慣導(dǎo)與GPS第1章導(dǎo)航概述

慣性導(dǎo)航與GPS西安工業(yè)大學(xué)慣導(dǎo)與GPS第1章導(dǎo)航概述共48頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!成績：期末考試占60%；上機(jī)占20%；平時(shí)占20%。學(xué)時(shí)：授課48+上機(jī)16課程設(shè)置慣導(dǎo)與GPS第1章導(dǎo)航概述共48頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!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）慣導(dǎo)與GPS第1章導(dǎo)航概述共48頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!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慣導(dǎo)與GPS第1章導(dǎo)航概述共48頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!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(shí)質(zhì)：即是要獲取載體的這三個(gè)基本參數(shù)或其中一部分參數(shù)。慣導(dǎo)與GPS第1章導(dǎo)航概述共48頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!（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。慣導(dǎo)與GPS第1章導(dǎo)航概述共48頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!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。慣導(dǎo)與GPS第1章導(dǎo)航概述共48頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!1.1.3制導(dǎo)制導(dǎo)是一個(gè)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(shí)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)慣導(dǎo)與GPS第1章導(dǎo)航概述共48頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!例如：載體上的自動駕駛系統(tǒng)結(jié)合計(jì)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(shí)導(dǎo)航參數(shù)（絕對參數(shù)）。計(jì)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(shí)間，等。慣導(dǎo)與GPS第1章導(dǎo)航概述共48頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!預(yù)定航跡參數(shù)設(shè)置航行控制計(jì)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)慣導(dǎo)與GPS第1章導(dǎo)航概述共48頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!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(shí)行導(dǎo)航時(shí)，要確定飛行器的位置，并且航跡是事先確定的，導(dǎo)航要實(shí)時(shí)、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)慣導(dǎo)與GPS第1章導(dǎo)航概述共48頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!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(shí)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。高可靠性慣導(dǎo)與GPS第1章導(dǎo)航概述共48頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!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)航慣導(dǎo)與GPS第1章導(dǎo)航概述共48頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!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概述慣導(dǎo)與GPS第1章導(dǎo)航概述共48頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!1.2.1概述圖1.3導(dǎo)航系統(tǒng)的演變與發(fā)展趨勢慣導(dǎo)與GPS第1章導(dǎo)航概述共48頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!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羅盤針慣導(dǎo)與GPS第1章導(dǎo)航概述共48頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!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（1564～1642）近代科學(xué)之父慣導(dǎo)與GPS第1章導(dǎo)航概述共48頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!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(jià)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)）慣導(dǎo)與GPS第1章導(dǎo)航概述共48頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁!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）慣導(dǎo)與GPS第1章導(dǎo)航概述共48頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁!1.2.5慣性導(dǎo)航17～19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，種付諸實(shí)際使用的慣性制導(dǎo)系統(tǒng)。20世紀(jì)60～70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。慣導(dǎo)與GPS第1章導(dǎo)航概述共48頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁!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(shí)間發(fā)散）慣導(dǎo)與GPS第1章導(dǎo)航概述共48頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁!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。慣導(dǎo)與GPS第1章導(dǎo)航概述共48頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁!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。）慣導(dǎo)與GPS第1章導(dǎo)航概述共48頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁!1.2.9組合導(dǎo)航載體機(jī)動性增大、航程加長，對導(dǎo)航系統(tǒng)提出了高精度、長航時(shí)/航程、高可靠性的要求。各種導(dǎo)航系統(tǒng)在不同程度上存在不足與缺陷。導(dǎo)航系統(tǒng)迫切需要實(shí)現(xiàn)多信息的融合，以提高其冗余度和容錯(cuò)能力。以慣性導(dǎo)航為主的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，子系統(tǒng)取長補(bǔ)短，使組合后的導(dǎo)航精度遠(yuǎn)高于子系統(tǒng)單獨(dú)工作的精度，大大擴(kuò)大了導(dǎo)航系統(tǒng)的使用范圍，提高了系統(tǒng)的精度和可靠性。慣導(dǎo)與GPS第1章導(dǎo)航概述共48頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第24頁!慣導(dǎo)與GPS第1章導(dǎo)航概述共48頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第25頁!第1章導(dǎo)航系統(tǒng)概述問：一個(gè)人從一個(gè)地方走到另一個(gè)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。慣導(dǎo)與GPS第1章導(dǎo)航概述共48頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第26頁!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)展趨勢慣導(dǎo)與GPS第1章導(dǎo)航概述共48頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第27頁!（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(gè)物體從一個(gè)地方航行到另一個(gè)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）慣導(dǎo)與GPS第1章導(dǎo)航概述共48頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第28頁!（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(gè)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(shí)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)。慣導(dǎo)與GPS第1章導(dǎo)航概述共48頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第29頁!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。作用對象定位方式輸出物理量實(shí)時(shí)性要求導(dǎo)航運(yùn)動載體動態(tài)定位速度、姿態(tài)、位置很高大地測量地面物體靜態(tài)定位精確位置不高表1.1導(dǎo)航與大地測量的區(qū)別慣導(dǎo)與GPS第1章導(dǎo)航概述共48頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第30頁!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)。慣導(dǎo)與GPS第1章導(dǎo)航概述共48頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第31頁!1.1.3制導(dǎo)圖1.1導(dǎo)航制導(dǎo)參數(shù)示意圖慣導(dǎo)與GPS第1章導(dǎo)航概述共48頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第32頁!1.1.3制導(dǎo)載體的制導(dǎo)參數(shù)是利用給定航行計(jì)劃和導(dǎo)航參數(shù)計(jì)算得出。利用制導(dǎo)參數(shù)和載體操縱規(guī)律，計(jì)算出載體的操縱指令。通過航行控制系統(tǒng)，可實(shí)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(jì)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)。慣導(dǎo)與GPS第1章導(dǎo)航概述共48頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第33頁!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(gè)位置參數(shù)和三個(gè)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)別慣導(dǎo)與GPS第1章導(dǎo)航概述共48頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第34頁!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(cuò)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)展趨勢慣導(dǎo)與GPS第1章導(dǎo)航概述共48頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第35頁!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(shí)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(jì)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(shí)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。慣導(dǎo)與GPS第1章導(dǎo)航概述共48頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第36頁!1.2.1概述隨著現(xiàn)代控制理論、高精度測繪、計(jì)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(jì)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(cuò)組合導(dǎo)航系統(tǒng)受到極大重視。慣導(dǎo)與GPS第1章導(dǎo)航概述共48頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第37頁!1.2.2早期的導(dǎo)航方式司南：戰(zhàn)國時(shí)期，利用磁石制成，確定南北方位。圖1.4漢代‘司南’模型慣導(dǎo)與GPS第1章導(dǎo)航概述共48頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第38頁!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。氣象地域慣導(dǎo)與GPS第1章導(dǎo)航概述共48頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第39頁!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。慣導(dǎo)與GPS第1章導(dǎo)航概述共48頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第40頁!1.2.4多普勒導(dǎo)航20世紀(jì)60～70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。慣導(dǎo)與GPS第1章導(dǎo)航概述共48頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第41頁!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：