通信导航技术：绪论教学课件

绪论《通信导航技术》第1章PART01无人机发展历程PART04美国的GPSPART02陆基导航技术PART03星基导航定位系统目

录PART05俄罗斯的GLONASSPART06我国的北斗卫星导航系统PART05欧盟的伽利略系统（Galileo）PART06其他导航系统无人机发展历程PART

1一、无人机发展的三个阶段“导航”主要涉及运动客体的“方向”,而实际上对一个客体的准确定位更为重要。导航必须解决“我在哪里”“我去往哪里”“怎么去”等问题,因此,无论客体是静止还是运动,必须首先确定它所在的位置,只有掌握了准确位置才能进行下一步的具体措施。无人机是一种无线遥控的无人驾驶飞机(unmannedaerialvehicle,UAV)。2016年,无人机作为消费电子类的“重点戏”迅速点燃了整个市场,一时间家喻户晓,在引起消费者狂热追捧的同时,国内外制造商也前赴后继地加入无人机市场,力求在无人机市场占有一席之地。2024年,珠海航展无人机领域百花齐放,各展风采,数十款或系列型无人机琳琅满目,从空天无人机到隐身无人机,国内外各大厂商争奇斗艳,将无人机技术推上了新的高度。其实早期的无人机设计,重点并不在民用,而是在军用方面。无人机的发展已有近百年的历史。萌芽期1

1917年,皮特·库柏(PeterCooper)和埃尔默·A.斯佩里(ElmerA.Sperry)发明了第一台自动陀螺稳定器,这种装置能够使飞机保持平衡向前的飞行,无人飞行器自此诞生。这项技术成果将美国海军寇蒂斯N-9型教练机成功改造为首架无线电控制的不载人飞行器——斯佩里“空中鱼雷”。而后各类无人飞行器鱼贯而出，如美国凯特灵“空中鱼雷”，英国“蜂王号”无人机，德国“复仇者一号”(Vergeltungswaffe），美国“火蜂”无人机，美国M-21和D-21无人机等。斯佩里“空中鱼雷”凯特灵“空中鱼雷”“蜂王号”无人机“复仇者一号”“火蜂”无人机M-21和D-21无人机年代国家型号1917美国斯佩里“空中鱼雷”1917美国凯特灵“空中鱼雷”1935英国“蜂王号”无人机1944德国复仇者一号1951美国火蜂号1964美国M-21和D-21萌芽期1一、无人机发展的三个阶段

1986年12月美国海军首飞的“先锋”系列无人机(见图1.7）为战术指挥官提供了特定目标以及战场的实时画面，执行了美国海军“侦察、监视并获取目标”等各种任务并进行了首次实战。而后美国先后于1994年投入MQ“捕食者”无人机、2004年投入“RQ-7B幻影”无人机、2005年RQ“火力侦察”无人直升机、2009年RQ-170“哨兵”无人机等。发展期2年代国家型号1986美国“先锋”系列无人机1994美国MQ“捕食者”无人机2004美国“RQ-7B幻影”无人机2005美国RQ“火力侦察”无人直升机2009美国RQ-170“哨兵”无人机“先锋”系列无人机MQ“捕食者”无人机“RQ-7B幻影”无人机RQ“火力侦察”无人直升机RQ-170“哨兵”无人机一、无人机发展的三个阶段21世纪初，由于原来的无人机个头较大，目标明显且不易于携带，研究人员研制出了迷你无人机，机型更加小巧、性能更加稳定，一个背包就可携带。同时，新型无人机具有了更加优秀的技能，催生了民用无人机。蓬勃期3年代国家型号2001美国全球鹰2006中国大疆phantom2vision+2014美国X8四轴飞行器2018中国大疆T16植保无人机2019中国无侦-8侦查无人机全球鹰大疆phantom2vision+大疆T16植保无人机无侦-8侦查无人机一、无人机发展的三个阶段二、民用无人机的应用领域相对于传统监测方法而言，无人机具有1）预警响应速度快；2）安全作业保障能力强；3）监测时间长、区域广；4）机动性强等特点。环境监测无人机先进的航拍技术可以大力缓解这部分压力，替代人工进行一些高要求高难度的作业。

地质勘探森林防火观察无人机系统具有1）巡查覆盖面积大、巡查精度高和超视距自动驾驶；2）快速反应，应急机动性强；3）能够高清晰度实施回传巡查图像；4）险情现场回馈，辅助抢险救灾指挥决策；5）人机分离安全性高；6）飞机造价低，维护方便等特点。森林防火123

