慣導與GPS--第1章導航概述.ppt

,慣性導航與GPS,西安工業(yè)大學 石 俊,成績：期末考試占 60%； 上機占 20%； 平時占 20%。,學時：授課48 + 上機16,課程設置,內容：共三部分,導航系統(tǒng)概述,GPS,慣性導航,*其它導航方式,（以GPS為主）,第1章 導航系統(tǒng)概述,問： 一個人從一個地方走到另一個地方是否需要導航？,答：需要。,日常生活中的運動體都在不同程度的進行著某種形式的導航。,運動體,比如，學生從宿舍到食堂，再到教室的過程。,簡要介紹各種導航系統(tǒng)的基本情況、基本概念和知識點,1.1 導航、大地測量與制導,1.2 導航技術發(fā)展簡介,1.3 導航的坐標與原理,1.4 地球形狀描述及曲率半徑,1.1 導航、大地測量與制導,1.1.1 導航與導航系統(tǒng),1.1.2 大地測量,1.1.3 制導,1.1.4 導航與制導的區(qū)別,1.1.5 導航系統(tǒng)發(fā)展趨勢,檢測和確定這些參數是通過 完成。,載體（運載體）在空間運動過程的基本參數？,具有導航功能的系統(tǒng),、 、 是載體運動過程的基本參數。,位置,速度,姿態(tài),導航的實質：,即是要獲取載體的這三個基本參數 或其中一部分參數。,（1）什么是導航？,導：引導,航：航行,導航：,引導載體到達目的地的 和 過程。,確定載體的 和 ；,引導一個物體從一個地方航行到另一個地方的科學。,1.1.1 導航與導航系統(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）,（2）導航分兩類：,自主式導航：,非自主式導航：,1.1.1 導航與導航系統(tǒng),用于飛行器或船舶上的設備導航，有慣性導航、多普勒導航和天文導航等；,用于飛行器、船舶、汽車等交通設備與 有關的地面或空中設備相配合導航，有 無線電導航、衛(wèi)星導航。,（3）導航的任務：,提供運動載體的 6自由度導航參數；即 3維位置和 3維角度，它們決定一個物體在三維空間的位置和姿態(tài)。,（4）導航系統(tǒng)：,能提供導航參數，實現導航任務的軟件和硬件。,導航裝置通常分為陸基和星基兩大類。,1.1.1 導航與導航系統(tǒng),早期導航系統(tǒng)：主要由功能單一的儀表組成；,當前導航系統(tǒng)：由各種傳感器所構成的高精度復雜系統(tǒng)。,導航系統(tǒng)有 2 種工作狀態(tài)：,指示狀態(tài)：,自動導航狀態(tài)：,在這兩種工作狀態(tài)下：導航系統(tǒng)的作用只是提供導航參數，為 自動控制和導引載體按預定軌跡準確 到達目的地的制導過程提供信息保障。,1.1.1 導航與導航系統(tǒng),導航系統(tǒng)提供的導航信息僅供駕駛員操作和引導載體之用，導航系統(tǒng)不直接對載體進行控制。,導航系統(tǒng)直接提供信息給載體的自動駕駛控制系統(tǒng)，由其操縱和引導載體。,1.1.2 大地測量,目標：獲取位置和方向。主要研究和測定地球形狀、大小 和重力場。以及測定地面點幾何位置。,典型：GPS定位。,表1.1 導航與大地測量的區(qū)別,1.1.3 制導,制導是一個與導航緊密相關的概念，用于導彈、制導炸 彈/炮彈、魚雷等武器。,制導：,自動控制和導引載體按預定航跡準確到達目標的過程。,包括：應用導航的測量值和自動控制的全部閉環(huán)過程。,制導系統(tǒng)：,實現導引和控制載體按預定航跡導向目標的軟、硬件。,閉環(huán),1.1.3 制導,制導系統(tǒng)的主要功能（3點）：,（1）根據起始點、目標點和約束條件，建立航跡參數 （航路點、航線等）。,（2）由導航系統(tǒng)測量載體運動，確定載體的導航參數 （位置、速度、姿態(tài)）。,（3）根據航跡和運動參數，自動產生控制（制導）信息， 傳輸給載體相應的控制系統(tǒng)。,例如：,載體上的自動駕駛系統(tǒng)結合計算機已存儲的飛行路徑中各航路點的位置信息。,根據導航系統(tǒng)提供的即時導航參數（絕對參數）。,計算出各種可用來糾正航行偏差的制導參數（相對目標參數），如：應飛航跡角、偏航角、航跡角誤差、偏航距、待飛距離/時間，等。,1.1.3 制導,圖1.1 導航制導參數示意圖,預定航跡參數設置,航行控制計算機,航行操作控制系統(tǒng),指令,載體運動,導航系統(tǒng),信息,圖1.2 導航制導閉環(huán)控制系統(tǒng)示意圖,1.1.3 制導,1.1.3 制導,載體的制導參數是利用給定航行計劃和導航參數計算得出。