教学材料《车辆》-第5章

5.1.1陀螺罗盘导航系统陀螺罗盘导航系统可分为陀螺半罗盘导航系统和陀螺罗盘自动导航系统。两者的主要区别在于，陀螺半罗盘导航系统不能自动寻北，如苏联的THA-2车辆导航仪，只能做到相对方位的导航。而陀螺罗盘自动导航系统指示的是地理子午线，能自动寻北，且工作完全自立，目前在车辆导航中用得最广。例如，加拿大本迪克斯公司的LNS-516导航仪，西德特尔迪克斯公司的FNA-415和FNA-615导航仪以及美国辛格公司的ANS-2000导航仪就是代表。就拿其中的ANS-2000导航仪来说，它是一个典型的三组件系统，即包括以陀螺仪为基础的航向基准装置，里程计和计算/显示装置。整个系统的工作如图5-1所示。在停车状态下，如将工作方式选择开关定在“对准”位置，陀螺便开始寻北。接着，操作手给计算/显示装置键入已知的初始东向和北向坐标，纬度和方格偏角等。这个过程一结束，“准备好”灯亮，操作手便可将系统转为导航状态。5.1导航系统的分类下一页返回然后司机开车，由测距装置产生的脉冲串，作为行车距离的函数送入计算/显示装置。计算机根据航向基准装置提供的航向信息，将行车距离分解为东向和北向分量，并与键入该系统的东向和北向坐标初值渐近相加。需要时，则可利用面板上的选择开关，在数字显示装置上读取航向、行车距离、方格偏角、纬度和距离的标度因数等。ANS-2000导航仪有两种对准方式。单位置对准时，寻北时间需20min，可得到2～3mil的对准精度；双位置对准时，先实施对南操作，然后再转为对北操作，总共需40min，可得到1mil或更精确的对准精度。陀螺罗盘自动导航系统的主要优点是能自动寻北，所示的是地理子午线；系统不依赖任何外部信息，是完全自主的；系统使用了数字计算机，数字显示和控制组件，有利于提高精度和减少反应时间；另外，这类系统的自动化程度很高，可大大减少操作手的操作。5.1导航系统的分类上一页下一页返回5.1.2惯性导航系统车辆惯性导航系统是解决中高精度的导航问题，它与陀螺罗盘导航系统主要不同之处是使用了加速度表。车辆行驶时，加速度表的测量值经过一次积分得到速度，再积一次分得到位置，因此可用加速度表代替里程计测量车辆行驶时位置的变化。惯性导航系统分捷联式结构和框架式结构。框架式结构的主体是一个陀螺稳定的平台，平台上装有三个单自由度的陀螺或两个二自由度陀螺及三个加速度表，加上数字式计算机和显示装置，组成一个完整的惯性导航系统。捷联式结构不用框架，加速度表与车辆固连，车辆行驶时，与其一起俯仰、倾斜和转弯，测出相对车辆各轴的加速度。陀螺仪测出车辆各轴相对惯性空间的方位角，同时用一台专门的数字计算机完成积分和复杂的坐标变换，在显示装置上显示出车辆现在的位置和航向。由此可见，一个完整的捷联式系统，除用计算机和计算程序代替框架式系统的稳定平台外，其他方面与框架式结构皆相同。如果计算机能做得更小、更便宜的话，捷联式式系统就会比框架式系统做得更小、更便宜。

5.1导航系统的分类上一页下一页返回框架式的纯惯性导航系统目前已经广泛应用，例如法国机电通用公司的NSM20车辆导航仪，英国费沦蒂公司、美国利顿制导与控制系统公司和以色列塔曼精密仪器公司的三种帕兹系统(位置和方向测定系统)都是代表。而捷联式惯性导航系统目前尚处于研制阶段，估计不久就会使用，其中一例就是美国的LR82陆地导航仪。陆地导航仪用两个G-7三自由度调谐转子陀螺仪和三个A-4单轴加速度表进行惯性测量。车辆主转动轴接入一个里程计，对纵向加速度进行修正。计算机、惯性传感器、电子线路和捷联惯性元件组被装在一个同载车纵轴对准的公用壳体中。另外，相对仪表组的纵轴接近90°，还安装了一个光学棱镜，以便用光学方法监视该系统的对准精度及重复性。该系统使用了一种陀螺定向程序，即在相隔180°的两个位置，由一个呈水平取向的陀螺敏感轴感受地球转速的正负值。这两次定位及有关的计算大约需300s，便完成对准程序，确立真北对准，并进入导航模式。5.1导航系统的分类上一页下一页返回LR82系统预制样机利用攻击直升机航向姿态基准系统的控制面板输入数据并进行定向，而数据的输出被打印在一个得克萨斯仪器公司的打字机上。在开始陀螺罗盘定向程序以前，初始对准包括输入:①坐标北气真北的夹角；②方位瞄准角；③高低瞄准角；④里程计标度因子偏差；⑤真实纬度。完成对准后，利用速度阻尼和水平调整增益给出北向基准和当地水平。此系统用统一横轴墨卡托投影网格坐标进行导航，而系统的数据每隔20S以表格形式输出一次。然用统一横轴墨卡托投影坐标表示的数据是相对初始点被初始化为零的数据。惯性导航系统的优点是完全自主的，可在世界任何地方使用，不受气候条件和地理环境的影响，而且是无源的，不受外界干扰。缺点是成本高，定位误差随工作时间延长而增大。克服后一点的办法是，把惯性系统作为一个主导航仪，用导航星全球定位系统定期地进行修正。5.1导航系统的分类上一页下一页返回5.1.3自动导航系统路途数据修正的自主导航系统包括一个推测导航仪，导航仪可以是精确的惯性导航仪，也可以是简单到由一个里程计和一个磁罗盘组成的导航仪。路途数据按一定的坐标顺序贮存在计算机中，这个坐标顺序确定要走的路程。导航仪用标准的卡尔曼滤波方程来修正，这主要是通过将导航仪给出的水平面校正与贮存在计算机中的水平面路途数据相比较来进行的。此外，追加的垂直面测量可加速收敛而提高准确度。模拟和行驶试验证明，用路途数据修正的推测导航仪系统，在有初始条件误差和导航仪设备误差的情况下，可以实现准确的导航这种系统的性能不随时间而变化实际和路程试验说明，可能达到的准确度在50～100ft(1ft=0.3048m)范围内。这些结果足以证明此方案是基本可行的，但还需进一步工作，才能得到实用的系统。5.1导航系统的分类上一页返回下一页5.2.1陆基技术从一般意义上讲，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，都统称为陆基导航，这些导航信号一般沿地面传播、或沿地面与电离层之间来回反射而传播得很远。