第第1 1讲讲 导航系统简介导航系统简介1 主要内容主要内容l1、导航技术的定义与分类l2、组合导航系统l3、各导航系统基本原理2 1、导航技术的定义与分类导航技术的定义与分类l什么是导航？l有哪些导航方法？3 l导航l目的目的：在哪里？到哪里去？怎么去？l定义定义：以某种手段或方式引导航行体安全、准确、经济、便捷地在既定的时间内，按照既定的航行路线，准时地到达目的地l导航要实时、连续的给出载体的位置、速度、姿态角、加速度、航向等导航参数4 1、导航技术的定义与分类导航技术的定义与分类无线电导航无线电导航现现有有导导航航系系统统天文导航天文导航惯性导航惯性导航卫星导航卫星导航数据库参考导航数据库参考导航组合组合导航导航系统系统地文导航地文导航推位导航推位导航……5 l组合导航系统组合导航系统通过对两种或多种导航系统测量或输出信息进行综合处理（应用卡尔曼滤波等数据处理技术），获得更高的导航精度和可靠性，集各个子系统的优点于一身l组合导航目的：组合导航目的：获得更好的精度、可靠性等2、组合导航系统、组合导航系统6 (1)协合超越：l利用各子系统的导航信息并作有机处理，形成单个子系统不具备的功能和精度。
2)性能互补：l组合导航系统综合利用了各子系统的信息，使各子系统取长补短，提高适用范围3)互为余度：l各子系统观测同一信息源，测量冗余，增加了导航系统的可靠性组合导航技术可以克服单一导航设备各自的缺点，扬长避组合导航技术可以克服单一导航设备各自的缺点，扬长避短，使得导航能力、精度、可靠性和自动化程度大大提高短，使得导航能力、精度、可靠性和自动化程度大大提高2、组合导航系统、组合导航系统组合导航系统特点组合导航系统特点7 2、组合导航系统、组合导航系统l组合方式：Ø惯导/卫星组合导航系统Ø惯导/多普勒组合导航系统Ø惯导/天文组合导航系统Ø惯导/卫星/天文组合导航系统Ø……以惯导为主系统！以惯导为主系统！8 l组合导航的基本思想：组合导航的基本思想：l惯性导航系统惯性导航系统的输出信号与独立测量的由其它其它导航系统导航系统导出的相同的量进行比较；l通过卡尔曼滤波器或其他滤波方法卡尔曼滤波器或其他滤波方法给出对导航系统误差的实时估计实时估计；l通过适当的校正方式校正方式，对惯性导航系统进行修正，就有可能获得比单独惯性系统更高的导航精度2、组合导航系统、组合导航系统9 本课程所涉及的主要内容本课程所涉及的主要内容l第一部分：组合导航系统理论基础第一部分：组合导航系统理论基础Ø组合导航的基本概念Ø典型的导航系统的工作原理及特点Ø导航系统误差分析及建模方法l第二部分：状态估计部分第二部分：状态估计部分Ø组合导航系统状态估计方法：卡尔曼滤波，扩展卡尔曼，无迹卡尔曼滤波，粒子滤波，联邦滤波l第三部分：组合导航系统举例第三部分：组合导航系统举例ØINS/GPS组合导航系统ØINS/DVL组合导航系统10 考核方式考核方式l考试：闭卷考试l总成绩：平时成绩+卷面成绩参考教材：《组合导航系统》，孙枫 《惯性导航系统》，黄德鸣 《捷联惯导系统原理》，陈哲 《卡尔曼滤波与组合导航原理》，秦永元11 3、各导航系统基本原理12 无线电导航无线电导航现现有有导导航航系系统统天文导航天文导航惯性导航惯性导航卫星导航卫星导航数据库参考导航数据库参考导航组合组合导航导航系统系统地文导航地文导航推位导航推位导航……13 3.1 数据库参考导航数据库参考导航(DBRN， database reference navigation)l地球的陆地上或海床上的每个点有独一无二的三维位置，即经度、纬度和相对于海平面的高度或深度，这个点也有独一无二的磁力和重力度量值。
l基本原理：利用预先测量的数据库或地图作为参考，与传感器测量信息进行比较和匹配来确定位置14 3.1 数据库参考导航数据库参考导航(DBRN， database reference navigation)l地磁导航 (Geomagnetic Navigation)l重力导航 (Gravity Navigation)l地形导航 (Terrain Aided Navigation)Ø特点：由于可获取的各种数据资源的条件限制，数据库参考系统往往不能为航行体提供全程连续导航，所以通常和其他导航系统结合在一起使用15 Ø地文导航又称为陆标定位，是一种通过观测陆标与船泊只见的某种相互位置关系进行定位的方法Ø陆标是指海图上标有准确位置可供目视或雷达观测，用以导航或定位的山头、岛屿、灯塔、立标及其它显著固定物标的统称Ø利用罗经、测距仪和六分仪等观测仪器，观测陆标的方位、距离和水平角，按一定法则确定船位3.2 地文导航（地文导航（Terrestrial Navigation ））16 l船位线（Line of Position） ：在导航上，凡是观测值相等在导航上，凡是观测值相等点的轨迹称为等值线，在导航定位中常称为位置线或船位点的轨迹称为等值线，在导航定位中常称为位置线或船位线。
