导航学1-2012

导航学(测绘工程专业）,朱智勤,主讲：,联系方式：,朱智勤办公室：测绘学院空间定位与导航工程研究所（4楼-423房间）电话：68758531(officemail：zhqzhu课件下载方式：登录邮箱：gnss_ins密码：sgg2010登录邮箱后选择“文件中心”的“网盘“,课程安排,学时:45学时考核方式:课堂+平时作业+报告+考试参考书目:（1）导航系统理论与应用，刘建业等，西北工业大学出版社，2010年（2）Navigation:PrinciplesofPositioningandGuidance，Hofmann-Wellenhof,Legat,Wieser，Springer/WienNewYork，2003,课程目的意义,飞机,空间站,导弹,舰船,卫星,月球车,意义：导航技术是众多应用领域的关键基础技术！,JDAM低成本制导武器,精确打击-现代战争的主要手段！,弹道导弹,远程空空导弹,舰空导弹,精确打击,重大需求牵引导航技术与时俱进,国家中长期发展规划16个重大专项之一!,美无人侦察机“全球鹰”在执行任务,侦察卫星,机载高分辨率SAR、激光扫描系统,重大需求牵引导航技术与时俱进,对地观测,课程目的意义,教学目的：学习和掌握与导航有关的基础知识学习和了解各种导航系统的理论，方法和技术，重点学习惯性导航技术为学习和研究现代导航理论和导航技术打下基础学习方法重在实践,课程的主要内容简介,第1章导航系统概述第2章定位与导航基础第3章惯性导航系统第4章卫星定位系统第5章无线电、天文和其它传统导航系统第6章新型导航技术,后续课程组合导航,第一章导航系统概述,1.1引言1.2导航技术发展简史1.3导航技术中常用的基本参数,1.1引言,提供载体的导航参数，位置、速度和姿态引导载体从出发点到达目的地的技术和方法,（1）何为导航？,（2）与大地测量的区别,（3）与制导的联系和区别,制导是根据预先规划的航路，自动引导载体到达目的地的技术和方法,制导参数示意图,制导系统（GuidanceSystem）原理框图,运动参数,导航系统,飞行控制计算机,执行机构,控制指令,舵偏角,航迹规划,1.2导航技术发展简史,导航技术发展历史,天文导航航海、航天惯性导航与惯性器件水平有关无线电导航卫星导航推算导航速度和航向地形、景象匹配导航物理场匹配导航,常见导航方法和技术,1.2.1早期导航方式（19世纪前）,司南是我国春秋战国时代发明的一种最早的指示南北方向的指南器。指南针最早是北宋的著名政治家和科学家沈括在其著作梦溪笔谈(公元1086年)中记述的。,罗盘,二战时航空罗盘,八十年代航空罗盘,天文导航,依靠星体的信息定位的一种导航方式。受天气影响较大，误差较大。,天文导航,1.2.2无线电导航系统,无线电导航的发明，使导航系统成为航行中真正可以依赖的工具，具有划时代的意义！一战时海上首先使用了无线电通讯，后来就演化为无线电信标台，这就是无线电导航的雏形。广义上讲所有以无线电波为导航信息载体的导航系统都可以叫无线电导航系统。包括多普勒效应测速，用雷达测距和测定方位，用导航台定位。（卫星导航也应属于无线电导航的一种，但由于其特殊性一般拿出来单独讨论。）,二战及战后时期的航海无线电导航的发展,近程无线电导航系统VOR/DME、塔康（TACAN)系统，作用范围100-500公里中程无线电导航系统罗兰A（loran-A）系统，作用范围500-1000公里远程无线电导航系统罗兰C（loran-C）系统，作用范围2000-3000公里超远程无线电导航系统奥米伽（Omega）系统，作用范围均大于10000公里,VOR系统,VOR（甚高频全向信标，伏尔）工作频段108118MHz，连续波作用距离200nmile。(10000m以内的高度)导航信息：相对于磁北来说飞机对于地面台的方位，精度4.5无线电信标：3至10局限性：只能给出方位，不能给出具体位置。,DME,DME（测距器）：1949年国际民航组织接受以DME为标准航空近程导航系统工作方式。机载设备（询问脉冲）地面台机载设备（应答）地面台根据询问脉冲与应答脉冲的时间间隔，乘以电报传播速度测距。作用距离：200nmile（飞行高度10000m时）精度：0.5nmile或距离地面台3%局限性：只能对有限询问信号进行回答，因此，只能为110架左右的飞机服务。一般情况下,伏尔/测距器（VOR/DME）设在一处，同时指示方位与距离,形成极坐标近程定位导航系统。,TACAN,民用机场上的TACAN系统,野战机场上的TACAN系统,使用URN25Tacan导航系统的英国航母,罗兰（LORAN）导航系统,罗兰导航系统是一种根据测量距离差来定位的系统，全名是远程式导航系统（LONGRANGENAVIGATIONSYSTEM）。