从原始的灯塔、目视地物标记、罗盘到无线电导航技术，人类已经发明和制造了各种各样的陆基导航仪器与设备。1.罗盘远古就有、现代仍在利用的罗盘导航应属于一种古老、原始的，但又是非常实用的陆基导航技术。它利用地磁场南北极的属性，将两极磁体做成叫做罗盘的仪器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。类似于罗盘的仪器已有许多，它为人类带来了诸多的方便。5.2定位技术下一页返回上一页2.无线电信标在第二次世界大战之前，由于飞机飞行和船舶航行的需要，尤其是战争的需要，人们发明了无线电信标系统。无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，也叫无方向信标，飞机上的机载设备叫自动测向仪或称为无线电罗盘。利用天线的方向性，ADF能测出NDB相对于飞机轴线的方位，它主要用于飞机着陆时寻找初始进近点；由于该系统的价格低廉，所以至今的民航飞机和大部分军用飞机仍装备ADF。用于航海的叫海用无线电信标。无线电信标是人们普遍认同的世界上第一个无线电导航系统。3.陆基无线电导航系统自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、伏尔、测距器、塔康、仪表着陆系统、微波着陆系统、罗兰C等都是较成熟的普遍应用的技术成果。5.2定位技术上一页下一页返回奥米伽(Omega)是采用双曲线定位法的超远程无线电导航系统，发射频率为3～30kHz的连续波，在地表面与电离层之间形成绕地球传播的球形波导，使用巨型天线和特大的发射功率。该系统原理由皮尔斯于1947年提出，由美国海军电子实验室负责实施，60年代取得突破性进展，1966年实验台开始发射信号，1969年第一台奥米伽接收机诞生；随后，美国在北达科塔建成了第一座奥米伽发射台，到1985年，建成了分布在挪威、阿根廷等地的8个发射台构成的奥米伽系统，第一次实现了导航信号的全球覆盖，所以说奥米伽是最旱能实现全球性、全天候、连续使用的无线电导航系统。伏尔(VOR)于20世纪40年代末开始研制。它主要是为飞机提供准确的方位信息。它是通过发射两个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而实现测方位的。伏尔通常与测距器(DME)和战术航空导航设备(TACAN)组合使用，这是因为混装的系统不仅能给出方位数据，而且还提供距离信息。5.2定位技术上一页下一页返回测距器(DME)是为飞机提供距离信息的近程航空导航系统。通过测量机载设备与地面台之间询问-应答脉冲的传播时间而测出飞机离地面台的距离。由于应答能力有限一个地面台最多允许与110架飞机的机载设备配合工作。DME的技术源自于第二次世界大战期间广泛应用的三雷达信标系统，后经二十多年的不断改进与完善，于1961年正式投入使用，通常是与VOR组合使用。塔康(TACAN)是战术航空导航系统的简称，是为军用飞机同时提供方位和距离信息的导航系统。于1955年研制成功，现在大多数国家仍广泛用于空军和海军的航空兵导航。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DME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°。由于塔康地面台天线比伏尔小，所以适合于机动和舰装。仪表着陆系统(ILs)是专门用于引导飞机着陆的仪表式系统，它有别于早期航海者的灯塔引导、大多数飞行着陆所依据的地物标记等目视基准，是完全用仪表控制实现飞机的着陆。5.2定位技术上一页下一页返回20世纪30年代研制成功，起初主要用于军方，40年代末被用于民航，50年代侧重于该系统可靠性的提高和增设监护措施，60年代引入固态化技术，70年代末完成了自动化仪表着陆系统的研究，主要装备于美、英、法国。由于ILS系统存在场地限制、频率通道少等缺陷，以致在80年代初美国政府转向支持微波着陆系统的开发。微波着陆系统(MLS)的研究开始于1967年，于80年代研制成功并投入运行，它是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。MLS地面台发射的2个扇形波分别在覆盖空间的水平和垂直方向扫描，机载接收机测量这两个扇形波束的时间差，从而得到距地面台的方位和仰角。MLS具有一系列突出优点，如它的信号覆盖区域大，能满足各种飞机在进近、着陆、复飞的需要，即可适应直入式，也可适应分段折线、曲线式进场，增强了在多山地区的适应能力；具有多达200个互不干扰的通道(ILS仅40个)；天线小，大大放宽了建台的限制。5.2定位技术上一页下一页返回Loran(罗兰)是远程导航的缩写，罗兰C(LoranC)是于50年代末在第二次世界大战中期成功研制罗兰A的基础上改进并投入使用的远程双曲线导航系统，1974年向民用开放罗兰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，只要测出它们到达的时间差，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；显而易见，用户必然处于这两条双曲线的交点上，从而可确定出用户的位置。到目前为止，全世界共建成了30多个罗兰C台链。在陆基无线电导航系统中，罗兰C的用户是最多的，大多数是用于航海，也用做航空和陆上导航。虽然(GPS的问世对罗兰C的应用有较大影响，但罗兰C具有它的独到之处，不可能完全被GPS所取代；若把罗兰C与GPS组合使用，则将在覆盖范围、实用性、完善性等方面得到改善。5.2定位技术上一页下一页返回5.2.2星基技术陆基无线电导航系统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。所以，以GPS为代表的星基导航系统应运而生。