线陆标定位使用的船位线主要有以下三种：方位船位线、距离船位线和水平角船位线 3.2 地文导航（地文导航（Terrestrial Navigation ））17 Ø基本原理：当船舶航行时，如对某一物标进行观测，则观测时的船位必然位于该船位线上的某一点，但究竟位于哪一点，单有一条船位线是无法确定的如能在同一时刻测得两条或两条以上的船位线，则它们的交点即为观测时的船位，这就是陆标定位的原理，这一原理在导航定位系统中是普遍适用的2 地文导航（地文导航（Terrestrial Navigation ））18 l利用各种船位线组合起来进行定位，可得到不同的定位方法常用的定位方法有：两标方位法、三标方位法、三标两角法、两标距离法、三标距离法、方位距离法以及方位水平角法等3.2 地文导航（地文导航（Terrestrial Navigation ））两标方位法三标方位法19 Ø特点：这种导航简单、可靠；但受气象条件影响比较严重，在能见度低的情况下很难测到目标，无法进行导航在无物标的大海、沙漠中利用这种方法导航也很困难3.2 地文导航（地文导航（Terrestrial Navigation ））20 3.3 推位导航（推位导航（DR, Dead reckoning））l基本原理：起始时刻的位置已知，速度的大小和方向可通过测量得到，则下一时刻的位置可通过计算得到。
21 3.3 推位导航（推位导航（DR, Dead reckoning））Ø航向: 磁罗经,陀螺罗经,平台罗经,惯性导航Ø航速: 水压计程仪,电磁计程仪,多普勒计程仪,声相关计程仪 ★多普勒效应：当机械波或电磁波的发射源与接收点间沿两者连线方向存在相对速度时，接收频率与发射频率并不相同，这一频率差称为多普勒频移22 3.4 惯性导航（惯性导航（INS-Inertial navigation ））惯性导航是完全不依赖于外部声、光、电、磁传播的信号自主式的进行导航定位的手段，因而它不受地域的限制，不受自然和人为的干扰和影响，无论太空、空间、地面、地下、水面、水下都能全天候可靠的工作23 这种不依赖外界信息，只靠对载体这种不依赖外界信息，只靠对载体( (vehicle) )本身的惯性测本身的惯性测量来完成导航任务的技术称作惯性导航量来完成导航任务的技术称作惯性导航 3.4 惯性导航（惯性导航（INS-Inertial navigation））24 l用什么测量加速度大小？加速度计（ accelerometer ）l用什么确定加速度方向？ 陀螺仪（gyroscope）陀螺仪和加速度计是惯性系统最关键的核心陀螺仪和加速度计是惯性系统最关键的核心惯性器件！惯性器件！3.4 惯性导航（惯性导航（INS-Inertial navigation ））25 惯性导航的重要性 洲际导弹、战略远程轰炸机、导弹核潜艇构成了三大战略威慑力量。
而这三大战略威慑力量都离不开惯性技术的支撑3.4 惯性导航（惯性导航（INS-Inertial navigation））26 b.惯性导航系统的组成及工作原理 惯性导航系统的基本组成元件为陀螺仪和加速度计 27 各种惯性导航系统28 3.4 惯性导航（惯性导航（INS-Inertial navigation ））29 惯性导航涉及的问题惯性导航涉及的问题l什么是惯性空间：坐标系及坐标系变换Ø 惯性导航惯性导航1：坐标系及方向余弦：坐标系及方向余弦l用什么测加速度，怎么测加速度Ø 惯性导航惯性导航2：加速度及比力方程：加速度及比力方程l有了加速度，怎么求速度，怎么求位置 （控制方程，基本方程，误差方程）Ø 惯性导航惯性导航3：平台式惯导系统基本原理：平台式惯导系统基本原理l捷联惯导系统Ø 惯性导航惯性导航4：捷联惯导系统基本原理：捷联惯导系统基本原理3.4 惯性导航（惯性导航（INS-Inertial navigation））30 l优点：（1）依靠自身测量的加速度推算位置，自主式导航系统；（2）不需要接收外部信息，不受外界干扰；（3）不向外辐射能量，隐蔽性好；（4）测量位置的同时，还能测量姿态角。
