南理工导航1-2014讲解.ppt

导航技术基础（1） 教师：李 胜 E-mail:livic@ 本课程参考资料 n导航系统理论与应用 ¨刘建业等编著，西北工业大学出版社，2010.03 n导航系统 ¨袁信等编著，航空工业出版社，1993 nGPS卫星导航定位原理与方法（第二版） ¨刘基余，科学出版社，2008 n惯性导航 ¨秦永元，科学出版社，2006.5 n导航与定位—信息化战争的北斗星 ¨李跃主编，国防工业出版社，2008 导航技术是一门重要的现代 综合性应用技术学科，它是飞机 、舰船、火箭、卫星、车辆等运 动载体能够顺利完成任务的关键 技术之一，也是国家科学技术实 力的一个重要标志 原始导航技术——司南 n司南，战国时期（475B.C.~221B.C.） 《韩非子·有度篇》 夫人臣之侵其主也，如地形焉， 即渐以往，使人主失端， 东西易面而不自知 故先王立司南以端朝夕 原始导航技术——指南车 n三国时期，魏国，马钧 原始导航技术——指南车 n指南车：又称司南车， 是中国古代劳动人民，利 用差速齿轮原理，制作的 一种用来指示方向的机械 装置 n“车虽回运而手常指南” ——晋书·舆服 志 原始导航技术——记里鼓车 n又称记里车、大章车，古代用来记录车辆行过距离的马车 原始导航技术——记里鼓车 n车上装有一组减速齿 轮，与轮轴相连。

车行 一里时，控制击鼓木人 的中平轮正好转动一周 ，木人便击鼓一次；车 行10里时，控制敲钟木 人的上平轮正好转动一 周，木人便敲钟一次 朱彧—《萍洲可谈》 舟师识地理， 夜则观星， 昼则观日， 阴晦观指南针 问题一：什么是导航技术？ 问题一：什么是导航技术？ 引导运载体或人员从一 个地方到达另一个地方的科学 技术 原始导航设备——罗盘 n罗盘，公元1098～1100，广州，商船 原始导航设备——牵星板 n过洋牵星术 n牵星板一副，十二片，乌木为 之，自小渐大，大者长七寸余 标为一指、二指，以至十二指， 俱有细刻，若分、寸然又有象 牙一块，长二寸，四角皆缺，上 有半指、半角、一角、三角等字 ，颠倒相向，盖周髀算尺也 原始导航设备——六分仪 n六分仪（Sextant） ¨由分度弧、指标臂、动镜 、定镜、望远镜和测微轮组 成，弧长约为圆周的六分之 一 ¨1730年英国数学家John Hadley 六分仪 六分仪原理演示 利用六分仪定位的基本步骤 n用六分仪测得某恒星的 高度角， n根据天文年历及时钟查 出该时刻恒星星下点的位 置 n在地图上作出一个等高 圆 n用同样的方法观测另外 一颗恒星可得到第二个等 高圆。

n两个圆有两个交点，一 个是舰船的真实位置，另 一个是虚假位置 2005年10月29日12:00~12:10 nAn old world map produced in Amsterdam 1689 天文导航（Celestial Navigation） n根据天体来测定运载器位置和航向的导航 技术，我们将其称为天体导航 n天体相对地球的运动规律是完全确定的， 因此可以利用观测天体的位置来解决导航问 题 n主要仪器星体跟踪器，标准时间发生器， 计算机三大部分 天文导航——星体跟踪仪 无线电导航 n1894~1906年，无线电的发明为导航系统的发展具有划时代的意义 Guglielmo Marconi Edwin Howard Armstrong Alexander Stepanovich Popov 无线电导航技术发展的初级阶段 n1912年，世界上第一个无线电导航系统， 即振幅式测向仪，也称为无线电罗盘，工作 频率0.1～1.75MHz n第一次世界大战期间（1914~1918年）， 海上无线电导航； n20世纪20年代，第一台航空导航无线电信 标在欧洲设立； n特点：航海导航技术领先，航空导航技术 许多是在航海导航技术启示下发展的；测向 能力强于定位能力。

