無線電導(dǎo)航理論基礎(chǔ)第1章

章 無線電導(dǎo)航理論基礎(chǔ)1.1時間基準(zhǔn)系統(tǒng)1.1宇宙時間系統(tǒng)1.2原子時間系統(tǒng)1.2空間坐標(biāo)系統(tǒng)1.2.1地球幾何形狀1.2.2導(dǎo)航空間坐標(biāo)系1.2.3空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換1.3載體航行基本導(dǎo)航參數(shù)無線電導(dǎo)航理論基礎(chǔ)第1章共59頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!1.1時間基準(zhǔn)系統(tǒng)時間基準(zhǔn)是自然科學(xué)理論及應(yīng)用領(lǐng)域中最基本的測量基準(zhǔn)。天文、大地測量、無線電通信、導(dǎo)航、深空探測和現(xiàn)代軍事技術(shù)等。時間系統(tǒng)包含有“時刻”和“間隔”兩個概念。時間系統(tǒng)與空間系統(tǒng)一樣，應(yīng)有其原點（起始?xì)v元）和尺度（時間單位），只有把這兩者結(jié)合起來才能夠描述一個時間系統(tǒng)并給出準(zhǔn)確時刻的概念。無線電導(dǎo)航理論基礎(chǔ)第1章共59頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!時間基準(zhǔn)與運動的關(guān)系基準(zhǔn)，是人們認(rèn)為最精確的尺度。時間尺度是用來衡量變化（或者叫做運動）的穩(wěn)定性衡量變化的基準(zhǔn)最好是有規(guī)律的運動或變化。一般說來，任何一個運動只要具備三個基本條件就可以作為時間系統(tǒng)的基準(zhǔn)：（1）運動是連續(xù)的；（2）運動的周期要有充分的穩(wěn)定性；（3）運動的周期性必須是可復(fù)現(xiàn)的。無線電導(dǎo)航理論基礎(chǔ)第1章共59頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!時間基準(zhǔn)的發(fā)展和變遷觀測地球自轉(zhuǎn)(太陽的視運動）夏商水漏公元前二世紀(jì)，發(fā)明了地平日晷，一天差15分鐘；希臘和北宋，水鐘精確到每日10分鐘；六百多年前，機械鐘問世，并將晝夜分為24小時；十七世紀(jì)，單擺用于機械鐘，精度提高近一百倍；20世紀(jì)的30年代，石英晶體震蕩器出現(xiàn)，對于精密的石英鐘，三百年只差一秒…。十七世紀(jì)，1820年法國科學(xué)院正式提出：平太陽日的1/86400為一個平太陽秒，為世界時秒長。無線電導(dǎo)航理論基礎(chǔ)第1章共59頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!實驗室時標(biāo)大銫鐘一級時間標(biāo)準(zhǔn)，世界上只有少數(shù)幾個國家的時頻實驗室擁有，而且，有的還不能長期可靠地工作。沒有大銫鐘的實驗室用多臺商品型銫鐘（目前5071A型小銫鐘的準(zhǔn)確度為1×10-12）構(gòu)成平均時間尺度。小銫鐘越多，時間尺度的穩(wěn)定性就越好。我們國家授時中心有六臺小銫鐘，組成我們的地方原子時尺度，其穩(wěn)定度為10-14量級。無線電導(dǎo)航理論基礎(chǔ)第1章共59頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!新的挑戰(zhàn)大銫鐘作為主要時間基準(zhǔn)的地位受到?jīng)_擊。原子噴泉、光頻標(biāo)是它的強力對手。噴泉鐘的準(zhǔn)確度進(jìn)入10-15,最好的達(dá)到1×10-15（美國標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院）。光抽運銫束基準(zhǔn)頻標(biāo)的準(zhǔn)確度也進(jìn)入10-15（法國巴黎時間頻率實驗室）。無線電的發(fā)展為測時、守時、授時等創(chuàng)造了有利的條件，使得全球時間統(tǒng)一有了可能。無線電導(dǎo)航理論基礎(chǔ)第1章共59頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!1、恒星時（SiderealTime）以地球公轉(zhuǎn)的春分點為空間參考點，定義為：春分點連續(xù)兩次經(jīng)過某地子午線上中天所經(jīng)歷的時間段，稱為一個恒星日；春分點與該點子午圈間的時角稱為該地的恒星時。24*60*60制。屬于地方時，在同瞬間各地的恒星時不同。由于歲差、章動的影響，同一瞬間有瞬時真春分點和平春分點之分，因此，相應(yīng)的恒星時也分為真恒星時和平恒星時。無線電導(dǎo)航理論基礎(chǔ)第1章共59頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!由于真太陽時的視運動速度是不均勻的，不能作為建立時間系統(tǒng)的參考點。因此，假設(shè)一個平太陽作為參考點，該平太陽的運動速度等于真太陽周年運動的平均速度，且在天球赤道上作周年視運動。平太陽兩次通過某地子午圈下中天（平子夜）所經(jīng)歷的時間間段，成為一個平太陽日，一個平太陽日的1/86400為一秒。平太陽日是以平子夜瞬間作為零點。2、平太陽時（MeanSolarTime）