目前使用的罗兰C导航系统作用距离可达2000公里，定位精度优于300米。,Loran-A,USCGLoran-AstationintheSWPacific,Commercialreceiverforfishermen,militaryreceiverforUS,loran-C,Loran-C天线,70年代loran-C接收系统,90年代loran-C接收系统,自主式导航,陆基无线电导航系统的优点是把整个导航系统的复杂性集中在导航台上，使机载的用户设备比较简单，价格低廉，可靠性高，易于推广。缺点：从作战角度看，依赖导航台发送的无线电波，影响系统的生存力，抗干扰力，（反利用，抗欺骗能力）。新思路：通过机载测速、测向来推算运载体的位置，不依赖地面导航台，称为自主式导航系统，一种推算导航系统。,1.2.3多普勒导航系统,利用多普勒效应实现航空器自体导航的装置的总称。多普勒导航系统是利用多普勒效应测定多普勒频移，从而计算出载体当时的速度和位置来进行导航。一种自主式航位推算系统。,陀螺仪,加速度计,矢量,矢量,在哪个坐标系里计算?如何确定坐标系?,惯性导航的发展理论和基础,1687年牛顿提出了力学和引力定律，是惯性技术的基础；1765年俄国欧拉院士出版了“刚体绕定点转动的理论”的书，是陀螺仪理论的基础；1852年发现了陀螺效应，法国科学家傅科首先使用“Gyro”(Gyroscope转动+观察)这个名词；1923年，舒勒发表了84.4分的无干扰理论，陀螺仪的设计开始完善；1939年，原苏联布尔佳科夫院士出版的“陀螺仪实用理论”一书，认为是陀螺仪实用理论的奠基性著作。,惯性导航的发展现代陀螺的“史前期”（18世纪中期20世纪初）,1810年前后，德国培根做了第一个具有转动陀螺的雏形陀螺；1851年，傅科的陀螺、傅科摆，验证了地球的自转；1880年前后，特鲁弗、霍普金斯发明了电动机用于陀螺的驱动，陀螺仪开始走向实用；1927年，安修茨设计了实用的用于航海的陀螺罗经，使用了几乎半个世纪。1942年10月3日，德国的庇纳门德火箭研究中心在维纳冯布劳恩的主持下制成“V”型导弹,惯性导航的发展近代传感器的发展,40年代出现液浮陀螺，到50年代末60年代初，其制造技术趋于成熟。60年代动力调谐式挠性陀螺研制成功。1966年美国基尔福特(Kearfott)公司研制出挠性陀螺惯导系统，并用于飞机和导弹。,惯性导航的发展近代传感器的发展,70年代，在利用高压静电场支承球形转子、取代机械支承的静电陀螺研制成功，陀螺性能进一步提高。美国斯佩里公司于1963年首先做出了激光陀螺仪的实验装置。1972年，霍尼威尔公司研制出GG-1300型激光陀螺仪。80年代以后，激光陀螺、光纤陀螺广泛应用于惯性导航系统。,惯性导航的发展惯性系统的应用,1949年，J.H.Laning,Jr.发表名为“Thevectoranalysisoffiniterotationsandangles”的报告，建立了捷联式惯性导航的理论基础；同时，美国麻省理工学院德雷伯（C.S.Draper）教授验证了平台式惯导系统的可行性。1953年，德雷伯（C.S.Draper）教授，将纯惯性导航系统安装到一架B-29远程轰炸机上，首次实现了横贯美国大陆的飞行，飞行时间长达10小时。1958年美国“鹦鹉螺”号核潜艇装备液浮陀螺平台惯性导航系统的核潜艇深海进行远程航行，潜航96个小时顺利穿过北极点。1960年，世界上第一套飞机惯导系统（LN-3）出厂。静电陀螺出现后，先后在核潜艇和远程飞机上装备静电陀螺平台式惯导系统。其中B-52远程轰炸机上的GEANS惯导系统精度可达0.04nmile/h。捷联式惯性系统的应用中，比较有标志性意义的是美国登月计划中阿波罗9号上的捷联式惯性系统的首次应用。1975年基于激光陀螺仪的捷联惯性导航系统在战术飞机上试飞成功，1976年在战术导弹上试验成功，捷联惯性导航系统迅速发展，进入大量应用的时期。90年代，激光陀螺捷联惯导的典型代表是LITTON公司的LN-93，美国霍尼韦尔(Honeywell)公司的H-423(H-423/E),1.2.5卫星导航系统,无线电导航受区域限制,80年代开始发展卫星导航（将发射台放到卫星上）,美国GPS-GPX俄罗斯GLONASS中国北斗欧盟伽利略,1.2.6其它导航系统,微波着陆系统MLS航位推算系统地形辅助导航系统JTIDS（联合战术信息分发系统）（定位报告系统）A-GPS、wifi定位并构成各种组合导航系统，形成新的导航混合体，从而能够实现从前不能实现的功能。其中卫星导航、惯性导航起着核心作用。,推算导航特点,自主,结构简单，成本低,误