第5章导航定位系统(1).ppt

1、1,概述 自主式导航定位系统 陆基无线电导航定位系统 卫星导航定位系统 组合导航系统 其它导航定位系统 发展趋势,2,基本概念 5.1概述,导航 引导飞机、舰船、车辆或人员等运载体沿事先规定的路线，准时地到达目的地的过程 实现导航功能的系统称为导航系统 定位 在规定的坐标系中确定运载体位置的过程 实现定位功能的系统称为定位系统 导航定位系统在军事上和民用交通运输上用途广泛，是国家信息基础设施的组成部分，是军事信息系统的组成部分,3,产生与发展 5.1概述,原始导航定位技术 星座 指南针 航海表 惯性 无线电导航定位技术 陆基 卫星 其他导航定位技术 地形辅助、地磁导航、组合导航、定位报告系统P

2、LRS,4,性能指标 5.1概述,精度 指导航系统为运载体提供的位置与运载体当时的真实位置之间的误差，通常采用统计特性的随机量描述 可用性 为运载体提供可用导航服务时间与载体运行时间的百分比 可靠性 给定使用条件下，在规定时间内以规定的性能完成其功能的概率 完好性 系统发生故障或误差超过允许范围时，及时向用户发出有效告警的能力 导航信息更新率 单位时间内提供导航定位数据的次数,5,系统类型 5.1概述,根据导航信息的产生方式 自主式导航系统 惯性导航系统 多普勒导航系统 地形辅助导航系统 他备式导航系统 陆基导航系统 卫星导航系统 组合导航系统 相对导航定位系统,6,惯性系统 5.2自主式导航

3、定位系统,惯性导航系统（惯导） 利用惯性仪表（陀螺仪和加速度计）测量运动载体在惯性空间中的角运动和线运动 根据载体运动微分方程组实时地、精确地解算出运动载体的位置、速度和姿态角等导航信息 系统类型 平台式惯性导航系统,7,惯性系统 5.2自主式导航定位系统,惯性导航系统（惯导） 利用惯性仪表（陀螺仪和加速度计）测量运动载体在惯性空间中的角运动和线运动 根据载体运动微分方程组实时地、精确地解算出运动载体的位置、速度和姿态角等导航信息 系统类型 平台式惯性导航系统 捷联式惯性导航系统,8,惯性系统 5.2自主式导航定位系统,惯性导航系统（惯导） 利用惯性仪表（陀螺仪和加速度计）测量运动载体在惯性空

4、间中的角运动和线运动 根据载体运动微分方程组实时地、精确地解算出运动载体的位置、速度和姿态角等导航信息 系统类型 平台式惯性导航系统 捷联式惯性导航系统 工作过程 标定、初始对准、状态初始化和当前状态计算,9,惯性系统 5.2自主式导航定位系统,惯性仪表 陀螺仪：检测运动载体在惯性空间中的角运动 机电陀螺仪：液浮陀螺仪、挠性陀螺仪、静电陀螺仪 光学陀螺仪：激光陀螺仪和光纤陀螺仪 微机械陀螺仪 加速度计：检测运动载体在惯性空间中的线运动 常用：液浮摆式、挠性、石英挠性加速度计 新型：激光、光纤、振弦、石英振梁、静电和微机械加速度计,10,多普勒系统 5.2自主式导航定位系统,原理 敏感出载体相对

5、于地面的速度，然后经计算机解算求出飞机所经过的距离，产生导航定位信息,11,地形辅助 5.2自主式导航定位系统,原理 运载体上的气压高度表和雷达高度表分别测出运载体的海拔高度和离地高度，两者相减，求出载体正下方地形的海拔高度，产生地形起伏曲线 在运载体存储的地形标高数据的基准数据库中搜索，找出与实测曲线拟合最好的一条地形标高变化曲线，求出载体的准确位置 特点 离地高度超过300m时，精度明显降低，到800m1500m的高度则基本无法使用 只能在地形起伏的地区使用，在平坦地区或水平面上使用效果差 类型 地形高度数据匹配系统、景象匹配系统,12,5.3 陆基无线电导航系统,无线电导航 利用无线电波

