導(dǎo)航學(xué)(第一章)導(dǎo)航系統(tǒng)概述

導(dǎo)航學(xué)教授：魏二虎1課程目的意義飛機(jī)空間站導(dǎo)彈艦船衛(wèi)星月球車意義：導(dǎo)航技術(shù)是眾多應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)！2JDAM低成本制導(dǎo)武器

精確打擊-現(xiàn)代戰(zhàn)爭的主要手段！彈道導(dǎo)彈遠(yuǎn)程空空導(dǎo)彈艦空導(dǎo)彈

精確打擊

導(dǎo)航技術(shù)

核心技術(shù)

陸、海、空、天武器系統(tǒng)

應(yīng)用于

精確制導(dǎo)

精確打擊

必要條件重大需求牽引導(dǎo)航技術(shù)與時(shí)俱進(jìn)3目標(biāo)信息獲取是精確打擊的前提高分辨率對地觀測系統(tǒng)必要條件導(dǎo)航技術(shù)技術(shù)瓶頸國家中長期發(fā)展規(guī)劃16個(gè)重大專項(xiàng)之一!美無人偵察機(jī)“全球鷹”在執(zhí)行任務(wù)偵察衛(wèi)星機(jī)載高分辨率SAR、激光掃描系統(tǒng)重大需求牽引導(dǎo)航技術(shù)與時(shí)俱進(jìn)

對地觀測4課程目的意義教學(xué)目的：學(xué)習(xí)和掌握與導(dǎo)航有關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)和了解各種導(dǎo)航系統(tǒng)的理論，方法和技術(shù)，重點(diǎn)學(xué)習(xí)慣性導(dǎo)航技術(shù)為學(xué)習(xí)和研究現(xiàn)代導(dǎo)航理論和導(dǎo)航技術(shù)打下基礎(chǔ)學(xué)習(xí)方法重在實(shí)踐 5課程的主要內(nèi)容簡介第1章導(dǎo)航系統(tǒng)概述第2章定位與導(dǎo)航基礎(chǔ)第3章慣性導(dǎo)航系統(tǒng)第4章衛(wèi)星定位系統(tǒng)第5章無線電、天文和其它傳統(tǒng)導(dǎo)航系統(tǒng)第6章新型導(dǎo)航技術(shù)6

第一章導(dǎo)航系統(tǒng)概述

內(nèi)容提綱

1.1、引言§1.2、導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展簡史§1.3、導(dǎo)航技術(shù)中常用的基本參數(shù)§1.4、思考與練習(xí)題7提供載體的導(dǎo)航參數(shù)，位置、速度和姿態(tài)引導(dǎo)載體從出發(fā)點(diǎn)到達(dá)目的地的技術(shù)和方法（1）何為導(dǎo)航？（2）與大地測量的區(qū)別作用對象定位形式輸出物理量實(shí)時(shí)性要求位置精度要求導(dǎo)航運(yùn)動(dòng)載體動(dòng)態(tài)定位速度、姿態(tài)、位置很高米、十米級大地測量大地地物靜態(tài)定位精確位置不高厘米、毫米級§1.1

引言8§1.1引言將航行載體從起始點(diǎn)引導(dǎo)到目的地的過程稱為導(dǎo)航。導(dǎo)航系統(tǒng)給出的基本參數(shù)是載體在空間的即時(shí)位置、速度和姿態(tài)、航向等，導(dǎo)航參數(shù)的確定由導(dǎo)航儀表或?qū)Ш较到y(tǒng)來完成。測量導(dǎo)航參數(shù)的整套設(shè)備