自人造地球卫星问世以来，人类在星基导航定位技术的研究上投入了大量的人力和财力，走过了艰苦奋斗、不断创新、硕果累累的半个世纪，取得了巨大成功，翻开了导航领域崭新的一页，开创了空间技术为人类造福的新纪元。1.苏联的第一颗人造地球卫星苏联于1957年10月4日成功发射了世界上第一颗人造地球卫星，这颗卫星的发射证明了人类在空间技术领域又取得重大突破。它主要是用于科学研究和空间考察，包括空间各类信息的采集，跟踪、定轨、通讯、卫星性能考查等实验。当该卫星发播信号时，它作为一个已知的空间信号源，为人类获取相关的信息资源，开展测距、定位、导航研究搭建了一个世界共享的技术平台。可以说，它是星基导航技术的启明星。5.2定位技术上一页下一页返回2.卫星多普勒导航系统(l)美国的子午卫星导航系统(TRANSIT)1958年12月，美国海军委托霍普金斯大学应用物理实验室开始研制基于“反向观测”原理的世界上第一代卫星导航系统。即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)在途坐标数据，进而实现军用舰艇等运动客体的导航定位。这一系统被称为美国海军卫星导航系统，简称NNSS。由于该系统的卫星通过地球的南北两极上空，即卫星是沿地球的子午圈轨道运行，所以又称为子午卫星导航系统，简称TRANSIT。1959年9月发射了第一颗子午实验卫星，到1961年11月先后将9颗试验性子午卫星送入轨道。经过反复地实验研究，攻克了卫星导航的许多关键技术，取得了一系列重大技术突破，于1963年12月发射了第一颗子午工作卫星，后又陆续发射，形成了由分布在6个轨道上的6颗工作卫星所构成的子午卫星星座。5.2定位技术上一页下一页返回轨道离地高1070km，卫星运行周期约为107min。在该星座信号的覆盖下，在地球表面上任意一个观测者一般在2h的间隔内就可观测到该星座中的一颗卫星(或两颗)。子午卫星均以频率为400MHz和150MHz的微波信号作为载波向用户发送导航电文。TRANSIT的用户设备是多普勒接收机，接收导航电文，测量该信号的多普勒频移，并从导航电文中获得在视卫星在轨道中的实时点位和时标信息，然后依此解算出观测者的坐标参数。为了提高多普勒频移的测量精度，一般采用半分钟的多普勒累计计数作为一个观测值。TRANSIT投入运行的初期只为军方和特殊用户服务，导航电文是保密的。1967年7月29日美国政府宣布对TRANSIT的导航电文进行部分解密而供民用。随之，世界上许多国家迅速开展了利用TRANSIT进行定位和导航技术的应用研究。TRANSIT在为各国的军事、民用提供有效服务的同时，人们对它的关注和全方位的投入也大大推进了这一新兴领域的快速发展，因为这是人类第一个星基导航定位系统。5.2定位技术上一页下一页返回(2)苏联的奇卡达系统(CICADA)在美国TRANSIT系统的诱导和启迪下，苏联海军于1965年建立了类似于TRANSIT的卫星导航系统，称之为CICADA。该系统由12颗卫星构成星座，轨道高1000km，卫星运行周期约为107min，卫星发送的信号频率同样为400MHz和150MHz，但只有150MHz的信号作载波来发送导航电文，而400MHz的信号仅用于削弱电离层效应的影响。(3)法国的多利斯定轨定位系统(DORIS)法国于20世纪80年代研究建立了基于多普勒定位原理的星载多普勒定轨定位系统，采用子午卫星导航系统导航定位的“反向”工作模式，测量的定位精度可达到数十厘米。人们把基于测量多普勒频移的TRANSIT,CICADA和DORIS系统称作卫星多普勒导航技术，自从该技术于20世纪60年代问世以来，随着导航电文的部分公开和逐步解密，在世界范围内得到了广泛的应用，这不但是因为它的“全球性”、“动态性”和“全天候”属性，5.2定位技术上一页下一页返回更是因为其导航或定位的精度随卫星定轨误差的减小而显著提高。单机定位精度可达米级，多机联测定位精度达亚米级3.美国的GPS尽管TRANSIT在导航技术的发展中具有划时代的意义，但它存在观测时间长、定位速度慢(两个小时才有一次卫星通过一个点的定位需要观测两天)，不能满足连续实时三维导航的要求，尤其不能满足飞机、导弹等高速动态目标的精密导航要求。于是在20世纪60年代中期，美国海军提出了“Timation”计划，美国空军提出了621B计划，并付诸实施。但在发射了数颗实验卫星和进行了大量实验后发现各自都还存在一些大的缺陷。在此背景下，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)，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、5.2定位技术上一页下一页返回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，于1994年3月10日，24颗工作卫星全部进入预定轨道，GPS系统全面投入正常运行，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,远远超过设计指标。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。4.苏联的GLONASSGLONASS与GPS类似，也由星座、地面控制和用户设备三部分组成。空间星座由24颗GLONASS卫星组成，其中21颗工作卫星，3颗在轨备用卫星，分布在3个近似为圆的轨道面上，每个轨道上均匀分布8颗卫星，卫星运行周期11.25h，轨道面互成120°夹角，轨道偏心率为0.O1，轨道离地高度约19390km，每颗卫星质量为1400kg，这样的分布可以保证地球上任何地方任一时刻都能接收到至少4颗卫星的导航信息。GLONASS卫星上装备有高稳定度的艳原子钟，星载设备接收地面站的导航信息和指令，对其进行处理，生成导航电文向用户广播和控制卫星在轨的运行。