,利用制導參數和載體操縱規(guī)律，計算出載體的操縱指令。,通過航行控制系統(tǒng)，可實現載體的航行自動化。,航行控制系統(tǒng)能在任務、地理、氣象等情況發(fā)生改變的條件下，自動計算規(guī)劃出最優(yōu)的航行路徑；并將航行控制系統(tǒng)與導航系統(tǒng)組合在一起，完成航行任務。,導航與制導 的區(qū)別。兩者的概念就已交叉，隨著科學的發(fā)展，更是相互融合。,實行導航時，要確定飛行器的位置，并且航跡是事先確定的，導航要實時、連續(xù)地給出飛行器的位置、速度、加速度、航向等導航參數。,制導則是利用導航系統(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，使其按預定軌道航行并到達目的地。,1.1.4 導航與制導的區(qū)別,沒有本質,導航：對象范圍大，常指載體，也可指人。 制導：對象范圍小，常指武器(導彈、制導炸彈/炮彈、魚雷)。,導航：給出航線引導目標到達預定點。 制導：導引并控制目標到達預定點。,導航：獲得目的地的當前相對位置。 制導：決定如何到達目的地。,導航：你目前的方位（包括三個位置參數和三個姿態(tài)參數）。 制導：要達到目的地，你應該怎么走。,導航：給人指路。 制導：給人帶路。,1.1.4 導航與制導的區(qū)別,1.1.5 導航系統(tǒng)發(fā)展趨勢,現代運載體的導航特點（5點）：,高精度（精確打擊）,長時間（連續(xù)巡航、巡邏）,遠 程（客機跨洋飛行、導彈與轟炸機洲際攻擊）,對導航系統(tǒng)的準確性和可靠性提出了更高的要求，,航行控制系統(tǒng)與導航系統(tǒng)的組合,單一的導航方式已不能滿足需求。,高可靠性,綜合慣性導航與其它導航方式，,隨著科學的發(fā)展和導航需求的提高，導航系統(tǒng)向,綜合化,全天候,高精度,高可靠性,高自主性,智能容錯,的全信息融合發(fā)展。,構成以慣導為主、其它導航方式為輔的組合導航系統(tǒng)。,采用現代控制理論信息融合方法，,1.1.5 導航系統(tǒng)發(fā)展趨勢,1.2 導航技術發(fā)展簡介,1.2.1 概述,1.2.2 早期的導航方式,1.2.3 無線電導航,1.2.4 多普勒導航,1.2.5 慣性導航,1.2.6 衛(wèi)星導航,1.2.7 地形輔助導航,1.2.9 組合導航,1.2.8 天文導航,1.2.1 概述,早期的導航方法：依靠星座、磁羅盤、地標、速度表、時 鐘等單一功能的導航儀表大致確定載體 的路徑、航向、速度。,以航空導航為例：,飛行前，制定飛行計劃，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，以監(jiān)視飛行路徑的正確性和尋找目的地。,20世紀30年代：無線電導航。,20世紀60年代：慣性、多普勒導航，等。（自主導航）,能為載體提供連續(xù)的導航信息。,20世紀80年代：導航系統(tǒng)與航行控制系統(tǒng)相結合。,1.2.1 概述,1.2.1 概述,隨著現代控制理論、高精度測繪、計算機、數字地圖、射電天文等技術的發(fā)展。,地形、景象、視覺、光流、引力場、脈沖星等新興導航技術逐漸出現。,采用現代控制理論的信息融合方法，以計算機為工具，以慣性導航為主體的組合導航系統(tǒng)和容錯組合導航系統(tǒng)受到極大重視。,1.2.1 概述,圖1.3 導航系統(tǒng)的演變與發(fā)展趨勢,1.2.2 早期的導航方式,司南：,戰(zhàn)國時期，利用磁石制成，確定南北方位。,圖1.4 漢代司南模型,1.2.2 早期的導航方式,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,1.2.2 早期的導航方式,中國航海所使用的是磁針浮于水面的水羅盤；,歐洲改進，發(fā)展出具有固定支點的磁針，即旱羅盤；,18世紀末，液體磁羅經出現，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。,早期的地標導航：利用在地圖或海圖上已標明位置的地 物、地標，在載體上用光學等方法，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,1.2.2 早期的導航方式,圖1.7 伽利略望遠鏡,圖1.6 伽利略伽利雷 （15641642）,近代科學之父,1.2.3 無線電導航,利用無線電波在均勻介質和自由空間 及 兩大特性進行導航。