無線電導(dǎo)航理論基礎(chǔ)第1章共59頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!原子時（TA）（TempsAtomique）（1）銫原子133、基態(tài)兩個精細(xì)結(jié)構(gòu)能態(tài)間躍遷的的電磁振蕩9192631770周所經(jīng)歷時間為1原子秒；（2）原定義為1958年元月一日UT2零時為起算點。但事后經(jīng)國際上多臺原子鐘比對發(fā)現(xiàn)，原定義存在誤差，實際原子時的原點為：（3）原子時是由高精度原子鐘來保持的。目前，國際上約有100臺原子鐘通過互相比對，并經(jīng)過數(shù)據(jù)處理推算出統(tǒng)一的原子時，稱為國際原子時（TAI）。二、原子時間系統(tǒng)無線電導(dǎo)航理論基礎(chǔ)第1章共59頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!跳秒國際規(guī)定協(xié)調(diào)世界時的秒長采用原子時的秒長，其累積的時刻與世界時時刻之差保持在0.9秒之內(nèi)，當(dāng)超過時，采用跳秒的辦法來調(diào)整。閏秒一般規(guī)定在6月30日或12月31日最后1秒加入。具體日期由國際時間局在兩月前通知各國。世界各國發(fā)播的時號，均以UTC為基準(zhǔn)。無線電導(dǎo)航理論基礎(chǔ)第1章共59頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!1.2.2地球幾何形狀物理表面物理表面指的是客觀存在的地球與外層大氣之間的分界面；地球是在不斷自旋的，按照自旋的物理特性，地球應(yīng)該是一個旋轉(zhuǎn)橢球地球表面起伏不平，有高山、陸地、大海等很不規(guī)則，并不是理想旋轉(zhuǎn)橢球體。數(shù)學(xué)表面是地球表面重力的等位面，也叫（Geoids），由大地測量確定。無線電導(dǎo)航理論基礎(chǔ)第1章共59頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!參考橢球面地球內(nèi)部的物質(zhì)分布不均勻，因而地球重力場的變化也不規(guī)則，大地水準(zhǔn)面在各點上應(yīng)與鉛垂線方向正交，無法用一個簡單的數(shù)學(xué)方程來描述。在實際應(yīng)用中，人們采用一個旋轉(zhuǎn)橢球面按照一定的期望指標(biāo)（橢球面和大地水準(zhǔn)面之間的高度差的平方和最?。﹣斫拼蟮厮疁?zhǔn)面，這樣的橢球面稱之為參考橢球面。

無線電導(dǎo)航理論基礎(chǔ)第1章共59頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!克拉索夫斯基橢球在我國使用30多年基于此橢球的1954北京坐標(biāo)系（京-54坐標(biāo)系）在全國的測繪中發(fā)揮了巨大作用。15萬個國家大地點以及8萬個軍控點和炮控點，測圖控制點均屬于該坐標(biāo)系統(tǒng)。無線電導(dǎo)航理論基礎(chǔ)第1章共59頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!無線電導(dǎo)航理論基礎(chǔ)第1章共59頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!一、天球坐標(biāo)系（ECI，i)在研究宇宙天體的運行規(guī)律的時候，從地球出發(fā)，也就是從地球的角度觀察整個宇宙現(xiàn)象是比較方便的。物質(zhì)并不決定于意識，所有天體的運動并不以人們研究的角度而轉(zhuǎn)移。人們就在尋找以地球質(zhì)心為原點，在宇宙中基本恒定的坐標(biāo)系，這就是所謂的天球坐標(biāo)系。無線電導(dǎo)航理論基礎(chǔ)第1章共59頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!地心天球天軸天極天球赤道黃道黃軸黃極春分點無線電導(dǎo)航理論基礎(chǔ)第1章共59頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!歲差、章動在外力的作用下，地球自轉(zhuǎn)軸在空間并不保持固定的方向，而是不斷發(fā)生變化。地軸的長期運動稱為歲差，而其周期運動則稱為章動。歲差和章動引起天極和春分點在天球上的運動。無線電導(dǎo)航理論基礎(chǔ)第1章共59頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!