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卫星导航基础 1 第1章 概述 1 1什么是导航 1 2我们为什么需要导航 1 3导航历史回顾1 4现代导航系统1 5导航系统应用 2 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 3 但是这里是哪里 我们为什么需要导航 你就在这里 我在哪 4 你在哪 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 5 导航历史 早在公元前3500年前 人类就有历史记载用大船装在货物进行商业贸易的历史 这标志了人类导航艺术的诞生 早期的导航家都是在靠近海岸线用肉眼观察陆地标记或者大地特性来辨别方向的 他们通常白天行驶 晚上找个平静的港口抛锚 他们没有航海图 但他们列出了所需的方向 类似于今天的巡航向导 6 导航历史 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别南北方向 7 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 大范围的航海活动必然会带来风险 导航历史 8 古代导航工具 直角器 Cross staff 标尺 Back staff 9 四分仪 Quadrant 航海员星盘 Mariner sAstrolabe 星盘 Astrolabe 夜间记时仪器 Nocturnal 古代导航工具 10 指南针 中国古代导航工具 汉朝 BC 206 AD 220 南宋 AD 1127 1279 北宋 AD 960 1127 北宋 AD 960 1127 11 导航的两个关键因素 确定地球上的位置现在时间是几点 12 航海过程 在JamesCook 1728 1779 以前 船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 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 以及精确的将坐标值映射到地图上 13 纬度和经度 14 航海过程 纬度可以通过观察太阳 月亮和星星的运动来判断 经度的判断比较困难 必须计算出地球上不同地点的时差 15 纬度和经度 16 0 位于赤道90 N在北极点北京市的纬度是多少 南极的纬度是多少 纬度 17 经度 经线位于南北几点之间的连线 0 经过英国的格林威治 负的经度为西经 正的为东经北京市的经度是多少 18 地图 18世纪的 精度 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度和纬度的值 并且取得了很大成功 19 专业工具 航海家们早期使用的工具只能粗略的定位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 太阳等 经常用于寻找纬度 20 指南针用于指引方向 通过记录通过的步伐来测量距离或者速度 经历过的时间等 21 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如果从纽约到伦敦 当旅行结束时 在95 的定位精度下 将会累积175英里的误差 22 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 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 23 海上导航 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 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但是你却不知道向东或者向西行驶了多少 24 一个很好的例子 25 经度 1707年 10月22号 由于航位推测法的错误 导致2000多人死亡的海难 1717年 anne女皇宣称 如果谁能够将航海的经度准确度保持到1 2度 相当于在平行于赤道行驶30英里 将对他悬赏20000英镑 26 主要导航系统 INS 惯性导航系统CNS 天文导航系统TAN 地形辅助导航RNS 无线电导航系统GNSS 全球导航系统新导航定位技术 27 惯性导航原理 惯性导航原理 30 惯性导航原理 按照惯性测量装置在载体上的安装方式 可分为 平台式惯性导航系统捷联式惯性导航系统 32 平台方式 保持传感器的姿态 这种方法将IMU相对于周边环境的姿态保持不变 捷联方式 固定惯性测量单元 IMU 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 34 惯性导航系统 INS 35 惯性导航系统的结构图 36 捷联惯性导航单元结构图 37 惯性导航系统 INS 38 环行激光陀螺仪 39 MEMS INS 40 41 42 43 CNS 天球导航系统 天球导航是人类利用太阳 星星 月亮和行星来定位的一门艺术和科学 44 CNS 天球导航系统 45 CNS 天球导航系统 46 地形辅助导航系统 TANS 47 地形辅助导航系统 TANS 48 典型的无线电导航系统 1 伏尔 VOR 导航系统2 多普勒导航系统3 罗兰C导航系统4 塔康导航系统5 奥米加导航系统6 联合战术信息分发系统JTIDS 49 有源和无源无线电导航系统 50 电子测距系统 51 典型的无线电导航系统 伏尔 VOR 导航系统VHFOmnidirectionalRange VOR空中导航用的甚高频全向信标 这种系统能使机上接收机在伏尔地面台任何方向上和伏尔信号覆盖范围内测定相对于该台的磁方位角 伏尔导航系统出现于30年代 是为了克服中波和长波无线电信标传播特性不稳定 作用距离短的缺点而研制的导航系统 是甚高频 108 118兆赫 视线距离导航系统 飞机飞行高度在4400米以上时 稳定的作用距离可达200公里以上 52 典型的无线电导航系统 它由机载甚高频全向信标接收机 显示器和地面甚高频全向方位导航台组成 导航台发射以30转 秒旋转的心脏线方向图 在机载接收机输出端产生30赫的正弦波 其相位随飞机相对导航台的位置而变化 称为可变相位信号 与此同时 导航台还发射一个以固定30赫参考频率调制的全向信号 在机载接收机输出端又得到一个不变相位的30赫正弦波 称为基准相位信号 在地面导航台中使这两个30赫低频信号的相位在磁北子午线上相同 比较机载接收机输出的两个信号的相位 可确定地面导航台相对飞机的方位角 并将这方位角显示在显示器上 如果与测距器 DME 组成伏尔 DME标准近程导航系统 还可测出飞机至导航台的距离 据此可确定飞机在空间的位置 53 典型的无线电导航系统 54 伏尔 VOR 55 典型的无线电导航系统 多普勒导航系统利用多普勒效应实现无线电导航的机载系统 它由脉冲多普勒雷达 航向姿态系统 导航计算机和控制显示器等组成 它也是用航位推算法利用航行速度三角形定位和定向 70年代以后 多普勒导航系统已和飞行控制系统 发动机控制系统 火力控制系统等组成综合航空电子系统 统一显示 综合控制 56 典型的无线电导航系统 57 典型的无线电导航系统 58 典型的无线电导航系统 罗兰C导航系统远程双曲线无线电导航系统 简称远程导航 作用距离为2000km 采用几何定位法 它由设在地面的一个主台与2 3个副台合成的台链和飞机上的接收设备组成 测定主 副台脉冲信号的时间差和相位差即获得飞机到两台的距离差不变的的航迹是一条双曲线 再测定主台与另一副台的距离差又得到一条双曲线 两条双曲线的交点是飞机在空中的位置 59 罗兰 C 罗兰 C是由美国的海岸警卫队在50年代末研制成功的 导航方式跟罗兰 A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 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60多个台站 1975年 罗兰 C被美国宣布为标准航海导航系统 60 罗兰 C双曲线定位原理 61 罗兰 C信号 脉冲结构和序列 62 罗兰 C接收机 T I 9000 63 罗兰 C在北美的基站位置 64 罗兰 C范围 65 典型的无线电导航系统 塔康导航系统 近程极坐标式无线电导航系统 作用距离为400 500km 它由机上发射与接收设备 显示器和地面台组成 它也采用几何定位法 其测向原理与伏尔导航系统相似 也是测地面相对飞机的方位角相距离 奥米加导航系统 超远程双曲线无线电导航系统 作用距离可达l万多公里只要设置8个地面台 就可以覆盖全球 它由机上接收装置 显示器和地面发射台组成 其原理与罗兰C导航系统相似 是双曲线几何定位法 66 JTIDS 67 全球导航卫星系统