6、的传播特性测定运载体的导航参量（方位、距离和速度） 计算与规定航线的偏差，由驾驶员或自动驾驶仪操纵运载体消除偏差以保持正确航线 陆基无线电导航系统 由在世界各地建立的无线电参考站（导航台）组成 接收机接收参考站发射的无线电电波，计算接收机到发射站的距离来确定自己的位置和航向 典型系统 航海：奥米伽、罗兰-C、 航空：伏尔、塔康、仪表着陆系统、微波着陆系统、无线电罗盘/无线电信标,13,定位原理 5.3 陆基无线电导航系统,测角导航定位 利用无线电波直线传播的特性，用运载体上的环形方向性天线接收发射台的信号 根据接收信号的幅值极值的方向，建立接收信号幅度与导航角的关系，从而测出电台航向,14,定

7、位原理 5.3 陆基无线电导航系统,测角导航定位 利用无线电波直线传播的特性，用运载体上的环形方向性天线接收发射台的信号 根据接收信号的幅值极值的方向，建立接收信号幅度与导航角的关系，从而测出电台航向,15,定位原理 5.3 陆基无线电导航系统,测角导航定位 利用无线电波直线传播的特性，用运载体上的环形方向性天线接收发射台的信号 根据接收信号的幅值极值的方向，建立接收信号幅度与导航角的关系，从而测出电台航向 例如：无线电信标、指点信标 、无线电定向机 、伏尔,16,定位原理 5.3 陆基无线电导航系统,测距导航定位 利用无线电波恒速直线传播的特性，运载体和地面导航台上各安装一套接收机和发射机

8、运载体向地面导航台发射询问信号，地面导航台接收并向运载体转发应答信号 运载体接收机收到的应答信号比询问信号滞后一定时间，测出滞后时间，计算出运载体与导航台间距离 无线电导航测距系统的位置线是一个圆，由两条圆位置线的交点确定飞机的位置,17,定位原理 5.3 陆基无线电导航系统,测距导航定位 利用无线电波恒速直线传播的特性，运载体和地面导航台上各安装一套接收机和发射机 运载体向地面导航台发射询问信号，地面导航台接收并向运载体转发应答信号 运载体接收机收到的应答信号比询问信号滞后一定时间，测出滞后时间，计算出运载体与导航台间距离 无线电导航测距系统的位置线是一个圆，由两条圆位置线的交点确定飞机的位

9、置,18,定位原理 5.3 陆基无线电导航系统,测距导航定位 利用无线电波恒速直线传播的特性，运载体和地面导航台上各安装一套接收机和发射机 运载体向地面导航台发射询问信号，地面导航台接收并向运载体转发应答信号 运载体接收机收到的应答信号比询问信号滞后一定时间，测出滞后时间，计算出运载体与导航台间距离 无线电导航测距系统的位置线是一个圆，由两条圆位置线的交点确定飞机的位置 例如：DME测距器,19,定位原理 5.3 陆基无线电导航系统,测距差导航定位 一组发射台在时间上同步地发射信号，运载体接收机测量多个导航台信号到达的时间差 计算运载体到达多个导航台距离差，确定运载体处于地球表面上一条以发射台

10、为焦点和相应距离差为定值的双曲线 利用两条双曲线的交点，计算出载体位置,20,定位原理 5.3 陆基无线电导航系统,测距差导航定位 一组发射台在时间上同步地发射信号，运载体接收机测量多个导航台信号到达的时间差 计算运载体到达多个导航台距离差，确定运载体处于地球表面上一条以发射台为焦点和相应距离差为定值的双曲线 利用两条双曲线的交点，计算出载体位置,21,定位原理 5.3 陆基无线电导航系统,测距差导航定位 一组发射台在时间上同步地发射信号，运载体接收机测量多个导航台信号到达的时间差 计算运载体到达多个导航台距离差，确定运载体处于地球表面上一条以发射台为焦点和相应距离差为定值的双曲线 利用两条双