无线电导航发展的中期阶段 n二战期间，海洋导航，罗兰A（LORAN） 系统的研制成功；采用脉冲信号，载频： 2MHz左右，作用范围：400海里 n50年代末期，LORAN-A的改进型LORAN- C研制成功，依然采用脉冲信号，作用距离： 1000海里（n mile） ¨采用脉冲包络技术，而且利用了脉冲载频相位 ¨完成了各台站间的同步和为用户接收机测量时间 差 LORAN系统台站在世界上的分布 无线电导航发展的中期阶段 n1968年，美国海军开发和使用的奥米加导 航系统(Omega Navigation System) n工作频率：10~14KHz的VLF， n优点：可以实现全球导航 n缺点： ¨定位精度一般在2~4海里左右 ¨易受干扰 ¨用户设备昂贵 奥米加导航系统的台站 La Moure Omega Transmitter 无线电导航发展的中期阶段 n仪表着陆系统 ¨1941年出现，1946年被国际民航组织认定为标准 着陆导航设备 n作用： ¨由地面发射的两束无线电信号实现航向道和下滑 道指引，建立一条由跑道指向空中的虚拟路径，飞 机通过机载接收设备，确定自身与该路径的相对位 置，使飞机沿正确方向飞向跑道并且平稳下降高度 ，最终实现安全着陆。

仪表着陆系统的组成 n一个完整的仪表着陆系统包括: ¨方向引导系统 ¨距离参考系统 ¨目视参考系统 仪表着陆系统——方向引导系统 n航向台 (Localizer, LOC/LLZ)，位于跑道 进近方向的远端，波束为角度很小的扇形， 提供飞机相对于跑道的航向道(水平位置)指引 ； n下滑台(Glide Slope, GS/Glide Path,GP) ，位于跑道入口端一侧，通过仰角为3度左右 的波束，提供飞机相对跑道入口的下滑道(垂 直位置)指引； The Glideslope station for runway 09R at Hanover Airport in Germany nLocalizer array and approach lighting at Whiteman Air Force Base, Johnson County, Missouri. 下降速度计算公式： RD =GA× (GS/ 60 ) × 100 其中： nRD：下降速率，Rate of Descent（ft/m） nGA：下滑角，Glideslope angle，（度） nGS：飞行速度，Groundspeed（节） n如果下滑角为标准3度，则公式可简化为: RD= 5×GS 仪表着陆系统—距离参考系统 n指点标(Marker Beacon)：提供飞机相对跑 道入口的粗略的距离信息； n距离测量设备(Distance Measuring Equipment, DME)会和仪表着陆系统同时安 装，使得飞机能够得到更精确的距离信息， 或者在某些场合替代指点标的作用； 仪表着陆系统—目视参考系统 n精密进近轨迹指示器 (Precision Approach Path Indicator, PAPI)，提供飞行器相 对正确的下滑道的位置的目视参 考。

n进近灯光系统 (Approach Light System, ALS)，供夜间或 者低能见度进近情况下提供跑道 入口位置和方向的醒目的目视参 考 进近灯光系统 无线电导航发展的中期阶段 n精密进近雷达（PAR, Precision approach radar） n作用：测量下滑中飞机的方位、仰角 和距离，再将飞机的实际位置和预定的 下滑道相比，然后由地面指示飞机的左 右上下运动 精密进近雷达（A/N GPN-22） 无线电导航发展的中期阶段 n伏尔系统 ¨1946年出现，并于1949年作为国际民航组织所接 受的甚高频全向信标（VHF omnidirectional range，简称VOR） n连续波工作体制 n工作频率：108~118MHz； n导航范围：200海里 n精度：± 4.5度 无线电导航发展的中期阶段 n距离测量设备（DME） n工作频率：960~1215MHz n工作距离：200海里 n精度：0.5海里 n采用问答式工作机制，根据时间 差得到测量距离 伏尔测距系统 无线电导航发展的中期阶段 n塔康系统（Tactical Air Navigation） n主要用于航空母舰保障舰载飞机沿预定航 线飞向目标，机群的空中集结，以及在复杂 气象条件下引导飞机归航和进场。

