慣導(dǎo)與GPS--第1章導(dǎo)航概述.ppt

,慣性導(dǎo)航與GPS,西安工業(yè)大學(xué) 石 俊,成績：期末考試占 60%； 上機(jī)占 20%； 平時占 20%。,學(xué)時：授課48 + 上機(jī)16,課程設(shè)置,內(nèi)容：共三部分,導(dǎo)航系統(tǒng)概述,GPS,慣性導(dǎo)航,*其它導(dǎo)航方式,（以GPS為主）,第1章 導(dǎo)航系統(tǒng)概述,問： 一個人從一個地方走到另一個地方是否需要導(dǎo)航？,答：需要。,日常生活中的運(yùn)動體都在不同程度的進(jìn)行著某種形式的導(dǎo)航。,運(yùn)動體,比如，學(xué)生從宿舍到食堂，再到教室的過程。,簡要介紹各種導(dǎo)航系統(tǒng)的基本情況、基本概念和知識點(diǎn),1.1 導(dǎo)航、大地測量與制導(dǎo),1.2 導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展簡介,1.3 導(dǎo)航的坐標(biāo)與原理,1.4 地球形狀描述及曲率半徑,1.1 導(dǎo)航、大地測量與制導(dǎo),1.1.1 導(dǎo)航與導(dǎo)航系統(tǒng),1.1.2 大地測量,1.1.3 制導(dǎo),1.1.4 導(dǎo)航與制導(dǎo)的區(qū)別,1.1.5 導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展趨勢,檢測和確定這些參數(shù)是通過 完成。,載體（運(yùn)載體）在空間運(yùn)動過程的基本參數(shù)？,具有導(dǎo)航功能的系統(tǒng),、 、 是載體運(yùn)動過程的基本參數(shù)。,位置,速度,姿態(tài),導(dǎo)航的實質(zhì)：,即是要獲取載體的這三個基本參數(shù) 或其中一部分參數(shù)。,（1）什么是導(dǎo)航？,導(dǎo)：引導(dǎo),航：航行,導(dǎo)航：,引導(dǎo)載體到達(dá)目的地的 和 過程。,確定載體的 和 ；,引導(dǎo)一個物體從一個地方航行到另一個地方的科學(xué)。,1.1.1 導(dǎo)航與導(dǎo)航系統(tǒng),位置,姿態(tài),控制,指示,（泛指：飛行器、艦船、車輛、人、動物，等）,過程,（速度）,（2）導(dǎo)航分兩類：,自主式導(dǎo)航：,非自主式導(dǎo)航：,1.1.1 導(dǎo)航與導(dǎo)航系統(tǒng),用于飛行器或船舶上的設(shè)備導(dǎo)航，有慣性導(dǎo)航、多普勒導(dǎo)航和天文導(dǎo)航等；,用于飛行器、船舶、汽車等交通設(shè)備與 有關(guān)的地面或空中設(shè)備相配合導(dǎo)航，有 無線電導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航。,（3）導(dǎo)航的任務(wù)：,提供運(yùn)動載體的 6自由度導(dǎo)航參數(shù)；即 3維位置和 3維角度，它們決定一個物體在三維空間的位置和姿態(tài)。,（4）導(dǎo)航系統(tǒng)：,能提供導(dǎo)航參數(shù)，實現(xiàn)導(dǎo)航任務(wù)的軟件和硬件。,導(dǎo)航裝置通常分為陸基和星基兩大類。,1.1.1 導(dǎo)航與導(dǎo)航系統(tǒng),早期導(dǎo)航系統(tǒng)：主要由功能單一的儀表組成；,當(dāng)前導(dǎo)航系統(tǒng)：由各種傳感器所構(gòu)成的高精度復(fù)雜系統(tǒng)。