公元前二世紀(jì)古希臘天文學(xué)家喜帕恰斯是歲差現(xiàn)象的最早發(fā)現(xiàn)者。公元四世紀(jì)，中國晉代天文學(xué)家虞喜根據(jù)對冬至日恒星的中天觀測，獨立發(fā)現(xiàn)歲差并定出冬至點每50年后退一度。牛頓是個指出產(chǎn)生歲差的原因是太陽和月球?qū)Φ厍虺嗟缆∑鸩糠值奈?。在太陽和月球的引力作用下，地球自轉(zhuǎn)軸繞著黃道面的垂直軸旋轉(zhuǎn)，在空間繪出一個圓錐面，繞行一周約需26，000年。歲差無線電導(dǎo)航理論基礎(chǔ)第1章共59頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁!章動地軸在歲差的基礎(chǔ)上還有18.6年的短周期圓周運動，振幅為9.21秒，這種現(xiàn)象稱為章動。無線電導(dǎo)航理論基礎(chǔ)第1章共59頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁!二、地固坐標(biāo)系（ECEF，e）如果將研究范圍縮小到地球表面附近，那么選擇一個相對于地球自轉(zhuǎn)靜止的坐標(biāo)系是合理的。固聯(lián)在地球上的坐標(biāo)系，定義為：原點在地球的質(zhì)心XOY平面與地球平赤道面重合，X軸指向穿過格林威治子午線和赤道的交點，Z軸與地球平極軸重合。該坐標(biāo)系在大地測量領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛無線電導(dǎo)航理論基礎(chǔ)第1章共59頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁!無線電導(dǎo)航理論基礎(chǔ)第1章共59頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁!無線電導(dǎo)航理論基礎(chǔ)第1章共59頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁!無線電導(dǎo)航理論基礎(chǔ)第1章共59頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁!2、三維坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)無線電導(dǎo)航理論基礎(chǔ)第1章共59頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第24頁!天球坐標(biāo)系（I）<-地固坐標(biāo)系（e）無線電導(dǎo)航理論基礎(chǔ)第1章共59頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第25頁!三、地平坐標(biāo)系（L）<-載體坐標(biāo)系（b）無線電導(dǎo)航理論基礎(chǔ)第1章共59頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第26頁!六、反對稱陣反對稱陣?yán)碚撌蔷仃嚴(yán)碚撝械囊粋€分支，由于它的運算方法簡單，數(shù)學(xué)表達(dá)簡潔明了，所以廣泛應(yīng)用于剛體的轉(zhuǎn)動及坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)計算等方面。我們知道，所謂對稱陣的定義是：對于實矩陣A中的元素aij和aji之間如果存在關(guān)系式：aij=aji則稱矩陣A為對稱陣；同理，如果對于實矩陣A中的元素aij和aji之間如果存在關(guān)系式：aij=-aji則稱矩陣A為反對稱陣。無線電導(dǎo)航理論基礎(chǔ)第1章共59頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第27頁!性質(zhì)無線電導(dǎo)航理論基礎(chǔ)第1章共59頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第28頁!項為地球引力加速度，第二項為哥式加速度，第三項為地球自轉(zhuǎn)引起的向心加速度無線電導(dǎo)航理論基礎(chǔ)第1章共59頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第29頁!方位角偏航角側(cè)滑角偏航距地速空速姿態(tài)角無線電導(dǎo)航理論基礎(chǔ)第1章共59頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第30頁!偏航角和側(cè)滑角偏航角：載體縱軸在水平面上投影與地面坐標(biāo)系A(chǔ)x軸（在水平面上，指向目標(biāo)為正）之間的夾角，由Ax軸逆時針轉(zhuǎn)至導(dǎo)彈導(dǎo)彈縱軸的投影線時，偏航角為正，反之為負(fù)。