5.2定位技术上一页下一页返回地面监控部分包括位于莫斯科的控制中心和分散在俄罗斯整个领土上的跟踪控制站网，负责搜集、处理GLONASS卫星的轨道和信号信息，向每颗卫星发射控制指令和导航信息，实现对GLONASS卫星的整体维护和控制。用户设备通过接收GLONASS卫星信号，测量其伪距或载波相位，结合卫星星历进行必要的处理，便可得到用户的三维坐标、速度和时间。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，R(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Ll=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。5.2定位技术上一页下一页返回现由俄罗斯国防部控制的GLONASS系统是一种星基定位、导航和授时的全球导航卫星系统，耗资40多亿美元，历时20多年。到目前为止，已先后发射了80余颗GLONASS卫星。由于其工作寿命仅3～5年，绝大部分卫星已退役，由于苏联解体造成经济衰退，致使发射补网卫星出现困难，较长时间的在轨卫星不到10颗，所以GLONASS系统一直处于降效运行状态；近几年加快了补网发射，以致目前在轨有16颗。5.中国的北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统与GPS和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54万户采用主动式有源双向询问一应答定位，即首先由地面控制中心向两颗卫星发送询问信号，经卫星转发器向服务区内的用户广播；5.2定位技术上一页下一页返回用户响应其中一颗卫星的询问信号，并同时向两颗卫星发送响应信号，再经卫星转发回控制中心；控制中心接收并解调用户发来的信号，根据用户的中请服务内容进行相应的数据处理，解算出用户所在点的三维坐标，再经加密后发送给用户。由于在定位时需要用户向卫星发送定位信号，根据传播信号的时间差计算用户位置，所以被称为“有源定位”。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，有专家称北斗系统是一个生命线工程，配有北斗接收设备的求救者可在一秒钟内发出呼救信号并随即能得到控制中心的响应和施救，如大地震后我们所有的有线系统都可能瘫痪，而北斗系统作为一个空中监视系统则可及时报告灾情位置和发送相关信息；战时北斗系统还可为中国军队提供精确制导，为战场的士兵提供准确的战场环境资料。5.2定位技术上一页下一页返回6.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15国决定制订一个卫星导航系统的建设计划。1999年初名为Galileo(伽利略)的卫星导航系统计划出台。该系统的星座由均匀分布在3个轨道中的30颗卫星组成，每个轨道上9颗工作卫星和1颗备用卫星，轨道离地高约24000km，计划总投资35亿欧元，所需资金中近三分之二是来自私营公司及投资者。Gableo系统是欧洲计划建设的新一代民用全球卫星导航系统，多用于民用，但也用于防务，它可提供3种服务信号:对普通用户的免费基本服务，加密且需注册付费的服务，供友好国家的防务等需要的高精度加密服务。其精度依次提高，用户可根据需要进行选择。Ga1i1eo与GPS比较具有一些明显的优势，一是定位精度高，Ga1i1eo定位误差在1m之内，远优于GPS的10m，有专家形象地评价说，“如果GPS可以发现街道，Galileo就能够找到车库门”；5.2定位技术上一页下一页返回二是Ga1i1eo的轨道位置比GPS高，可覆盖全世界所有地方，而GPS系统尚不能完全覆盖北欧；三是工作卫星多6颗，在同一地点可观测到的卫星比GPS多，能解决GPS系统解决不了的“城市森林”现象；四是它能与GPS、GLONASS系统相互兼容，Ga1i1eo接收机可以采集各个系统的数据或者通过各个系统数据的组合来实现定位导航的要求。与GPS的另一个显著的区别是Galileo为开放式，欢迎其他国家加入。我国一开始就对Galileo计划表现出巨大热忱。2003年9月，中国与欧盟正式签署了《伽利略卫星导航合作协定》，确定中国以“平等的合作伙伴”身份参与该计划，中国成为Galileo计划的第一个非欧盟成员，中国将总计注资2亿欧元，这也是中国迄今为止最大的国际科技合作项目，而中国也取得了该系统的部分所有权和全部使用权。同时，陆续加入该计划的国家还有以色列、乌克兰、印度、摩洛哥、沙特阿拉伯、俄罗斯等，除此以外阿根廷、澳大利亚、巴西、加拿大、智利、日本、马来西亚、墨西哥、挪威、韩国、巴基斯坦等国加入“伽利略计划”也正在酝酿和进行中。5.2定位技术上一页下一页返回7.其他系统对于卫星导航定位系统来说，无论是GPS,GLONASS，还是Galileo，它无疑是维护一个国家安全的重要体系，这种安全绝不仅仅是军事安全本身，也包括经济、政治、文化等方面的一系列安全。所以，不少国家和地区都在策划建立自己的卫星导航定位系统，以争取在这一领域的自主权和主动性。日本将投入2000亿日元，建成由3颗卫星组成的“准天顶卫星系统”，该系统可以和GPS并用，定位精度高达十几厘米，投入使用后的12年内，会有6万亿日元的经济效益。加拿大的主动控制网系统(CACS)、德国的卫星定位导航服务系统(SAPOS)等正在实施中。5.2定位技术上一页返回下一页1.静态定位所谓静态定位，就是在进行GPS定位时，认为接收机的天线在整个观测过程中的位置是保持不变的。也就是说，在数据处理时，将接收机天线的位置作为一个不随时间的改变而改变的量。在测量中，静态定位一般用于高精度的测量定位，其具体观测模式由多台接收机在不同的测站上进行静止同步观测，时间由几分钟、几小时甚至数十小时不等。