11、曲线的交点，计算出载体位置 例如：罗兰-A、罗兰-C、台卡、奥米伽,22,航海用系统 5.3 陆基无线电导航系统,罗兰-C 脉冲双曲线导航定位 工作载频为100kHz（波长3km） 陆地上可传播500800n mile 海上可达8001100n mile 定位精度为0.25n mile 数据更新率为1020次/min 奥米伽 比相测量时间差的双曲线导航定位 工作载频为1014kHz（波长30km） 定位精度为24n mile 数据更新率为6次/min,23,航空用系统 5.3 陆基无线电导航系统,伏尔 主要用于航路导航，采用测角导航定位 由地面台和机载设备组成，工作频段为108MHz118MH

12、z连续波，共200个频道，频道间隔50kHz 地面台的天线方向图为旋转着的心脏形，每秒旋转30周，机载导航设备接收信号的幅度调制与飞机的方位角之间存在对应关系 导航距离200n mile（当飞机高度为10000m时） 测距采用测距器DME 塔康 用于航空母舰飞机的导航，采用测角导航定位 工作载频为960MHz1215MHz 测距采用测距器DME,24,航空用系统 5.3 陆基无线电导航系统,仪表着陆系统 地面设备 航向台：108.1MHz111.9MHz 下滑台：329.3MHz335.0MHz 指点信标台：75MHz 机载接收机 航向/下滑接收机 指点信标接收机,25,航空用系统 5.3 陆

13、基无线电导航系统,仪表着陆系统 地面设备 航向台：108.1MHz111.9MHz 下滑台：329.3MHz335.0MHz 指点信标台：75MHz 机载接收机 航向/下滑接收机 指点信标接收机,26,航空用系统 5.3 陆基无线电导航系统,仪表着陆系统 地面设备 航向台：108.1MHz111.9MHz 下滑台：329.3MHz335.0MHz 指点信标台：75MHz 机载接收机 航向/下滑接收机 指点信标接收机 引导距离20n mile,27,航空用系统 5.3 陆基无线电导航系统,微波着陆系统 系统组成 航向台、下滑台：50315091MHz 机载机载设备精密测距器（DME/P）、接收机

14、 原理 航向台用扇形波束左右扫描，下滑台用扇形波束上下扫描,28,航空用系统 5.3 陆基无线电导航系统,微波着陆系统 系统组成 航向台、下滑台：50315091MHz 机载机载设备精密测距器（DME/P）、接收机 原理 航向台用扇形波束左右扫描，下滑台用扇形波束上下扫描 机载设备根据接收的地面台往返扫描信号的时间间隔计算距跑道中心线和下滑线的偏离角,29,航空用系统 5.3 陆基无线电导航系统,微波着陆系统 系统组成 航向台、下滑台：50315091MHz 机载机载设备精密测距器（DME/P）、接收机 原理 航向台用扇形波束左右扫描，下滑台用扇形波束上下扫描 机载设备根据接收的地面台往返扫描

15、信号的时间间隔计算距跑道中心线和下滑线的偏离角,30,航空用系统 5.3 陆基无线电导航系统,微波着陆系统 系统组成 航向台、下滑台：50315091MHz 机载机载设备精密测距器（DME/P）、接收机 原理 航向台用扇形波束左右扫描，下滑台用扇形波束上下扫描 机载设备根据接收的地面台往返扫描信号的时间间隔计算距跑道中心线和下滑线的偏离角 机载设备精密测距器发出询问信号，地面台发射应答信号，机载设备根据询问和应答信号之间的时间间隔，测出距地面台的距离,31,5.4 卫星导航定位系统,基本原理 通过测距方法进行导航定位 卫星发射经过编码调制的无线电连续波信号，编码中含有卫星信号准确的发射时间以及

16、不同时间卫星的准确位置(星历）等信息 根据接收机与卫星导航系统准确同步的时钟，测量信号到达时间，计算接收机与卫星间距离 测出接收机距离三颗卫星的距离，得到三个方程式，求解出三个未知数X、Y、Z，确定接收机的位置,32,5.4 卫星导航定位系统,基本原理 通过测距方法进行导航定位 卫星发射经过编码调制的无线电连续波信号，编码中含有卫星信号准确的发射时间以及不同时间卫星的准确位置(星历）等信息 根据接收机与卫星导航系统准确同步的时钟，测量信号到达时间，计算接收机与卫星间伪距 测出接收机距离四颗卫星的距离，得到四个方程式，求解出三个未知数X、Y、Z，确定接收机的位置,33,GPS系统 5.4 卫星导

