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1、1我国惯性导航器件市场分析一、市场背景导航是一个技术门类的总称，它是引导飞机、船舶、车辆以及其它飞行体安全、准确地沿着选定的路线，准时到达目的地的一种手段。导航的基本功能是回答：我现在在哪里？我要去哪里？如何去？导航可以说是一门古老的技术，人类在相当早的时期就已经运用。在天气晴朗的时候，利用天空的星星来测定船体的方位，以判定航向，这可能是导航技术的最早应用。指南针的发明和使用，可说是海洋导航技术的一次革新。但是，由于地磁场分布不均，常使磁罗盘产生较大的误差。无线电导航技术的发明，克服了天气因素的影响，就其准确性和实用性而言，无疑具有革命性的意义。然而，在荒漠或海洋没有无线电发射台的地方，航向偏
2、移的问题仍有可能发生。1957 年，苏联发射了第一颗人造地球卫星。之后，各种类型、用途的卫星不断升空。空间新技术的发展，使人们的目光重新投向天空，卫星导航的新思路由此产生。于是，一些距离地球万里之遥的特制人造卫星开始围绕地球运转，同时发出信号。这种信号在地球上任何地方及任何气候条件下，都能用简单的仪器接收到。导航由此变得更加简单、准确。二、导航技术发展历程根据所采取的技术途径，导航技术分为天文导航、无线电导航、卫星导航及惯性导航四种类型。（一）天文导航天文导航是指根据天体来测定飞行器位置和航向的航行技术。天体的坐标位置和它的运动规律是已知的，测量天体相对于飞行器参考基准面的高度角和方位角就可以
3、计算出飞行器的位置和航向。天文导航系统是自主式系统，不需要地面设备，不受人工或自然形成的电磁场的干扰，不向外辐射电磁波，隐蔽性好，定向、定位精度高，定位误差与时间无关，因而天文导航得到广泛应用。1、发展简况中国古籍有很多关于将天文应用于航海的记载。西汉淮南子齐俗训：2“夫乘舟而惑者，不知东西,见斗极则寤矣。 ”明武备志 所收的过洋牵星图记有南北、东西星体在水天线上若干指（角度单位）的数据，用以估计船位。 欧洲在 15 世纪以前仅能白昼顺风沿岸航行。15 世纪出现了用北极星高度或太阳中天高度求纬度的方法。当时只能先南北向驶到目的地的纬度，再东西向驶抵目的地。16 世纪虽然已有观测月距（月星之间角
4、距）求经度法，但不够准确，而且解算繁冗。18 世纪六分仪和天文钟先后问世，前者用于观测天体高度，大大提高了准确性；后者可以在海上用时间法求经度。1837 年美国船长T.H.萨姆纳发现天文船位线，从此可以在海上同时测定船位的经度和纬度，奠定了近代天文定位的基础。1875 年法国海军军官圣伊莱尔发明截距法，简化了天文定位线测定作业，至今仍在应用。2、基本原理航空和航天的天文导航都是在航海天文导航基础上发展起来的。航空天文导航跟踪的天体主要是亮度较强的恒星。航天中则要用到亮度较弱的恒星或其他天体。以天体作为参考点，可确定飞行器在空中的真航向。使星体跟踪器中的望远镜自动对准天体方向可以测出飞行器前进方
5、向（纵轴）与天体方向（即望远镜轴线方向）之间的夹角（称为航向角） 。由于天体在任一瞬间相对于南北子午线之间的夹角（即天体方位角）是已知的。这样，从天体方位角中减去航向角就得到飞行器的真航向。通过测量天体相对于飞行器参考面的高度就可以判定飞行器的位置。33、天文导航的应用航空常用的天文导航仪器有星体跟踪器、天文罗盘和六分仪等。自动星体跟踪器( 星敏感器 )能从天空背景中搜索、识别和跟踪星体，并测出跟踪器瞄准线相对于参考坐标系的角度。天文罗盘通过测量太阳或星体方向来指示飞行器的航向。六分仪通过对恒星或行星的测量而指示出飞行器的位置和距离。天文导航经常与惯性导航、多普勒导航系统组成组合导航系统。这种