静态定位是待定点相对于周围固定点无相对运动的GPS定位方法，通过大量的重复观测，高精度测定GPS信号传播时间，根据已知GPS卫星瞬间位置，准确确定接收机的三维坐标静态定位观测量大、可靠性强、定位精度高，是测量工程中精密定位的基本方法2.动态定位动态定位就是在进行GPS定位时，认为接收机的天线在整个观测过程中的位置是变化的。也就是说，在数据处理时，将接收机天线的位置作为一个随时间的改变而改变的量。动态定位又分为Kinematic和Dynamic两类。5.3GPS定位方法下一页返回上一页动态定位是待定点相对于周围固定点显著运动(相对于地球运动)的GPS定位方法，以车辆、舰船、飞机和航天器为载体，实时测定GPS信号接收机的瞬间位置。它发展速度最快，应用较广，尤其是实时动态(RTK)测量系统，是GPS测量技术与数据传输技术相结合的一种新的定位方法。基本做法是在基准站上安置一台GPS接收机，对所有可见GPS卫星进行连续观测，并将观测数据通过无线电传输设备，实时发送给动态用户观测站，从而可实时高精度地解算用户站的三维坐标。从动态定位的精度来看，可分20m左右的低精度，5m左右的中等精度，0.5m左右的高精度定位。在测得运动载体的实时位置的同时，测得运动载体的速度、时间和方位等状态参数，进而引导运动载体驶向预定的后续位置，称之为导航导航是一种广义的动态定位。5.3.2绝对定位和相对定位(一)绝对定位5.3GPS定位方法上一页下一页返回绝对定位又称为单点定位，这是一种采用一台接收机进行定位的模式，它所确定的是接收机天线的绝对坐标。绝对定位又称单点定位，在一个待定点上，用一台接收机独立跟踪GPS卫星，测定待定点(天线)的绝对坐标。图5-2是GPS单点定位示意图。其优点是作业方式简单，可以单机作业。绝对定位一般用于导航和精度要求不高的应用中。但由于受卫星星历误差、大气延迟误差等影响，定位精度较低，一般为25～30m。单点定位一般用于船舶、飞机、勘探、海洋作业等方面。(二)相对定位相对定位又称为差分定位，这种定位模式是采用用两台或两台以上的接收机，同步跟踪相同的卫星信号，以确定接收机天线间的相对位置(三维坐标或基线向量)的方法，见图5一3所示。只要给出一个测点的坐标值，其余各测点的坐标即可求得。由于各台接收机同步观测相同卫星，这样卫星钟的钟误差、卫星星历误差、大气延迟误差几乎相同，解算各测点坐标时可有效消除或大幅度削弱，从而有较高的定位精度。5.3GPS定位方法上一页下一页返回相对定位一般采用载波相位测量，相对精度可达±5mm，一般在大地测量、精密工程测量等领域有广泛的应用。相对定位(差分定位)是在已知三维坐标的基准站上设置GPS接收机，求出观测值的校正值，并将校正值通过无线电通讯实时发送给各待测点上，对其接收机的观测值进行修正来提高实时定位精度的一种方法。它采用的是单点定位模型，但同时需要多台接收机，在基准站和流动站之间进行同步观测，利用误差的相关性来提高定位精度。所以差分定位同时具有单点定位和相对定位特性的定位模式1.GPS动态差分实时定位系统GPS动态差分实时定位系统由三部分组成:(1)基准站在已知三维坐标的测站点上安置GPS接收机，接收卫星定位信息，并实时提供差分修正信息。5.3GPS定位方法上一页下一页返回(2)流动站GPS接收机随待测点流动，接收卫星定位信息，并实时接收基准站输来的修正信息进行实时定位。(3)无线电通信链无线电通信链将基准站差分修正信息传输到流动站2.GPS动态差分实时定位方法(1)位置差分将基准站上GPS接收机单点定位得到的坐标值，与已知坐标值求差作为差分修正值，要求基准站接收机收到的卫星完全与流动站接收机接收的卫星相一致，其定位精度可达5～10m。(2)伪距差分利用基准站已知坐标值和卫星星历求得的伪距值，与GPS接收机测得的伪距值求差作为差分修正值。5.3GPS定位方法上一页下一页返回伪距差分修正值是分别对每颗卫星进行修正，因此基准站与流动站接收机接收的卫星不完全一致也可以进行差分修正，所以只要有四颗相同卫星即可，其定位精度取决于差分卫星个数和卫星空中分布状况，精度可达3～10m。(3)载波相位差分将载波相位观测值(或星间相位差)通过数据链传到流动站，然后由流动站(GPS接收机)进行载波相位定位，其定位精度可达厘米级。5.3.3实时定位技术根据获取定位结果的时间分为实时定位和非实时定位。实时定位是根据接收机观测到的数据，实时地解算出接收机天线所在的位置。非实时定位又称后处理定位，它是通过对接收机接收到的数据进行后处理以进行定位的方法。RTK是英文RealTimeKinematics(实时动态)的缩写。其特点是以载波相位为观测值的实时动态差分GPS定位系统，5.3GPS定位方法上一页下一页返回其平面精度为±(1～10)cm,高程定位精度为±(10～30)cm。实现GPSRTK测量的关键技术之一是初始整周模糊度的快速解算。目前常用的方法有:1.静态相对定位法即按静态或快速静态相对定位法定位。静态相对定位法需要连续观测半小时以上，快速静态定位法需要连续观测5min左右，按三差法求得差分坐标，再根据双差法求得整周模糊度之差。2.已知基线法在精确已知WGS-84坐标系中坐标两已知点观测10个历元，依差分坐标按双差方程求得整周模糊度之差。3.交换天线法在处理方法进行改进，如加测天线之间距离，使初始解算增加一个约束条件，从而更加精确、快速、可靠地解算整周模糊度5.3GPS定位方法上一页下一页返回4.OTF法OTF，即onthefly，即运动中解算整周模糊度，在移动站运动状态通过观测至少5个历元，按一定算法求出整周模糊度之差。以上四种方法中，前三种方法在运动过程中出现周跳时均需要返回原初始化地点，重新初始化以解求整周模糊度，第四种方法已有多种算法，是一种有前途方法，但对单频机而言，实现起来尚有许多困难。实际应用中，还可以利用以上方法组合，如交换天线与加测天线之距离组合快速解算整周模糊度，失锁后利用失锁前后一个末失锁前观测点解算整周模糊度之差，从而实现在失锁地附近重新初始化。