无人机系统理论基础 课件 第十九课时 导航技术概述

第十九课时导航技术概述BU

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AVIATION目录/CONTENTS§2导航技术的分类§3导航的基本手段§1导航技术的发展§1导航技术的发展导航技术的发展导航系统定义：引导载体从一个地点按一定的轨迹运动到另一个地点功能：提供坐标系位置、速度、飞行姿态，引导无人机按照航线飞行意义：社会发展和经济发展的基本要素导航技术的发展发展历程远古时代：利用显著的地形地貌或者人为制造的标记物宇宙天体导航：利用星体、星座等指引方向北斗七星和北极星导航技术的发展发展历程标志性的导航设备与方法：指南车、计里鼓、磁罗盘、指南针海员历、航海表、经纬位置表示法北斗七星和北极星导航技术的发展惯性导航基础：牛顿三大定律原理：测量载体加速度和角速度，通过积分运算，获得飞行器的瞬时速度瞬时位置及姿态信息特点：自主式导航系统，体积小、成本低、精度高、隐蔽性好导航技术的发展无线电导航基础：无线电通信技术定义：利用无线电技术对运载体航行的全部过程实施导航的技术导航技术的发展无线电导航原理：对无线电信号的测量，确定运载体当前所处位置及其航行参数，引导运载体的安全航行优点：受外界限制小、精度高、测量速度快、体积小质量轻、可靠性高、价格低无线电导航导航技术的发展卫星导航基础：无线电导航原理：利用人造地球卫星进行导航优点：解决了原有的无线电导航系统信号覆盖范围和定位精度之间的矛盾，覆盖范围广、定位精度高、稳定性好、无积累误差§2导航技术的分类导航技术的分类测角、测距、测速、测姿等系统按无人机导航系统测量的几何参量划分：测角系统、测距系统、测距差系统、测速系统、测加速度系统、测姿系统等角度的测量：选取角度为恒定值时所形成的几何面（线）无线电导航-测角法导航技术的分类测角、测距、测速、测姿等系统测距：选取导航台为中心的一个球面或圆测距差：以两个导航台为焦点的双曲面（线）无线电导航-测距法导航技术的分类测角、测距、测速、测姿等系统测速度与加速度：通过积分计算出运载体在各个方向所移动的距离测姿：测量运载体的航向角、俯仰角和横滚角导航技术的分类单一导航与组合导航按无人机导航使用导航手段的数量分类：单一导航、组合导航组合导航的优点：充分利用某一单个导航技术的优点，避免其不足组合导航基本原理导航技术的分类自主式导航与非自主式导航按需求分类：自主式导航、非自主式导航自主式导航：利用载体上的导航设备独立产生或得到导航信息非自主式导航：除载体导航设备外，使用载体外部的导航设备导航技术的分类有源导航与无源导航按无人机导航收发信号分类：有源导航、无源导航有源导航：用户设备工作时向外发射信号，导航台站通过用户设备配合工作，得到用户的定位信息无源导航：运载体不需发射信号，独立测量、采集、接收信号导航技术的分类近程导航与远程导航按无人机导航的有效作用距离划分：近程导航、远程导航近程导航：作用距离＜500km远程导航：作用距离＞500km§3导航的基本手段导航的基本手段卫星导航定义：利用人造地球卫星，对地面、海洋、天空和空间的导航用户进行导航定位特点：全球覆盖、全天候、不间断、实时、高精度四大卫星导航系统导航的基本手段卫星导航组成：空间人造卫星、地面测控站、用户接收定位设备空间人造卫星：接收并存储由地面测控站发来的导航信息执行地面测控站发送的控制指令向地面持续发射导航定位信号导航的基本手段卫星导航地面测控站：功能：控制系统运行内容：卫星跟踪网原理：导航电文和控制命令播发给卫星的注人站与主控中心站导航的基本手段卫星导航用户接收定位设备：通过捕获、跟踪视线范围内卫星发射的导航信号，确定自身的空间位置定位原理：a.用户接收设备精确测量空中4颗或4颗以上卫星发来的测距信号导航的基本手段卫星导航定位原理：b.计算信号传播的时间或相位测量卫星与用户间的距离c.