导航技术应用概述与组合导航基本概念

1、第1讲 导航系统简介 2 主要内容 l1 导航技术的定义与分类 l2 组合导航系统 l3 各导航系统基本原理 3 1 导航技术的定义与分类 l什么是导航 l有哪些导航方法 4 l导航 l目的 在哪里 到哪里去 怎么去 l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 l导航要实时 连续的给出载体的位置 速度 姿态角 加速度 航向等导航参数 5 1 导航技术的定义与分类 无线电导航 现有导航系统 天文导航 惯性导航 卫星导航 数据库参考导航 组合 导航 系统 地文导航 推位导航 6 l组合导航系统 通过对两种或多种导航系统测量或输出信息进 行综合处理 应用卡尔曼滤波等数据处理技 术 获得更高的导航精度和可靠性 集各个 子系统的优点于一身 l组合导航目的 获得更好的精度 可靠 性等 2 组合导航系统 7 1 协合超越 l利用各子系统的导航信息并作有机处理 形成单个子 系统不具备的功能和精度 2 性能互补 l组合导航系统综合利用了各子系统的信息 使各子系 统取长补短 提高适用范围 3 互为余度 l各子系统观测同一信息源 测量冗

2、余 增加了导航系 统的可靠性 组合导航技术可以克服单一导航设备各自的缺点 扬长避 短 使得导航能力 精度 可靠性和自动化程度大大提高 2 组合导航系统 组合导航系统特点 8 2 组合导航系统 l组合方式 惯导 卫星组合导航系统 惯导 多普勒组合导航系统 惯导 天文组合导航系统 惯导 卫星 天文组合导航系统 以惯导为主系统 9 l组合导航的基本思想 l惯性导航系统的输出信号与独立测量的由其它 导航系统导出的相同的量进行比较 l通过卡尔曼滤波器或其他滤波方法给出对导航 系统误差的实时估计 l通过适当的校正方式 对惯性导航系统进行修 正 就有可能获得比单独惯性系统更高的导航 精度 2 组合导航系统 10 本课程所涉及的主要内容 l第一部分 组合导航系统理论基础 组合导航的基本概念 典型的导航系统的工作原理及特点 导航系统误差分析及建模方法 l第二部分 状态估计部分 组合导航系统状态估计方法 卡尔曼滤波 扩展卡 尔曼 无迹卡尔曼滤波 粒子滤波 联邦滤波 l第三部分 组合导航系统举例 INS GPS组合导航系统 INS DVL组合导航系统 11 考核方式 l考试 闭卷考试 l总成绩 平时成绩 卷

3、面成绩 参考教材 组合导航系统 孙枫 惯性导航系统 黄德鸣 捷联惯导系统原理 陈哲 卡尔曼滤波与组合导航原理 秦永元 12 3 各导航系统基本原理 13 无线电导航 现有导航系统 天文导航 惯性导航 卫星导航 数据库参考导航 组合 导航 系统 地文导航 推位导航 3 1 数据库参考导航 DBRN database reference navigation l地球的陆地上或海床上的每个点有独一无二 的三维位置 即经度 纬度和相对于海平面 的高度或深度 这个点也有独一无二的磁力 和重力度量值 l基本原理 利用预先测量的数据库或地图作 为参考 与传感器测量信息进行比较和匹配 来确定位置 14 3 1 数据库参考导航 DBRN database reference navigation l地磁导航 Geomagnetic Navigation l重力导航 Gravity Navigation l地形导航 Terrain Aided Navigation 特点 由于可获取的各种数据资源的条件限 制 数据库参考系统往往不能为航行体提供 全程连续导航 所以通常和其他导航系统结 合在一起使用 15 1