17、航定位系统,系统组成 空间部分-GPS卫星（21+3） 接收和储存由地面监控站信息，调整卫星姿态、启动备用卫星 向GPS用户播送导航电文，提供导航和定位信息，C/A码(供世界范围内的民用) ，P码(只供美国军方使用) 通过高精度卫星钟向用户提供精密的标准时间,34,GPS系统 5.4 卫星导航定位系统,系统组成 空间部分-GPS卫星（21+3） 接收和储存由地面监控站信息，调整卫星姿态、启动备用卫星 向GPS用户播送导航电文，提供导航和定位信息，C/A码(供世界范围内的民用) ，P码(只供美国军方使用) 通过高精度卫星钟向用户提供精密的标准时间 地面控制部分-地面监控系统 卫星控制，跟踪卫星进

18、行定轨 实现时间同步,35,GPS系统 5.4 卫星导航定位系统,系统组成 空间部分-GPS卫星（21+3） 接收和储存由地面监控站信息，调整卫星姿态、启动备用卫星 向GPS用户播送导航电文，提供导航和定位信息，C/A码(供世界范围内的民用) ，P码(只供美国军方使用) 通过高精度卫星钟向用户提供精密的标准时间 地面控制部分-地面监控系统 卫星控制，跟踪卫星进行定轨 实现时间同步 用户设备部分-GPS信号接收机 接收卫星信号 对信号进行变换、放大和处理 解译导航电文，实时地计算出测站的三维位置，三维速度和时间,36,GPS系统 5.4 卫星导航定位系统,差分GPS,37,GPS系统 5.4 卫

19、星导航定位系统,差分GPS 工作原理 位置准确已知的点上设置GPS基准接收机 利用GPS定位值与准确位置的差，计算视界内卫星的伪距误差 利用此伪距误差校正其它GPS接收机的伪距值，提高定位精度,38,GPS系统 5.4 卫星导航定位系统,差分GPS 工作原理 位置准确已知的点上设置GPS基准接收机 利用GPS定位值与准确位置的差，计算视界内卫星的伪距误差 利用此伪距误差校正其它GPS接收机的伪距值，提高定位精度,39,GPS系统 5.4 卫星导航定位系统,差分GPS 工作原理 位置准确已知的点上设置GPS基准接收机 利用GPS定位值与准确位置的差，计算视界内卫星的伪距误差 利用此伪距误差校正其

20、它GPS接收机的伪距值，提高定位精度 局域增强系统（LAAS） 使用用GPS的L1 C/A码信号导航定位，用伏尔（VOR）的频段广播差分及卫星完好性信息，数据更新率更高 广域增强系统（WAAS） 基准站、主站、地面地球站、2颗 4颗地球静止卫星,40,GPS系统 5.4 卫星导航定位系统,GPS现代化 第一步 2000年5月1日开始停止了SA 第二步 发射GPS Block R-M卫星 增加发射L2C 信号和M码信号 第三步 发射BLOCK II F卫星 增加发射L5信号,41,GPS系统 5.4 卫星导航定位系统,GPS现代化 第一步 2000年5月1日开始停止了SA 第二步 发射GPS B

21、lock R-M卫星 增加发射L2C 信号和M码信号 第三步 发射BLOCK II F卫星 增加发射L5信号,42,GPS系统 5.4 卫星导航定位系统,GPS现代化 第一步 2000年5月1日开始停止了SA 第二步 发射GPS Block R-M卫星 增加发射L2C 信号和M码信号 第三步 发射BLOCK II F卫星 增加发射L5信号,43,GPS系统 5.4 卫星导航定位系统,GPS现代化 第一步 2000年5月1日开始停止了SA 第二步 发射GPS Block R-M卫星 增加发射L2C 信号和M码信号 第三步 发射BLOCK II F卫星 增加发射L5信号,44,GLONASS系统 5.4 卫星导航定位系统,Global Navigation Satellite System,GLONASS 系统组成 空间区段 21颗卫星和3颗工作备份卫星，分布于倾角64.8的三条圆形轨道上，离地高度19100km 采用频分多址接入方式（FDMA