第0章+无线电导航绪论.ppt

1、1,航空航天无线电导航,孙国良 北航204教研室,2,1、无线电导航原理魏光顺等， 东南大学出版社 2、航空机载电子系统与设备以光瞿，北航出版社 3、GPS原理与应用邱致和等译，电子工业出版社 4、卫星无线电导航 言中等，国防工业出版社 5、导航与定位-现代战争的北斗星 干国强等，国防工业出版社 6、GPS/INS组合导航系统原理及应用 张守信等，国防工业出版社 7、无线电导航原理与系统 北京航空航天大学出版社,参考资料：,3,考核方式,开卷考试 40% SCI文章研读 30% 专题讨论课 30% 深空通信 星际导航 量子导航,4,课程内容,绪论 第一章、无线电导航理论基础 第二章、无线电导航

2、基本原理 第三章、经典无线电导航系统 第四章、卫星导航系统 第五章、现代导航理论与算法 第六章、军用战术通信导航系统,5,一、历史回顾,导航 目的：在哪里？到哪里去？怎么去？ 定义：以某种手段或方式引导航行体安全、准确、经济、便捷地在既定的时间内，按照既定的航行路线，准时地到达目的地。 导航是一个时空联合概念。,狩猎为生猎物活动地点导航台雏形 袭击猎物双眼确定投掷武器的地点和方位。 动物迁徙能够知道迁徙的路径,导航方式的演进,公元前2600年，黄帝指南车 公元前1000年，古希腊人天文星历导航 公元前100年，地球经纬及近代天文导航 公元2797年，磁指南针（司南） 1569年，荷兰 世界海图

3、 1731年，英国六分仪 19世纪末20世纪初无线电导航 。,6,7,二、导航的方式及分类,按照物理规律的不同进行划分 1、惯性导航 2、地形辅助导航 3、天文导航 4、场导航 5、量子导航 6、无线电导航,8,1、惯性导航,牛顿力学定律是惯性导航的理论基础。 测量：依靠惯性敏感元件（加速度计和陀螺仪）测得载体的运动信息比力和角运动 解算：积分运算得到速度、位置、姿态等导航信息。,9,10,组成： 加速度计、平台、导航计算机、控制显示器。 按照安装方式，可分为：平台式和捷联式。 （一）平台式惯性导航系统 测量装置安装在惯性物理平台的台体上，利用陀螺通过伺服电机驱动来稳定平台，始终维持一个空间直

4、角坐标系（导航坐标系）。 （二）捷联式惯性导航系统 没有实体平台，陀螺仪和加速度直接安装在载体上。,11,12,特点,平台式惯导系统 惯性平台能够隔离载体的角振动，为惯性仪表提供了较好的工作条件； 平台能够直接建立导航坐标系，计算方便，容易补偿和修正测量仪表的输出， 结构复杂，尺寸过大，价格昂贵。 捷联式惯导系统 省去了物理平台，结构简单，体积小，维护方便； 陀螺仪和加速度机直接安装在载体上，工作条件不好，从而影响仪表的测量精度。 捷联惯导可靠性高，初始对准快，应用更广泛。,13,14,2、地形辅助导航,古老且常用的导航方式。 现代 事先侦测到地形地貌存在地形数据库中,使用时通过测量与存储地形

5、信息进行匹配 特点： 系统不依赖于外部设备，不受地形遮挡的影响。 系统适合低空、超低空的战术飞行要求。 可以在电子对抗环境中为高精度打击、回避地空导弹 、低空突防、隐蔽导航等提供服务。,两大类地形匹配系统,地形高度匹配 载体经过匹配区时，测量高度与存储进行相关比较，从而确定位置、航迹等导航信息，并对载体进行修正，以恢复预定航线，然后再飞往下一个匹配区，由此便可以持续进行导航 主要用于巡航导航 地形景象匹配 通过数字景象匹配器与载体飞越区域的景象进行相关匹配，从而得到高的导航精度， 主要用于末制导。,15,16,3、天文导航,利用对星体的观测，根据星体在天空的固有运动规律提供的信息来确定飞行器的

