導航原理：第1講-導航技術發(fā)展概論1

1、第1講 導航技術發(fā)展概論1、什么是導航2、導航的起源與發(fā)展3、現(xiàn)有導航系統(tǒng)分類及其原理4、導航技術發(fā)展趨勢5、室內(nèi)外無縫導航與定位主要內(nèi)容 人們形容自己熟悉的地方，會說：“我閉著眼也找得到”。 因為我腦袋里儲存了到該地方的信息。1、什么是導航？ 飛機的乘務組中除駕駛員、機械師外，還有領航員，他的任務就是隨時判斷飛機所在的位置，并根據(jù)航線通知駕駛員什么時候轉彎、什么時候到達目的地準備降落?？梢允堑貥?、無線電、機載導航設備等手段判斷所處位置并指導飛行。顯然，對需要長時間自主航行的載體，如潛艇、長航時飛行器等，根據(jù)需要而隨時能夠知道載體的位置具有極為重要的意義。 1、什么是導航？在航空航天領域，導航

2、技術是關鍵技術基礎1、什么是導航？ “導航”是以某種手段或方式引導載體安全、準確、經(jīng)濟、便捷地在一定的時間內(nèi)，按照既定的行進路線，準時到達目的地的技術。 定義1、什么是導航？ 自駕游路線：南寧=貴港=桂平=武宣=蒙山=梧州=容縣=玉林=南寧。判斷：是否到某地的路線？確信是（觀測地面標志或路標），繼續(xù)前進向下一個城市，這樣通過地圖或路標一直往前走，就能到達預定目的地。1、什么是導航？ 例子當飛機飛向目的地時，領航員不斷判斷飛機的位置（主要通過各種導航儀器），當?shù)竭_航線轉向點時，向駕駛員發(fā)出改變方向的命令，使飛機始終沿著預定航線飛行。飛機飛行1、什么是導航？ 例子 空空導彈通過不斷測定導彈與目標的

3、相對方位，確定下一步飛行的方向。導彈飛行1、什么是導航？ 例子- 導航目的：在哪里？到哪里去？怎么去？- 導航實質：a. 關于兩地（目標）之間旅行和找路的學問；有不同的手段來實現(xiàn)。b. 導航包含兩方面的任務：導航的任務就是定位與定向。關鍵是定位問題。 1、什么是導航？ 結論 早在公元前3500年前，人類就開始進行海上貿(mào)易，此時的導航家都是在靠近海岸線用肉眼觀察陸地標記或者大地特性來辨別方向的。他們通常白天行駛，晚上找個平靜的港口拋錨。他們沒有航海圖，但他們列出了所需的方向，類似于今天的巡航向導。 隨著海上商業(yè)貿(mào)易、文化交流等的發(fā)展，原有簡單的導航技術再也不能滿足實際需要了，此后，天文導航在航海

4、中占有重要的地位。2、導航的起源與發(fā)展（1）導航的起源 當他們在看不到大陸的時候，他們通過在白天觀察太陽的位置，晚上觀察北極星的位置來辨別南北方向。 - 2000年前，波利尼西亞人利用掌握的天體和地物知識，穿越了太平洋。 - 鄭和七下西洋（1405年1433年），在航行中采用觀測恒星高度來確定地理緯度的方法，叫做“牽星術”，所用的測量工具，叫做牽星板。根據(jù)牽星板測定的垂向高度和牽繩的長度，即可換算出北極星高度角，它近似等于該地的地理緯度。2、導航的起源與發(fā)展 從封閉的農(nóng)業(yè)村落、城邦到占有整個流域甚至整個地理區(qū)域的龐大國家，只有掌握導航技術的文明才可能征服廣闊的空間！ 今天，美國：只有掌握導航技

5、術的文明才可能征服廣闊的空間！為在未來戰(zhàn)爭中確保自己及盟國軍隊保持定位導航優(yōu)勢，美國開始打響“導航戰(zhàn)”。 掌握了導航技術，就掌握了未來！2、導航的起源與發(fā)展 導航技術的發(fā)展與人們有探索更遠地方的欲望分不開的，于是，在不同的時代，出現(xiàn)了各式各樣的導航設備或系統(tǒng)。2、導航的起源與發(fā)展（2）導航的發(fā)展 古代導航-19世紀路標導航不適應海上天文導航天氣差的情況下無法使用指南針惡劣天氣無法使用六分儀輔助遠距離航行指南針2、導航的起源與發(fā)展- 1852 年，法國科學家傅科制造出了傅科擺，用于驗證地球自轉的測量裝置。裝置命名為Gyroscope，開創(chuàng)了對工程實用陀螺的研究和開發(fā)的先河。傅科擺2、導航的起源與