稱為導(dǎo)航系統(tǒng)。9§1.1

引言導(dǎo)航系統(tǒng)有兩種工作狀態(tài)：指示狀態(tài)和自動(dòng)導(dǎo)航狀態(tài)。指示狀態(tài)：如導(dǎo)航設(shè)備提供的導(dǎo)航信息僅供駕駛員操縱和引導(dǎo)載體用，則導(dǎo)航系統(tǒng)工作指示狀態(tài)，在指示狀態(tài)下，導(dǎo)航系統(tǒng)不直接對載體進(jìn)行控制；自動(dòng)導(dǎo)航狀態(tài)：如果導(dǎo)航系統(tǒng)直接提供的信息給載體的自動(dòng)駕駛控制系統(tǒng)，由自動(dòng)駕駛控制系統(tǒng)操作和引導(dǎo)載體，則導(dǎo)航系統(tǒng)工作于自動(dòng)導(dǎo)航狀態(tài)。在這兩種工作狀態(tài)下，導(dǎo)航系統(tǒng)的作用都只是提供導(dǎo)航參數(shù)，“導(dǎo)航”含義也側(cè)重于測量和提供導(dǎo)航參數(shù)。10

導(dǎo)航有多種技術(shù)途徑，如無線電導(dǎo)航，天文導(dǎo)航，慣性導(dǎo)航等可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的導(dǎo)航任務(wù)?！?.1

引言11§1.1

引言慣性導(dǎo)航具有高度自主的突出優(yōu)點(diǎn)，以牛頓力學(xué)為理論為基礎(chǔ)，只依靠安裝在載體內(nèi)的慣性測量傳感器陀螺、加速度計(jì)和相應(yīng)的配套裝置建立基準(zhǔn)坐標(biāo)系，進(jìn)而獲得載體的加速度，推算速度、位置等導(dǎo)航參數(shù)。另外，單純慣性導(dǎo)航不能完全滿足高精度、長時(shí)間、遠(yuǎn)程導(dǎo)航等要求，將慣導(dǎo)系統(tǒng)和其他導(dǎo)航系統(tǒng)綜合，構(gòu)成以慣性導(dǎo)航為主，其他導(dǎo)航手段為輔的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，應(yīng)用日益廣泛。12§1.1

引言

制導(dǎo)是一個(gè)與“導(dǎo)航”相關(guān)的概念，制導(dǎo)是指自動(dòng)控制和導(dǎo)引飛行器按預(yù)定軌跡和飛行路線準(zhǔn)確到達(dá)目標(biāo)的過程，既包含了應(yīng)用導(dǎo)航的測量值，又包含自動(dòng)控制的閉環(huán)的全部工作過程。

制導(dǎo)系統(tǒng)的主要功能包括1）根據(jù)起始點(diǎn)、目標(biāo)點(diǎn)和有關(guān)約束的信息，建立航跡參數(shù)（如位置、速度、航向、航路點(diǎn)、航線等）；2）測量載體的實(shí)際運(yùn)動(dòng)，確定載體的真實(shí)運(yùn)動(dòng)參數(shù)；3）根據(jù)航跡參數(shù)與實(shí)際運(yùn)動(dòng)參數(shù)，自動(dòng)產(chǎn)生控制（制導(dǎo)）信息，傳輸給運(yùn)動(dòng)載體的相應(yīng)控制部件。13§1.1

引言飛機(jī)上的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)可以結(jié)合計(jì)算機(jī)中已存儲(chǔ)的飛行路徑中各航路點(diǎn)位置信息，再根據(jù)導(dǎo)航系統(tǒng)提供的即時(shí)導(dǎo)航參數(shù)，就能計(jì)算出各種可用來糾正飛機(jī)航行偏差、指導(dǎo)正確航行方向的制導(dǎo)參數(shù)。慣導(dǎo)系統(tǒng)和多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)還可計(jì)算出航跡角誤差。14§1.1

引言國外已裝機(jī)應(yīng)用的組合導(dǎo)航系統(tǒng)有天文／慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)VOE／DME／慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)多普勒／慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)羅蘭／慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)等20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的導(dǎo)航星全球定位系統(tǒng)，具有全球性和高精度、實(shí)時(shí)三維定位測速能力。由衛(wèi)星定位系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)綜合的導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)在軍事和民用領(lǐng)域大量使用。另外，地形、景象輔助慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)也已經(jīng)在軍事領(lǐng)域獲得越來越多的應(yīng)用。15

