導(dǎo)航技術(shù)概論及組合導(dǎo)航基本概念

1、關(guān)于導(dǎo)航技術(shù)概論及組合導(dǎo)航基本概念第1頁，共50頁，2022年，5月20日，22點39分，星期三主要內(nèi)容1、導(dǎo)航技術(shù)的定義與分類2、組合導(dǎo)航系統(tǒng)3、各導(dǎo)航系統(tǒng)基本原理第2頁，共50頁，2022年，5月20日，22點39分，星期三1、導(dǎo)航技術(shù)的定義與分類什么是導(dǎo)航？有哪些導(dǎo)航方法？第3頁，共50頁，2022年，5月20日，22點39分，星期三導(dǎo)航目的：在哪里？到哪里去？怎么去？定義：以某種手段或方式引導(dǎo)航行體安全、準確、經(jīng)濟、便捷地在既定的時間內(nèi)，按照既定的航行路線，準時地到達目的地。導(dǎo)航要實時、連續(xù)的給出載體的位置、速度、姿態(tài)角、加速度、航向等導(dǎo)航參數(shù)。第4頁，共50頁，2022年，5月20日

2、，22點39分，星期三1、導(dǎo)航技術(shù)的定義與分類無線電導(dǎo)航現(xiàn)有導(dǎo)航系統(tǒng)天文導(dǎo)航慣性導(dǎo)航衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫參考導(dǎo)航組合導(dǎo)航系統(tǒng)地文導(dǎo)航推位導(dǎo)航第5頁，共50頁，2022年，5月20日，22點39分，星期三組合導(dǎo)航系統(tǒng)通過對兩種或多種導(dǎo)航系統(tǒng)測量或輸出信息進行綜合處理（應(yīng)用卡爾曼濾波等數(shù)據(jù)處理技術(shù)），獲得更高的導(dǎo)航精度和可靠性，集各個子系統(tǒng)的優(yōu)點于一身。組合導(dǎo)航目的：獲得更好的精度、可靠性等2、組合導(dǎo)航系統(tǒng)第6頁，共50頁，2022年，5月20日，22點39分，星期三(1)協(xié)合超越：利用各子系統(tǒng)的導(dǎo)航信息并作有機處理，形成單個子系統(tǒng)不具備的功能和精度。(2)性能互補：組合導(dǎo)航系統(tǒng)綜合利用了各子系統(tǒng)的信息

3、，使各子系統(tǒng)取長補短，提高適用范圍。(3)互為余度：各子系統(tǒng)觀測同一信息源，測量冗余，增加了導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性。組合導(dǎo)航技術(shù)可以克服單一導(dǎo)航設(shè)備各自的缺點，揚長避短，使得導(dǎo)航能力、精度、可靠性和自動化程度大大提高。2、組合導(dǎo)航系統(tǒng)組合導(dǎo)航系統(tǒng)特點第7頁，共50頁，2022年，5月20日，22點39分，星期三2、組合導(dǎo)航系統(tǒng)組合方式：慣導(dǎo)/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)慣導(dǎo)/多普勒組合導(dǎo)航系統(tǒng)慣導(dǎo)/天文組合導(dǎo)航系統(tǒng)慣導(dǎo)/衛(wèi)星/天文組合導(dǎo)航系統(tǒng)以慣導(dǎo)為主系統(tǒng)！第8頁，共50頁，2022年，5月20日，22點39分，星期三組合導(dǎo)航的基本思想：慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的輸出信號與獨立測量的由其它導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)出的相同的量進行比較；通

4、過卡爾曼濾波器或其他濾波方法給出對導(dǎo)航系統(tǒng)誤差的實時估計；通過適當?shù)男Ｕ绞?，對慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進行修正，就有可能獲得比單獨慣性系統(tǒng)更高的導(dǎo)航精度。2、組合導(dǎo)航系統(tǒng)第9頁，共50頁，2022年，5月20日，22點39分，星期三本課程所涉及的主要內(nèi)容第一部分：組合導(dǎo)航系統(tǒng)理論基礎(chǔ)組合導(dǎo)航的基本概念典型的導(dǎo)航系統(tǒng)的工作原理及特點導(dǎo)航系統(tǒng)誤差分析及建模方法第二部分：狀態(tài)估計部分組合導(dǎo)航系統(tǒng)狀態(tài)估計方法：卡爾曼濾波，擴展卡爾曼，無跡卡爾曼濾波，粒子濾波，聯(lián)邦濾波第三部分：組合導(dǎo)航系統(tǒng)舉例INS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)INS/DVL組合導(dǎo)航系統(tǒng)第10頁，共50頁，2022年，5月20日，22點39分，星期三考核

