惯导与GPS--第1章导航概述.ppt

,惯性导航与GPS,西安工业大学 石 俊,成绩：期末考试占 60%； 上机占 20%； 平时占 20%。,学时：授课48 + 上机16,课程设置,内容：共三部分,导航系统概述,GPS,惯性导航,*其它导航方式,（以GPS为主）,第1章 导航系统概述,问： 一个人从一个地方走到另一个地方是否需要导航？,答：需要。,日常生活中的运动体都在不同程度的进行着某种形式的导航。,运动体,比如，学生从宿舍到食堂，再到教室的过程。,简要介绍各种导航系统的基本情况、基本概念和知识点,1.1 导航、大地测量与制导,1.2 导航技术发展简介,1.3 导航的坐标与原理,1.4 地球形状描述及曲率半径,1.1 导航、大地测量与制导,1.1.1 导航与导航系统,1.1.2 大地测量,1.1.3 制导,1.1.4 导航与制导的区别,1.1.5 导航系统发展趋势,检测和确定这些参数是通过 完成。,载体（运载体）在空间运动过程的基本参数？,具有导航功能的系统,、 、 是载体运动过程的基本参数。,位置,速度,姿态,导航的实质：,即是要获取载体的这三个基本参数 或其中一部分参数。,（1）什么是导航？,导：引导,航：航行,导航：,引导载体到达目的地的 和 过程。,确定载体的 和 ；,引导一个物体从一个地方航行到另一个地方的科学。,1.1.1 导航与导航系统,位置,姿态,控制,指示,（泛指：飞行器、舰船、车辆、人、动物，等）,过程,（速度）,（2）导航分两类：,自主式导航：,非自主式导航：,1.1.1 导航与导航系统,用于飞行器或船舶上的设备导航，有惯性导航、多普勒导航和天文导航等；,用于飞行器、船舶、汽车等交通设备与 有关的地面或空中设备相配合导航，有 无线电导航、卫星导航。,（3）导航的任务：,提供运动载体的 6自由度导航参数；即 3维位置和 3维角度，它们决定一个物体在三维空间的位置和姿态。,（4）导航系统：,能提供导航参数，实现导航任务的软件和硬件。,导航装置通常分为陆基和星基两大类。,1.1.1 导航与导航系统,早期导航系统：主要由功能单一的仪表组成；,当前导航系统：由各种传感器所构成的高精度复杂系统。,导航系统有 2 种工作状态：,指示状态：,自动导航状态：,在这两种工作状态下：导航系统的作用只是提供导航参数，为 自动控制和导引载体按预定轨迹准确 到达目的地的制导过程提供信息保障。,1.1.1 导航与导航系统,导航系统提供的导航信息仅供驾驶员操作和引导载体之用，导航系统不直接对载体进行控制。,导航系统直接提供信息给载体的自动驾驶控制系统，由其操纵和引导载体。,1.1.2 大地测量,目标：获取位置和方向。主要研究和测定地球形状、大小 和重力场。以及测定地面点几何位置。,典型：GPS定位。,表1.1 导航与大地测量的区别,1.1.3 制导,制导是一个与导航紧密相关的概念，用于导弹、制导炸 弹/炮弹、鱼雷等武器。,制导：,自动控制和导引载体按预定航迹准确到达目标的过程。,包括：应用导航的测量值和自动控制的全部闭环过程。,制导系统：,实现导引和控制载体按预定航迹导向目标的软、硬件。,闭环,1.1.3 制导,制导系统的主要功能（3点）：,（1）根据起始点、目标点和约束条件，建立航迹参数 （航路点、航线等）。,（2）由导航系统测量载体运动，确定载体的导航参数 （位置、速度、姿态）。,（3）根据航迹和运动参数，自动产生控制（制导）信息， 传输给载体相应的控制系统。,例如：,载体上的自动驾驶系统结合计算机已存储的飞行路径中各航路点的位置信息。,根据导航系统提供的即时导航参数（绝对参数）。,计算出各种可用来纠正航行偏差的制导参数（相对目标参数），如：应飞航迹角、偏航角、航迹角误差、偏航距、待飞距离/时间，等。,1.1.3 制导,图1.1 导航制导参数示意图,预定航迹参数设置,航行控制计算机,航行操作控制系统,指令,载体运动,导航系统,信息,图1.2 导航制导闭环控制系统示意图,1.1.3 制导,1.1.3 制导,载体的制导参数是利用给定航行计划和导航参数计算得出。