,導(dǎo)航系統(tǒng)有 2 種工作狀態(tài)：,指示狀態(tài)：,自動導(dǎo)航狀態(tài)：,在這兩種工作狀態(tài)下：導(dǎo)航系統(tǒng)的作用只是提供導(dǎo)航參數(shù)，為 自動控制和導(dǎo)引載體按預(yù)定軌跡準(zhǔn)確 到達(dá)目的地的制導(dǎo)過程提供信息保障。,1.1.1 導(dǎo)航與導(dǎo)航系統(tǒng),導(dǎo)航系統(tǒng)提供的導(dǎo)航信息僅供駕駛員操作和引導(dǎo)載體之用，導(dǎo)航系統(tǒng)不直接對載體進(jìn)行控制。,導(dǎo)航系統(tǒng)直接提供信息給載體的自動駕駛控制系統(tǒng)，由其操縱和引導(dǎo)載體。,1.1.2 大地測量,目標(biāo)：獲取位置和方向。主要研究和測定地球形狀、大小 和重力場。以及測定地面點(diǎn)幾何位置。,典型：GPS定位。,表1.1 導(dǎo)航與大地測量的區(qū)別,1.1.3 制導(dǎo),制導(dǎo)是一個與導(dǎo)航緊密相關(guān)的概念，用于導(dǎo)彈、制導(dǎo)炸 彈/炮彈、魚雷等武器。,制導(dǎo)：,自動控制和導(dǎo)引載體按預(yù)定航跡準(zhǔn)確到達(dá)目標(biāo)的過程。,包括：應(yīng)用導(dǎo)航的測量值和自動控制的全部閉環(huán)過程。,制導(dǎo)系統(tǒng)：,實現(xiàn)導(dǎo)引和控制載體按預(yù)定航跡導(dǎo)向目標(biāo)的軟、硬件。,閉環(huán),1.1.3 制導(dǎo),制導(dǎo)系統(tǒng)的主要功能（3點(diǎn)）：,（1）根據(jù)起始點(diǎn)、目標(biāo)點(diǎn)和約束條件，建立航跡參數(shù) （航路點(diǎn)、航線等）。,（2）由導(dǎo)航系統(tǒng)測量載體運(yùn)動，確定載體的導(dǎo)航參數(shù) （位置、速度、姿態(tài)）。,（3）根據(jù)航跡和運(yùn)動參數(shù)，自動產(chǎn)生控制（制導(dǎo)）信息， 傳輸給載體相應(yīng)的控制系統(tǒng)。,例如：,載體上的自動駕駛系統(tǒng)結(jié)合計算機(jī)已存儲的飛行路徑中各航路點(diǎn)的位置信息。,根據(jù)導(dǎo)航系統(tǒng)提供的即時導(dǎo)航參數(shù)（絕對參數(shù)）。,計算出各種可用來糾正航行偏差的制導(dǎo)參數(shù)（相對目標(biāo)參數(shù)），如：應(yīng)飛航跡角、偏航角、航跡角誤差、偏航距、待飛距離/時間，等。,1.1.3 制導(dǎo),圖1.1 導(dǎo)航制導(dǎo)參數(shù)示意圖,預(yù)定航跡參數(shù)設(shè)置,航行控制計算機(jī),航行操作控制系統(tǒng),指令,載體運(yùn)動,導(dǎo)航系統(tǒng),信息,圖1.2 導(dǎo)航制導(dǎo)閉環(huán)控制系統(tǒng)示意圖,1.1.3 制導(dǎo),1.1.3 制導(dǎo),載體的制導(dǎo)參數(shù)是利用給定航行計劃和導(dǎo)航參數(shù)計算得出。,利用制導(dǎo)參數(shù)和載體操縱規(guī)律，計算出載體的操縱指令。,通過航行控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)載體的航行自動化。,航行控制系統(tǒng)能在任務(wù)、地理、氣象等情況發(fā)生改變的條件下，自動計算規(guī)劃出最優(yōu)的航行路徑；并將航行控制系統(tǒng)與導(dǎo)航系統(tǒng)組合在一起，完成航行任務(wù)。,導(dǎo)航與制導(dǎo) 的區(qū)別。兩者的概念就已交叉，隨著科學(xué)的發(fā)展，更是相互融合。,實行導(dǎo)航時，要確定飛行器的位置，并且航跡是事先確定的，導(dǎo)航要實時、連續(xù)地給出飛行器的位置、速度、加速度、航向等導(dǎo)航參數(shù)。