5、方式考試：閉卷考試總成績：平時成績+卷面成績參考教材：組合導(dǎo)航系統(tǒng)，孫楓 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，黃德鳴 捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)原理，陳哲 卡爾曼濾波與組合導(dǎo)航原理，秦永元第11頁，共50頁，2022年，5月20日，22點39分，星期三 3、各導(dǎo)航系統(tǒng)基本原理第12頁，共50頁，2022年，5月20日，22點39分，星期三無線電導(dǎo)航現(xiàn)有導(dǎo)航系統(tǒng)天文導(dǎo)航慣性導(dǎo)航衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫參考導(dǎo)航組合導(dǎo)航系統(tǒng)地文導(dǎo)航推位導(dǎo)航第13頁，共50頁，2022年，5月20日，22點39分，星期三3.1 數(shù)據(jù)庫參考導(dǎo)航(DBRN， database reference navigation)地球的陸地上或海床上的每個點有獨一無二的三維位置

6、，即經(jīng)度、緯度和相對于海平面的高度或深度，這個點也有獨一無二的磁力和重力度量值?；驹恚豪妙A(yù)先測量的數(shù)據(jù)庫或地圖作為參考，與傳感器測量信息進行比較和匹配來確定位置。第14頁，共50頁，2022年，5月20日，22點39分，星期三3.1 數(shù)據(jù)庫參考導(dǎo)航(DBRN， database reference navigation)地磁導(dǎo)航 (Geomagnetic Navigation)重力導(dǎo)航 (Gravity Navigation)地形導(dǎo)航 (Terrain Aided Navigation)特點：由于可獲取的各種數(shù)據(jù)資源的條件限制，數(shù)據(jù)庫參考系統(tǒng)往往不能為航行體提供全程連續(xù)導(dǎo)航，所以通常和其

7、他導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)合在一起使用。第15頁，共50頁，2022年，5月20日，22點39分，星期三地文導(dǎo)航又稱為陸標定位，是一種通過觀測陸標與船泊只見的某種相互位置關(guān)系進行定位的方法。陸標是指海圖上標有準確位置可供目視或雷達觀測，用以導(dǎo)航或定位的山頭、島嶼、燈塔、立標及其它顯著固定物標的統(tǒng)稱。利用羅經(jīng)、測距儀和六分儀等觀測儀器，觀測陸標的方位、距離和水平角，按一定法則確定船位。3.2 地文導(dǎo)航（Terrestrial Navigation ）第16頁，共50頁，2022年，5月20日，22點39分，星期三船位線（Line of Position） ：在導(dǎo)航上，凡是觀測值相等點的軌跡稱為等值線，在導(dǎo)航定

8、位中常稱為位置線或船位線。陸標定位使用的船位線主要有以下三種：方位船位線、距離船位線和水平角船位線。 3.2 地文導(dǎo)航（Terrestrial Navigation ）第17頁，共50頁，2022年，5月20日，22點39分，星期三基本原理：當船舶航行時，如對某一物標進行觀測，則觀測時的船位必然位于該船位線上的某一點，但究竟位于哪一點，單有一條船位線是無法確定的。如能在同一時刻測得兩條或兩條以上的船位線，則它們的交點即為觀測時的船位，這就是陸標定位的原理，這一原理在導(dǎo)航定位系統(tǒng)中是普遍適用的。2 地文導(dǎo)航（Terrestrial Navigation ）第18頁，共50頁，2022年，5月20