6、组合式导航系统有很高的导航精度，适用于大型高空远程飞机和战略导弹的导航。把星体跟踪器固定在惯性平台上并组成天文惯性导航系统时，可为惯性导航系统的状态提供最优估计和进行补偿，从而使得一个中等精度和低成本的惯性导航系统能够输出高精度的导航参数。在低空飞行时因受能见度的限制较少采用天文导航，但对于高空远程轰炸机、运输机和侦察机作跨越海洋、通过极地、沙漠上空的飞行，天文导航则很适用。对于远程弹道导弹，天文导航能修正发射点的初始位置和瞄准角误差，所以特别适用于机动发射的导弹。弹道导弹可在主动飞行段的后期使用天文导航，也可借天文导航完成再入后的末制导用以修正风的影响。星体跟踪器对星体的瞄准能建立精确的几何
7、参考坐标，并且在空间没有云的干扰，因而天文导4航（星光制导）在航天器上得到更广泛的应用。 （二）无线电导航1、简介无线电导航是 飞机广泛使用的导航装置，指利用无线电引导飞行器沿规定航线安全达到目的地的技术。导航和定位密切相关 ，连续定位实质上就是导航。无线电导航主要利用电磁波传播的 3 个基本特性：电磁波在自由空间的直线传播。电磁波在自由空间的传播速度是恒定的。电磁波在传播路线上遇到障碍物时会发生反射。2、基本原理由于无线电信号的接收具有方向性，特殊设计的天线与发出信号的电台方向不同，接收信号强弱有很大差别。利用这个原理，通过测量无线电导航台发射信号( 无线电电磁波) 的时间、相位、幅度、频率
8、参量，可确定运动载体相对于导航台的方位、距离和距离差等几何参量，从而确定运动载体与导航台之间的相对位置关系，据此实现对运动载体的定位和导航。3、无线电导航的应用无线电导航按作用距离分近程、远程和洲际，也可根据原理的差别分成测距导航、测角导航和多普勒导航。 20 世纪 30 年代，无线电导航开始用于飞机，这时主要是无线电罗盘和四航道无线电信标。二战期间，无线电导航获得大发展，由近距扩大到远距，由中波扩展到短波和超短波。1942 年 10 月美国开始试验罗兰远距无线电导航系统，英国同时研制并使用了“奇” 导航系统。二战后到 50 年代初，美国又研制成功罗兰 C 导航系统，其作用范围可达 2000
9、千米。1955 年美国对新的无线电导航系统“奥米加” 进行了试验， 1966 年用 4 个导航台进行了世界范围的试验。后来， “奥米加” 导航系统利用全球的 8 个导航台实现了全球定位（三）卫星导航卫星导航是指采用导航卫星对地面、海洋、空中和空间用户进行导航定位的技术。导航卫星如同太空灯塔。卫星导航综合了传统导航的优点，实现了全球、全天候、高精度的导航定位。1、发展简况5利用太阳、月球和其他自然天体导航已有数千年历史，由人造天体导航的设想虽然早在 19 世纪后半期就有人提出，但直到 20 世纪 60 年代才开始实现。1958 年初，美国科学家在跟踪第一颗人造地球卫星时，无意中发现收到的无线电信
10、号有多普勒效应，即卫星飞近地面接收机时，收到的无线电信号频率逐渐升高；卫星远离后，频率就变低。这一发现揭开了人类利用人造地球卫星进行导航定位的新纪元。1964 年美国建成“ 子午仪 ”卫星导航系统，并交付海军使用，为核潜艇和水面舰艇等导航定位，1967 年起开放民用。1973 年美国军方始研制性能更优越的“导航星”全球定位系统（ GPS） ，在 1991 年的海湾战争中得到广泛使用。卫星导航综合了传统导航系统的优点，真正实现了各种天气条件下全球高精度被动式导航定位。特别是时间测距卫星导航系统，不但能提供全球和近地空间连续立体覆盖、高精度三维定位和测速，而且抗干扰能力强。 卫星导航系统由导航卫星
11、、地面台站和用户定位设备三个部分组成。导航卫星是卫星导航系统的空间部分，由多颗导航卫星构成空间导航网。地面台站通常包括跟踪站、遥测站、计算中心、注入站及时间统一系统等部分，用于跟踪、测量、计算及预报卫星轨道并对星上设备的工作进行控制管理。用户定位设备通常由接收机、定时器、数据预处理机、计算机和显示器等组成。它接收卫星发来的微弱信号，从中解调并译出卫星轨道参数和定时信息等，同时测出导航参数，再由计算机算出用户的位置坐标和速度矢量分量。2、基本原理卫星导航按测量导航参数的几何定位原理分为测角、时间测距、多普勒测速和组合法等系统，其中测角法和组合法因精度较低等原因没有实际应用。（1）多普勒测速定位：
