導(dǎo)航技術(shù)概論及組合導(dǎo)航基本概念

第1講

導(dǎo)航系統(tǒng)簡介導(dǎo)航技術(shù)概論及組合導(dǎo)航基本概念主要內(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)基本原理導(dǎo)航技術(shù)概論及組合導(dǎo)航基本概念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？導(dǎo)航技術(shù)概論及組合導(dǎo)航基本概念導(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)航行體平安、精確、經(jīng)濟(jì)、便捷地在既定的時(shí)間內(nèi)，依據(jù)既定的航行路途，準(zhǔn)時(shí)地到達(dá)目的地。導(dǎo)航要實(shí)時(shí)、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)。導(dǎo)航技術(shù)概論及組合導(dǎo)航基本概念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……導(dǎo)航技術(shù)概論及組合導(dǎo)航基本概念組合導(dǎo)航系統(tǒng)通過對(duì)兩種或多種導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量或輸出信息進(jìn)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)航精度和牢靠性，集各個(gè)子系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)于一身。組合導(dǎo)航目的：獲得更好的精度、牢靠性等2、組合導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航技術(shù)概論及組合導(dǎo)航基本概念(1)協(xié)合超越：利用各子系統(tǒng)的導(dǎo)航信息并作有機(jī)處理，形成單個(gè)子系統(tǒng)不具備的功能和精度。(2)性能互補(bǔ)：組合導(dǎo)航系統(tǒng)綜合利用了各子系統(tǒng)的信息，使各子系統(tǒng)取長補(bǔ)短，提高適用范圍。(3)互為余度：各子系統(tǒng)觀測(cè)同一信息源，測(cè)量冗余，增加了導(dǎo)航系統(tǒng)的牢靠性。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(diǎn)，揚(yáng)長避短，使得導(dǎo)航實(shí)力、精度、牢靠性和自動(dòng)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(diǎn)導(dǎo)航技術(shù)概論及組合導(dǎo)航基本概念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)！導(dǎo)航技術(shù)概論及組合導(dǎo)航基本概念組合導(dǎo)航的基本思想：慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的輸出信號(hào)與獨(dú)立測(cè)量的由其它導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)出的相同的量進(jìn)行比較；通過卡爾曼濾波器或其他濾波方法給出對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)誤差的實(shí)時(shí)估計(jì)；通過適當(dāng)?shù)男Ｕ绞?，?duì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行修正，就有可能獲得比單獨(dú)慣性系統(tǒng)更高的導(dǎo)航精度。2、組合導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航技術(shù)概論及組合導(dǎo)航基本概念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(diǎn)導(dǎo)航系統(tǒng)誤差分析及建模方法其次部分：狀態(tài)估計(jì)部分組合導(dǎo)航系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)方法：卡爾曼濾波，擴(kuò)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)導(dǎo)航技術(shù)概論及組合導(dǎo)航基本概念考核方式考試：閉卷考試總成果：平常成果+卷面成果參考教材：《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》，秦永元導(dǎo)航技術(shù)概論及組合導(dǎo)航基本概念3、各導(dǎo)航系統(tǒng)基本原理導(dǎo)航技術(shù)概論及組合導(dǎo)航基本概念無線電導(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……導(dǎo)航技術(shù)概論及組合導(dǎo)航基本概念3.1數(shù)據(jù)庫參考導(dǎo)航(DBRN，databasereferencenavigation)地球的陸地上或海床上的每個(gè)點(diǎn)有獨(dú)一無二的三維位置，即經(jīng)度、緯度和相對(duì)于海平面的高度或深度，這個(gè)點(diǎn)也有獨(dú)一無二的磁力和重力度量值?；驹恚豪妙A(yù)先測(cè)量的數(shù)據(jù)庫或地圖作為參考，與傳感器測(cè)量信息進(jìn)行比較和匹配來確定位置。導(dǎo)航技術(shù)概論及組合導(dǎo)航基本概念3.1數(shù)據(jù)庫參考導(dǎo)航(DBRN，databasereferencenavigation)地磁導(dǎo)航(GeomagneticNavigation)重力導(dǎo)航(GravityNavigation)地形導(dǎo)航(TerrainAidedNavigation)特點(diǎn)：由于可獲得的各種數(shù)據(jù)資源的條件限制，數(shù)據(jù)庫參考系統(tǒng)往往不能為航行體供應(yīng)全程連續(xù)導(dǎo)航，所以通常和其他導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)合在一起運(yùn)用。導(dǎo)航技術(shù)概論及組合導(dǎo)航基本概念地文導(dǎo)航又稱為陸標(biāo)定位，是一種通過觀測(cè)陸標(biāo)與船泊只見的某種相互位置關(guān)系進(jìn)行定位的方法。陸標(biāo)是指海圖上標(biāo)有精確位置可供目視或雷達(dá)觀測(cè)，用以導(dǎo)航或定位的山頭、島嶼、燈塔、立標(biāo)及其它顯著固定物標(biāo)的統(tǒng)稱。利用羅經(jīng)、測(cè)距儀和六分儀等觀測(cè)儀器，觀測(cè)陸標(biāo)的方位、距離和水平角，按確定法則確定船位。3.2地文導(dǎo)航（TerrestrialNavigation