,制導(dǎo)則是利用導(dǎo)航系統(tǒng)輸出的加速度、速度、位置和航向姿態(tài)等信息，形成指令信號，控制載體的姿態(tài)、航向或發(fā)動機(jī)，使其按預(yù)定軌道航行并到達(dá)目的地。,1.1.4 導(dǎo)航與制導(dǎo)的區(qū)別,沒有本質(zhì),導(dǎo)航：對象范圍大，常指載體，也可指人。 制導(dǎo)：對象范圍小，常指武器(導(dǎo)彈、制導(dǎo)炸彈/炮彈、魚雷)。,導(dǎo)航：給出航線引導(dǎo)目標(biāo)到達(dá)預(yù)定點(diǎn)。 制導(dǎo)：導(dǎo)引并控制目標(biāo)到達(dá)預(yù)定點(diǎn)。,導(dǎo)航：獲得目的地的當(dāng)前相對位置。 制導(dǎo)：決定如何到達(dá)目的地。,導(dǎo)航：你目前的方位（包括三個位置參數(shù)和三個姿態(tài)參數(shù)）。 制導(dǎo)：要達(dá)到目的地，你應(yīng)該怎么走。,導(dǎo)航：給人指路。 制導(dǎo)：給人帶路。,1.1.4 導(dǎo)航與制導(dǎo)的區(qū)別,1.1.5 導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展趨勢,現(xiàn)代運(yùn)載體的導(dǎo)航特點(diǎn)（5點(diǎn)）：,高精度（精確打擊）,長時間（連續(xù)巡航、巡邏）,遠(yuǎn) 程（客機(jī)跨洋飛行、導(dǎo)彈與轟炸機(jī)洲際攻擊）,對導(dǎo)航系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性提出了更高的要求，,航行控制系統(tǒng)與導(dǎo)航系統(tǒng)的組合,單一的導(dǎo)航方式已不能滿足需求。,高可靠性,綜合慣性導(dǎo)航與其它導(dǎo)航方式，,隨著科學(xué)的發(fā)展和導(dǎo)航需求的提高，導(dǎo)航系統(tǒng)向,綜合化,全天候,高精度,高可靠性,高自主性,智能容錯,的全信息融合發(fā)展。,構(gòu)成以慣導(dǎo)為主、其它導(dǎo)航方式為輔的組合導(dǎo)航系統(tǒng)。,采用現(xiàn)代控制理論信息融合方法，,1.1.5 導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展趨勢,1.2 導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展簡介,1.2.1 概述,1.2.2 早期的導(dǎo)航方式,1.2.3 無線電導(dǎo)航,1.2.4 多普勒導(dǎo)航,1.2.5 慣性導(dǎo)航,1.2.6 衛(wèi)星導(dǎo)航,1.2.7 地形輔助導(dǎo)航,1.2.9 組合導(dǎo)航,1.2.8 天文導(dǎo)航,1.2.1 概述,早期的導(dǎo)航方法：依靠星座、磁羅盤、地標(biāo)、速度表、時 鐘等單一功能的導(dǎo)航儀表大致確定載體 的路徑、航向、速度。,以航空導(dǎo)航為例：,飛行前，制定飛行計劃，以確定飛行路徑。,飛行中，依靠磁羅盤、無線電羅盤、陀螺地平儀、速度表、時鐘等，保持既定的航向、速度，大致判斷飛行路徑，并利用目視地標(biāo)，以監(jiān)視飛行路徑的正確性和尋找目的地。,20世紀(jì)30年代：無線電導(dǎo)航。,20世紀(jì)60年代：慣性、多普勒導(dǎo)航，等。（自主導(dǎo)航）,能為載體提供連續(xù)的導(dǎo)航信息。,20世紀(jì)80年代：導(dǎo)航系統(tǒng)與航行控制系統(tǒng)相結(jié)合。