n工作频率：960~1215MHz n工作范围：200海里 n精度： ±1度和±400m VOR/DME antenna array Tactical Air Navigation 无线电导航发展的中期阶段 n伏塔克系统 无线电导航发展的中期阶段 几种无线电导航系统的比较 美俄导航系统对比 无线电导航发展的中期阶段 n多普勒导航系统 ¨由多普勒导航雷达和导航计算机组成 无线电导航发展的后期阶段 n卫星导航系统 ¨利用人造地球卫星进行定位的导航系 统 ¨由地面站、导航卫星网、卫星导航定 位接收设备3大部分组成 ¨其定位方法有：测多普勒频移、测距 和测距差等类型 无线电导航的特点 n无线电导航主要利用： ¨①电磁波在自由空间的直线传播 ¨②电磁波在自由空间的传播速度是恒定的 ¨③电磁波在传播路线上遇到障碍物时会发生反射 n优点：不受时间、天气限制，精度高，定位时间 短，设备可靠性高； n缺点： ¨必须辐射和接收无线电波而易被发现和干扰， ¨需要载体外的导航台支持，一旦导航台失效，与之对应的 导航设备无法使用； 惯性导航系统 n定义：使用惯性框架（inertial frame)通过 测量物体加速度和旋转(rotation)来判断运载 体方向和位置的系统。

n工作原理：利用惯性设备测量出运载体在 东向、北向和垂直方向上的速度，然后分别 积分，以算出各个方向上所经过的距离，并 在此基础上算出运载体所经过的距离与方向 惯性导航系统 n优点： ¨不依赖于外界导航台和电波的传播； ¨应用不受外界环境限制； ¨隐蔽性好；生存能力强； ¨不受干扰；无法反利用； n缺点： ¨误差随时间而积累；长时间工作时需要校准； 导航系统的分类 n根据导航系统对外界信息的依赖程度 ，可将其划分为： ¨自主导航系统：不依赖外界信息的导航系 统； ¨非自主导航系统：依赖外界信息的导航系 统； ¨半自主导航系统：所依赖的外界信息是自 然界所固有的 导航系统的分类 n根据导航系统对外界信息的依赖程度，可 将其划分为： n自主导航系统 ¨惯性导航系统 n非自主导航系统 ¨无线电导航系统（包括卫星导航系统） n半自主导航系统 ¨天文导航系统 组合导航系统 n两种或两种以上导航技术的组合，组合后 的导航系统称为组合导航系统比如： ¨惯性/卫星组合导航系统 nINS/GPS Navigation System ¨惯性/多普勒导航系统 nINS/Doppler Navigation System ¨惯性/天文导航系统 nINS/Celestial Navigation System ¨惯性/伏塔台导航系统 nINS/VORTAC Navigation System 总结 n导航技术的定义 ¨引导运载体或人员从一个地方到达另一个地方的 科学技术。

n导航技术的发展 n导航系统的分类 ¨自主、非自主、半自主导航系统 复习题 n下列哪些设备是导航设备？ ¨1.里程计 ¨2.高度表 ¨3.罗盘 ¨4.指北针 ¨5.GPS导航仪 ¨6.方向盘 ¨7.雷达 ¨8.摄像机 ¨9.瞄准仪 ¨10.陀螺仪 ¨11.加速度计 ¨12.直角仪 nCross-Staff（直角仪） n又称：Jacob's staff nhttp://en.wikipedia.org /wiki/Jacob%27s_staff n下面哪个系统可以为水下潜艇导航？ ¨1.罗兰A系统 ¨2.罗兰C系统 ¨3.OMEGA系统 ¨4.CHAYKA系统 n勇气号有可能采用下面哪种导航技术？ ¨1.无线电导航 ¨2.天文导航 ¨3.惯性导航 ¨4.视觉。