導航技術概論及組合導航基本概念

1、關于導航技術概論及組合導航基本概念第1頁，共50頁，2022年，5月20日，22點39分，星期三主要內容1、導航技術的定義與分類2、組合導航系統(tǒng)3、各導航系統(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、導航技術的定義與分類什么是導航？有哪些導航方法？第3頁，共50頁，2022年，5月20日，22點39分，星期三導航目的：在哪里？到哪里去？怎么去？定義：以某種手段或方式引導航行體安全、準確、經(jīng)濟、便捷地在既定的時間內，按照既定的航行路線，準時地到達目的地。導航要實時、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、導航技術的定義與分類無線電導航現(xiàn)有導航系統(tǒng)天文導航慣性導航衛(wèi)星導航數(shù)據(jù)庫參考導航組合導航系統(tǒng)地文導航推位導航第5頁，共50頁，2022年，5月20日，22點39分，星期三組合導航系統(tǒng)通過對兩種或多種導航系統(tǒng)測量或輸出信息進行綜合處理（應用卡爾曼濾波等數(shù)據(jù)處理技術），獲得更高的導航精度和可靠性，集各個子系統(tǒng)的優(yōu)點于一身。組合導航目的：獲得更好的精度、可靠性等2、組合導航系統(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，增加了導航系統(tǒng)的可靠性。組合導航技術可以克服單一導航設備各自的缺點，揚長避短，使得導航能力、精度、可靠性和自動化程度大大提高。2、組合導航系統(tǒng)組合導航系統(tǒng)特點第7頁，共50頁，2022年，5月20日，22點39分，星期三2、組合導航系統(tǒng)組合方式：慣導/衛(wèi)星組合導航系統(tǒng)慣導/多普勒組合導航系統(tǒng)慣導/天文組合導航系統(tǒng)慣導/衛(wèi)星/天文組合導航系統(tǒng)以慣導為主系統(tǒng)！第8頁，共50頁，2022年，5月20日，22點39分，星期三組合導航的基本思想：慣性導航系統(tǒng)的輸出信號與獨立測量的由其它導航系統(tǒng)導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航系統(tǒng)誤差的實時估計；通過適當?shù)男Ｕ绞?，對慣性導航系統(tǒng)進行修正，就有可能獲得比單獨慣性系統(tǒng)更高的導航精度。2、組合導航系統(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容第一部分：組合導航系統(tǒng)理論基礎組合導航的基本概念典型的導航系統(tǒng)的工作原理及特點導航系統(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：組合導航系統(tǒng)舉例INS/GPS組合導航系統(tǒng)INS/DVL組合導航系統(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：組合導航系統(tǒng)，孫楓 慣性導航系統(tǒng)，黃德鳴 捷聯(lián)慣導系統(tǒng)原理，陳哲 卡爾曼濾波與組合導航原理，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，星期三無線電導航現(xiàn)有導航系統(tǒng)天文導航慣性導航衛(wèi)星導航數(shù)據(jù)庫參考導航組合導航系統(tǒng)地文導航推位導航第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)庫參考導航(DBRN， database reference navigation)地磁導航 (Geomagnetic Navigation)重力導航 (Gravity Navigation)地形導航 (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)導航，所以通常和其

7、他導航系統(tǒng)結合在一起使用。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） ：在導航上，凡是觀測值相等點的軌跡稱為等值線，在導航定

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，這一原理在導航定位系統(tǒng)中是普遍適用的。2 地文導航（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，無法進行導航。在無物標的大海、沙漠中利用這種方法導航也很困難。3.2 地文導航（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 推位導航（DR, Dead reckoning）航向: 磁羅經(jīng),陀螺羅經(jīng),平臺羅經(jīng),慣性導航航速: 水壓計程儀,電磁計程儀,多普勒計程儀,聲相關計程儀 多普勒效應：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 慣性導航（I

11、NS-Inertial navigation ）慣性導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航任務的技術稱作慣性導航。 3.4 慣性導航（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)最關鍵的核心慣性器件！3.4 慣性導航（INS-Inertial navigation ）第25頁，共50頁，2022年，5月20日，22點39分，星期三慣性導航的重要性 洲際導彈、戰(zhàn)略遠程轟炸機、導彈核潛艇構成了三大戰(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的支撐。3.4 慣性導航（INS-Inertial navigation）第26頁，共50頁，2022年，5月20日，22點39分，星期三b.慣性導航系統(tǒng)的組成及工作原理 慣性導航系統(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） 慣性導航3：平臺式慣導系統(tǒng)基本原理捷聯(lián)慣導系統(tǒng) 慣性導航4：捷聯(lián)慣導系統(tǒng)基本原理3.4 慣性導航（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，星期三無線電導航的基本任務是：測距和測向1）在同一介質中，無線電波按直線傳播；2）在同一介質中，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。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航技術實現(xiàn)船舶導航定位主要是確定船舶的位置線。無線電導航主要有三種方法，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-以導航臺為焦點的雙曲線，再由不同導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航系統(tǒng)，屬于測距差雙曲線導航系統(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

18、運動體航行，這就是天文導航或天體導航。3.6 天文導航（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，星期三天文導航的特點：（1）天文導航系統(tǒng)是自主式系統(tǒng)，不需要地面設備；（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)星導航（Satellite navigation） 車輛導航管理 對航空器的定位及導航 車輛導航 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，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，限制敵人在戰(zhàn)時利用GPS；GPS無法實現(xiàn)水下導航，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