6、發(fā)展- 1908年，德國科學家安修茲制造出了世界上第一臺陀螺羅經(jīng)，用來指示真北。- 1923年，德國人馬克斯.舒勒發(fā)現(xiàn)了由地球半徑和重力決定的無阻尼振蕩周期，稱為舒勒調(diào)諧周期。根據(jù)這一現(xiàn)象后人研制了更為精確的定向設備，這些設備構成了后來全天候自動導航的基礎。導航從此開始進入儀表導航時代。陀螺羅經(jīng)2、導航的起源與發(fā)展始終跟蹤當?shù)卮咕€- 20世紀初，斯佩里兄弟利用陀螺效應研制的導航與自動駕駛儀設備用在飛機上， 研制的陀螺儀用在魚雷上。- 20世紀20年代產(chǎn)生用于飛機的轉彎速率指示儀、人造地平儀和方向陀螺儀，以及研制了側滑敏感器（早期開環(huán)加速度計）。2、導航的起源與發(fā)展 20世紀20年代 20世紀以

7、后，隨著科學的發(fā)展和時代的進步，航海、航空、航天等運載體對導航定位的要求也越來越高:要服務區(qū)域大、定位精度高、全天候、實時性好、能連續(xù)定位、自主性強等，磁羅盤和原始的天文導航法也就不能滿足需要了，于是就相繼出現(xiàn)了各種新型的導航定位系統(tǒng)：無線電導航、慣性導航、衛(wèi)星導航等。2、導航的起源與發(fā)展- 20世紀30年代后，逐步進入先進導航技術時代- 20世紀上半葉研制了艦炮火控系統(tǒng)穩(wěn)定平臺，提出了慣性導航系統(tǒng)的基本概念。2、導航的起源與發(fā)展 20世紀30年代以后- 1942年，德國制造出了人類歷史上的第一套慣性制導系統(tǒng)，用于 V-1和V-2。 V1 巡航導彈 V2 彈道導彈 1944年6月，德國從法國北

8、部向英國發(fā)射V1 10500枚落到英國 3200 枚，倫敦 2500 枚- 德國戰(zhàn)敗后，導彈技術人員大量流向蘇美 馮布勞恩格羅特魯普2、導航的起源與發(fā)展珍珠港 - 白令海峽 - 北極 - 波特蘭 歷時 21天，航程 15000 Km 2、導航的起源與發(fā)展- 二戰(zhàn)后，在德國專家的幫助下，蘇美繼續(xù)大力發(fā)展導彈和火箭技術 ，50年代初，美國MIT研制出達到慣性級精度的液浮陀螺儀，1958年，美國“舡魚”號潛艇之旅，標志著以陀螺儀為核心的慣性導航技術在50 年代已經(jīng)趨于成熟 。- 60年代初期，出現(xiàn)了比液浮陀螺儀結構簡單、成本較低的動力調(diào)諧陀螺儀。從50年代末至60年代初，用液浮陀螺儀、氣浮陀螺儀和動

9、力調(diào)諧陀螺儀構成的平臺式慣導系統(tǒng)得到迅速發(fā)展，并大量裝備于各種飛機、艦船、導彈和航天飛行器上。2、導航的起源與發(fā)展- 從60年代開始，慣性技術進一步取得重要進展：敏感器精度不斷提高，器件變得小型化，環(huán)形激光陀螺開始研制。捷聯(lián)導航（ 1949年首次提出）逐漸得到重視。這一時期采用慣性系統(tǒng)技術的主要目的是戰(zhàn)略導彈計劃和太空探索。激光陀螺2、導航的起源與發(fā)展- 20世紀60年代初，美國海軍資助研發(fā)子午衛(wèi)星導航子午儀衛(wèi)星導航系統(tǒng)(Transit satellite navigation system) ，它是美國海軍的一種全球、全天候衛(wèi)星導航定位系統(tǒng),又稱海軍衛(wèi)星導航系統(tǒng)。1967年開始進入民用領域。