12、“子午仪” 卫星导航系统采取这种方法。由地面向飞行器或由飞行器向地面发射固定频率的等幅电磁波，因飞行器与测控站存在相对运动，接收信号的频率与发射信号的频率互不相同。其频率之差就是多普勒频移。多普勒频移正比于测控站航天器方向上的速度分量，所以测出多普勒频移的大小，就可获得目标对测控站的相对径向速度。多普勒测速系统所获得的是径向速度信息，在获得初始距离的条件下将速度信息积分即可得到距离信息。距离信息的精度主要取决于初始距离的精度。6初始距离可由其他精密测距设备提供，如激光测距设备等。80 年代已有激光和多普勒测速系统合一的光电多站测量系统。多普勒测速系统可以是独立的测量系统，也可以在连续波多站系统
13、和微波统一系统中作为测速分系统使用。（2）时间测距导航定位：GPS 全球定位系统采用这种方法。GPS 定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。如图所示，假设 t 时刻在地面待测点上安置 GPS 接收机，可以测定 GPS 信号到达接收机的时间t ，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式：四个方程式中各个参数意义如下：x、y、z 为待测点坐标的空间直角坐标。xi 、yi 、zi (i=1、2、3、4) 分别为卫星 1、卫星 2、卫星 3、卫星 4 在 t 时刻的空间直角坐标，可由卫星导航电文求得。Vt i
14、(i=1、2、3 、4) 分别为卫星 1、卫星 2、卫星 3、卫星 4 的卫星钟的钟差( 指 GPS 卫星时钟与 GPS 标准时间的差别)，由卫星星历提供。Vto 为接收机的钟差。由以上四个方程即可解算出待测点的坐标 x、y、z 和接收机的钟差 Vto。3、卫星导航的应用卫星导航位置精度可达几米，民用几十米。卫星导航技术已广泛用于军事，如车辆、坦克、火炮和步兵定位；引导海上舰队的会合、进出港领航与登陆；给反潜、布雷、扫雷、搜索、营救和发射导弹提供精确的位置信息；飞机精确7投弹，照相侦察，实施空中支援、会合与加油，以及空中交通管制等；战略导弹精确制导，提高命中精度；低轨道侦察和监视卫星对目标精确
15、定位和测图，以及为战略防御计划的战场管理、通信、指挥和控制提供统一的坐标系统等。4、未来发展趋势自 20 世纪 90 年代以来，全球卫星导航系统以其速度快、效率高、测量定位精度高等一系列特点，深受各个行业数据采集和资源监测人员的青睐。从近年的情况考察，全球卫星导航系统有如下发展趋势。（1）向多系统组合式导航方向发展为了摆脱对美、俄的导航定位系统的依赖，以免受制于人，世界各国、各地区和组织将纷纷建立自己的卫星导航定位系统，我国的北斗导航、欧盟的伽利略计划就在此列。通过对全球定位系统、北斗、格罗纳斯、伽利略等信号的组合利用，不但可提高定位精度，还可使用户摆脱对一个特定导航星座的依赖，可用性大大增强
16、。（2）与惯性导航、无线电导航技术相结合由于惯性导航是完全自主的导航系统，在 GPS 失效的情况下，惯性导航仍可保持工作。在实际应用中，惯导系统和 GPS 接收机之间存在三种耦合方式：松散耦合、紧密耦合和深度耦合。在深度耦合中，GPS 接收机作为一块线路板被嵌入到惯性导航的机箱内，这就是 ECI 系统。此外， GPS 可与增强型定位系统（EPLS）相结合。 EPLS 是一种先进的无线电装置，它带有一定的自主导航能力。目前，已成功验证可以通过网络自动把 GPS 转换到 EPLS。（3）向差分导航方向发展使用差分导航技术，既可降低或消除那些影响用户和基准站观测量的系统误差。包括信号传播延迟和导航星本身的误差，还可消除人为因素造成的误差。（四）惯性导航惯性导航是指通过测量飞行器的加速度，自动进行积分运算，获得飞行器瞬时速度和瞬时位置数据的技术。组成惯性导航系统的设备都安装在飞行器内，工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰，是一种自主式导航系统。8惯性导航系统分成平台式惯性导航系统