5.3GPS定位方法上一页返回下一页1973年美国国防部批准其陆海空三军联合研制第二代卫星导航定位系统—授时与测距导航系统/全球定位系统(NavigationSystemTimingandRanging/GlobalPositionSystemNAVSTAR/GPS>，简称全球定位系统(GPS)。起初的GPS方案由24颗卫星组成，这些卫星分布在互成120。的三个轨道平面上，每个轨道平面分布8颗卫星，这样的卫星布局可保证在地球上的任何位置都能同时观测到6～9颗卫星。为识别不同的卫星信号并提高系统的抗干扰能力和保密能力，采用了直接序列扩频技术(I>S一SS),整个系统相当于一个码分多址系统(CDMA)为了补偿电离层效应的影响，采用了双频调制5.4.1GPS系统定位原理GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。5.4GPS定位系统下一页返回上一页而用户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到(由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距(PR)。当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码组成的伪随机码(简称伪码)发射导航电文。GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P(Y)码。C/A码频率1.023MHz，重复周期1ms，码间距1μs,相当于300m；P码频率10.23MHz·重复周期266.4d，码间距0.1μs。相当于30m。而Y码是在P码的基础上形成的，保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中调制出来，以50b/s调制在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含5个子帧，每帧长6s。前三帧各l0个字码；每三十秒重复一次，每小时更新一次。后两帧共15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块，其中最重要的则为星历数据。5.4GPS定位系统上一页下一页返回当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。可见GPS导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。然而，由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标x、y、z外，还要引进一个△t，即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以，如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到4个卫星的信号。GPS接收机可接收到可用于授时的、准确至纳秒级的时间信息；用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历；用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历以及GPS系统信息，广播星历精度为几米至几十米(各个卫星不同，随时变化)。5.4GPS定位系统上一页下一页返回GPS接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离，由于含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差，故称为伪距。对OA码测得的伪距称为UA码伪距，精度约为20m左右，对P码测得的伪距称为P码伪距，精度约为2m左右。GPS接收机对收到的卫星信号，进行解码或采用其他技术，将调制在载波上的信息去掉后，就可以恢复载波。严格而言，载波相位应被称为载波拍频相位，它是收到的受多普勒频移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。一般在接收机钟确定的历元时刻量测，保持对卫星信号的跟踪，就可记录下相位的变化值，但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的，起始历元的相位整数也是不知道的，即整周模糊度，只能在数据处理中作为参数解算。相位观测值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值，而要达到优于米级的定位精度也只能采用相位观测值。5.4GPS定位系统上一页下一页返回在GPS观测量中包含了卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差，在定位计算时还要受到卫星广播星历误差的影响，在进行相对定位时大部分公共误差被抵消或削弱，因此定位精度将大大提高，双频接收机可以根据两个频率的观测量抵消大气中电离层误差的主要部分，在精度要求高，接收机间距离较远时(大气有明显差别)，应选用双频接收机。GPS系统采用高轨测距体制，以观测站至GPS卫星之间的距离作为基本观测量。为了获得距离观测量，主要采用两种方法:一是测量GPS卫星发射的测距码信号到达用户接收机的传播时间，即伪距测量；二是测量具有载波多普勒频移的GPS卫星载波信号与接收机产生的参考载波信号之间的相位差，即载波相位测量。采用伪距观测量定位速度最快，而采用载波相位观测量定位精度最高。通过对4颗或4颗以上的卫星同时进行伪距或相位的测量即可推算出接收机的三维位置。GPS系统原理结构图如图5一4所示。5.4GPS定位系统上一页下一页返回5.4.2GPS系统组成GPS系统主要有三大组成部分，即空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分。