10、這種系統(tǒng)利用地面用戶設備接收“子午儀“號衛(wèi)星一次通過視界期間所發(fā)出的信號，就能獲得用戶的準確位置。2、導航的起源與發(fā)展- - 由于“子午”不能進行連續(xù)實時導航，自“子午儀”后，1973年美國又開始研制采用時間測距衛(wèi)星導航方式的第2代導航衛(wèi)星-“全球定位系統(tǒng)”，即GPS。2、導航的起源與發(fā)展- 蘇聯(lián)在1976年啟動格洛納斯項目，格洛納斯系統(tǒng)類似于GPS，將使用24顆衛(wèi)星實現(xiàn)全球定位服務，可提供高精度的三維空間和速度信息，也提供授時服務。格洛納斯衛(wèi)星2、導航的起源與發(fā)展- 類似于GPS和GLONASS，上世紀90年代，中國和歐盟分別開始研發(fā)自己的全球定位系統(tǒng)“北斗”和“伽利略”系統(tǒng)。2、導航的起源

11、與發(fā)展- 20世紀70年代開始，為了提高導航系統(tǒng)的導航精度和可靠性，美國開始研發(fā)多系統(tǒng)的組合導航系統(tǒng)。到目前為止， 組合導航系統(tǒng)是成為導航定位技術發(fā)展的主要趨勢之一，并已在軍事和民用領域有著廣泛的應用。尤其是對于軍事應用而言，組合導航系統(tǒng)是現(xiàn)代軍事作戰(zhàn)的重要信息源，是提高武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的重要技術途徑。2、導航的起源與發(fā)展- 與此同時，在過去的20年內(nèi)，隨著慣性敏感器的飛速發(fā)展，慣性導航系統(tǒng)的發(fā)展逐漸從平臺技術轉向捷聯(lián)技術，特別是小型慣性敏感器的研制，使慣性導航的應用范圍進一步拓寬。動力調(diào)諧陀螺 光纖陀螺 振動陀螺2、導航的起源與發(fā)展自主導航：無需外界設備，可以單獨產(chǎn)生導航信息- 天文導航系統(tǒng)

12、（Celestial Navigation SystemCNS）- 慣性導航系統(tǒng)（Inertial Navigation System INS）- 地磁導航系統(tǒng)（Geomagnetic Navigation System GNS）- 地文導航系統(tǒng)（Terrestrial Navigation System TNS）非自主導航：需外界設備，不能單獨產(chǎn)生導航信息- 無線電導航系統(tǒng)（Radio Navigation System RNS ）- 衛(wèi)星導航系統(tǒng)（Satellite Navigation System SNS ）3、現(xiàn)有導航系統(tǒng)分類及其原理 （1）導航系統(tǒng)的分類 天文導航原理：利用太陽、月

13、亮和行星來定位，觀測星體相對地球的位置參數(shù)（例如仰角）以及觀測時間，確定觀測者在地球上的位置。六分儀 星體跟蹤器 3、現(xiàn)有導航系統(tǒng)分類及其原理 （2）部分導航系統(tǒng)基本原理 天體相對地球的運動規(guī)律是完全確定的，因此可以利用觀測天體的位置來解決導航問題。 選一顆較亮的恒星，該星體在地球表面的投影點稱為星下點。由地球表面某位置觀測星體可得星體的高度角。高度角相同的所有位置構成以星下點為中心的圓周，稱為等高圓。3、現(xiàn)有導航系統(tǒng)分類及其原理 - - 用六分儀測得某恒星的高度角，再根據(jù)天文年歷及時鐘查出該時刻恒星星下點的位置，得到一個等高圓。用同樣的方法觀測另一個是虛假位置。根據(jù)艦船在測量時刻以前的航跡或