9、日，22點39分，星期三利用各種船位線組合起來進行定位，可得到不同的定位方法。常用的定位方法有：兩標方位法、三標方位法、三標兩角法、兩標距離法、三標距離法、方位距離法以及方位水平角法等。3.2 地文導(dǎo)航（Terrestrial Navigation ）兩標方位法三標方位法第19頁，共50頁，2022年，5月20日，22點39分，星期三特點：這種導(dǎo)航簡單、可靠；但受氣象條件影響比較嚴重，在能見度低的情況下很難測到目標，無法進行導(dǎo)航。在無物標的大海、沙漠中利用這種方法導(dǎo)航也很困難。3.2 地文導(dǎo)航（Terrestrial Navigation ）第20頁，共50頁，2022年，5月20日，22點3

10、9分，星期三3.3 推位導(dǎo)航（DR, Dead reckoning）基本原理：起始時刻的位置已知，速度的大小和方向可通過測量得到，則下一時刻的位置可通過計算得到。第21頁，共50頁，2022年，5月20日，22點39分，星期三3.3 推位導(dǎo)航（DR, Dead reckoning）航向: 磁羅經(jīng),陀螺羅經(jīng),平臺羅經(jīng),慣性導(dǎo)航航速: 水壓計程儀,電磁計程儀,多普勒計程儀,聲相關(guān)計程儀 多普勒效應(yīng)：當機械波或電磁波的發(fā)射源與接收點間沿兩者連線方向存在相對速度時，接收頻率與發(fā)射頻率并不相同，這一頻率差稱為多普勒頻移。第22頁，共50頁，2022年，5月20日，22點39分，星期三3.4 慣性導(dǎo)航（I

11、NS-Inertial navigation ）慣性導(dǎo)航是完全不依賴于外部聲、光、電、磁傳播的信號自主式的進行導(dǎo)航定位的手段，因而它不受地域的限制，不受自然和人為的干擾和影響，無論太空、空間、地面、地下、水面、水下都能全天候可靠的工作。第23頁，共50頁，2022年，5月20日，22點39分，星期三這種不依賴外界信息，只靠對載體(vehicle)本身的慣性測量來完成導(dǎo)航任務(wù)的技術(shù)稱作慣性導(dǎo)航。 3.4 慣性導(dǎo)航（INS-Inertial navigation）第24頁，共50頁，2022年，5月20日，22點39分，星期三用什么測量加速度大??？加速度計（ accelerometer ）用什么確

12、定加速度方向？ 陀螺儀（gyroscope）陀螺儀和加速度計是慣性系統(tǒng)最關(guān)鍵的核心慣性器件！3.4 慣性導(dǎo)航（INS-Inertial navigation ）第25頁，共50頁，2022年，5月20日，22點39分，星期三慣性導(dǎo)航的重要性 洲際導(dǎo)彈、戰(zhàn)略遠程轟炸機、導(dǎo)彈核潛艇構(gòu)成了三大戰(zhàn)略威懾力量。而這三大戰(zhàn)略威懾力量都離不開慣性技術(shù)的支撐。3.4 慣性導(dǎo)航（INS-Inertial navigation）第26頁，共50頁，2022年，5月20日，22點39分，星期三b.慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的組成及工作原理 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的基本組成元件為陀螺儀和加速度計 。第27頁，共50頁，2022年，5月20日

13、，22點39分，星期三各種慣性導(dǎo)航系統(tǒng)第28頁，共50頁，2022年，5月20日，22點39分，星期三3.4 慣性導(dǎo)航（INS-Inertial navigation ）第29頁，共50頁，2022年，5月20日，22點39分，星期三慣性導(dǎo)航涉及的問題什么是慣性空間：坐標系及坐標系變換 慣性導(dǎo)航1：坐標系及方向余弦用什么測加速度，怎么測加速度 慣性導(dǎo)航2：加速度及比力方程有了加速度，怎么求速度，怎么求位置 （控制方程，基本方程，誤差方程） 慣性導(dǎo)航3：平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)基本原理捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng) 慣性導(dǎo)航4：捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)基本原理3.4 慣性導(dǎo)航（INS-Inertial navigation）第30頁，

