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1、卫星导航基础电子科技大学电子科学技术研究院电子科技大学电子科学技术研究院 郭承军电话：15882000306 Email:gcjcdn-第第1 1章章: : 概述概述1.1 什么是导航？什么是导航？1.2 我们为什么需要导航我们为什么需要导航?1.3 导航历史回顾导航历史回顾1.4 现代导航系统现代导航系统1.5 导航系统应用导航系统应用 什么是导航什么是导航? ? 导航就是安全有效的从一个地点到达另一个地点导航就是安全有效的从一个地点到达另一个地点导航就是安全有效的从一个地点到达另一个地点导航就是安全有效的从一个地点到达另一个地点. . 但是这里是哪里但是这里是哪里?我们为什么需要导航我们为
2、什么需要导航? ?你就在这里你就在这里.我在哪?你在哪你在哪?你能在地图上找到你现在的位置吗你能在地图上找到你现在的位置吗?你能在黑夜里返回你现在的位置吗你能在黑夜里返回你现在的位置吗?导航历史导航历史 早早在在公公元元前前 3500年年前前，人人类类就就有有历历史史记记载载用用大大船船装装在在货货物物进进行行商商业业贸贸易易的的历历史史。这这标标志志了了人人类类导导航航艺艺术术的的诞诞生生。 早早期期的的导导航航家家都都是是在在靠靠近近海海岸岸线线用用肉肉眼眼观观察察陆陆地地标标记记或或者者大大地地特特性性来来辨辨别别方方向向的的。他他们们通通常常白白天天行行驶驶，晚晚上上找找个个平平静静的
3、的港港口口抛抛锚锚。他他们们没没有有航航海海图图，但但他他们们列列出出了了所所需需的的方方向向，类类似似于于今今天天的的巡巡航航 向向 导导 . .导航历史导航历史 当他们在看不到大陆的时候，他们通过在白当他们在看不到大陆的时候，他们通过在白天观察太阳的位置，晚上观察北极星的位置来辨天观察太阳的位置，晚上观察北极星的位置来辨别南北方向。别南北方向。 早期的航海家们总是在靠近海早期的航海家们总是在靠近海岸线的附近白天活动，当天气不好岸线的附近白天活动，当天气不好或者晚上的时候不出海活动。在中或者晚上的时候不出海活动。在中世纪，欧洲的航海家们在整个冬季世纪，欧洲的航海家们在整个冬季都不出海活动。这
4、样就自然的限制都不出海活动。这样就自然的限制的他们的活动范围。大范围的航海的他们的活动范围。大范围的航海活动必然会带来风险。活动必然会带来风险。 导航历史导航历史古代导航工具古代导航工具直角器（直角器（Cross-staff）标尺（标尺（Back-staff）四分仪（四分仪（Quadrant） 航海员星盘航海员星盘（Mariners Astrolabe）星盘（星盘（Astrolabe ）夜间记时仪器夜间记时仪器（Nocturnal ）古代导航工具古代导航工具指南针指南针- -中国古代导航工具中国古代导航工具汉朝汉朝（BC.BC.206AD.AD.220） 南宋南宋（AD.1127-1279AD
5、.1127-1279） 北宋北宋（AD.960-1127AD.960-1127） 北宋北宋（AD.960-1127AD.960-1127） 航海过程航海过程 在在 James Cook James Cook（1728172817791779）以前，船）以前，船的安全行驶依靠原始的导航技术，这些技术能够粗的安全行驶依靠原始的导航技术，这些技术能够粗略的给出船的位置。略的给出船的位置。 在航海的过程中，船员们需要知道两条信在航海的过程中，船员们需要知道两条信息：他们在地球上的经度和纬度的位置坐标，以及息：他们在地球上的经度和纬度的位置坐标，以及精确的将坐标值映射到地图上。精确的将坐标值映射到地图上
6、。纬度和经度纬度和经度纬度SN经度EW航海过程航海过程 纬度可以通过观察太阳、月亮和星星的运动来纬度可以通过观察太阳、月亮和星星的运动来判断。判断。 经度的判断比较困难，必须计算出地球上不同经度的判断比较困难，必须计算出地球上不同地点的时差。地点的时差。 纬度和经度纬度和经度0 位于赤道90N 在北极点北京市的纬度是多少？南极的纬度是多少？纬度纬度经度经度经线位于南北几点经线位于南北几点之间的连线。之间的连线。0 经过英国的格林英国的格林威治。威治。负的的经度度为西西经，正的正的为东经北京市北京市的经度是多的经度是多少？少？地图地图 18世纪的世纪的“精度精度”地图能够给我们提供很多信息，告诉
7、我们地图能够给我们提供很多信息，告诉我们当时的导航精度有多高。人民曾经很长一段时间用来测量大地经当时的导航精度有多高。人民曾经很长一段时间用来测量大地经度和纬度的值，并且取得了很大成功。度和纬度的值，并且取得了很大成功。专业工具专业工具航海家们早期使用的工具只能粗略的定位航海家们早期使用的工具只能粗略的定位 六分仪六分仪六分仪能够测量位于水平面以上物体的仰角（北极星、六分仪能够测量位于水平面以上物体的仰角（北极星、太阳等），经常用于寻找纬度太阳等），经常用于寻找纬度指南针指南针 用于指引方向用于指引方向通过记录通过通过记录通过 的步伐来测量距离的步伐来测量距离或者速度、经历过或者速度、经历过的