4、6 地文导航又称为陆标定位 是一种通过观测陆标 与船泊只见的某种相互位置关系进行定位的方法 陆标是指海图上标有准确位置可供目视或雷达观 测 用以导航或定位的山头 岛屿 灯塔 立标 及其它显著固定物标的统称 利用罗经 测距仪和六分仪等观测仪器 观测陆 标的方位 距离和水平角 按一定法则确定船位 3 2 地文导航 Terrestrial Navigation 17 l船位线 Line of Position 在导航上 凡是观测值相等 点的轨迹称为等值线 在导航定位中常称为位置线或船位 线 陆标定位使用的船位线主要有以下三种 方位船位线 距离船位线和水平角船位线 3 2 地文导航 Terrestrial Navigation 18 基本原理 当船舶航行时 如对某一物标进行观 测 则观测时的船位必然位于该船位线上的某一 点 但究竟位于哪一点 单有一条船位线是无法 确定的 如能在同一时刻测得两条或两条以上的 船位线 则它们的交点即为观测时的船位 这就 是陆标定位的原理 这一原理在导航定位系统中 是普遍适用的 2 地文导航 Terrestrial Navigation 19 l利用各种船位线组合起

5、来进行定位 可得到不同的定位方 法 常用的定位方法有 两标方位法 三标方位法 三标 两角法 两标距离法 三标距离法 方位距离法以及方位 水平角法等 3 2 地文导航 Terrestrial Navigation 两标方位法三标方位法 20 特点 这种导航简单 可靠 但受气象条件影响 比较严重 在能见度低的情况下很难测到目标 无法进行导航 在无物标的大海 沙漠中利用这 种方法导航也很困难 3 2 地文导航 Terrestrial Navigation 21 3 3 推位导航 DR Dead reckoning l基本原理 起始时刻的位置 已知 速度的大小和方向可 通过测量得到 则下一时刻 的位置可通过计算得到 3 3 推位导航 DR Dead reckoning 航向 磁罗经 陀螺罗经 平台罗经 惯性导航 航速 水压计程仪 电磁计程仪 多普勒计程 仪 声相关计程仪 多普勒效应 当机械波或电磁波的发射源与接收 点间沿两者连线方向存在相对速度时 接收频率与 发射频率并不相同 这一频率差称为多普勒频移 23 3 4 惯性导航 INS Inertial navigation 惯性导航是完全不依赖

6、于外部声 光 电 磁传播的 信号自主式的进行导航定位的手段 因而它不受地域 的限制 不受自然和人为的干扰和影响 无论太空 空间 地面 地下 水面 水下都能全天候可靠的工 作 24 这种不依赖外界信息 只靠对载体 vehicle 本身的惯性测量 来完成导航任务的技术称作惯性导航 3 4 惯性导航 INS Inertial navigation 25 l用什么测量加速度大小 加速度计 accelerometer l用什么确定加速度方向 陀螺仪 gyroscope 陀螺仪和加速度计是惯性系统最关键的核心 惯性器件 3 4 惯性导航 INS Inertial navigation 26 惯性导航的重要性 洲际导弹 战略远程轰炸机 导弹 核潜艇构成了三大战略威 慑力量 而这三大战略威慑力量都离不开惯性技术的支撑 3 4 惯性导航 INS Inertial navigation 27 b 惯性导航系统的组成及工作原理 惯性导航系统的基本组成元件为陀螺仪和加速度计 28 各种惯性导航系统 29 3 4 惯性导航 INS Inertial navigation 30 惯性导航涉及的问题 l什么是惯性空

7、间 坐标系及坐标系变换 惯性导航1 坐标系及方向余弦 l用什么测加速度 怎么测加速度 惯性导航2 加速度及比力方程 l有了加速度 怎么求速度 怎么求位置 控制方程 基本方程 误差方程 惯性导航3 平台式惯导系统基本原理 l捷联惯导系统 惯性导航4 捷联惯导系统基本原理 3 4 惯性导航 INS Inertial navigation 31 l优点 1 依靠自身测量的加速度推算位置 自主式导航系统 2 不需要接收外部信息 不受外界干扰 3 不向外辐射能量 隐蔽性好 4 测量位置的同时 还能测量姿态角 l缺点 1 位置由加速度经二次积分获得 误差随时间积累 2 对惯性元件精度要求高 系统成本高 3 4 惯性导航 INS Inertial navigation 32 无线电导航的基本任务是 测距和测向 1 在同一介质中 无线电波按直线传播 2 在同一介质中 无线电波的传播速度为 常数 3 无线电波具有反射性 无线电波的上述3个基本特性为测距和测向奠 定了基础 利用直线传播特性可测定辐射电波的 目标方向 而恒速特性可测定目标的距离 3 5 无线电导航 Radio navigation 33 l

