǒng)伏爾（VOR）多普勒導(dǎo)航雷達(dá)勞蘭系統(tǒng)

8、（LORAN）儀表著陸系統(tǒng)（ILS）精密進(jìn)近雷達(dá)（PAR）無線電高度表（Radio ltimeter）臺(tái)卡系統(tǒng)（DECCA）三.無線電導(dǎo)航的應(yīng)用及發(fā)展歷史成熟階段 時(shí)間從六十年代中期至今 此階段之前的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)大多為陸基系統(tǒng)，它把整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜性集中在地面導(dǎo)航臺(tái)上，使機(jī)載或船載的用戶設(shè)備比較簡單，并且價(jià)格低廉、可靠性高 ，但其導(dǎo)航精度一般較低，導(dǎo)航數(shù)據(jù)的更新率也不高，覆蓋范圍有限。三.無線電導(dǎo)航的應(yīng)用及發(fā)展歷史衛(wèi)星導(dǎo)航的出現(xiàn)可以改變這種情況：第一：它把導(dǎo)航臺(tái)設(shè)在了外層空間的衛(wèi)星上，解決了導(dǎo)航信號大范圍覆蓋的問題；第二：它所發(fā)射的無線電波頻率很高，可以順利地穿過電離層等大氣層，并且提供很高的

9、導(dǎo)航精度；第三：它可以通過多顆衛(wèi)星組成導(dǎo)航星座，使用戶不必發(fā)射無線電信號就可以實(shí)現(xiàn)二維、三維甚至四維定位。 三.無線電導(dǎo)航的應(yīng)用及發(fā)展歷史當(dāng)前新型的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)：子午儀導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)（Transit Navigation Satellite System）GPS和GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)三.無線電導(dǎo)航的應(yīng)用及發(fā)展歷史子午儀導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)（Transit Navigation Satellite System）：該系統(tǒng)由美國海軍于1958年開始研制，1964年發(fā)射導(dǎo)航衛(wèi)星并投入使用,子午儀系統(tǒng)可在全球范圍內(nèi)對艦船進(jìn)行定位導(dǎo)航，開創(chuàng)了人造衛(wèi)星用于導(dǎo)航的先河，為第一代星基導(dǎo)航系統(tǒng)。

10、它通過天空的7顆衛(wèi)星（其中一顆是備份星）向地面用戶發(fā)射連續(xù)波信號，通過對衛(wèi)星信號的多普勒頻移的測量，可使地面或水上的低動(dòng)態(tài)用戶達(dá)到幾十米或幾百米的導(dǎo)航定位精度。 三.無線電導(dǎo)航的應(yīng)用及發(fā)展歷史GPS和GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)：1973年美國國防部開始研制第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，即現(xiàn)在的GPS（Navigation Satellite Timing And Ranging/Global Positioning System, NAVSTAR GPS），其全稱為“導(dǎo)航星授時(shí)和測距全球定位系統(tǒng)”。GPS于1994年部署完畢，全部24顆衛(wèi)星升空，1996年進(jìn)入“完全工作能力（FOC）階段”。 三.無線電

11、導(dǎo)航的應(yīng)用及發(fā)展歷史GPS和GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)：GPS采用高度為2萬公里的24顆衛(wèi)星覆蓋全球，用戶只要收到4顆衛(wèi)星的信號就可實(shí)現(xiàn)定位.其特點(diǎn)為全天候全球?qū)Ш剑ㄎ痪雀?，可提供用戶的三維位置、三維速度和時(shí)間等信息，用戶設(shè)備無源工作，體積小、重量輕、耗電少，使用方便、價(jià)格低廉，應(yīng)用范圍廣泛，是軍事應(yīng)用的首選定位系統(tǒng)。通過提取GPS信號的載波相位信息，還可以得到更高的測量或定位精度，可用于測繪、低動(dòng)態(tài)導(dǎo)航和運(yùn)載體姿態(tài)測量等高精度定位的場合。 三.無線電導(dǎo)航的應(yīng)用及發(fā)展歷史GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位示意圖 ： 三.無線電導(dǎo)航的應(yīng)用及發(fā)展歷史其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 2003年5月中國發(fā)射了北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的第三

12、顆衛(wèi)星，完成了第一代主動(dòng)式衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建立。 目前歐洲各國正在積極建立一個(gè)多國共享的獨(dú)立于GPS的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)Galileo系統(tǒng)。 國際民航組織（ICAO）和國際海事衛(wèi)星組織（IMO）也在籌劃建立全球統(tǒng)一的無隙導(dǎo)航體系的GNSS（Global Navigation Satellite System）系統(tǒng)。三.無線電導(dǎo)航的應(yīng)用及發(fā)展歷史其他導(dǎo)航系統(tǒng): 微波著陸系統(tǒng)（MLS）地形輔助導(dǎo)航系統(tǒng)聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分發(fā)系統(tǒng)（JTIDS）定位報(bào)告系統(tǒng)（PLRS）組合導(dǎo)航系統(tǒng)：GPS/慣導(dǎo)（INS）組合JTIDS和PLRS組合 地形信息系統(tǒng)與慣導(dǎo)組合三.無線電導(dǎo)航的應(yīng)用及發(fā)展歷史衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的增強(qiáng)技術(shù)衛(wèi)星導(dǎo)航系

13、統(tǒng)在覆蓋范圍和精度等方面的性能已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過陸基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，但系統(tǒng)的完好性、可用性和連續(xù)性等指標(biāo)，還不能滿足某些用戶尤其是飛機(jī)飛行的需要。對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)做增強(qiáng)處理，可進(jìn)一步改善系統(tǒng)性能，并在某些應(yīng)用場合如飛機(jī)著陸階段提高系統(tǒng)的引導(dǎo)定位精度，達(dá)到精密進(jìn)近的目的。 三.無線電導(dǎo)航的應(yīng)用及發(fā)展歷史對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的增強(qiáng)技術(shù)主要包括自主增強(qiáng)(RAIM)輔助增強(qiáng)(AAIM)局域增強(qiáng)(LAAS)廣域增強(qiáng)(WAAS) 四.發(fā)展前景及軍事應(yīng)用GPS和GLONASS系統(tǒng)能夠在任何氣候條件下，實(shí)時(shí)、便捷地提供連續(xù)的和高精度的位置、航向、速度、姿態(tài)和時(shí)間信息 。衛(wèi)星導(dǎo)航代表了未來無線電導(dǎo)航的發(fā)展方向。與此同時(shí)，無線電導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用正在迅速超越交通運(yùn)輸?shù)姆懂?，滲透到國民經(jīng)濟(jì)和人民生活的各個(gè)方面，包括工業(yè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、漁業(yè)、公安、急救、郵電、電力傳輸、地質(zhì)、石油開采、信息網(wǎng)絡(luò)以及科學(xué)研究等等 。 四.發(fā)展前景及軍事應(yīng)用在新型無線電導(dǎo)航系統(tǒng)中，卡爾曼濾波技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，它對于濾除定位數(shù)據(jù)中的噪聲、平滑運(yùn)行軌跡以及進(jìn)行多系統(tǒng)組合十分關(guān)鍵，在衛(wèi)星導(dǎo)航、地形輔助導(dǎo)航、JTIDS和PLRS及其組合導(dǎo)航中都用到了卡爾曼濾