,利用制导参数和载体操纵规律，计算出载体的操纵指令。,通过航行控制系统，可实现载体的航行自动化。,航行控制系统能在任务、地理、气象等情况发生改变的条件下，自动计算规划出最优的航行路径；并将航行控制系统与导航系统组合在一起，完成航行任务。,导航与制导 的区别。两者的概念就已交叉，随着科学的发展，更是相互融合。,实行导航时，要确定飞行器的位置，并且航迹是事先确定的，导航要实时、连续地给出飞行器的位置、速度、加速度、航向等导航参数。,制导则是利用导航系统输出的加速度、速度、位置和航向姿态等信息，形成指令信号，控制载体的姿态、航向或发动机，使其按预定轨道航行并到达目的地。,1.1.4 导航与制导的区别,没有本质,导航：对象范围大，常指载体，也可指人。 制导：对象范围小，常指武器(导弹、制导炸弹/炮弹、鱼雷)。,导航：给出航线引导目标到达预定点。 制导：导引并控制目标到达预定点。,导航：获得目的地的当前相对位置。 制导：决定如何到达目的地。,导航：你目前的方位（包括三个位置参数和三个姿态参数）。 制导：要达到目的地，你应该怎么走。,导航：给人指路。 制导：给人带路。,1.1.4 导航与制导的区别,1.1.5 导航系统发展趋势,现代运载体的导航特点（5点）：,高精度（精确打击）,长时间（连续巡航、巡逻）,远 程（客机跨洋飞行、导弹与轰炸机洲际攻击）,对导航系统的准确性和可靠性提出了更高的要求，,航行控制系统与导航系统的组合,单一的导航方式已不能满足需求。,高可靠性,综合惯性导航与其它导航方式，,随着科学的发展和导航需求的提高，导航系统向,综合化,全天候,高精度,高可靠性,高自主性,智能容错,的全信息融合发展。,构成以惯导为主、其它导航方式为辅的组合导航系统。,采用现代控制理论信息融合方法，,1.1.5 导航系统发展趋势,1.2 导航技术发展简介,1.2.1 概述,1.2.2 早期的导航方式,1.2.3 无线电导航,1.2.4 多普勒导航,1.2.5 惯性导航,1.2.6 卫星导航,1.2.7 地形辅助导航,1.2.9 组合导航,1.2.8 天文导航,1.2.1 概述,早期的导航方法：依靠星座、磁罗盘、地标、速度表、时 钟等单一功能的导航仪表大致确定载体 的路径、航向、速度。,以航空导航为例：,飞行前，制定飞行计划，以确定飞行路径。,飞行中，依靠磁罗盘、无线电罗盘、陀螺地平仪、速度表、时钟等，保持既定的航向、速度，大致判断飞行路径，并利用目视地标，以监视飞行路径的正确性和寻找目的地。,20世纪30年代：无线电导航。,20世纪60年代：惯性、多普勒导航，等。（自主导航）,能为载体提供连续的导航信息。,20世纪80年代：导航系统与航行控制系统相结合。,1.2.1 概述,1.2.1 概述,随着现代控制理论、高精度测绘、计算机、数字地图、射电天文等技术的发展。,地形、景象、视觉、光流、引力场、脉冲星等新兴导航技术逐渐出现。,采用现代控制理论的信息融合方法，以计算机为工具，以惯性导航为主体的组合导航系统和容错组合导航系统受到极大重视。,1.2.1 概述,图1.3 导航系统的演变与发展趋势,1.2.2 早期的导航方式,司南：,战国时期，利用磁石制成，确定南北方位。,图1.4 汉代司南模型,1.2.2 早期的导航方式,指南针：,北宋初期。,罗盘针：,把指南针固定在方位盘中。,图1.5 罗盘针,1.2.2 早期的导航方式,中国航海所使用的是磁针浮于水面的水罗盘；,欧洲改进，发展出具有固定支点的磁针，即旱罗盘；,18世纪末，液体磁罗经出现，其罗盘悬浮于盛满液体的罗盘中，因液体的浮力作用，罗盘支撑轴针与轴承间的摩擦力大大减小，提高了系统的灵敏度和稳定度。,早期的地标导航：利用在地图或海图上已标明位置的地 物、地标，在载体上用光学等方法，用 测向或测距法定出载体的地理位置。,这种方法简单，但易受 和 条件的限制。