側(cè)滑角：載體軸線與載體的飛行速度方向在水平面內(nèi)的夾角無線電導(dǎo)航理論基礎(chǔ)第1章共59頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第31頁!原子時的出現(xiàn)1953年是時頻科學(xué)的一個新的里程碑。世界上臺原子鐘在美國哥倫比亞大學(xué)由三位科學(xué)家研制成功（其中一位叫王天眷）。1963年13屆國際計量大會決定：銫原子Cs133基態(tài)的兩個超精細(xì)能級間躍遷輻射震蕩9192631770周所持續(xù)的時間為1秒。德聯(lián)邦的“聯(lián)邦技術(shù)物理研究院”的PTB-CsI、美國國家標(biāo)準(zhǔn)局的NBS-6及加拿大國家研究院的NRC-CsV的準(zhǔn)確度均已達(dá)到10-14量級。我國計量院的CsII、CsIII也達(dá)到10-13量級。無線電導(dǎo)航理論基礎(chǔ)第1章共59頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第32頁!國家授時中心5071銫鐘組無線電導(dǎo)航理論基礎(chǔ)第1章共59頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第33頁!一、宇宙時間系統(tǒng)以天體運動為基準(zhǔn)的時間系統(tǒng)。易于觀測，是人類最先建立的時間系統(tǒng)。根據(jù)所觀測的天體運動和空間參考點不同，又可以分為幾種形式：恒星時平太陽時世界時無線電導(dǎo)航理論基礎(chǔ)第1章共59頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第34頁!由于平春分點受歲差影響而向西移動，每年約西移50”，所以以平恒星日的長度并不真正等于地球自轉(zhuǎn)周期，約短0.008秒。無線電導(dǎo)航理論基礎(chǔ)第1章共59頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第35頁!3、世界時（UniversalTime）

以平子夜為零時起計算的格林尼治平太陽時稱為世界時。從1956年開始，在世界時中加入了極移修正和自轉(zhuǎn)速度修正，得到的世界時相應(yīng)表示為UT1和UT2未經(jīng)修正的世界時以UT0表示。無線電導(dǎo)航理論基礎(chǔ)第1章共59頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第36頁!協(xié)調(diào)世界時（UniversalTimeCoordinate）為了協(xié)調(diào)原子時與世界時的關(guān)系，建立了一種折衷的時間系統(tǒng)稱之為協(xié)調(diào)世界時UTC原子時雖然是秒長均勻的，穩(wěn)定度很高的時間系統(tǒng)，但其與地球自轉(zhuǎn)無關(guān)。世界時雖不均勻，但與地球自轉(zhuǎn)緊密相關(guān)。原子時的秒長與世界時的秒長不相等，兩者每年相差1秒，積累下去兩者會愈差愈大。無線電導(dǎo)航理論基礎(chǔ)第1章共59頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第37頁!為了進(jìn)行精密導(dǎo)航和定位的需要，GPS建立了專門的時間系統(tǒng)，稱之為GPST。屬于原子時系統(tǒng)，秒長與國際原子時秒長相同，但原點不同。它們之間的關(guān)系為：GPS時間系統(tǒng)無線電導(dǎo)航理論基礎(chǔ)第1章共59頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第38頁!是一個假想的海面，這種海面無潮汐、溫差、鹽，密度均勻，可以滲透到陸地中，由此延伸所形成的閉合區(qū)面。由于地球形狀的不規(guī)則和質(zhì)量分布的不均勻，大地水準(zhǔn)面仍然是一個不規(guī)則的球面，但它所包圍的大地體最能代表地球，也便于測量。大地水準(zhǔn)面無線電導(dǎo)航理論基礎(chǔ)第1章共59頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第39頁!參考橢球面的大小和形狀可以用兩個幾何參數(shù)來描述，即長半軸a和扁率f。目前應(yīng)用中兩個比較重要的參考橢球系是克拉索夫斯基橢球和WGS-84橢球無線電導(dǎo)航理論基礎(chǔ)第1章共59頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第40頁!參考橢球上的主要面、線和曲率半徑