,1.2.1 概述,1.2.1 概述,隨著現(xiàn)代控制理論、高精度測繪、計算機(jī)、數(shù)字地圖、射電天文等技術(shù)的發(fā)展。,地形、景象、視覺、光流、引力場、脈沖星等新興導(dǎo)航技術(shù)逐漸出現(xiàn)。,采用現(xiàn)代控制理論的信息融合方法，以計算機(jī)為工具，以慣性導(dǎo)航為主體的組合導(dǎo)航系統(tǒng)和容錯組合導(dǎo)航系統(tǒng)受到極大重視。,1.2.1 概述,圖1.3 導(dǎo)航系統(tǒng)的演變與發(fā)展趨勢,1.2.2 早期的導(dǎo)航方式,司南：,戰(zhàn)國時期，利用磁石制成，確定南北方位。,圖1.4 漢代司南模型,1.2.2 早期的導(dǎo)航方式,指南針：,北宋初期。,羅盤針：,把指南針固定在方位盤中。,圖1.5 羅盤針,1.2.2 早期的導(dǎo)航方式,中國航海所使用的是磁針浮于水面的水羅盤；,歐洲改進(jìn)，發(fā)展出具有固定支點(diǎn)的磁針，即旱羅盤；,18世紀(jì)末，液體磁羅經(jīng)出現(xiàn)，其羅盤懸浮于盛滿液體的羅盤中，因液體的浮力作用，羅盤支撐軸針與軸承間的摩擦力大大減小，提高了系統(tǒng)的靈敏度和穩(wěn)定度。,早期的地標(biāo)導(dǎo)航：利用在地圖或海圖上已標(biāo)明位置的地 物、地標(biāo)，在載體上用光學(xué)等方法，用 測向或測距法定出載體的地理位置。,這種方法簡單，但易受 和 條件的限制。,氣象,地域,1.2.2 早期的導(dǎo)航方式,圖1.7 伽利略望遠(yuǎn)鏡,圖1.6 伽利略伽利雷 （15641642）,近代科學(xué)之父,1.2.3 無線電導(dǎo)航,利用無線電波在均勻介質(zhì)和自由空間 及 兩大特性進(jìn)行導(dǎo)航。,直線傳播,恒速,兩種定位方式：,（1）通過設(shè)置在載體和地面上的收發(fā)系統(tǒng)，測量載體 相對地面臺站的距離、距離差、相位差進(jìn)行定位。,（2）通過載體上的接收系統(tǒng)，接收地面臺站發(fā)射的無線 電信號，測量載體相對于已知地面臺站的方位角進(jìn) 行定位。,1.2.3 無線電導(dǎo)航,無線電導(dǎo)航的優(yōu)點(diǎn)（3點(diǎn)）：,精度高,可靠性高,價格低,無線電導(dǎo)航的缺點(diǎn)（5點(diǎn)）：,依賴地面臺站配合,電波易受干擾,自身易暴露,生存力差,對抗性弱,（無線電導(dǎo)航優(yōu)缺點(diǎn)）,1.2.4 多普勒導(dǎo)航,20世紀(jì)6070年代，不依賴地面導(dǎo)航臺站的多普勒雷達(dá)導(dǎo)航系統(tǒng)出現(xiàn)。,利用多普勒頻移效應(yīng)，測量載體相對地面的速度，進(jìn)而完成導(dǎo)航任務(wù)。,多普勒頻移：,由于載體與雷達(dá)地面臺站相對運(yùn)動而產(chǎn)生的發(fā)射波與反射波之間的頻率差；,或由于載體運(yùn)動，引起機(jī)載雷達(dá)的發(fā)射波與反射波之間的頻率差。,1.2.4 多普勒導(dǎo)航,多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)中，無需借助地面臺站，只需在載體上安裝雷達(dá)的發(fā)射和接收系統(tǒng)。,測出地速大小,利用載體上的多普勒/航向系統(tǒng),輸出航向角,把地速分解為地理北向和東向分量,確定載體位置,（多普勒導(dǎo)航原理）,1.2.4 多普勒導(dǎo)航,（多普勒導(dǎo)航優(yōu)缺點(diǎn)）,多普勒導(dǎo)航的優(yōu)點(diǎn)：,多普勒導(dǎo)航的缺點(diǎn)：,（無需地面臺站配合）,主動工作、自主性強(qiáng),（1）易受干擾、易暴露。