8、利用无线电导航技术实现船舶导航定位主要 是确定船舶的位置线 无线电导航主要有三 种方法 即测量方位法 测量距离法和测量 距离差法 3 5 无线电导航 Radio navigation 1 测量方位法 测向法 通过测量无线电指向目标的 方位 分最小值 最大值 比 较测量法 确定船舶所处位置 线 测量方位法 34 测量距离法 3 5 无线电导航 Radio navigation 2 测距法 通过测定船 舶与无线电发射台的距离 确定船舶所处的位置圆 再 由不同的导航台测出两条或 两条以上的位置线 从而确 定船位 35 测量距离差法 3 5 无线电导航 Radio navigation 3 测距离差法 根据船舶与两个无线电发射台的距离 之差为常数 确定船舶所处的位置线 以导航台为焦点 的双曲线 再由不同导航台测出两条或两条以上的位置线 从而确定船位 36 罗兰系统 LORAN 罗兰C 1957年建成 1960年以后得到大力发展 主要 用于航海 美国研制 罗兰C系统是一种低频脉冲双曲线导航系统 属于测距差 双曲线导航系统 同时利用脉冲信号和载波相位来测量 距离差 进而求得双曲线位置线实现定位 劳

9、兰C采用90 110kHz的低频频率 该频率传播距离远 1000海里左右 稳定性好 l缺点 无线电传播不稳定及噪音干扰 只能定位 无法给出载体姿态 3 5 无线电导航 Radio navigation 37 天文导航是根据天上星 座的运行规律来对地面 上的目标进行定位的 通过观测星体相对地球 的位置参数 例如仰角 以及观测时间 即可 确定观测者在地球上的 位置 从而引导运动体 航行 这就是天文导航 或天体导航 3 6 天文导航 Celestial navigation 38 l天文船位圆法 l每测量一个天体的高度和顶距时 必位于以该天体投影点b 为圆心 以 为半径的等高圆上 天文船位圆或位置圆 因此就获得了一部分与自身地理位置有关的信息 继续观 测第二个天体 得到另一个等高圆 这两个等高圆在地球 表面上相交于两点 其中一点就是测者所在地 3 6 天文导航 Celestial navigation 39 l为了测得船位 测者在同一地点至少要观测两个 天体 便可得到两个天文船位圆 它们相交得到 两个交点 由于天文船位圆的半径很大 这两个 交点相距很远 因此 靠近推算船位的一个交点 就是测者

10、的观测船位 这就是天文船位圆原理 也就是通常所指的双星定位原理 l也可以用第三颗星来消除模糊度 即三星定位原 理 3 6 天文导航 Celestial navigation 40 l天文导航的特点 1 天文导航系统是自主式系统 不需要地面设备 2 不受人工或自然形成的电磁场的干扰 3 不向外辐射电磁波 隐蔽性好 4 定向 定位精度高 定位误差不随时间累积 缺点 受天气影响 只能实现定位 无法测姿 需 要水平平台作观测平台 3 6 天文导航 Celestial navigation 41 q工作原理 卫星定位系统都是利用在空间飞行的卫 星不断向地面广播发送某种频率并加载 了某些特殊定位信息的无线电信号来实 现定位测量的定位系统 3 7 卫星导航 Satellite navigation 42 3 7 卫星导航 Satellite navigation 车辆导航管理 对航空器的定位及导航 车辆导航 配备GPS的巡警 43 3 7 卫星导航 Satellite navigation lGPS全球定位系统 lGLONASS全球定位系统 lGALILEO全球定位系统 l北斗导航定位系统 44 l

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