导航原理(绪论)

导航原理,第一章绪论1，基本概念导航,制导,2，导航、制导的区别与联系,3，导航的应用范围,按照运动体运动范围的不同，主要有以下四方面的导航：海，陆，空，天。,4导航的分类,所谓自主导航，其严格的定义是，运动体完全依靠所载的设备，自主地完成导航任务，和外界不发生任何光、电联系，否则称为非自主导航。优点：隐蔽性好，工作不受外界条件（自然、非自然）的影响。,1、自主式导航，2、非自主式导航。,非自主导航的缺点：1，需要地面站；2，实时性差；3，安全性差。,美国学者lemay提出用下列四个特点来代表航天器自主导航的概念：（1）自给或者独立；（2）实时；（3）无发射；（4）不依靠地面站。,本课的主要内容是研究航天器的自主导航原理,自主导航的方法主要有：惯性导航、天文导航、地（陆）标导航和卫星导航等。,惯性导航（inertialnavigation）：通过测量运动体的加速度(惯性)，并进行积分运算，获得飞行器瞬时速度和瞬时位置数据的技术。,惯性导航的原理,惯性导航系统属于一种推算导航方式即从一已知点的位置根据连续测得的运载体航向角和速度推算出其下一点的位置因而可连续测出运动体的当前位置。惯性导航系统中的陀螺仪用来形成一个导航坐标系使加速度计的测量轴稳定在该坐标系中并给出航向和姿态角；加速度计用来测量运动体的加速度，经过对时间的一次积分得到速度，速度再经过对时间的一次积分即可得到距离。,惯性导航系统的组成及各部分的作用,加速度计,陀螺仪,导航计算机,测量飞行器的转动运动的角速度,测量飞行器的平移运动的加速度,计算机根据测得的加速度信号和角速度信号计算出飞行器的速度和位置,惯性导航系统的分类,（1）平台式惯性导航系统,（2）捷联式惯性导航系统,惯性导航组合安装在惯性平台的台体上，隔离了飞行器的角运动。,没有陀螺稳定平台，所以结构简单、体积小、维护方便，但仪表工作条件不佳(影响精度)，计算工作量大。,惯性导航系统的优点,（1）由于它是不依赖于任何外部信息也不向外部辐射能量的自主式系统故隐蔽性好也不受外界电磁干扰的影响；,（2）可全天候全球、全时间地工作于空中、地球表面乃至水下,（3）能提供位置、速度、航向和姿态角数据，所产生的导航信息连续性好而且噪声低,（4）数据更新率高、短期精度和稳定性好,惯性导航系统的缺点,（1）由于导航信息经过积分而产生定位误差随时间而增大长期精度差；,（2）使用之前需要较长的初始对准时间；,（3）设备的价格较昂贵；,（4）不能给出时间信息。,惯性导航的典型应用,二战期间德国的V2火箭首次应用了惯性导航系统,天文导航（celestialnavigation）,定义：以已知准确空间位置的自然天体为基准，通过天体测量仪器被动探测天体位置，经解算确定测量点所在载体的导航信息。,天文导航的重要性：天文导航是一种古老的导航手段，随着科技的发展，世界各军事强国对天文导航越来越重视。,天文导航的重要性,美国：1998年前后，美国数十位导航专家耗时13个月提出了一整套导航战理论，对未来战场上GPS的可用性表示担忧，进而指出两种导航体制并存的必要性，并特别强调天文惯性导航的重要性。,俄罗斯一直把天文导航系统放在重要位置，并注重实效和花巨资进行天文导航基础理论研究及实验室建设,天文导航的重要性,英国有关人士认为，如果敌方是在首先使我方的电子导航、无线电导航设备失去作用的情况下进行第一次打击，那么，天文导航就显得格外重要。,法国通用机械电气公司（SAGEM）认为，天文导航至少应当作为GPS的备用手段来使用。,天文导航系统的优缺点,自主性强。天文导航系统不需要其他地面设备的支持，所以是自主式导航系统。不受人工或自然形成的电磁场的干扰，不向外辐射电磁波，隐蔽性好；,定位、定向的精度比较高，定位误差与定位时刻无关，即导航误差不随时间积累。,缺点：1，天文测量受到天体能见度的限制；2；导航信息更新率较低。,地标导航（groundmarknavigation）,通过测量地面目标基准来确定运动体位置的技术。这种导航原理要依靠地面陆标来测量，这些陆标从空间是可以被识别出来的。在地球表面的湖泊、山峰等可作为陆标，陆标分为已知和未知的两种。这基本上属于图形匹配导航，这种自主导航方法特别适用于图象处理的低轨道资源卫星，测量方式有光学、红外等。,缺点：应用范围小，易受欺骗,卫星导航（satellitenavigation）,通过对已知信标测量来确定运动体位置、速度和姿态信息的技术。已知信标通常为卫星，所以该方法也称为卫星导航。,原理：测量运动体到四个或更多已知点的伪距、伪距变化率、距离差（后两者利用多普勒效应）来确定运动体的位置和速度，通过载波相位测量来确定运动体的姿态信息。