內(nèi)容提綱1.1、引言1.2、導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展簡史§1.3、導(dǎo)航技術(shù)中常用的基本參數(shù)§1.4、思考與練習(xí)題16導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展歷史古代路標(biāo)、指南針、天文等20年代磁羅盤、速度表、里程表——儀表導(dǎo)航30年代無線電導(dǎo)航問世40-70年代慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)80年代末全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)問世90年代慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)大量推廣2000年后新型導(dǎo)航系統(tǒng)和復(fù)合導(dǎo)航系統(tǒng)17天文導(dǎo)航——航海、航天慣性導(dǎo)航——與慣性器件水平有關(guān)無線電導(dǎo)航——衛(wèi)星導(dǎo)航推算導(dǎo)航——速度和航向地形、景象匹配導(dǎo)航物理場匹配導(dǎo)航常見導(dǎo)航方法和技術(shù)18§1.2、導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展簡史1.2.1、早期導(dǎo)航方式（19世紀(jì)前）戰(zhàn)國時(shí)期（約公元前475年—前221年）：司南；北宋（公元960年—1127年）初期：指南針；之后，人們把指南針固定在方位盤里，制出了羅盤針。18世紀(jì)末，液體磁羅經(jīng)，一種新型的磁羅盤和附屬的防磁設(shè)備，它能抵抗艦身磁場的干擾，大大減小外界對磁針的影響，保持羅面穩(wěn)定。19天文導(dǎo)航依靠星體的信息定位的一種導(dǎo)航方式。受天氣影響較大，誤差較大。§1.2、導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展簡史

1.2.1、早期導(dǎo)航方式（19世紀(jì)前）20天文導(dǎo)航星敏感器跟蹤標(biāo)志星21§1.2、導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展簡史

1.2.1、早期導(dǎo)航方式（19世紀(jì)前）

早期人們還利用地標(biāo)進(jìn)行導(dǎo)航。在運(yùn)載體上用光學(xué)等方法，量測到（已標(biāo)明位置的）地物地標(biāo)的距離、方位等幾何參量，用測向或測距法定出運(yùn)載體瞬時(shí)地理位置。常用的儀器有六分儀、經(jīng)緯儀、望遠(yuǎn)鏡等。這是一種較為簡單而可靠的導(dǎo)航方法，但易受氣象條件和地域的限制。22§1.2、導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展簡史

1.2.1、早期導(dǎo)航方式（19世紀(jì)前）

隨著科學(xué)技術(shù)與導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，又出現(xiàn)了大氣數(shù)據(jù)航程推算法（也叫儀表領(lǐng)航法），以航空導(dǎo)航為例，自20世紀(jì)二三十年代開始，飛機(jī)上出現(xiàn)了儀表導(dǎo)航系統(tǒng)。231.2.2無線電導(dǎo)航系統(tǒng)無線電導(dǎo)航的發(fā)明，使導(dǎo)航系統(tǒng)成為航行中真正可以依賴的工具，具有劃時(shí)代的意義！一戰(zhàn)時(shí)海上首先使用了無線電通訊，后來就演化為無線電信標(biāo)臺(tái)，這就是無線電導(dǎo)航的雛形。廣義上講所有以無線電波為導(dǎo)航信息載體的導(dǎo)航系統(tǒng)都可以叫無線電導(dǎo)航系統(tǒng)。包括多普勒效應(yīng)測速，用雷達(dá)測距和測定方位，用導(dǎo)航臺(tái)定位。

（衛(wèi)星導(dǎo)航也應(yīng)屬于無線電導(dǎo)航的一種，但由于其特殊性一般拿出來單獨(dú)討論。）24二戰(zhàn)及戰(zhàn)后時(shí)期的航海無線電導(dǎo)航的發(fā)展近程無線電導(dǎo)航系統(tǒng)VOR/DME、塔康（TACAN)系統(tǒng)，作用范圍100-500公里中程無線電導(dǎo)航系統(tǒng)羅蘭A（loran-A）系統(tǒng)，作用范圍500-1000公里遠(yuǎn)程無線電導(dǎo)航系統(tǒng)羅蘭C（loran-C）系統(tǒng)，作用范圍2000-3000公里超遠(yuǎn)程無線電導(dǎo)航系統(tǒng)奧米伽（Omega）系統(tǒng)，作用范圍均大于10000公里25VOR系統(tǒng)VOR（甚高頻全向信標(biāo)，伏爾）工作頻段108~118MHz，連續(xù)波作用距離200nmile。