无人机的高速发展使其在民用领域得到了广泛应用，例如用于环境监测、通信中继、地质勘探、灾难救援、森林防火、电力巡线、影视拍摄、遥感测绘、快递、自拍跟拍、制造浪漫、风景观赏等。三、无人机的发展趋势微型无人机可用于通信中继、环境研究、自然灾害的监视与支援。微型无人机还可用于边境巡逻与控制、毒品禁运、农业勘测，并在未来大型牧场和城区监视等民用领域拥有广阔的市场和应用前景。无人机的飞速发展和广泛运用是在“海湾战争”以后。以美国为首的西方国家充分认识到无人机在战争中的作用，竞相把高新技术应用到无人机的研制与发展上，不仅增加了续航时间，提高了图像传递速度和数字化传输速度，还使用了先进的自动驾驶仪。无人机今后发展趋势有1.高空、长航时方向；2.隐形无人机方向；3.空中预警方向；4.空中格斗方向。四、无人机的主要用途及导航定位技术发展军用方面1

微型无人机主要用于低空侦察、通信、电子干扰和对地攻击等任务。这样不仅可减少部队在侦察过程中的伤亡，还可大幅提高作战效率。此外，还可用于目标指示及生化武器探测等。民用方面2陆基导航技术PART

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从一般意义上讲，可以把那些将导航设施(或媒介）置于陆地上、导航信号作用范围限于电离层以下的空间、陆地和海洋上的导航行为，统称为陆基导航，这些导航信号-般沿地面传播，或沿地面与电离层之间来回反射而传播得很远。罗盘1PART2陆基导航技术它利用地磁场南北极的属性，将两极磁体做成名为罗盘的仪器，用来方便地测定客体所处方位，它在任意位置都能准确地给出某一方向或角度值。无线电信标2

线电信标是设立在地面固定点的连续波发射机，采用全向天线。用于航空导航的无线电信标称为航空无线电信标，也叫做无方向信标(NondirectionalBeacon，简称NDB）。飞机上的机载设备叫做自动测向仪(AutomaticDirectionFinder，简称ADF），或称为无线电罗盘。用于航海的叫做海用无线电信标，其工作原理与航空无线电信标相同。一系列陆基无线电导航系统3PART2陆基导航技术

自20世纪20年代末开始，各国先后推出了一批又一批的装置和系统。这些系统中，如奥米伽(Omega）、微波着陆系统(MicrowaveLandingSystem，简称MLS）、仪表着陆系统(InstrumentLandingSystem，简称ILS）、罗兰–C(Loran–CNavigationSystem）、伏尔(VeryOmnidirectionalRange，简称VOR）、测距器(DistanceMeasuringEquipment，简称DME）、塔康(TacticalAirNavigationSystem，简称TACAN）等。系统名称技术特点奥米伽采用双曲线定位法的超远程无线电导航系统，发射频率为0.3～30kHz的连续波伏尔甚高频全向导航系统，通过发射两个30Hz的正弦波，并根据此两正弦波的相对相位与飞机相对于地面台的方位成正比的原理实现方位测试测距器通过测量机载设备与地面台之间询问时间而测出飞机离地面台的距离，一个地面台最多允许同时与110架飞机的机载设备配合工作塔康塔康的工作频率、脉冲制式、测距原理、可容纳飞机容量和覆盖范围均与测距器相同，而方位测量则与伏尔有较大差异，但方位测量精度与伏尔相当，约为±2.5°。适合于机动和舰装仪表着陆系统专门用于引导飞机着陆的仪表式系统，存在场地限制、频率通道少等缺陷微波着陆系统为飞机提供位置信息和地空数据信息以实现准确进近与着陆的引导着陆系统，具有多达200个互不干扰的通道；天线小，大幅放宽了建台的限制罗兰-C罗兰-C的地面发射系统是由至少3个发射台组成的台链，彼此精确同步。用户接收来自2个台的信号时，测出它们时间差，便知道自己处于一条以这两个台为焦点的双曲线上；同时又测出另外两个台信号的时间差，便又得知处于另一条双曲线上；从而可确定出用户的位置。