14、共50頁，2022年，5月20日，22點39分，星期三優(yōu)點：（1）依靠自身測量的加速度推算位置，自主式導(dǎo)航系統(tǒng)；（2）不需要接收外部信息，不受外界干擾；（3）不向外輻射能量，隱蔽性好；（4）測量位置的同時，還能測量姿態(tài)角。缺點：（1）位置由加速度經(jīng)二次積分獲得，誤差隨時間積累；（2）對慣性元件精度要求高，系統(tǒng)成本高。3.4 慣性導(dǎo)航（INS-Inertial navigation）第31頁，共50頁，2022年，5月20日，22點39分，星期三無線電導(dǎo)航的基本任務(wù)是：測距和測向1）在同一介質(zhì)中，無線電波按直線傳播；2）在同一介質(zhì)中，無線電波的傳播速度為常數(shù)；3）無線電波具有反射性。 無線電波的

15、上述3個基本特性為測距和測向奠定了基礎(chǔ)。利用直線傳播特性可測定輻射電波的目標方向，而恒速特性可測定目標的距離。3.5 無線電導(dǎo)航（Radio navigation）第32頁，共50頁，2022年，5月20日，22點39分，星期三利用無線電導(dǎo)航技術(shù)實現(xiàn)船舶導(dǎo)航定位主要是確定船舶的位置線。無線電導(dǎo)航主要有三種方法，即測量方位法、測量距離法和測量距離差法。3.5 無線電導(dǎo)航（Radio navigation）（1）測量方位法（測向法）：通過測量無線電指向目標的方位，分最小值、最大值、比較測量法，確定船舶所處位置線。測量方位法第33頁，共50頁，2022年，5月20日，22點39分，星期三測量距離法3

16、.5 無線電導(dǎo)航（Radio navigation）（2）測距法：通過測定船舶與無線電發(fā)射臺的距離，確定船舶所處的位置圓，再由不同的導(dǎo)航臺測出兩條或兩條以上的位置線，從而確定船位。第34頁，共50頁，2022年，5月20日，22點39分，星期三測量距離差法3.5 無線電導(dǎo)航（Radio navigation）（3）測距離差法：根據(jù)船舶與兩個無線電發(fā)射臺的距離之差為常數(shù)，確定船舶所處的位置線-以導(dǎo)航臺為焦點的雙曲線，再由不同導(dǎo)航臺測出兩條或兩條以上的位置線，從而確定船位。第35頁，共50頁，2022年，5月20日，22點39分，星期三36羅蘭系統(tǒng)（LORAN）羅蘭C 1957年建成，1960年以

17、后得到大力發(fā)展；主要用于航海，美國研制；羅蘭C系統(tǒng)是一種低頻脈沖雙曲線導(dǎo)航系統(tǒng)，屬于測距差雙曲線導(dǎo)航系統(tǒng)， 同時利用脈沖信號和載波相位來測量距離差，進而求得雙曲線位置線實現(xiàn)定位。勞蘭C采用90110kHz的低頻頻率，該頻率傳播距離遠(1000海里左右)，穩(wěn)定性好。缺點：無線電傳播不穩(wěn)定及噪音干擾。只能定位，無法給出載體姿態(tài)。3.5 無線電導(dǎo)航（Radio navigation）第36頁，共50頁，2022年，5月20日，22點39分，星期三 天文導(dǎo)航是根據(jù)天上星座的運行規(guī)律來對地面上的目標進行定位的。通過觀測星體相對地球的位置參數(shù)（例如仰角）以及觀測時間，即可確定觀測者在地球上的位置，從而引導(dǎo)

18、運動體航行，這就是天文導(dǎo)航或天體導(dǎo)航。3.6 天文導(dǎo)航（Celestial navigation）第37頁，共50頁，2022年，5月20日，22點39分，星期三天文船位圓法：每測量一個天體的高度和頂距時，必位于以該天體投影點b為圓心，以為半徑的等高圓上(天文船位圓或位置圓)，因此就獲得了一部分與自身地理位置有關(guān)的信息。繼續(xù)觀測第二個天體，得到另一個等高圓。這兩個等高圓在地球表面上相交于兩點，其中一點就是測者所在地 。3.6 天文導(dǎo)航（Celestial navigation）第38頁，共50頁，2022年，5月20日，22點39分，星期三為了測得船位，測者在同一地點至少要觀測兩個天體，便可得