(10000m以內(nèi)的高度)

導(dǎo)航信息：相對于磁北來說飛機(jī)對于地面臺(tái)的方位，精度±4.5°

無線電信標(biāo)：±3°至±10°

局限性：只能給出方位，不能給出具體位置。26DMEDME（測距器）：

1949年國際民航組織接受以DME為標(biāo)準(zhǔn)航空近程導(dǎo)航系統(tǒng)工作方式。機(jī)載設(shè)備——〉（詢問脈沖）地面臺(tái)機(jī)載設(shè)備〈——（應(yīng)答）地面臺(tái)根據(jù)詢問脈沖與應(yīng)答脈沖的時(shí)間間隔，乘以電報(bào)傳播速度測距。作用距離：200nmile（飛行高度10000m時(shí)）精度：0.5nmile或距離地面臺(tái)3%局限性：只能對有限詢問信號(hào)進(jìn)行回答，因此，只能為110架左右的飛機(jī)服務(wù)。一般情況下,伏爾/測距器（VOR/DME）設(shè)在一處，同時(shí)指示方位與距離,形成極坐標(biāo)近程定位導(dǎo)航系統(tǒng)。27TACAN民用機(jī)場上的TACAN系統(tǒng)野戰(zhàn)機(jī)場上的TACAN系統(tǒng)使用URN25Tacan導(dǎo)航系統(tǒng)的英國航母

28羅蘭（LORAN）導(dǎo)航系統(tǒng)羅蘭導(dǎo)航系統(tǒng)是一種根據(jù)測量距離差來定位的系統(tǒng)，全名是遠(yuǎn)程式導(dǎo)航系統(tǒng)（LONGRANGENAVIGATIONSYSTEM）。目前使用的羅蘭C導(dǎo)航系統(tǒng)作用距離可達(dá)2000公里，定位精度優(yōu)于300米。29Loran-AUSCGLoran-AstationintheSWPacificCommercialreceiverforfishermenmilitaryreceiverforUS30loran-CLoran-C天線70年代loran-C接收系統(tǒng)90年代loran-C接收系統(tǒng)31自主式導(dǎo)航陸基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是把整個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)的復(fù)雜性集中在導(dǎo)航臺(tái)上，使機(jī)載的用戶設(shè)備比較簡單，價(jià)格低廉，可靠性高，易于推廣。缺點(diǎn)：從作戰(zhàn)角度看，依賴導(dǎo)航臺(tái)發(fā)送的無線電波，影響系統(tǒng)的生存力，抗干擾力，（反利用，抗欺騙能力）。新思路：通過機(jī)載測速、測向來推算運(yùn)載體的位置，不依賴地面導(dǎo)航臺(tái)，稱為自主式導(dǎo)航系統(tǒng)，一種推算導(dǎo)航系統(tǒng)。32§1.2、導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展簡史

1.2.3多普勒雷達(dá)導(dǎo)航系統(tǒng)1960－1970年代多普勒雷達(dá)導(dǎo)航系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)相繼出現(xiàn)。原理：利用隨飛機(jī)速度變化，在發(fā)射波和反射波之間產(chǎn)生的頻率差—多普勒頻移的大小，來測量飛機(jī)相對地面的速度。再借助機(jī)上航向系統(tǒng)輸出航向角，將地速分解成沿地理北向和東向的速度分量，進(jìn)而確定兩個(gè)方向的距離變化及、經(jīng)緯度大小，也就確定了飛機(jī)位置。33多普勒雷達(dá)還可以用于天氣監(jiān)測優(yōu)點(diǎn)：無需地面臺(tái)，主動(dòng)式，自主性強(qiáng)。缺點(diǎn)：工作時(shí)必須發(fā)射電波，容易受干擾和暴露自己；定位精度與發(fā)射面形狀有密切關(guān)系，當(dāng)飛機(jī)在海面和沙漠上空工作時(shí)，由于反射性極差會(huì)大大降低工作性能；導(dǎo)航精度也受雷達(dá)天線姿態(tài)的影響，當(dāng)飛機(jī)接收不到反射波時(shí)，就會(huì)完全喪失工作能力。34§1.2、導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展簡史