14、借助第三個等高圓，就可排除虛假位置，確定真實位置。- - 在實際使用的天文導航系統(tǒng)中，上述基本原理中所敘述的過程是由有關儀器自動實現(xiàn)的。- - 儀器主要有：星體跟蹤器，標準時間發(fā)生器，計算機三大部分。由星體跟蹤器對指定星體進行搜索掃描，搜索到以后即轉入跟蹤狀態(tài)，同時不斷測量星體高度角和方位角。3、現(xiàn)有導航系統(tǒng)分類及其原理 3、現(xiàn)有導航系統(tǒng)分類及其原理 特點：- 天文導航系統(tǒng)是自主式系統(tǒng)，不需要地面設備；- 不受人工或自然形成的電磁場的干擾；- 不向外輻射電磁波，隱蔽性好；- 定向、定位精度高，定位誤差不隨時間累積。 地磁導航- 在中國史書中記載的最早應用的導航儀是指南針。12世紀，歐洲人將原始

15、的指南針改制成簡單的船用羅經(jīng)，并繪制出了地中海的地圖，使歐洲的歷史進入航海時代。3、現(xiàn)有導航系統(tǒng)分類及其原理 原理- 通過地磁傳感器測得的實時地磁數(shù)據(jù)與存儲在計算機的地磁基準圖進行匹配來定位。（由于地磁場為矢量場，在地球近地空間內(nèi)任意一點的地磁矢量都不同于其他地點的矢量，且與該地點的經(jīng)緯度存在一一對應的關系。）- 地磁所指的北方（磁北）與地理上的北方（正北，可透過觀察太陽或其他星體的位置得知）有所差異，這個差異稱為磁偏角。此外，地磁場與水平面的夾角稱為磁傾角。 3、現(xiàn)有導航系統(tǒng)分類及其原理 - 地磁導航具有無源、無輻射、全天候、全地域、能耗低的優(yōu)良特征。3、現(xiàn)有導航系統(tǒng)分類及其原理 特點- 地

16、文導航是利用某種觀測儀器（含肉眼）對所熟悉的地物或導航設施（航標等）進行經(jīng)常的或連續(xù)的觀測，以確定艦船的位置和運動方向，從而達到導航的目的。- 在航海中地文導航也叫觀測導航，它是利用羅經(jīng)、測距儀和六分儀等觀測儀器，觀測岸上目標的方位、距離和水平角，按一定法則確定船位，稱為地文導航法或陸標測位。3、現(xiàn)有導航系統(tǒng)分類及其原理 地文導航常用的定位方法有：兩標方位法、三標方位法、三標兩角法、兩標距離法、三標距離法、方位距離法以及方位水平角法等。兩標方位法：根據(jù)測定出的至兩個岸標的方位確定船位。過兩個岸標的兩條等方位線的交點即為船位。兩標方位法3、現(xiàn)有導航系統(tǒng)分類及其原理 原理兩標距離法：根據(jù)測定出的至

17、兩個岸標的距離確定船位，顯然，此時的位置線是兩個圓，船位在兩圓的交點上兩標距離法3、現(xiàn)有導航系統(tǒng)分類及其原理 - 簡單、可靠；- 但受氣象條件影響比較嚴重，在能見度低的情況下很難測到目標，無法進行導航；- 在無物標的大海、沙漠中利用這種方法導航也很困難。3、現(xiàn)有導航系統(tǒng)分類及其原理 特點- 慣性技術：是慣性敏感器、慣性穩(wěn)定、慣性導航和慣性測量等技術的統(tǒng)稱。它既是一個綜合性很強的學科，又是一門技術，在國防科技中占有重要地位，在國民經(jīng)濟某些部門中也有成功的應用，已成為衡量一個國家科學技術和軍事實力的重要標志之一。- 慣性技術的理論基礎：三大牛頓運動定律，特別是牛頓第二定律: f=md2x/dt2,

18、 故稱為慣性技術。3、現(xiàn)有導航系統(tǒng)分類及其原理 慣性導航- 慣性技術的核心：慣性敏感器陀螺和加速度計。3、現(xiàn)有導航系統(tǒng)分類及其原理 3、現(xiàn)有導航系統(tǒng)分類及其原理 - 慣性技術的發(fā)展 按各種類型陀螺出現(xiàn)的先后、理論的建立和新型傳感器制造技術的出現(xiàn)，將慣性技術的發(fā)展劃分為四代，但是慣性技術發(fā)展的各階段之間并無明顯界線。 第1代：1930年之前，慣性技術奠定基礎階段，1852年傅科提出陀螺的定義、原理及應用設想；1910年舒勒調(diào)諧原理。 第2代：19世紀40年代至60年代，慣性技術實際應用（火箭V-1V-2）及慣性傳感器研制（單自由度液浮、動壓陀螺、加速度計），同時，捷聯(lián)慣性導航(SINS)理論研究