,气象,地域,1.2.2 早期的导航方式,图1.7 伽利略望远镜,图1.6 伽利略伽利雷 （15641642）,近代科学之父,1.2.3 无线电导航,利用无线电波在均匀介质和自由空间 及 两大特性进行导航。,直线传播,恒速,两种定位方式：,（1）通过设置在载体和地面上的收发系统，测量载体 相对地面台站的距离、距离差、相位差进行定位。,（2）通过载体上的接收系统，接收地面台站发射的无线 电信号，测量载体相对于已知地面台站的方位角进 行定位。,1.2.3 无线电导航,无线电导航的优点（3点）：,精度高,可靠性高,价格低,无线电导航的缺点（5点）：,依赖地面台站配合,电波易受干扰,自身易暴露,生存力差,对抗性弱,（无线电导航优缺点）,1.2.4 多普勒导航,20世纪6070年代，不依赖地面导航台站的多普勒雷达导航系统出现。,利用多普勒频移效应，测量载体相对地面的速度，进而完成导航任务。,多普勒频移：,由于载体与雷达地面台站相对运动而产生的发射波与反射波之间的频率差；,或由于载体运动，引起机载雷达的发射波与反射波之间的频率差。,1.2.4 多普勒导航,多普勒导航系统中，无需借助地面台站，只需在载体上安装雷达的发射和接收系统。,测出地速大小,利用载体上的多普勒/航向系统,输出航向角,把地速分解为地理北向和东向分量,确定载体位置,（多普勒导航原理）,1.2.4 多普勒导航,（多普勒导航优缺点）,多普勒导航的优点：,多普勒导航的缺点：,（无需地面台站配合）,主动工作、自主性强,（1）易受干扰、易暴露。,（雷达开机发射电波）,（2）定位精度与反射面的具体情况密切相关。,（如：海面、沙漠反射性差）,（3）精度受雷达天线姿态影响大。,（如：载体做大机动运动时，可能无法收到反射波）,1.2.5 惯性导航,1719世纪：惯性导航基础理论，惯性仪表在航海和航空 中使用。,20世纪40年代，二战：德国V2弹道导弹，第一种付诸实 际使用的惯性制导系统。,20世纪6070年代：具有自主性的惯性导航系统开始应用 于航空、航天、航海。,图1.8 冯布劳恩 （19121977）,图1.9 V2弹道导弹,1.2.5 惯性导航,导弹之父,1.2.5 惯性导航,惯性导航：,以牛顿力学为基础，只依靠安装于载体内的惯性测量传感器和相应的配套系统，建立基准坐标系，,利用测量得到的角速度和加速度，通过积分和推算，,获得载体的位置、速度、姿态。,优点：高度自主（惯性是物体自身固有特性）,缺点：长期工作稳定性差（误差随时间发散）,1.2.6 卫星导航,通过围绕地球运行的人造地球卫星，,安装在载体上的卫星导航接收机接收卫星信号，并计算出自身的位置、速度等导航信息。,卫星导航的发展以美国和俄罗斯/前苏联为主导，欧洲和中国于最近十余年才开始建立自己的卫星导航系统。,向地球表面发射经过编码和调制的无线电信号（编码中：载有卫星信号的时间和星座中各个卫星在空间的位置、姿态等信息）。,1.2.7 地形辅助导航,在某些特殊环境与条件下（对无线电波干扰严重的情况，如：人为干扰、山区），,基于无线电信号的导航系统易受人为或自然干扰的影响，导致导航系统精度明显降低。,因此，地形辅助/视觉导航系统应运而生，并日益受到重视与应用。,1.2.7 地形辅助导航,（地形辅助导航原理）,系统通过高度/图像（视觉）传感器获得所在区域的相对高度和图像信息,与系统预存的该地域的3D数字地图/图像信息进行高度/图像的高精度对比、匹配,通过求取最佳匹配点,获得载体当前的位置、速度、姿态,1.2.7 地形辅助导航,地形辅助/视觉导航系统与其它导航系统相比：,增加了存储数字地图/图像的大容量存储器。,优点：自主性好、抗干扰能力强。,缺点：精度易受所处环境的影响。,（如：在相似的平坦地面或海面上空，难以获得有 效的导航辅助信息。）,1.2.8 天文导航,早期的天文导航只能通过观测天空中的星体来确定载体的位置。无法连续定位，工作方式受星体可见度的限制。,利用天空