6、运动参数。 二千多年前，我国就已有天文方法应用于航海的记载。 十八世纪，欧洲出现了船上使用的测角仪器六分仪和计时仪器航海天文钟，使天测船位的精度有明显的提高。,六分仪,六分仪测量经纬度的前提是当前时间已知。测量出天体（一般用太阳）上中天时的地平高度，再查阅天文年历当天该天体的赤道坐标，只需代入公式： cos z = sin sin + cos cos cos t 当地纬度,z是天体天顶距（90度减去地平高度），是天体的赤纬，t是时角，可以由地方恒星时与天体赤经相减得出,17,18,航空天文导航只跟踪亮度较强的恒星，而航天中则要用到亮度较弱的恒星或其他天体。 天文导航系统是自主式系统， 不受人工

7、和自然电磁场的干扰， 不向外辐射电磁波，隐蔽性好， 定向精度高。 天文导航技术进入了一个新的发展阶段 航天飞机、远程弹道导弹等高精度高可靠性组合导航系统。,19,4、场导航,古老的导航方式 地磁场导航 中国四大发明之一的指南针。 中世纪的航海以及后来的郑和下西洋、美洲新大陆的发现都起了重要的作用。 现代的飞机上仍然装备有磁罗盘。 引力场导航 是近几十年发展起来的一种导航方式，特别用在太空探测和宇宙航行。 高精度梯度仪的出现，卫星的姿态稳定和地球标准水平面的测量。,20,5、量子导航,近几年刚刚提出的新概念，揭开了高精密亚毫米级定位领域的新篇章。 剑桥、麻省理工大学的研究表明 将光量子与量子特性

8、相结合后，精确度大为提高。交织状态下，光量子频率经链接后，将以同一速度进行传播，并同时到达目的地。,21,6、无线电导航,一般由运载体上的导航设备和地面或卫星上的导航台（站）组成，通过测量导航设备和导航台站之间电波的幅、频、相等电参量获得导航信息 受外界条件限制较小。 测量导航参数的精度较高，测量速度快。 系统体积小、重量轻，可靠性高。 系统价廉经济，易于推广和流行。 可以在近、中、远距离上方便的完成导航任务。,22,无线电导航的任务,导引运载体沿既定航线航行； 确定运载体当前所处的位置及其航行参数，包括航向、速度、姿态等实时运动状态； 导引运载体在夜间和复杂气象条件下的安全着陆或进港； 保证

9、运载体准确、安全地完成航行任务所需要的其它导引任务。,23,三、无线电导航定义及分类,能够完成全部或部分无线电导航功能（或任务）的技术装置组合称为无线电导航系统或设备。 置于地面、船舰或已知运动轨迹的卫星上，为其它用户提供导航定位功能的无线电导航系统或设备，称为无线电导航台（站）。,24,四、无线电导航系统的分类,按所测量的电气参量划分为： 振幅式无线电导航系统； 相位式无线电导航系统； 频率式无线电导航系统； 脉冲（时间）式无线电导航系统； 复合无线电导航系统：可同时测量两个或以上相同或不同的电气参量的系统。,25,按所测量的几何参量（或位置线的几何形状）划分： 测角无线电导航系统 测距（差

10、）无线电导航系统 TOA测量无线电导航系统 按系统的组成情况划分： 自主式（自备式）无线电导航系统 非自主式（它备式）无线电导航系统,26,按无线电导航台（站）的安装地点划分 陆基无线电导航系统 空基无线电导航系统 星基无线电导航系统 按有效作用距离划分： 近程导航系统：其有效作用距离在500公里之内； 远程导航系统：有效作用距离大于500公里。 按工作体制划分 有源工作方式导航系统 无源工作方式导航系统,27,五、无线电导航性能指标,导航作用：为载体航行提供引导服务。 必须满足航行所提出的特定要求，正是这些要求引出了导航系统的性能指标。 导航系统的指标主要有： 导航精度、 可用性、 可靠性、