GPS的空间星座部分中24颗卫星基本均匀分布在6个轨道平面内，轨道平面相对赤道平面的倾角为55°，各轨道平面之间的交角为60°，每个轨道平面内的卫星相差90°，任一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30°。卫星轨道平均高度为20200km，卫星运行周期为11h58min。每颗卫星每天约有5h在地平线以上，同时位于地平线以上的卫星数目随时间和地点而不同，可为4～11颗；GPS的地面监控部分目前主要由分布在全球的5个地面站组成，其中包括卫星检测站、主控站和信息注入站。GPS的空间部分和地面监控部分是用户广泛应用该系统进行导航和定位的基础，均为美国所控制；GPS的用户设备主要由接收机硬件和处理软件组成。用户通过用户设备接收GPS卫星信号，经信号处理而获得用户位置、速度等信息，最终实现利用GPS进行导航和定位的目的。5.4GPS定位系统上一页下一页返回1.空间星座部分GPS的空间星座部分是由2-1颗工作卫星组成，它位于距地表20200km的上空，均匀分布在6个轨道面上(每个轨道面1颗)，轨道倾角为55°。此外，还有4颗有源备份卫星在轨运行。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到生颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图像。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。GPS卫星产生两组电码，一组称为C/A码(Coarse/AcquISLtionCode11023MHz)；一组称为P码(ProciseCode10123MHz)，P码因频率较高，不易受干扰，定位精度高，因此受美国军方管制，并设有密码，一般民间无法解读，主要为美国军方服务。C/A码人为采取措施而刻意降低精度后，主要开放给民间使用。2.地面监控部分地面监控部分由一个主控站，5个全球监测站和3个地面控制站组成。监测站均配装有精密的艳钟和能够连续测量到所有可见卫星的接受机。5.4GPS定位系统上一页下一页返回监测站将取得的卫星观测数据，包括电离层和气象数据，经过初步处理后，传送到主控站。主控站从各监测站收集跟踪数据，计算出卫星的轨道和时钟参数，然后将结果送到3个地面控制站。地面控制站在每颗卫星运行至上空时，把这些导航数据及主控站指令注入到卫星。这种注入对每颗GPS卫星每天一次，并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。如果某地面站发生故障，那么在卫星中预存的导航信息还可用一段时间，但导航精度会逐渐降低。3.用户设备部分用户设备部分即GPS信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，即可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率，解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。5.4GPS定位系统上一页下一页返回接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包构成完整的GPS用户设备。GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。接收机一般采用机内和机外两种直流电源。设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。在用机外电源时机内电池自动充电关机后，机内电池为RAM存储器供电，以防止数据丢失。5.4.3GPS系统特点GPS的问世标志着电子导航技术发展到了一个更加辉煌的时代。GPS系统与其他导航系统相比，主要特点是:①全球地面连续覆盖。由于GPS卫星数目较多且分布合理，所以在地球上任何地点均可连续同步地观测到至少生颗卫星，从而保障了全球、全天候连续实时导航与定位的需要。②功能多、精度高。GPS可为各类用户连续地提供高精度的三维位置、三维速度和时间信息。③实时定位速度快。目前GPS接收机的一次定位和测速工作在一秒甚至更少的时间内便可完成，这对高动态用户来讲尤其重要。④抗干扰性能好、保密性强。由于GPS系统采用了伪码扩频技术，因而GPS卫星所发送的信号具有良好的抗干扰性和保密性5.4GPS定位系统上一页下一页返回5.4.4GPS系统作用GPS系统的建立给导航和定位技术带来了巨大的变化，它从根本上解决了人类在地球上的导航和定位问题，可以满足不同用户的需要。对舰船而言，它能在海上协同作战，且能在海洋交通管制、海洋测量、石油勘探、海洋捕鱼、浮标建立、管道铺设、浅滩测量、暗礁定位、海港领航等方面做出贡献。对飞机而言，它可以在飞机进场、着陆，中途导航，飞机会合和空中加油，武器准确投掷及空中交通管制等方面进行服务。在陆地上，可用于各种车辆、坦克、陆军部队、炮兵、空降兵和步兵等的定位，还可用于大地测量、摄影测量、野外调查和勘探的定位，甚至可以深入到每个人的生活中去，如用于车辆、旅行、探险、狩猎等方面。在空间技术方面，可以用于弹道导弹的引航和定位，空间飞行器的导航和定位等。5.4GPS定位系统上一页下一页返回总之，GPS技术已发展成多领域(陆地、海洋、航空航天)、多模式(GPS、DGPS、LADGPS、WADGPS、)、多用途(在途导航、精密定位、精确定时、卫星定轨、灾害监测、资源调查、工程建设、市政规划、海洋开发、交通管制等)、多机型(测地型、定时型、手持型、集成型、车载式、船载式、机载式、星载式、弹载式等)的高新技术国际性产业。GPS的应用领域，上至航空航天器，下至捕鱼、导游和农业生产，已经无所示在了。正如人们所说的“GPS的应用，仅受人类想象力的制约”。