）導(dǎo)航技術(shù)概論及組合導(dǎo)航基本概念船位線（LineofPosition）：在導(dǎo)航上，凡是觀測(cè)值相等點(diǎn)的軌跡稱為等值線，在導(dǎo)航定位中常稱為位置線或船位線。陸標(biāo)定位運(yùn)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（TerrestrialNavigation）導(dǎo)航技術(shù)概論及組合導(dǎo)航基本概念基本原理：當(dāng)船舶航行時(shí)，如對(duì)某一物標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)，則觀測(cè)時(shí)的船位必定位于該船位線上的某一點(diǎn)，但原委位于哪一點(diǎn)，單有一條船位線是無法確定的。如能在同一時(shí)刻測(cè)得兩條或兩條以上的船位線，則它們的交點(diǎn)即為觀測(cè)時(shí)的船位，這就是陸標(biāo)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（TerrestrialNavigation

）導(dǎo)航技術(shù)概論及組合導(dǎo)航基本概念利用各種船位線組合起來進(jìn)行定位，可得到不同的定位方法。常用的定位方法有：兩標(biāo)方位法、三標(biāo)方位法、三標(biāo)兩角法、兩標(biāo)距離法、三標(biāo)距離法、方位距離法以及方位水平角法等。3.2地文導(dǎo)航（TerrestrialNavigation）兩標(biāo)方位法三標(biāo)方位法導(dǎo)航技術(shù)概論及組合導(dǎo)航基本概念特點(diǎn)：這種導(dǎo)航簡潔、牢靠；但受氣象條件影響比較嚴(yán)峻，在能見度低的狀況下很難測(cè)到目標(biāo)，無法進(jìn)行導(dǎo)航。在無物標(biāo)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（TerrestrialNavigation

）導(dǎo)航技術(shù)概論及組合導(dǎo)航基本概念3.3推位導(dǎo)航（DR,Deadreckoning）基本原理：起始時(shí)刻的位置已知，速度的大小和方向可通過測(cè)量得到，則下一時(shí)刻的位置可通過計(jì)算得到。導(dǎo)航技術(shù)概論及組合導(dǎo)航基本概念3.3推位導(dǎo)航（DR,Deadreckoning）航向:磁羅經(jīng),陀螺羅經(jīng),平臺(tái)羅經(jīng),慣性導(dǎo)航航速:水壓計(jì)程儀,電磁計(jì)程儀,多普勒計(jì)程儀,聲相關(guān)計(jì)程儀★多普勒效應(yīng)：當(dāng)機(jī)械波或電磁波的放射源與接收點(diǎn)間沿兩者連線方向存在相對(duì)速度時(shí)，接收頻率與放射頻率并不相同，這一頻率差稱為多普勒頻移。導(dǎo)航技術(shù)概論及組合導(dǎo)航基本概念3.4慣性導(dǎo)航（INS-Inertialnavigation）慣性導(dǎo)航是完全不依靠于外部聲、光、電、磁傳播的信號(hào)自主式的進(jìn)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、水下都能全天候牢靠的工作。導(dǎo)航技術(shù)概論及組合導(dǎo)航基本概念這種不依靠外界信息，只靠對(duì)載體(vehicle)本身的慣性測(cè)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-Inertialnavigation）導(dǎo)航技術(shù)概論及組合導(dǎo)航基本概念用什么測(cè)量加速度大??？加速度計(jì)（accelerometer