,（雷達(dá)開機(jī)發(fā)射電波）,（2）定位精度與反射面的具體情況密切相關(guān)。,（如：海面、沙漠反射性差）,（3）精度受雷達(dá)天線姿態(tài)影響大。,（如：載體做大機(jī)動運(yùn)動時，可能無法收到反射波）,1.2.5 慣性導(dǎo)航,1719世紀(jì)：慣性導(dǎo)航基礎(chǔ)理論，慣性儀表在航海和航空 中使用。,20世紀(jì)40年代，二戰(zhàn)：德國V2彈道導(dǎo)彈，第一種付諸實 際使用的慣性制導(dǎo)系統(tǒng)。,20世紀(jì)6070年代：具有自主性的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)開始應(yīng)用 于航空、航天、航海。,圖1.8 馮布勞恩 （19121977）,圖1.9 V2彈道導(dǎo)彈,1.2.5 慣性導(dǎo)航,導(dǎo)彈之父,1.2.5 慣性導(dǎo)航,慣性導(dǎo)航：,以牛頓力學(xué)為基礎(chǔ)，只依靠安裝于載體內(nèi)的慣性測量傳感器和相應(yīng)的配套系統(tǒng)，建立基準(zhǔn)坐標(biāo)系，,利用測量得到的角速度和加速度，通過積分和推算，,獲得載體的位置、速度、姿態(tài)。,優(yōu)點(diǎn)：高度自主（慣性是物體自身固有特性）,缺點(diǎn)：長期工作穩(wěn)定性差（誤差隨時間發(fā)散）,1.2.6 衛(wèi)星導(dǎo)航,通過圍繞地球運(yùn)行的人造地球衛(wèi)星，,安裝在載體上的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)接收衛(wèi)星信號，并計算出自身的位置、速度等導(dǎo)航信息。,衛(wèi)星導(dǎo)航的發(fā)展以美國和俄羅斯/前蘇聯(lián)為主導(dǎo)，歐洲和中國于最近十余年才開始建立自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。,向地球表面發(fā)射經(jīng)過編碼和調(diào)制的無線電信號（編碼中：載有衛(wèi)星信號的時間和星座中各個衛(wèi)星在空間的位置、姿態(tài)等信息）。,1.2.7 地形輔助導(dǎo)航,在某些特殊環(huán)境與條件下（對無線電波干擾嚴(yán)重的情況，如：人為干擾、山區(qū)），,基于無線電信號的導(dǎo)航系統(tǒng)易受人為或自然干擾的影響，導(dǎo)致導(dǎo)航系統(tǒng)精度明顯降低。,因此，地形輔助/視覺導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，并日益受到重視與應(yīng)用。,1.2.7 地形輔助導(dǎo)航,（地形輔助導(dǎo)航原理）,系統(tǒng)通過高度/圖像（視覺）傳感器獲得所在區(qū)域的相對高度和圖像信息,與系統(tǒng)預(yù)存的該地域的3D數(shù)字地圖/圖像信息進(jìn)行高度/圖像的高精度對比、匹配,通過求取最佳匹配點(diǎn),獲得載體當(dāng)前的位置、速度、姿態(tài),1.2.7 地形輔助導(dǎo)航,地形輔助/視覺導(dǎo)航系統(tǒng)與其它導(dǎo)航系統(tǒng)相比：,增加了存儲數(shù)字地圖/圖像的大容量存儲器。,優(yōu)點(diǎn)：自主性好、抗干擾能力強(qiáng)。,缺點(diǎn)：精度易受所處環(huán)境的影響。,（如：在相似的平坦地面或海面上空，難以獲得有 效的導(dǎo)航輔助信息。）,1.2.8 天文導(dǎo)航,早期的天文導(dǎo)航只能通過觀測天空中的星體來確定載體的位置。無法連續(xù)定位，工作方式受星體可見度的限制。,利用天空