8、时间等的时间等航位推测法航位推测法航位推测法在长距离的航行中会带来很大误差航位推测法在长距离的航行中会带来很大误差如果从纽约到伦敦，当旅行结束时，在如果从纽约到伦敦，当旅行结束时，在9595的定的定位精度下，将会累积位精度下，将会累积175175英里的误差英里的误差早期导航工具的弱点早期导航工具的弱点早期的导航工具有着众多的不确定性因素，以至早期的导航工具有着众多的不确定性因素，以至于绘制的世界地图不够精确于绘制的世界地图不够精确指南针依赖于北地磁极点与北地球自传轴点重合指南针依赖于北地磁极点与北地球自传轴点重合（事实不是这样！）（事实不是这样！）陆地导航依靠地面地标的辅助，然后将这些地名陆地
9、导航依靠地面地标的辅助，然后将这些地名映射到地图上来对行车进行校准映射到地图上来对行车进行校准这些技术不适于海上应用这些技术不适于海上应用海上导航海上导航文艺复兴时期，海上航线遇到的最大困难就是怎文艺复兴时期，海上航线遇到的最大困难就是怎么确定经度问题。么确定经度问题。六分仪能够为海上航线提供纬度位置六分仪能够为海上航线提供纬度位置指南针能够为航海提供方向信息指南针能够为航海提供方向信息但是你却不知道向东或者向西行驶了多少但是你却不知道向东或者向西行驶了多少一个很好的例子一个很好的例子经度经度17071707年，年，1010月月2222号，由于航位推测法的错误，导号，由于航位推测法的错误，导致
10、致20002000多人死亡的海难。多人死亡的海难。17171717年，年，anne anne 女皇宣称，如果谁能够将航海的经女皇宣称，如果谁能够将航海的经度准确度保持到度准确度保持到1/21/2度（相当于在平行于赤道行驶度（相当于在平行于赤道行驶3030英里），将对他悬赏英里），将对他悬赏2000020000英镑。英镑。按照惯性测量装置在载体上的安装方式，按照惯性测量装置在载体上的安装方式，可分为可分为: :平台式惯性导航系统平台式惯性导航系统捷联式惯性导航系统捷联式惯性导航系统平台方式平台方式: : 保持传感器的姿态保持传感器的姿态 这种方法将这种方法将IMU相对于周边环境的姿态保持不变。相
11、对于周边环境的姿态保持不变。 捷联方式捷联方式: : 固定惯性测量单元（固定惯性测量单元（IMUIMU） 这种方法适用于安装小的和高精度的惯性测量单元。这比这种方法适用于安装小的和高精度的惯性测量单元。这比平台方法先进的多，适用于重量轻、体积小、功率低和高精度平台方法先进的多，适用于重量轻、体积小、功率低和高精度的场合。底侧必须安装一个带有范围大的角度计的陀螺仪来感的场合。底侧必须安装一个带有范围大的角度计的陀螺仪来感知机身的运动，以及一台高速的计算机来进行坐标转换运算。知机身的运动，以及一台高速的计算机来进行坐标转换运算。 惯性导航系统（惯性导航系统（INSINS）惯性导航系统的结构图惯性导
12、航系统的结构图捷联惯性导航单元结构图捷联惯性导航单元结构图惯性导航系统（惯性导航系统（INSINS）环行激光陀螺仪环行激光陀螺仪MEMS-INSMEMS-INSCNS-CNS-天球导航系统天球导航系统CNS-CNS-天球导航系统天球导航系统地形辅助导航系统（地形辅助导航系统（TANSTANS）地形辅助导航系统（地形辅助导航系统（TANSTANS）有源和无源无线电导航系统有源和无源无线电导航系统电子测距系统电子测距系统伏尔（伏尔（VORVOR）罗兰罗兰-C-C罗兰罗兰-C 是由美国的海岸警卫队在是由美国的海岸警卫队在 50 年代末研制成功的。年代末研制成功的。导航方式跟罗兰导航方式跟罗兰-A 基
13、本相同，但作用距离可以达到基本相同，但作用距离可以达到 1000 海里，可以用作远程导航系统。海里，可以用作远程导航系统。目前，北大西洋、北太平洋、地中海、中国沿海、美国本土目前，北大西洋、北太平洋、地中海、中国沿海、美国本土和苏联（现在的俄罗斯）总共建设了和苏联（现在的俄罗斯）总共建设了 60 多个台站。多个台站。1975 年，罗兰年，罗兰-C 被美国宣布为标准航海导航系统。被美国宣布为标准航海导航系统。 罗兰罗兰-C -C 双曲线定位原理双曲线定位原理罗兰罗兰-C -C 信号信号脉冲结构和序列罗兰罗兰-C -C 接收机接收机T.I. 9000 罗兰罗兰-C -C 在北美的基站位置在北美的基站位置罗兰罗兰-C -C 范围范围 JTIDS全球导航卫星系统全球导航卫星系统全球导航卫星系统全球导航卫星系统新型导航定位技术新型导航定位技术脉冲星导航脉冲星导航新型导航定位技术新型导航定位技术量子导航量子导航新型导航定位技术新型导航定位技术重力导航重力导航新型导航定位技术新型导航定位技术磁力导航磁力导航新型导航定位技术新型导航定位技术冷原子导航冷原子导航新型导航定位技术新型导航定位技术视觉导航视觉导航坦克坦克汽车汽车航空母舰航空母舰巡洋舰巡洋舰潜潜 艇艇民民 航航战斗机战斗机导弹导弹旅行者号航天飞船