1.2.4慣性導(dǎo)航系統(tǒng)慣性導(dǎo)航是一種完全自主式的先進(jìn)的導(dǎo)航方法，它是根據(jù)牛頓力學(xué)定律，利用慣性器件來測量運(yùn)載體本身的加速度，經(jīng)過一次積分得到運(yùn)載體的速度，再經(jīng)過一次積分得到運(yùn)載體的地理位置。提供運(yùn)載體姿態(tài)、速度和位置九維導(dǎo)航信息隱蔽性好，工作不受氣象條件的限制航天、航空和航海領(lǐng)域中的一種廣泛應(yīng)用的主要導(dǎo)航方法35陀螺儀∫∫加速度計(jì)矢量矢量在哪個(gè)坐標(biāo)系里計(jì)算?如何確定坐標(biāo)系?∫ZXY36§1.2、導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展簡史

1.2.4慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(2013-11-14)1理論和基礎(chǔ)1687年牛頓提出了力學(xué)和引力定律，是慣性技術(shù)的基礎(chǔ)；1765年俄國歐拉院士出版了“剛體繞定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的理論”的書，是陀螺儀理論的基礎(chǔ)；1852年發(fā)現(xiàn)了陀螺效應(yīng)，法國科學(xué)家首先使用“Gyro”(Gyroscope—轉(zhuǎn)動(dòng)+觀察)這個(gè)名詞；1923年，舒勒發(fā)表了84.4分的無干擾理論，陀螺儀的設(shè)計(jì)開始完善；1939年，原蘇聯(lián)布爾佳科夫院士出版的“陀螺儀實(shí)用理論”一書，認(rèn)為是陀螺儀實(shí)用理論的奠基性著作。37§1.2、導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展簡史

1.2.4慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

2現(xiàn)代陀螺的“史前期”（18世紀(jì)中期—20世紀(jì)初）1810年前后，德國培根做了第一個(gè)具有轉(zhuǎn)動(dòng)陀螺的雛形陀螺；1851年，傅科的陀螺、傅科擺，驗(yàn)證了地球的自轉(zhuǎn)；1851年，法國物理學(xué)家讓·傅科在巴黎國葬院安放了一個(gè)鐘擺裝置，直接證明了地球自西向東的自轉(zhuǎn)。1880年前后，特魯弗、霍普金斯發(fā)明了電動(dòng)機(jī)用于陀螺的驅(qū)動(dòng)，陀螺儀開始走向?qū)嵱茫?927年，安修茨設(shè)計(jì)了實(shí)用的用于航海的陀螺羅經(jīng)，使用了幾乎半個(gè)世紀(jì)。

1851年傅科實(shí)驗(yàn)場景

法國國葬院內(nèi)傅科擺38§1.2、導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展簡史

1.2.4慣性導(dǎo)航系統(tǒng)3近代慣導(dǎo)系統(tǒng)的發(fā)展（20世紀(jì)初—1990年代）（1）初期

1920年前后，出現(xiàn)了供飛機(jī)使用的轉(zhuǎn)彎速率指示器、人工水平儀和方位陀螺。

人工水平儀：測量飛機(jī)姿態(tài)角的關(guān)鍵問題是在飛機(jī)上建立一個(gè)當(dāng)?shù)卮咕€基準(zhǔn)，該垂線基準(zhǔn)既具有方向選擇性，又具有方向穩(wěn)定性。取陀螺儀的方向穩(wěn)定性這一長處，以陀螺儀作為儀表的工作基礎(chǔ)，并取擺的方向選擇性這一長處，用擺對陀螺儀進(jìn)行修正，使陀螺儀獲得敏感垂線的方向選擇性。垂直陀螺儀就是通過這種技術(shù)途徑在飛機(jī)上建立一個(gè)精確而穩(wěn)定的垂線基準(zhǔn)。

垂直陀螺儀結(jié)構(gòu)原理圖39§1.2、導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展簡史