19、趨于完善。 第3代：慣性技術性能提升階段，70年代初期，新型陀螺、加速度計和相應的慣性導航系統(tǒng)(INS)，包括：靜電陀螺(ESG)、動力調(diào)諧陀螺(DTG)、環(huán)形激光陀螺(RLG)、干涉式光纖陀螺IFOG等。 第4代：實現(xiàn)高精度、高可靠性、低成本、小型化、數(shù)字化、應用領域更加廣泛的導航系統(tǒng)。一方面，陀螺的精度不斷提高，漂移量可達10-6/h ；另一方面，隨著RLG、FOG、MEMS等新型固態(tài)陀螺儀的逐漸成熟，以及高速大容量的數(shù)字計算機技術的進步，SINS在低成本、短期中精度慣性導航中呈現(xiàn)出取代平臺式系統(tǒng)的趨勢。3、現(xiàn)有導航系統(tǒng)分類及其原理 利用慣性敏感元件測量載體（飛機、導彈、衛(wèi)星、車輛等）相對

20、慣性空間的線運動和角運動參數(shù)，在給定的運動初始條件下，根據(jù)牛頓運動定律，推算載體的瞬時速度和瞬時位置。- 用什么測量加速度？加速度計（ accelerometer ）- 怎么保持平臺方向（或測量載體的角運動）？陀螺儀（gyroscope）- 加速度計和陀螺儀放在哪？平臺（platform）或數(shù)學平臺（捷聯(lián)式）3、現(xiàn)有導航系統(tǒng)分類及其原理 原理- 封裝好的導航系統(tǒng)3、現(xiàn)有導航系統(tǒng)分類及其原理 3、現(xiàn)有導航系統(tǒng)分類及其原理 - 優(yōu)點：（1）依靠自身測量的加速度推算位置，自主式導航系統(tǒng)；（2）不需要接收外部信息，不受外界干擾；（3）不向外輻射能量，隱蔽性好；（4）測量位置的同時，還能測量姿態(tài)角。-

21、缺點：（1）位置由加速度經(jīng)二次積分獲得，誤差隨時間積累；（2）對慣性元件精度要求高，系統(tǒng)成本高。3、現(xiàn)有導航系統(tǒng)分類及其原理 特點 航天、航空、航海、石油開發(fā)、大地測量、海洋調(diào)查、地 質鉆控、機器人技術和鐵路等領域，隨著新型慣性敏感器件的出現(xiàn)，慣性技術在汽車工 業(yè)、 醫(yī)療電子設備中都得到了應用3、現(xiàn)有導航系統(tǒng)分類及其原理 重要性- 無線電導航的基本任務是：測距和測向 1）在同一介質中，無線電波按直線傳播； 2）在同一介質中，無線電波的傳播速度為常數(shù)； 3）無線電波具有反射性。- 無線電導航系統(tǒng)根據(jù)無線電電波的傳播規(guī)律，測定運動載體的位置。3、現(xiàn)有導航系統(tǒng)分類及其原理 無線電導航- 無線電導航系統(tǒng)種類較多，典型的無線電導航系統(tǒng)有 1）羅蘭C導航系統(tǒng) 2）多普勒導航系統(tǒng) 3）伏爾(VOR)導航系統(tǒng) 4）塔康導航系統(tǒng) 5）奧米加導航系統(tǒng) 6）聯(lián)合戰(zhàn)術信息分發(fā)系統(tǒng)JTIDS 7）衛(wèi)星導航- 按定位幾何原理分有測向、測距、測距差系統(tǒng)3、現(xiàn)有導航系統(tǒng)分類及其原理 - 無線電導航主要有三種方法，即測量方位法、測量距離法和測量距離差法。測量距離法測量方位法為入射波與天線陣元連線的法線之間夾角 3、現(xiàn)有導航系統(tǒng)分類及其原理 原理測量距離差法3、現(xiàn)有導航系統(tǒng)分類及其原理 - 利用多普勒效應實現(xiàn)無線電導航的機載系統(tǒng)。它由脈沖多普勒雷達、航向姿態(tài)系統(tǒng)、導航計算機和控制