）用什么確定加速度方向？陀螺儀（gyroscope）陀螺儀和加速度計(jì)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-Inertialnavigation）導(dǎo)航技術(shù)概論及組合導(dǎo)航基本概念慣性導(dǎo)航的重要性洲際導(dǎo)彈、戰(zhàn)略遠(yuǎn)程轟炸機(jī)、導(dǎo)彈核潛艇構(gòu)成了三大戰(zhàn)略威懾力氣。而這三大戰(zhàn)略威懾力氣都離不開慣性技術(shù)的支撐。3.4慣性導(dǎo)航（INS-Inertialnavigation）導(dǎo)航技術(shù)概論及組合導(dǎo)航基本概念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(jì)。導(dǎo)航技術(shù)概論及組合導(dǎo)航基本概念各種慣性導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航技術(shù)概論及組合導(dǎo)航基本概念3.4慣性導(dǎo)航（INS-Inertialnavigation）導(dǎo)航技術(shù)概論及組合導(dǎo)航基本概念慣性導(dǎo)航涉及的問題什么是慣性空間：坐標(biāo)系及坐標(biāo)系變換慣性導(dǎo)航1：坐標(biāo)系及方向余弦用什么測(cè)加速度，怎么測(cè)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（限制方程，基本方程，誤差方程）慣性導(dǎo)航3：平臺(tái)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-Inertialnavigation）導(dǎo)航技術(shù)概論及組合導(dǎo)航基本概念優(yōu)點(diǎn)：（1）依靠自身測(cè)量的加速度推算位置，自主式導(dǎo)航系統(tǒng)；（2）不須要接收外部信息，不受外界干擾；（3）不向外輻射能量，隱藏性好；（4）測(cè)量位置的同時(shí)，還能測(cè)量姿態(tài)角。缺點(diǎn)：（1）位置由加速度經(jīng)二次積分獲得，誤差隨時(shí)間積累；（2）對(duì)慣性元件精度要求高，系統(tǒng)成本高。3.4慣性導(dǎo)航（INS-Inertialnavigation）導(dǎo)航技術(shù)概論及組合導(dǎo)航基本概念無線電導(dǎo)航的基本任務(wù)是：測(cè)距和測(cè)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。