11、 完善性、 工作区域、 数据更新率、系统容量等。,28,导航服务时，所提供的导航参量与其真实值之间的逼近程度。 在定位方面，指导航系统为航行体提供的航行体的实时位置与实际位置之间的拟和程度。 导航精度越高，提供的位置与实际位置的差距就越小，航行体也就越能够安全地沿既定的路线航行。 精度受到各种因素的影响 如气候、地理条件、几何分布等。 误差通常说来，有系统性偏差，也有随机起伏误差。 导航精度是一个随机统计量。,1、精度：,精度描述,一维导航参量，通常采用均方差的倍数衡量。 如系统给定的高度误差，可以用2来表征，不严格认为其置信度为95%（假设为高斯概率分布）。 二维导航参量，通常用距离误差均方

12、根值(DRMS)来描述（假定服从X2分布）。 DRMS是一个绝对统计值，不能反映误差的方向，只能反映大小。如果考虑误差的方向及大小，则需要用误差椭圆的概念来描述。,29,30,椭圆的扁率将影响DRMS与置信度之间的关系。 如果椭圆很扁，趋于一条直线，则2DRMS代表95%的置信度 如果趋于圆，则置信度将趋于98%。 圆概率误差（CEP） 在军事上常用的水平定位误差的衡量指标 以用户真实的位置为圆心，定位结果50%的概率落在其中的圆的半径。 一般来说，2DRMS相当于CEP的2.5倍左右。,31,2、工作区域,导航系统都只能在一定的空间区域内向运载体提供规定概率精度水平的导航服务，满足上述服务要

13、求的区域称为导航系统的工作区。 工作区由系统的几何配置、工作频段、辐射功率、天线的方向性、接收机性能、大气噪声条件和影响信号可利用性的其他因素决定。,不同性质系统的工作区,测角或者测距的引导系统 工作区也以信号噪声比(简称信噪比)或最大作用距离来简单定义。 无线电导航定位系统 其工作区往往比较复杂 系统台站几何配置将极大影响工作区的分布,32,33,3、连续性、可用性和可靠性,连续性 导航系统可连续提供导航服务的性能。 可用性 系统为载体提供可用服务的时间百分比。 可靠性 导航系统在给定的使用条件下（规定时间内）能够完成既定性能的导航功能的概率，用来标志发生故障的频度。,34,4、系统容量,导

14、航系统提供的是一种导航服务，面向的是载体用户。 有的系统是不存在用户上限的，如无源定位系统。 有些系统只能够为单一用户进行导航，如惯导，多普勒，高度表等等。 还有一些系统，需要识别服务的用户，并要进行相应的通信和信息处理，这样的系统便存在用户上限。 系统的容量指的是系统在一定实时性的要求下，所能够提供导航服务用户的最大数量。,35,5、完善性,所谓完善性指的是当系统发生故障或误差超出了允许的范围时及时发出告警的能力。 对于导航系统而言，完善性是非常重要的。因为如果系统出现故障，而不能及时发现和告警将有可能造成巨大的损失。 除了系统设计时有自我告警的能力外，往往需要多设备提供冗余信息来提高系统完

15、善性。,36,六、无线电导航发展及前景,经历了三个典型的发展阶段 以定向引导为主的早期阶段， 全面开展、日趋完善的发展阶段， 卫星导航应用普及、组合导航的成熟阶段； 无线电导航的应用范围也经历了从单一功能引导到全方位引导、从单一系统到多系统组合、从单领域应用到多领域普及的发展过程。,37,20世纪初至第二次世界大战前 发明了无线电测向技术，真正成为了可用于引导航行的可靠装置，具有划时代的意义。 主要用来引导运载体出航、归航和按预定航线航行，使近海航海和发达地区的航空有了较为可靠和精确的保障。 特点是航海导航技术领先于航空导航，测向能力优于定位能力，主要以振幅导航系统为主。,早期阶段,38,19