1.2.4慣性導(dǎo)航系統(tǒng)方位陀螺儀：能使自轉(zhuǎn)軸保持水平的二自由度陀螺儀。利用陀螺特性而做成的測量飛機(jī)航向角的一種陀螺儀表。1942年10月3日，德國的庇納門德火箭研究中心在維納·馮·布勞恩的主持下制成“V”型導(dǎo)彈，并于1944年用以轟炸英國。它是當(dāng)時(shí)世界上獨(dú)一無二的付諸實(shí)際使用的第一個(gè)慣性制導(dǎo)系統(tǒng)。維納·馮·布勞恩V-2彈道導(dǎo)彈V-2發(fā)射情景40§1.2、導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展簡史

1.2.4慣性導(dǎo)航系統(tǒng)3近代慣導(dǎo)系統(tǒng)的發(fā)展（20世紀(jì)初—1990年代）（2）慣性傳感器的發(fā)展液浮和氣浮陀螺40年代出現(xiàn)液浮陀螺，到50年代末60年代初，其制造技術(shù)趨于成熟。液浮技術(shù)改進(jìn)了陀螺的支撐方式，減小了器件中的干擾力矩，提高了陀螺性能。50年代開始，以液浮和氣浮陀螺構(gòu)成的平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)開始在飛機(jī)、艦船和導(dǎo)彈上廣泛應(yīng)用。單自由度液浮積分陀螺儀結(jié)構(gòu)半液浮速率陀螺產(chǎn)品液浮擺式加速度計(jì)原理液浮加速度計(jì)產(chǎn)品41§1.2、導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展簡史

1.2.4慣性導(dǎo)航系統(tǒng)3近代慣導(dǎo)系統(tǒng)的發(fā)展（20世紀(jì)初—1990年代）（2）慣性傳感器的發(fā)展動(dòng)力調(diào)諧式撓性陀螺60年代動(dòng)力調(diào)諧式撓性陀螺研制成功。1966年美國基爾福特(Kearfott)公司研制出撓性陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)，并用于飛機(jī)和導(dǎo)彈。這為后來航空慣導(dǎo)的典型代表美國利登公司的軍用LN-39和民用LTN-72的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。動(dòng)力調(diào)諧式撓性陀螺儀的撓性接頭動(dòng)力調(diào)諧速率陀螺儀組成動(dòng)力調(diào)諧式撓性陀螺儀實(shí)物撓性加速度計(jì)結(jié)構(gòu)42§1.2、導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展簡史

1.2.4慣性導(dǎo)航系統(tǒng)3近代慣導(dǎo)系統(tǒng)的發(fā)展（20世紀(jì)初—1990年代）（2）慣性傳感器的發(fā)展靜電陀螺70年代，在利用高壓靜電場支承球形轉(zhuǎn)子、取代機(jī)械支承的靜電陀螺研制成功，陀螺性能進(jìn)一步提高。靜電陀螺原理示意圖靜電陀螺儀結(jié)構(gòu)示意圖43§1.2、導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展簡史

1.2.4慣性導(dǎo)航系統(tǒng)3近代慣導(dǎo)系統(tǒng)的發(fā)展（20世紀(jì)初—1990年代）（2）慣性傳感器的發(fā)展光學(xué)陀螺激光于1960年在世界上首次出現(xiàn)。1962年，美、英、法、前蘇聯(lián)幾乎同時(shí)開始醞釀研制用激光來作為方位測向器，稱之為激光陀螺儀。60年代初期，光學(xué)裝置中發(fā)現(xiàn)了薩格納克效應(yīng)。美國斯佩里公司于1963年首先做出了激光陀螺儀的實(shí)驗(yàn)裝置。1966年美國霍尼威爾公司開始使用石英作腔體，并研究出交變機(jī)械抖動(dòng)偏頻法，使這項(xiàng)技術(shù)有了實(shí)用的可能。1972年，霍尼威爾公司研制出GG-1300型激光陀螺儀。80年代以后，激光陀螺、光纖陀螺廣泛應(yīng)用于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。XW-G60光纖陀螺KVH單軸光纖陀螺VG949P光纖陀螺機(jī)載三軸激光陀螺44§1.2、導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展簡史