,建设中的系统：欧空局的伽利略系统；中国的北斗二代系统。,代表性的系统：美国的GPS（GlobalPositioningSystem，即全球定位系统）和俄罗斯的GLONASS（GlobalNavigationSatelliteSystem即全球导航卫星系统）等。,严格意义上说，卫星导航不是完全自主的导航系统。,中国于2007年1月11日成功地用一枚弹道导弹摧毁了一颗500英里高的轨道上的老化气象卫星“风云1C”。,2008年2月20日美国用导弹击落卫星,五角大楼21日上午宣称，20日晚些时候在西北太平洋上发射的“标准-3”型舰对空导弹“直接命中”了约250公里外一颗失控间谍卫星的燃料箱，整个卫星因此而四分五裂成小碎块，从而彻底解除了有毒物质可能对地球环境造成的危害。,中国在21日呼吁美国提供有关这次使命的更多信息。,俄罗斯也怀疑，美国的导弹打卫星行动是用来掩盖美国测验导弹防御系统中的反卫星技术。,美国伊利湖号巡洋舰,被击落的间谍卫星的照片,网上评论,速度上：山姆的间谍卫星离地高度为约208公里，风云1C为约800公里，间谍卫星速度约7.7km/s,风云1C约7.4km/s。从这里看，速度基本相同，这个难度点基本相同。,高度上：风云1C要高于间谍卫星，难度自然要高一点，因为导弹飞行的距离越远，对测控的要求就越高。所以在这个环节上，我们只能说，山姆的水平不比我们差，毕竟，我们的难度要高些。,卫星的目标问题。风云1C基本是2m2m2m，间谍卫星具体数据没有，据说有大型公共汽车大小，那应该是3m3m10m左右的大小，我们的又难一点，因为目标比较小嘛。同时还有个信号问题，不清楚风云1C或者间谍卫星被击中前还能发信号不，有信号的话是非常利于末端制导的。,摧毁手段的问题。我们用的是陆基中程导弹，山姆用的是标准3，还是海基的，这个山姆就比我们好，原因是能做到机动发射。,美俄卫星相撞,欧洲航天局发布的电脑合成照片显示的是约有12000块太空碎片围绕地球运转,按自主导航的严格定义，卫星导航不是完全自主的。但人们仍然把这种导航系统列为自主导航系统的范畴加以研究。,导航的发展依靠三方面科学技术发展的支撑：新概念测量原理和新型器件、先进制造工艺、计算机技术。,5导航的发展方向与趋势,工程上：器件：激光陀螺、光纤陀螺、微机械惯性器件、星敏感器方法：组合导航,理论上：（1）系统状态方程的精确建模（2）先进滤波方法的研究（3）新原理、新方法的研究（4）基于新型测量原理的先进解算方法,导航的发展方向与趋势,本课程讲述的主要内容,1，惯性导航2，天文导航3，卫星导航4，组合导航,导航中常用的关系式,1，坐标变换导航的主要任务是确定运动体相对于所选定的参考坐标系的位置、速度和运动姿态。不同的导航方式有不同的测量量，测得的各种量是相对不同的坐标系，而导航解算必须在同一坐标系中进行。,解决的方法是不同坐标系之间进行坐标转换,1，几何推导2，矢量推导,坐标变换,写成矩阵形式,矢量推导法,矢量F在两个坐标系中保持不变,坐标变换的注意事项,称为从坐标系1到坐标系2的变换矩阵。注意，他们之间的关系是,在推导坐标变换关系时，一定要注意是谁到谁的变换旋转角度：逆时针为正,坐标变换,基本旋转：仅绕一根轴的旋转,复杂的坐标变换都可以分解为几种基本旋转的组合。,三种基本变换的公式,基本旋转,设两坐标系Si和Sj的原点重合，初始位置时两坐标系的坐标轴也完全重合，当Sj分别绕Si的zi、yi、xi轴逆时针旋转角时，将Sj中相应的坐标向量变换到Si中相应的坐标向量的旋转变换矩阵分别是,注意以上坐标变换的顺序，是动坐标向定坐标系的转换。如果是定坐标系向动坐标系的变换，则上述公式要转置。当旋转角度不是小角时，坐标转换的顺序不同，结果也不同。称为有限转动的不可交换性。,坐标旋转的链规律,小角度坐标变换的表达式,当转角是小角度时，坐标转换的公式可以简化，而且坐标变换的结果与转动顺序无关。即无限转动与旋转次序无关。,小角度旋转坐标变换,小角度坐标变换的一般关系,设坐标系P偏离坐标系T的偏离角x、y、z均为小角，则,导航原理常用坐标系介绍,1，惯性坐标系2，地球坐标系3，地理坐标系4，机体坐标系,地心惯性坐标系,地球坐标系,地理坐标系,机体坐标系,矢量的叉乘,矢量是既有大小又有方向的量。矢量描述方式：1，物理描述：，r是模，u是单位矢量。2，数学描述（用矢量在坐标系n各轴上的投影来描述）：,矢量的叉乘,物理矢量的叉乘：有物理矢量r和s，则叉乘后的矢量为t，他的方向由右手定则确定，大小为。,数学矢量的叉乘：有数学矢量，则叉乘后的矢量为,称为矢量rn、sn的反