法截面法截線、大地子午面卯酉面地理緯度地心緯度法截線曲率半徑無線電導(dǎo)航理論基礎(chǔ)第1章共59頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第41頁!1.2.3導(dǎo)航空間坐標(biāo)系導(dǎo)航的基本任務(wù)就是確定被引導(dǎo)的航行體在運動過程中的運動參數(shù)，而這是在一定的空間坐標(biāo)系內(nèi)定義所選擇的參考坐標(biāo)系應(yīng)該考慮兩方面的因素：（1）航行體使用方便、直觀；（2）便于導(dǎo)航解算和導(dǎo)航參量描述。無線電導(dǎo)航理論基礎(chǔ)第1章共59頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第42頁!無線電導(dǎo)航理論基礎(chǔ)第1章共59頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第43頁!天球坐標(biāo)系定義：原點在地球質(zhì)心，X軸指向平春分點，Z軸是天軸，平行于平均地球自轉(zhuǎn)軸，Y軸垂直與X、Z軸并構(gòu)成右手坐標(biāo)系。該坐標(biāo)系是準(zhǔn)慣性坐標(biāo)系，也是空間穩(wěn)定力學(xué)的基本坐標(biāo)系衛(wèi)星的運動適合在該坐標(biāo)系中描述。無線電導(dǎo)航理論基礎(chǔ)第1章共59頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第44頁!歲差地球的旋轉(zhuǎn)軸在空間圍繞黃極發(fā)生緩慢旋轉(zhuǎn)形成倒圓錐體，其錐角等于黃赤交角23.5度，旋轉(zhuǎn)周期26000年無線電導(dǎo)航理論基礎(chǔ)第1章共59頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第45頁!由太陽和月球引起的地軸的長期運動稱為日月歲差。德國天文學(xué)家貝塞耳在1818年首次得出日月歲差為5,034.″05（歷元1755.0），今值為5,025.″64其他行星引力造成的影響叫做行星歲差，合者稱為總歲差。無線電導(dǎo)航理論基礎(chǔ)第1章共59頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第46頁!章動英國天文學(xué)家不拉德雷在1748年分析了1727－1747年的恒星位置的觀測資料后，發(fā)現(xiàn)了章動。月球軌道面（白道面）位置的變化是引起章動的主要原因。由于白道對于黃道約5度傾斜，使得月球產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的大小和方向不斷變化，從而導(dǎo)致白道的升交點沿黃道向西運動，約18.6年繞行一周，因而月球?qū)Φ厍虻囊ψ饔靡灿型恢芷诘淖兓?。無線電導(dǎo)航理論基礎(chǔ)第1章共59頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第47頁!無線電導(dǎo)航理論基礎(chǔ)第1章共59頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第48頁!三、地平坐標(biāo)系（L，g）對于地球表面的運動范圍不大的載體來說，其運動區(qū)域接近于一個平面。只要能獲得東、北向載體的位移或速度信息，就可以比準(zhǔn)確的知道載體位置。地平坐標(biāo)系定義為：原點位于當(dāng)?shù)貐⒖紮E球的球面上，X軸沿參考橢球卯酉圈方向并指向東，Y軸沿參考橢球子午圈方向指向地球北極，Z軸沿橢球外法線方向指向天頂。該坐標(biāo)系對地球表面的用戶來說比較直觀，比較實用和重要的，適用于導(dǎo)航領(lǐng)域，又稱做導(dǎo)航坐標(biāo)系無線電導(dǎo)航理論基礎(chǔ)第1章共59頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第49頁!四、載體坐標(biāo)系（b）對于車輛、艦船，飛機一些載體，其往往是群體運動中的一員，特別在協(xié)同作戰(zhàn)中，需要知道自己的運動速度，以及其他成員的相對關(guān)系這樣的坐標(biāo)系稱之為載體坐標(biāo)系，其定義為：坐標(biāo)系固聯(lián)于載體上，原點位于載體的質(zhì)心，Y軸指向載體的縱軸方向向前，Z軸沿載體的豎軸方向向上，X軸與Y、Z軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。無線電導(dǎo)航理論基礎(chǔ)第1章共59頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第50頁!五、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換1、二維坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)無線電導(dǎo)航理論基礎(chǔ)第1章共59頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第51頁!無線電導(dǎo)航理論基礎(chǔ)第1章共59頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第52頁!地固坐標(biāo)系（e）<-地