1.2.4慣性導(dǎo)航系統(tǒng)3近代慣導(dǎo)系統(tǒng)的發(fā)展（20世紀(jì)初—1990年代）（3）慣性導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用1949年，J.H.Laning,Jr.發(fā)表名為“Thevectoranalysisoffiniterotationsandangles”的報(bào)告，建立了捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航的理論基礎(chǔ)；同時(shí)，美國麻省理工學(xué)院德雷伯（C.S.Draper）教授驗(yàn)證了平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的可行性。1953年，德雷伯（C.S.Draper）教授，將純慣性導(dǎo)航系統(tǒng)安裝到一架B-29遠(yuǎn)程轟炸機(jī)上，首次實(shí)現(xiàn)了橫貫美國大陸的飛行1958年美國“鸚鵡螺”號(hào)核潛艇裝備液浮陀螺平臺(tái)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核潛艇，實(shí)際位置和計(jì)算位置僅差幾海里。1960年，世界上第一套飛機(jī)慣導(dǎo)系統(tǒng)（LN-3）出廠……慣導(dǎo)系統(tǒng)鮮明的優(yōu)缺點(diǎn)和巨大的需求，既促進(jìn)慣性器件性能的不斷提高和采用新原理的慣性傳感器不斷產(chǎn)生，也促進(jìn)了慣性及其組合導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展。

45§1.2、導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展簡史

1.2.5衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（20世紀(jì)60年代）1964年1月美國海軍武器實(shí)驗(yàn)室研制成功“子午儀（Transit）衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在導(dǎo)航和定位技術(shù)發(fā)展中具有劃時(shí)代的意義由于觀測解算導(dǎo)航參數(shù)的時(shí)間長，不能滿足連續(xù)實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航的要求，尤其不能滿足高動(dòng)態(tài)目標(biāo)的導(dǎo)航要求。

46§1.2、導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展簡史

1.2.5衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)2.全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)1970年代初期，鑒于子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的成功及其存在的缺陷，促使美國海軍和空軍研究更先進(jìn)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。1994年3月10日，24顆工作衛(wèi)星全部進(jìn)入預(yù)定軌道，系統(tǒng)全面正常運(yùn)行。全球定位系統(tǒng)(GPS)是一種可以定時(shí)和測距的空間交會(huì)定點(diǎn)的導(dǎo)航系統(tǒng)，它可以向全球用戶提供連續(xù)、實(shí)時(shí)、高精度的三維位置、三維速度和時(shí)間信息。47§1.2、導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展簡史

1.2.5衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)3.前蘇聯(lián)GLONASS系統(tǒng)及其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)前蘇聯(lián)自1978年10月開始，發(fā)射了自己的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GLONASS)試驗(yàn)衛(wèi)星，由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成，均勻分布在三個(gè)軌道平面上歐洲空間局(ESA)亦在籌建民用導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，它包括在赤道平面上的六顆同步衛(wèi)星(GEO)和12顆高橢圓軌道(HEO)衛(wèi)星的混合衛(wèi)星星座

GLONASS衛(wèi)星星座分布

48§1.2、導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展簡史

1.2.6地形輔助導(dǎo)航系統(tǒng)1980年代以來，地形輔助導(dǎo)航（TAN）系統(tǒng)受到廣泛重視，并已得到成功使用。與一般組合導(dǎo)航系統(tǒng)相比，只增加了唯一的硬件——存儲(chǔ)數(shù)字地形高度數(shù)據(jù)的大容量存儲(chǔ)器在低高度，特別是在山丘地帶，由于GPS能觀察到的導(dǎo)航星少，而此時(shí)TAN正處于最佳狀態(tài)。

水下地形輔助系統(tǒng)49采用兩種或兩種以上的非相似導(dǎo)航系統(tǒng)對同一信息作量測量,從這些量測量中計(jì)算出各導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差并校正之。采用組合導(dǎo)航技術(shù)的系統(tǒng)稱為組合導(dǎo)航系統(tǒng)參與組合的各導(dǎo)航系統(tǒng)稱為子系統(tǒng)?！?.2、導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展簡史