16、02年J.Stone发明了无线电测向技术 1912年研制出世界上第一个无线电导航设备，即测向仪，也称无线电罗盘。 ADF第一次世界大战广泛应用，测向或定位。 20世纪初，出现了用无线电测速仪与测向仪结合，最早采用无线电进行推航的方法。 20年代末期，陆续出现了四航道信标、航空无线电信标（又叫无方向信标NDB）及垂直指点信标（75MHz信标），用于给飞机提供航道指引。 二次世界大战中，德国研制成功小型测向仪装上飞机，利用伦敦广播电台的广播导航，实现了对伦敦的轰炸,39,第二次世界大战至六十年代初 该时期的主要特点是： 大量的无线电系统开始出现，如无线电高度表，相位测向系统，频率测速导航系统等；

17、多种测量方法和技术进行联合使用，复合导航系统开始出现和应用； 高精度，远程导航定位系统的研制提上日程,发展阶段,40,二次大战后期，人们认识到了航空作战在军事上的重要性。因此，航空无线电导航技术得到了迅猛的发展。 1941年设计成功了仪表着陆系统，并在1946年被国际民航组织定为标准着陆引导设备。 1945年左右多普勒导航系统开始空军上使用，大量装备各类轰炸机、战斗机、直升机、运输机和大型客机上。 另外，此时的航空用的无线电信标台、伏尔、DME等系统也得到了完善和改进。,41,1955年，在美国海军的资助下开发了塔康系统。 塔康的设计目的是为航空母舰的战斗群进行高精度导航，其导航天线体积较小，

18、适合于机动安装。 塔康也是测角和测距的复合式导航，其功能基本与伏尔和DME相似。 二次世界大战及战后，无线电导航技术得到了快速的发展。此间研制和部署了大量的无线电导航系统，使导航信号基本覆盖了全球，形成了较完备的导航体系。,远程导航系统,罗兰-A系统，采用脉冲技术，作用范围约400海里。系统需要建立多个台站以完成导航工作并进行大范围的覆盖。 该系统能够给出连续准确的位置信息，因此在二十世纪80年代前都作为海用导航的重要手段。80年代后被更先进的罗兰-C所代替。,42,43,罗兰-C是由美国的海岸警卫队在50年代末研制成功的。导航方式跟罗兰-A基本相同，但作用距离可以达到1000海里，可以用作远

19、程导航系统。 由于系统不仅利用脉冲包络测量信号，而且利用了载频相位进行测量，因此精度也得到大大的提高，授时精度可以达到微秒级。 北大西洋、北太平洋、地中海、中国沿海、美国本土和苏联（现在的俄罗斯）总共建设了60多个台站。1975年，罗兰-C被美国宣布为标准航海导航系统,全球导航系统,美国为了实现其世界霸主的地位，迫切需要一种全球导航系统，50年代中期开始研制甚低频全球导航系统：奥米伽。 系统的工作频率在1014kHz之间，采用连续波方式，双曲定位体制，全球建立8个台站进行覆盖。 初始设计目的是为了校准潜艇的惯性导航系统，但却更多的在远区或越洋的飞机上得到了应用。 系统的精度不高，设备昂贵，数据

20、更新率低，所以的历史寿命并不长，随着美国GPS计划的实现，1997年美国宣布关闭该系统。,44,45,战后的美国，经济的快速发展，没有满足于其在二战中的即得利益。 美国国防部实施其全球战略的第一步便是建立全球性的高精度的导航系统卫星导航系统 1964年，美国子午仪卫星发射成功，全球共有7颗卫星，基本满足了全球导航的需要,成熟阶段,卫星导航,在子午仪的基础上，美国的海军和空军联合起来研制了新型全球卫星导航系统GPS。 美国的冷战对手的前苏联也不甘示弱，紧随其后建设了GLONASS全球导航星系统。 西欧等国从经济和军事上考虑，启动建设伽利略卫星导航系统。 中国在完成一代区域性卫导的基础上，开始建设全球性的卫星导航系统。,46,47,四、导航前景展望,导航技术随着人类社会的发展而发展，并且对社会生产力的提高起到了重要的作用。 第二次世界大战及战后形成的陆基无线电导航系统奠定了现代导航系统的主体框架。 随之出现的卫星导航系统，将无线电导航带入新的时期。GPS和GLONASS是这个时期的典范。 它