完成数学模型的求解运算，获得用户实时三维位置坐标及时间信息卫星导航工作原理导航的基本手段卫星导航优点：全球全天候导航、精度高、设备小、自动化智能化程度高缺点：精度受卫星时钟、卫星轨道、电离层、对流层、多径因素影响、易受其他无线电波的干扰、在恶劣环境下难以定位导航的基本手段惯性导航原理：利用惯性器件测量运载体本身的加速度和角速度运算得到载体的速度、位置和姿态等信息惯性导航基本原理导航的基本手段惯性导航常见的惯性器件：加速度计、陀螺仪、磁力计、高度计常用含有惯性元件或设备的系统：惯性测量单元（IMU）、惯性导航系统（INS）、航姿参考系统（AHRS）、微机电系统（MEMS）导航的基本手段惯性导航特点：无源自主导航，不受外界干扰和虚假信号的影响缺点：积分过程中产生积累误差，不适用于长时间导航惯性导航工作原理导航的基本手段无线电导航原理：利用无线电技术对运载体航行的全部（或部分）过程实施导航无线电导航系统或设备：能够完成全部或部分无线电导航功能的技术装置组合无线电导航台：置于地面、飞机、船舰或已知运动轨迹的卫星上，为其他用户载体提供导航定位功能的无线电导航系统或设备导航的基本手段无线电导航常见系统：无线电高度表、无线电着陆引导系统、多普勒导航系统、塔康系统、罗兰系统、卫星导航系统优点：不受时间、天气等的限制，测量精度高、作用距离远、定位速度快、设备简单可靠缺点：易被发现干扰，过度依赖载体外的导航设备支持导航的基本手段图形匹配导航原理：预先储存在飞行路线上某些地区的特征数据，与实际飞行过程中测量到的相关数据进行不断比较，实施导航修正分类：地形匹配导航、景像匹配导航、桑地亚惯性地形辅助导航导航的基本手段图形匹配导航优点：无累积误差、隐蔽性好、抗干扰性能较强缺点：计算量大、实时性不佳、易受地理环境与气象条件影响、灵活性与适应性较差基于地面图像辅助的无人机定位导航导航的基本手段地磁导航原理：根据地球近地空间的地磁特性，确定载体经纬度并进行导航地磁导航原理图导航的基本手段地磁导航基础：地球近地空间任意点的地磁矢量都与其他地点的地磁矢量不同，且与该地点的经纬度存在一一对应关系按照对地磁数据处理方式的不同分类：地磁匹配、地磁滤波导航的基本手段地磁导航优点：无源导航，无辐射、隐蔽性强、不受敌方干扰、全天时、全天候、全地域、能耗低、不存在误差积累缺点：精度易受干扰，需要存储大量地磁数据导航的基本手段重力导航基础：重力测量、重力异常和重力垂线偏差的测量与补偿原理：用重力敏感仪表通过测量重力实现图形跟踪事先做好各条路线的重力分布图利用重力敏感仪器测定重力场的特性来搜索期望的路线人工神经网络或统计特性曲线法等，使运载体确认、跟踪或横过某条路线导航的基本手段重力导航特点：无源导航，精度高不、受时间限制、不受干扰、无辐射、隐蔽性强适用区域：地理特性变化比较大的区域导航的基本手段视觉导航原理：通过摄像机采集视觉图像图像处理、计算机视觉模型识别等技术，获取运动信息和空间位置信息无人机视觉导航导航的基本手段视觉导航分类：主动式视觉导航、被动式视觉导航特点：简单、成本低、经济性好、应用范围广，定位效果依赖于对周围环境的分辨程度和识别能力导航的基本手段天文导航定义：对宇宙中自然天体的测量来确定载体自身位置和航向的导航技术原理：1.根据天体的位置，测量天体相对导航用户参考基准面的高度角和方位角等2.计算载体的位置和航向等导航信息导航的基本手段天文导航优点：自主式导航，不需要地面设备的支持、不受电磁场、隐蔽性好、定位误差与定位时刻无关缺点：定位、定向的精度一般分类：单星导航、双星导航、三星导航导航的基本手段天文导航单星导航：航向基准误差大，定位精度低双星导航：定位精度高，两颗星体的方位角差越接近90°定位精度越高三星导航：检查前两次测量的可靠性，确定航天器在三维空间中的位置双星导航导航的基本手段天文导航自动星体跟踪器：天空背景中搜索、识别和、踪星体，测跟踪器瞄准线相对于参考坐标系的角度天文罗盘：通过测量太阳或星体方向指示飞行器的航向六分仪：通过对恒星或行星的测量，指示出飞行器的位置和距离 组成：星体跟踪器、惯性平台、计算机、电子设备、标准时间发生器导航的基本手段天文导航星体跟踪器组成：光学望远镜系统、星体扫描装置、星体辐射探测器、星体跟踪器信号处理电路、驱动机构原理：扫描星体进行搜索并转入跟踪状态，测出星体的高度角和方位角导航的基本手段天文导航星体跟踪器③电荷耦合器件：体积小、灵敏度高、寿命长，不用高压供电，能直接获得精确的空间信息导航的基本手段UWB导航定义：以超宽带通信技术为基础，利用超宽带无线电信号实现高精度定位原理：利用脉冲冲击的调制方式，形成扩频宽带信号进行信息传输UWB定位基本原理导航的基本手段UWB导航优点：传输速率高、功耗低、抗多径效果好、安全性高和系统复杂度低缺点：占用带宽大，易对其他无线电系统造成干扰定位系统组成导航的基本手段Wi-Fi导航定义：利用Wi-Fi信号进行定位的一种导航手段原理：1.Wi-Fi接入点向周围发射信号2.定位终端检测接入点的信号强弱大小并发送给中心服务器WIFI定位导航的基本手段Wi-Fi导航原理：3.服务器查询接入点在数据库里的坐标，进行定位运算4.服务器传递结果给定位终端WIFI定位导航的基本手段Wi-Fi