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对军用车辆导航系统的主要技术要求，是能精确地进行快速实时定位、定向，同时导航系统应当具备自主性好、适应性强、精度和可靠性高等特点。另外，考虑到作战时需求量可能会比较大，价格问题也是关系到该系统能否广泛装备的重要因素，而且在车辆的有限空间内安装组合导航系统，还应该考虑其具有质量小，体积轻等小型化的特点。随着科学技术的迅猛发展，可用来作为导航的设备相应地出现了很多种，如惯性导航系统(INS)、卫星导航系统(GPS)、天文导航系统(CNS)等。但是，任何一种导航方法都存在可用性问题。每个系统的固有误差以及物理上的限制等，都可能使该导航设备的广泛应用受到制约。全球定位系统是美国国防部为陆、海、空三军研制的卫星导航定位系统，它的高精度、全球性、实时性使导航进入了一个新纪元。在车辆上安装GPS接收机，便能实时测得其所在位置、运行速度和运行方向，而且精度基本可以达到用户需求。5.5导航技术发展方向下一页返回上一页更为可贵的是，达到足够的精度只用非常低的成本就可获得。但GPS也与其他的导航方法一样有它固有的缺点，例如，①受地形、地物遮挡而引起定位中断，在车辆进入山谷、隧道、涵洞以及两旁密林的道路，部分或全部卫星被遮挡。导致可用卫星数减少，几何精度系数GDOP或HDOP增大，而使定位精度降低到允许范围以下，甚至可用卫星数少于3颗而不能进行定位；②GPS为非自主式导航系统，受美国政策的限制；③动态环境中可靠性差，易发生信号失锁和周跳，不能确保定位的连续性；④数据采集频率较低。这些缺陷都使连续、实时导航定位非常困难，因此使用GPS为车辆进行导航，尤其是军用车辆，就必须能解决上述技术问题。而解决问题的最好方法是与其他导航系统组合构成组合导航系统。5.5.1GPS/INS组合导航系统1.组合系统的方案5.5导航技术发展方向上一页下一页返回在设计组合导航系统时，应按照使各组成部分具有非相似性和互补性的原则，这样才能充分发挥组合系统的互补和余度功能，才能充分利用各子系统的信息，相互取长补短，从而扩大使用范围，提高导航精度。同时对于各子系统测量的相同信息源，也可使测量值兀余，提高整个导航系统的可靠性。惯性导航系统(InertialNavigationSystem)是本世纪初发展起来的，其基本原理是根据牛顿提出的相对惯性空间的力学定律，利用陀螺、加速度计等惯性元件感受运行体在运行过程中的加速度，然后通过计算机进行积分计算，从而得到运动体的位置与速度等导航参数如下式所示:5.5导航技术发展方向上一页下一页返回INS是一种完全自主式的导航系统，能够提供精确的姿态及多种导航信息，然而INS的位置误差会随时间增长，其导航精度主要取决于陀螺和加速度计这两类惯性传感器，但高精度的惯性元件也会使整个系统的成本急剧增加。可以看出，GPS与INS之间具有很强的互补性，具体体现在:①GPS属于非自主式导航系统，接收机天线可能被遮挡，造成信号短时中断或丢失，而INS属于自主式导航系统，其导航信息不受外界干扰，无信号遮挡问题，这一优点正是军事指挥上所需要的。②GPS定位精度较高且无积累误差，INS在长时间运行时，由于陀螺元件存在漂移故误差是无界的。③INS通常需要较长时间的预热和初始对准周期，而GPS首次定位时间短。④GPS接收机成本很低，性能价格比却较高，而一台高精度的INS的价格是相当高的。5.5导航技术发展方向上一页下一页返回由于二者具有很强的互补性，如果将二者有机结合，取长补短，可使组合导航系统的精度和可靠性得到明显提高，同时增强了系统的适应性和余度功能。综上所述，根据军用车辆对导航系统性能的要求，认为采用中等精度的捷联式惯导系统(精度为1～2nm/h)与GPS进行组合是较为理想的组合方式。2.工作原理组合导航系统的本质就是充分利用外部信息，即将GPS和INS的信息，依据某种准则进行数据和信息的融合。对惯性导航系统的导航信息(位置、速度、姿态等)及惯性器件的误差进行重调和校正，以提高系统的精度、可靠性。GPS/INS组合可用多种方式，常用的有两种:松耦合(即位置组合)和紧耦合(即伪距组合)；这里采用第二种，其原理见图5-5。5.5导航技术发展方向上一页下一页返回首先，GPS的长期稳定性与较高精度，弥补了INS的误差随时间传播而增大的特点，在运动过程中频繁估计并校正惯导系统的位置误差、速度误差和其他的误差参数，以控制其误差随时间的积累，从而可以放宽对惯导元件精度的要求，使得整个组合导航系统达到最优化。同时利用INS的短期高精度来弥补GPS接收机由于信号被遮挡而无法定位的缺点，并借助惯导系统的姿态信息和角速度信息，提高GPS接收机天线的定向操作功能，使之快速捕获卫星信号。3.算法研究(1)状态方程的建立首先建立起以惯性系统的误差方程为基础的组合导航系统状态方程，并在导航系统误差方程的基础上建立组合系统的量测方程，这两个方程为时变线性方程，可采用卡尔曼滤波器为惯导系统误差提供最小方差估计，然后利用这些误差的估计值去修正惯导系统，以减小导航误差。INS/GPS组合系统可用一阶矩阵微分方程来描述:5.5导航技术发展方向上一页下一页返回（5-1）式中，X为状态向量，对于惯导系统取为。其中，为位置误差；，为速度误差；，为姿态误差；ε=，为陀螺漂移随机分量；，为加速度计零偏随机分量。采用GPS的基本观测量作为量测修正信息，则将GPS接收机的钟差△tr和钟漂(假设钟漂是一阶Markov过程)扩充在惯性系统的状态向量中，形成17维组合系统的状态向量。F(t)为动态矩阵，W(t)为系统噪声:

5.5导航技术发展方向上一页下一页返回取在当地水平坐标系中，x、y、z轴分别指向东、北、天方向，则惯导系统的力学编排方程为式中，是坐标变换矩阵，、分别是角速度向量、相应的反对称矩阵。g表示当地水平坐标系中的重力分量。将上式两边微分，略去高次项便可得到惯导系统