各种各样的陆基无线电导航系统至今仍被广泛应用，而且在某些领域发挥了极其重要的作用，但它们普遍存在定位精度低、信号覆盖范围有限等问题，难以满足现代航空、航海、军事及陆地车辆的高准确度导航定位的需要。因此，以GPS为代表的星基导航系统应运而生。PART3星基导航定位系统卫星的多普勒导航：把在轨卫星作为空间的动态已知点，通过测量卫星的多普勒频移，解算出观测者(舰艇）的在途坐标数据，进而实现军用舰艇等运动客体的导航定位。典型的卫星多普勒导航系统有美国的子午仪卫星导航系统（TRANSIT）、苏联的奇卡达系统（CICADA）、法国的多利斯定轨定位系统（DORIS）。1973年美国国防部决定发展各军种都能使用的全球定位系统GPS(GlobalPositioningSystem），并指定由空军牵头研制。在项目的实施中，参加的单位有美国空军、陆军、海军、海军陆战队、海岸警卫队、运输部、国防地图测绘局、国防预研计划局，以及一些北大西洋公约组织和澳大利亚。历时20多年，耗资数百亿美元，1994年3月10日，24颗工作卫星全部进入预定轨道，GPS系统全面投入运行，技术性能达到了预期目的，其中粗码(C/A码）的定位精度高达20m，远超设计指标。GPS是现代科学的结晶，它的推广应用有力地促进了人类社会进步。GPS是一个中距离圆型轨道卫星导航系统。GPS具有全天候，全球覆盖高达90%，高精度和自动测量的特点，是目前应用最为广泛的导航系统。PART4美国的GPS1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星。苏联解体后，俄罗斯继续发展GLONASS全球导航卫星系统，于1996年1月18日完成了24颗卫星的入轨工作。GLONASS的主要作用是实现全球、全天候的实时导航与定位以及各种等级和种类的测量，单点定位精度水平方向为16m，垂直方向为25m。GLONASS与GPS除了采用不同的时间系统和坐标系统以外，最大区别是GLONASS系统采用频分多址，即发射的伪随机噪声码是相同的，发射的频率是不同的，根据载波频率来区分不同卫星，每颗卫星发播的两种载波频率分别为L₁=1602+0.5625k(MHz）和L₂=1246+0.4375k(MHz），其中k=1～24为卫星的频率编号。而GPS是码分多址，即发射的频率相同，均为L₁=1575.42MHz和L₂=1227.6MHz，而伪随机噪声码是不同的，根据调制码来区分卫星。PART5俄罗斯的GLONASS北斗卫星导航系统与GPS，GLONASS类似，由星座(两颗地球同步卫星、一颗在轨备份卫星）、地面控制系统(控制中心和标校系统）和用户设备等三部分组成。卫星定点于东经80°和140°的离地高36000km的地球同步轨道上，覆盖范围为北纬5°～55°，东经70°～140°，定位精度100m，设立标校站之后为20m，授时精度约100ns，用户容量为每小时54万户。北斗卫星导航系统和GPS的主要区别是技术体制，GPS是一个接收型的定位系统，用户只要接收就可以做定位了，不受容量的限制。而北斗系统的最大优势是具有导航定位和通信的双重功能，虽然容量有限，但它的通信功能让它拥有巨大的应用前景。PART6我国的北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统概述1我国早在２０世纪６０年代末就开展了卫星导航系统的研制，２０世纪７０年代后期以来先后提出过单星、双星、三星和3～5星的区域性系统方案，以及多星的全球系统的设想。2000年，由2颗地球静止轨道卫星构成的北斗一号系统建成使用，为中国用户提供定位、授时、广域差分和短报文通信服务；2012年，由14颗卫星组网的北斗二号系统建成使用，为亚太地区用户提供定位、测速、授时和短报文通信服务；2020年，西昌卫星发射中心成功发射北斗系统第55颗导航卫星，暨北斗三号系统最后一颗全球组网卫星，标志着北斗三号全球卫星导航系统建成；2023年，我国成功发射第56颗、第57颗、58颗北斗导航卫星，入轨并完成在轨测试后，将接入北斗卫星导航系统，入网工作后将进一步提升北斗系统可靠性和服务性能，对支撑系统稳定运行和规模化应用具有重要意义，为下一代北斗卫星的设计奠定基础。PART6我国的北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统发展历程2PART6我国的北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统应用领域3领域名称特点基础产品北斗卫星导航芯片、模块、天线、板卡等基础产品，是北斗系统应用的基础。交通运输领域北斗卫星导航系统是助力实现交通运输信息化和现代化的重要手段，对建立畅通、高效、安全、绿色的现代交通运输体系具有十分重要的意义。农业领域北斗卫星导航技术结合遥感、地理信息等技术，使得传统农业向智慧农业加快发展，显著降低了生产成本，提升了劳动生产率，提高了劳动收益。林业领域林业管理部门利用北斗应用进行林业资源清查、林地管理与巡查等，大大降低了管理成本，提升了工作效率。渔业领域在没有移动通信信号的海域，使用北斗系统短报文功能，渔民能够通过北斗终端向家人报平安，有力保障了渔民生命安全、国家海洋经济安全、海洋资源保护和海上主权维护。公安领域基于北斗的公安信息化系统，实现了警力资源动态调度、一体化指挥，提高了响应速度与执行效率。主要包括公安车辆指挥调度、民警现场执法、应急事件信息传输、公安授时服务等应用。防灾减灾领域通过北斗系统的短报文与位置报告功能，实现灾害预警速报、救灾指挥调度、快速应急通信等，可极大提高灾害应急救援反应速度和决策能力。特殊关爱领域通过北斗系统导航、定位、短报文等功能，为老人、儿童、残疾人等特殊人群提供相关服务，保障安全。大众应用领域利用北斗定位功能，实现手机导航、路线规划等一系列位置服务功能，使人民生活更加便捷。电力领域力管理部门通过使用北斗系统的授时功能，实现电力全网时间基准统一，保障电网安全稳定运行。PART7欧盟的伽利略系统（Galileo）

从20世纪90年代起，欧盟就开始酝酿建立自己的全球卫星导航系统，1998年欧盟各国决定制定一个卫星导航系统的建设计划，1999年初名为Gal