19、到兩個天文船位圓，它們相交得到兩個交點。由于天文船位圓的半徑很大，這兩個交點相距很遠，因此，靠近推算船位的一個交點就是測者的觀測船位，這就是天文船位圓原理，也就是通常所指的雙星定位原理。也可以用第三顆星來消除模糊度，即三星定位原理。3.6 天文導(dǎo)航（Celestial navigation）第39頁，共50頁，2022年，5月20日，22點39分，星期三天文導(dǎo)航的特點：（1）天文導(dǎo)航系統(tǒng)是自主式系統(tǒng)，不需要地面設(shè)備；（2）不受人工或自然形成的電磁場的干擾；（3）不向外輻射電磁波，隱蔽性好；（4）定向、定位精度高，定位誤差不隨時間累積。 缺點：受天氣影響。只能實現(xiàn)定位，無法測姿。需要水平平臺作觀

20、測平臺。3.6 天文導(dǎo)航（Celestial navigation）第40頁，共50頁，2022年，5月20日，22點39分，星期三工作原理 衛(wèi)星定位系統(tǒng)都是利用在空間飛行的衛(wèi)星不斷向地面廣播發(fā)送某種頻率并加載了某些特殊定位信息的無線電信號來實現(xiàn)定位測量的定位系統(tǒng)。3.7 衛(wèi)星導(dǎo)航（Satellite navigation）第41頁，共50頁，2022年，5月20日，22點39分，星期三3.7 衛(wèi)星導(dǎo)航（Satellite navigation） 車輛導(dǎo)航管理 對航空器的定位及導(dǎo)航 車輛導(dǎo)航 配備GPS的巡警 第42頁，共50頁，2022年，5月20日，22點39分，星期三3.7 衛(wèi)星導(dǎo)航（S

21、atellite navigation）GPS全球定位系統(tǒng)GLONASS全球定位系統(tǒng)GALILEO全球定位系統(tǒng)北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)第43頁，共50頁，2022年，5月20日，22點39分，星期三GPS全球定位系統(tǒng)GPS的英文全稱是: Navigation Satellite Timing And Ranging Global Position System，簡稱GPS，其意為“導(dǎo)航星測時與測距全球定位系統(tǒng)”，簡稱全球定位系統(tǒng)。擁有者：美國發(fā)展簡史：1973年開始研制，1993年12月達到初始運行能力，1995年4月達到全運行能力。衛(wèi)星組成：初始為21顆星，覆蓋不良；90年代中期擴展為24顆星，覆蓋

22、全球；一直處于不斷完善和更新重，截至2008年12月，在軌31顆星。3.7 衛(wèi)星導(dǎo)航（Satellite navigation）第44頁，共50頁，2022年，5月20日，22點39分，星期三全球，全天候，全天時，多維連續(xù)定位，且精度不隨時間變化，具有全球地面連續(xù)覆蓋，精度高，功能多，實時定位速度快。由于GPS采用了數(shù)字通信的偽隨機噪聲編碼技術(shù)，具有良好的抗干擾性和保密性。局限性：美國軍方聲稱隨時都有可能改變GPS政策；GPS的系統(tǒng)信號在高緯度地區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)盲區(qū)；美國國防部曾強調(diào)，限制敵人在戰(zhàn)時利用GPS；GPS無法實現(xiàn)水下導(dǎo)航，且戰(zhàn)時易受干擾。GPS系統(tǒng)特點第45頁，共50頁，2022年，5月

23、20日，22點39分，星期三GLONASS全球定位系統(tǒng)擁有者 俄羅斯 發(fā)展簡史 由前蘇聯(lián)從80年代初開始建設(shè)的與美國GPS系統(tǒng)相類似的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，現(xiàn)在由俄羅斯空間局管理。蘇聯(lián)1982年10月12日發(fā)射第一顆GLONASS衛(wèi)星1996年1月18日，24顆衛(wèi)星正常工作運行。 衛(wèi)星組成根據(jù)俄羅斯聯(lián)邦太空署信息中心提供的數(shù)據(jù)（2012年10月10日），目前有24顆衛(wèi)星正常工作、3顆維修中、3顆備用、1顆測試中。3.7 衛(wèi)星導(dǎo)航（Satellite navigation）第46頁，共50頁，2022年，5月20日，22點39分，星期三伽利略（GALILEO）全球定位系統(tǒng)擁有者：歐盟 發(fā)展簡史 1999年2月10日歐盟委員會宣布要發(fā)展下一代GNSS。 1