無線電波的上述3個(gè)基本特性為測(cè)距和測(cè)向奠定了基礎(chǔ)。利用直線傳播特性可測(cè)定輻射電波的目標(biāo)方向，而恒速特性可測(cè)定目標(biāo)的距離。3.5無線電導(dǎo)航（Radionavigation）導(dǎo)航技術(shù)概論及組合導(dǎo)航基本概念利用無線電導(dǎo)航技術(shù)實(shí)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(cè)量方位法、測(cè)量距離法和測(cè)量距離差法。3.5無線電導(dǎo)航（Radionavigation）（1）測(cè)量方位法（測(cè)向法）：通過測(cè)量無線電指向目標(biāo)的方位，分最小值、最大值、比較測(cè)量法，確定船舶所處位置線。測(cè)量方位法導(dǎo)航技術(shù)概論及組合導(dǎo)航基本概念測(cè)量距離法3.5無線電導(dǎo)航（Radionavigation）（2）測(cè)距法：通過測(cè)定船舶與無線電放射臺(tái)的距離，確定船舶所處的位置圓，再由不同的導(dǎo)航臺(tái)測(cè)出兩條或兩條以上的位置線，從而確定船位。導(dǎo)航技術(shù)概論及組合導(dǎo)航基本概念測(cè)量距離差法3.5無線電導(dǎo)航（Radionavigation）（3）測(cè)距離差法：依據(jù)船舶與兩個(gè)無線電放射臺(tái)的距離之差為常數(shù)，確定船舶所處的位置線----以導(dǎo)航臺(tái)為焦點(diǎn)的雙曲線，再由不同導(dǎo)航臺(tái)測(cè)出兩條或兩條以上的位置線，從而確定船位。導(dǎo)航技術(shù)概論及組合導(dǎo)航基本概念36羅蘭系統(tǒng)（LORAN）羅蘭C－1957年建成，1960年以后得到大力發(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(cè)距差雙曲線導(dǎo)航系統(tǒng)，同時(shí)利用脈沖信號(hào)和載波相位來測(cè)量距離差，進(jìn)而求得雙曲線位置線實(shí)現(xiàn)定位。勞蘭C接受90~110kHz的低頻頻率，該頻率傳播距離遠(yuǎn)(1000海里左右)，穩(wěn)定性好。缺點(diǎn)：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（Radionavigation）導(dǎo)航技術(shù)概論及組合導(dǎo)航基本概念天文導(dǎo)航是依據(jù)天上星座的運(yùn)行規(guī)律來對(duì)地面上的目標(biāo)進(jìn)行定位的。通過觀測(cè)星體相對(duì)地球的位置參數(shù)（例如仰角）以及觀測(cè)時(shí)間，即可確定觀測(cè)者在地球上的位置，從而引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)體航行，這就是天文導(dǎo)航或天體導(dǎo)航。3.6天文導(dǎo)航（Celestialnavigation）導(dǎo)航技術(shù)概論及組合導(dǎo)航基本概念天文船位圓法：每測(cè)量一個(gè)天體的高度和頂距時(shí)，必位于以該天體投影點(diǎn)b為圓心，以ｒ?yàn)榘霃降牡雀邎A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。接著觀測(cè)其次個(gè)天體，得到另一個(gè)等高圓。這兩個(gè)等高圓在地球表面上相交于兩點(diǎn)，其中一點(diǎn)就是測(cè)者所在地。3.6天文導(dǎo)航（Celestialnavigation）導(dǎo)航技術(shù)概論及組合導(dǎo)航基本概念為了測(cè)得船位，測(cè)者在同一地點(diǎn)至少要觀測(cè)兩個(gè)天體，便可得到兩個(gè)天文船位圓，它們相交得到兩個(gè)交點(diǎn)。由于天文船位圓的半徑很大，這兩個(gè)交點(diǎn)相距很遠(yuǎn)，因此，靠近推算船位的一個(gè)交點(diǎn)就是測(cè)者的觀測(cè)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退模糊度，即三星定位原理。3.6天文導(dǎo)航（Celestialnavigation）導(dǎo)航技術(shù)概論及組合導(dǎo)航基本概念天文導(dǎo)航的特點(diǎn)：（1）天文導(dǎo)航系統(tǒng)是自主式系統(tǒng)，不須要地面設(shè)備；（2）不受人工或自然形成的電磁場(chǎng)的干擾；（3）不向外輻射電磁波，隱藏性好；（4）定向、定位精度高，定位誤差不隨時(shí)間累積。缺點(diǎn)：受天氣影響。只能實(shí)現(xiàn)定位，無法測(cè)姿。須要水平平臺(tái)作觀測(cè)平臺(tái)。3.6天文導(dǎo)航（Celestialnavigation）導(dǎo)航技術(shù)概論及組合導(dǎo)航基本概念工作原理衛(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(hào)來實(shí)現(xiàn)定位測(cè)量的定位系統(tǒng)。3.7衛(wèi)星導(dǎo)航（Satellitenavigation）導(dǎo)航技術(shù)概論及組合導(dǎo)航基本概念3.7衛(wèi)星導(dǎo)航（Satellitenavigation）

車輛導(dǎo)航管理

對(duì)航空器的定位及導(dǎo)航

車輛導(dǎo)航

配備GPS的巡警

導(dǎo)航技術(shù)概論及組合導(dǎo)航基本概念3.7衛(wèi)星導(dǎo)航（Satellitenavigation）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)導(dǎo)航技術(shù)概論及組合導(dǎo)航基本概念GPS全球定位系統(tǒng)GPS的英文全稱是:NavigationSatelliteTimingAndRangingGlobalPositionSystem，簡稱GPS，其意為“導(dǎo)航星測(cè)時(shí)與測(cè)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年起先研制，1993年12月達(dá)到初始運(yùn)行實(shí)力，1995年4月達(dá)到全運(yùn)行實(shí)力。衛(wèi)星組成：初始為21顆星，覆蓋不良；90年頭中期擴(kuò)展為24顆星，覆蓋全球；始終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（Satellitenavigation）導(dǎo)航技術(shù)概論及組合導(dǎo)航基本概念全球，全天候，全天時(shí)，多維連續(xù)定位，且精度不隨時(shí)間變更，具有全球地面連續(xù)覆蓋，精度高，功能多，實(shí)時(shí)定位速度快。由于GPS接受了數(shù)字通信的偽隨機(jī)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(shí)都有可能變更GPS政策；GPS的系統(tǒng)信號(hào)在高緯度地區(qū)常常出現(xiàn)盲區(qū)；美國國防部曾強(qiáng)調(diào)，限制敵人在戰(zhàn)時(shí)利用GPS；GPS無法實(shí)現(xiàn)水下導(dǎo)航，且戰(zhàn)時(shí)易受干擾。GPS系統(tǒng)特點(diǎn)導(dǎo)航技術(shù)概論及組合導(dǎo)航基本概念伽利略（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(huì)宣布要發(fā)展下一