l缺点：（1）位置由加速度经二次积分获得，误差随时间积累；（2）对惯性元件精度要求高，系统成本高3.4 惯性导航（惯性导航（INS-Inertial navigation））31 无线电导航的基本任务是：测距和测向无线电导航的基本任务是：测距和测向1）在同一介质中，无线电波按直线传播；）在同一介质中，无线电波按直线传播；2）在同一介质中，无线电波的传播速度为）在同一介质中，无线电波的传播速度为常数；常数；3）无线电波具有反射性无线电波具有反射性 无线电波的上述无线电波的上述3个基本特性为测距和测向奠个基本特性为测距和测向奠定了基础利用直线传播特性可测定辐射电波的目定了基础利用直线传播特性可测定辐射电波的目标方向，而恒速特性可测定目标的距离标方向，而恒速特性可测定目标的距离3.5 无线电导航（无线电导航（Radio navigation））32 l利用无线电导航技术实现船舶导航定位主要是确定船舶的位置线无线电导航主要有三种方法，即测量方位法、测量距离法和测量距离差法3.5 无线电导航（无线电导航（Radio navigation））（1）测量方位法（测向法）：通过测量无线电指向目标的方位，分最小值、最大值、比较测量法，确定船舶所处位置线。
测量方位法33 测量距离法3.5 无线电导航（无线电导航（Radio navigation））（2）测距法：通过测定船舶与无线电发射台的距离，确定船舶所处的位置圆，再由不同的导航台测出两条或两条以上的位置线，从而确定船位34 测量距离差法3.5 无线电导航（无线电导航（Radio navigation））（3）测距离差法：根据船舶与两个无线电发射台的距离之差为常数，确定船舶所处的位置线----以导航台为焦点的双曲线，再由不同导航台测出两条或两条以上的位置线，从而确定船位35 36罗兰系统（罗兰系统（LORAN））Ø罗兰C －1957年建成，1960年以后得到大力发展；主要用于航海，美国研制；Ø罗兰C系统是一种低频脉冲双曲线导航系统，属于测距差双曲线导航系统， 同时利用脉冲信号和载波相位来测量距离差，进而求得双曲线位置线实现定位Ø劳兰C采用90~110kHz的低频频率，该频率传播距离远(1000海里左右)，稳定性好l缺点：Ø无线电传播不稳定及噪音干扰Ø只能定位，无法给出载体姿态3.5 无线电导航（无线电导航（Radio navigation））36 天文导航是根据天上星座的运行规律来对地面上的目标进行定位的。
通过观测星体相对地球的位置参数（例如仰角）以及观测时间，即可确定观测者在地球上的位置，从而引导运动体航行，这就是天文导航或天体导航3.6 天文导航（天文导航（Celestial navigation））37 l天文船位圆法天文船位圆法：l每测量一个天体的高度和顶距时，必位于以该天体投影点b为圆心，以ｒ为半径的等高圆上(天文船位圆或位置圆)，因此就获得了一部分与自身地理位置有关的信息继续观测第二个天体，得到另一个等高圆这两个等高圆在地球表面上相交于两点，其中一点就是测者所在地 3.6 天文导航（天文导航（Celestial navigation））38 l为了测得船位，测者在同一地点至少要观测两个天体，便可得到两个天文船位圆，它们相交得到两个交点由于天文船位圆的半径很大，这两个交点相距很远，因此，靠近推算船位的一个交点就是测者的观测船位，这就是天文船位圆原理，也就是通常所指的双星定位原理l也可以用第三颗星来消除模糊度，即三星定位原理3.6 天文导航（天文导航（Celestial navigation））39 l天文导航的特点：天文导航的特点：（1）天文导航系统是自主式系统，不需要地面设备；（2）不受人工或自然形成的电磁场的干扰；（3）不向外辐射电磁波，隐蔽性好；（4）定向、定位精度高，定位误差不随时间累积。