,直線傳播,恒速,兩種定位方式：,（1）通過設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 行定位。,1.2.3 無線電導航,無線電導航的優(yōu)點（3點）：,精度高,可靠性高,價格低,無線電導航的缺點（5點）：,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,（無線電導航優(yōu)缺點）,1.2.4 多普勒導航,20世紀6070年代，不依賴地面導航臺站的多普勒雷達導航系統(tǒng)出現。,利用多普勒頻移效應，測量載體相對地面的速度，進而完成導航任務。,多普勒頻移：,由于載體與雷達地面臺站相對運動而產生的發(fā)射波與反射波之間的頻率差；,或由于載體運動，引起機載雷達的發(fā)射波與反射波之間的頻率差。,1.2.4 多普勒導航,多普勒導航系統(tǒng)中，無需借助地面臺站，只需在載體上安裝雷達的發(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,（多普勒導航原理）,1.2.4 多普勒導航,（多普勒導航優(yōu)缺點）,多普勒導航的優(yōu)點：,多普勒導航的缺點：,（無需地面臺站配合）,主動工作、自主性強,（1）易受干擾、易暴露。,（雷達開機發(fā)射電波）,（2）定位精度與反射面的具體情況密切相關。,（如：海面、沙漠反射性差）,（3）精度受雷達天線姿態(tài)影響大。,（如：載體做大機動運動時，可能無法收到反射波）,1.2.5 慣性導航,1719世紀：慣性導航基礎理論，慣性儀表在航海和航空 中使用。,20世紀40年代，二戰(zhàn)：德國V2彈道導彈，第一種付諸實 際使用的慣性制導系統(tǒng)。,20世紀6070年代：具有自主性的慣性導航系統(tǒng)開始應用 于航空、航天、航海。,圖1.8 馮布勞恩 （19121977）,圖1.9 V2彈道導彈,1.2.5 慣性導航,導彈之父,1.2.5 慣性導航,慣性導航：,以牛頓力學為基礎，只依靠安裝于載體內的慣性測量傳感器和相應的配套系統(tǒng)，建立基準坐標系，,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：高度自主（慣性是物體自身固有特性）,缺點：長期工作穩(wěn)定性差（誤差隨時間發(fā)散）,1.2.6 衛(wèi)星導航,通過圍繞地球運行的人造地球衛(wèi)星，,安裝在載體上的衛(wèi)星導航接收機接收衛(wèi)星信號，并計算出自身的位置、速度等導航信息。,衛(wèi)星導航的發(fā)展以美國和俄羅斯/前蘇聯(lián)為主導，歐洲和中國于最近十余年才開始建立自己的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。,向地球表面發(fā)射經過編碼和調制的無線電信號（編碼中：載有衛(wèi)星信號的時間和星座中各個衛(wèi)星在空間的位置、姿態(tài)等信息）。,1.2.7 地形輔助導航,在某些特殊環(huán)境與條件下（對無線電波干擾嚴重的情況，如：人為干擾、山區(qū)），,基于無線電信號的導航系統(tǒng)易受人為或自然干擾的影響，導致導航系統(tǒng)精度明顯降低。,因此，地形輔助/視覺導航系統(tǒng)應運而生，并日益受到重視與應用。,1.2.7 地形輔助導航,（地形輔助導航原理）,系統(tǒng)通過高度/圖像（視覺）傳感器獲得所在區(qū)域的相對高度和圖像信息,與系統(tǒng)預存的該地域的3D數字地圖/圖像信息進行高度/圖像的高精度對比、匹配,通過求取最佳匹配點,獲得載體當前的位置、速度、姿態(tài),1.2.7 地形輔助導航,地形輔助/視覺導航系統(tǒng)與其它導航系統(tǒng)相比：,增加了存儲數字地圖/圖像的大容量存儲器。,優(yōu)點：自主性好、抗干擾能力強。,缺點：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 效的導航輔助信息。）,1.2.8 天文導航,早期的天文導航只能通過觀測天空中的星體來確定載體的位置。無法連續(xù)定位，工作方式受星體可見度的限制。,利用天空