1.2.7組合導(dǎo)航系統(tǒng)50

內(nèi)容提綱1.1、引言1.2、導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展簡史§1.3、導(dǎo)航技術(shù)中常用的基本參數(shù)§1.4、思考與練習(xí)題51§1.3、導(dǎo)航技術(shù)中常用的基本參數(shù)測試慣性器件，導(dǎo)航解算以及評價(jià)導(dǎo)航系統(tǒng)性能都需要用到一些基本的物理量如長度（距離）、角度，常用的長度單位除國際單位米外，還有海里、節(jié)、密耳等海里是海上的長度單位。它原指地球子午線上緯度1分的長度，赤道上1海里約等于1843米；緯度45°處約等于1852.2米，兩極約等于1861.6米。1929年國際水文地理學(xué)會(huì)議，通過用1分平均長度1852米作為1海里參數(shù)英文全稱表示符號(hào)與對應(yīng)相關(guān)單位的轉(zhuǎn)換關(guān)系海里nauticalmilenm1海里=1852米碼yardyd1碼=0.9144米英尺footft1英尺=0.3048米英寸inchin1英寸=0.0254米表1.1常用長度單位及其對應(yīng)轉(zhuǎn)換關(guān)系表52§1.3、導(dǎo)航技術(shù)中常用的基本參數(shù)常用的角度單位除弧度外，還有角秒、角分、密位。如果把圓周分成6000等份，每一等份弧長所對的圓心角叫1密位。即1密位所對弧長，等于圓周長的1/6000。根據(jù)圓周長與半徑的關(guān)系，每1密位所對弧長恰好等于半徑的1/1000，即：弧長/密位=半徑/1000。

表1.2常用角度單位及其對應(yīng)轉(zhuǎn)換關(guān)系表參數(shù)英文全稱表示符號(hào)與對應(yīng)相關(guān)單位的轉(zhuǎn)換關(guān)系度degreeo1度=0.0174532925弧度角分arcmin′1角分=60角秒角秒arcsec″毫弧度milliradianmrad1毫弧度=3.44角分＝206.4角秒密位milmil1密位=3.6角分＝216角秒53§1.3、導(dǎo)航技術(shù)中常用的基本參數(shù)地球上，導(dǎo)航技術(shù)中在表示系統(tǒng)的某些參數(shù)時(shí)，長度和角度單位之間具有一定的對應(yīng)關(guān)系，比如說某系統(tǒng)定位精度為每小時(shí)1海里或1角分，兩者意義是相同的，這種對應(yīng)是地球上的弧長與弧長在地球曲率半徑下的角度之間的對應(yīng)。54

內(nèi)容提綱1.1、引言1.2、導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展簡史1.3、導(dǎo)航技術(shù)中常用的基本參數(shù)§1.4、思考與練習(xí)題55§1.4、思考與練習(xí)題了解導(dǎo)航的概念和導(dǎo)航系統(tǒng)的工作狀態(tài)，導(dǎo)航技術(shù)在國防和民用領(lǐng)域的應(yīng)用以及導(dǎo)航系統(tǒng)，導(dǎo)航技術(shù)的地位。區(qū)別導(dǎo)航和制導(dǎo)的意義，區(qū)別導(dǎo)航參數(shù)和制導(dǎo)參數(shù)。傅科擺實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了什么現(xiàn)象，是怎樣來驗(yàn)證的？了解導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展過程。56參考文獻(xiàn)[1]陳金枝.天文導(dǎo)航與星光制導(dǎo).艦船科學(xué)技術(shù),2001.1[2]丁衡高.海陸空天顯神威:慣性技術(shù)縱橫談.北京:清華大學(xué)出版社,2000[3]張宗麟.慣性導(dǎo)航與組合導(dǎo)航.北京:航空工業(yè)出版社,2000.8[4]黃德鳴.慣性技術(shù)神奇的指路魔杖.濟(jì)南:山東教育出版社,2001[5]何傳五.幾種新型陀螺簡介.航天控制,2001(02)[6]姜璐,于遠(yuǎn)治,吉春生.陀螺儀在導(dǎo)航中的應(yīng)用及其比較,船舶工程2004.2[7]曾慶化,劉建業(yè),賴際舟,等.環(huán)形激光陀螺的最新發(fā)展.傳感器技術(shù),2004,23(11):1-4[8]R