缺点：受天气影响只能实现定位，无法测姿需要水平平台作观测平台3.6 天文导航（天文导航（Celestial navigation））40 q工作原理工作原理 Ø卫星定位系统都是利用在空间飞行的卫卫星定位系统都是利用在空间飞行的卫星不断向地面广播发送某种频率并加载星不断向地面广播发送某种频率并加载了某些特殊定位信息的无线电信号来实了某些特殊定位信息的无线电信号来实现定位测量的定位系统现定位测量的定位系统3.7 卫星导航（卫星导航（Satellite navigation））41 3.7 卫星导航（卫星导航（Satellite navigation）） 车辆导航管理车辆导航管理 对航空器的定位及导航对航空器的定位及导航 车辆导航车辆导航 配备配备GPS的巡警的巡警 42 3.7 卫星导航（卫星导航（Satellite navigation））lGPS全球定位系统lGLONASS全球定位系统lGALILEO全球定位系统l北斗导航定位系统43 lGPS全球定位系统全球定位系统lGPS的英文全称是: Navigation Satellite Timing And Ranging Global Position System，简称GPS，其意为“导航星测时与测距全球定位系统”，简称全球定位系统。
l拥有者：美国l发展简史：1973年开始研制，1993年12月达到初始运行能力，1995年4月达到全运行能力l卫星组成：：初始为21颗星，覆盖不良；90年代中期扩展为24颗星，覆盖全球；一直处于不断完善和更新重，截至2008年12月，在轨31颗星3.7 卫星导航（卫星导航（Satellite navigation））44 Ø全球，全天候，全天时，多维连续定位，且精度不随时间变化，具有全球地面连续覆盖，精度高，功能多，实时定位速度快Ø由于GPS采用了数字通信的伪随机噪声编码技术，具有良好的抗干扰性和保密性局限性：Ø美国军方声称随时都有可能改变GPS政策；ØGPS的系统信号在高纬度地区经常出现盲区；Ø美国国防部曾强调，限制敌人在战时利用GPS；ØGPS无法实现水下导航，且战时易受干扰GPSGPS系统特点系统特点45 GLONASS全球定位系统l拥有者 l俄罗斯 l发展简史 l由前苏联从80年代初开始建设的与美国GPS系统相类似的卫星定位系统，现在由俄罗斯空间局管理l苏联1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星l1996年1月18日，24颗卫星正常工作运行 l卫星组成l根据俄罗斯联邦太空署信息中心提供的数据（2012年10月10日），目前有24颗卫星正常工作、3颗维修中、3颗备用、1颗测试中。
3.7 卫星导航（卫星导航（Satellite navigation））46 伽利略（伽利略（GALILEO）全球定位系统）全球定位系统l拥有者：欧盟 l发展简史 1999年2月10日欧盟委员会宣布要发展下一代GNSS 1997年7月至2000年底完成了伽利略系统的定义工作，包括系统的任务需求、空间段和地面段各种设备的技术性能指标l伽利略计划按如下三个阶段实现l2001～2005年为研究开发与在轨验证阶段；l2006～2007年为星座部署阶段；l2008年后为投入使用阶段目前进度比预计延迟五年）l卫星组成 lGALILEO系统由30颗卫星组成，其中27颗工作星，3颗备份星每个轨道上部署9颗工作星和1颗备份星 3.7 卫星导航（卫星导航（Satellite navigation））47 北斗卫星导航定位系统北斗卫星导航定位系统q拥有者 Ø中国 q发展简史 Ø1994年我国正式批准了北斗卫星导航系统的研制，其工程代号为“北斗一号”，先后发射了两颗北斗一号静止轨道卫星Ø2004年8月31日，我国拥有完全自主知识产权的“北斗二号”卫星导航系统立项，预计在2020年左右形成覆盖全球的卫星导航系统。
q卫星组成Ø北斗二号卫星导航系统空间段计划由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，30颗非静止轨道卫星由27颗中轨卫星和3颗倾斜同步卫星组成3.7 卫星导航（卫星导航（Satellite navigation））48 3.7 卫星导航（卫星导航（Satellite navigation））系统组成：系统组成： Ø空间部分（卫星）：发送某种时间信号、测距信号和卫星的瞬时坐标位置信号 Ø地面控制部分：精确测定卫星的轨道坐标、时钟差异，确定系统运行状态，并向卫星注入新的卫星轨道坐标，进行必要的卫星轨道纠正等 Ø用户部分：接收卫星广播发送的多种信号并进行处理计算确定用户的最终位置49 3.7 卫星导航（卫星导航（Satellite navigation））伪距伪距:由于存在接收机时钟与卫星时钟的钟差，所测定的距离并不等于卫星至接收机间信号传播的真实距离伪距方程中通常含有本地用户和卫星之间的钟差这一变量，因此利用伪距技术除完成定位外还要同时解算出钟差这一未知量。