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第1章绪论1.1导航的发展简史1.1.1导航的基本概念导航是一门研究导航原理和导航技术装置的学科。导航系统是确定航行体的位置方向，并引导其按预定航线航行的整套设备（包括航行体上的、空间的、地面上的设备）。一架飞机从一个机场起飞，希望准确的飞到另外一个机场就必须依靠导航、制导技术。导航，即引导航行的意思，也就是正确的引导航行体沿预定的航线，以要求的精度，在指定的时间内将航行体引导至目的地。由此可知除了知道起始点和目标位置之外，还要知道航向体的位置、速度、姿态等导航参数。其中最主要的是知道航行体的位置。1.1.2导航系统的发展在古代，我们的祖先一直利用天上的星星进行导航，在古石器时代，为了狩猎方便，人们利用简单的恒星导航方法，这就是最早的天文导航方法。后来，随着技术的不断发展和人们对事物认知的发展，人们利用导航传感器来导航，最早是我们祖先发明的指南针。现有的导航传感器包括六分仪、磁罗盘、无线电罗盘、空速表、气压高度表、惯性传感器、雷达、星体跟踪器、信号接收机等。以航空领域为例，从20世纪20年代开始飞机出现了仪表导航系统。30年代出现了无线电导航系统，即依靠飞机上的信标接收机和无线电罗盘来获得地面导航台的信息已进行导航。40年代开始研制甚高频导航系统。1954年，惯性导航系统在飞机上试飞成功，从而开创了惯导时代。50年代出现了天文导航系统和多普勒导航系统。1957年世界上第一颗卫星发射成功以后，利用卫星进行导航、定位的研究工作被提上了议事日程，并着手建立海事卫星系统用于导航定位。随着1967年海事卫星系统经美国政府批准对其广播星历解密并提供民用，由此显示出卫星定位的巨大潜力。60年代开始使用远程无线电罗兰-C导航系统，同时还有塔康导航系统、远程奥米伽导航系统以及自动天文导航系统。60年代后，无线电导航得到进一步发展，并与人造卫星导航相结合。70年代以后，全球定位导航系统得到进一步发展和应用。在此过程中，为了发挥不同导航系统的优点，互为补充，出现了各种组合导航系统，它们主要以惯性导航系统为基准。80年代以后，导航系统主要朝着以惯性导航系统为基础的组合导航系统，可组合的传感器除了GPS外还有星光、地形和各种无线电导航装置。1.1.3导航系统的任务导航系统的任务是确定载体的位置，并把载体由目前所在的地点按照给定的时间和航线引导到目的地，为此导航系统应该能够提供以下导航信号：1）载体质量中心所在地的“定位信号”；2）载体的“定向信号”；3）载体的“速度信号”。根据以上导航信号，需要调整载体的航行方向和速度，保证载体按照给定的时间和航线到达目的地。1.2导航系统简介1.2.1无线电导航系统无线电导航系统是利用无线电技术测量导航参数，包括多普勒效应测速、利用雷达原理测量距离和方位、用导航台来定位等，它是一种广泛使用的导航系统。此系统的优点是：不受使用时间和气候条件的限制，设备较简单，可靠度较高等。但它输出的信息主要是载体位置且工作范围受地面台覆盖区域的限制，这种系统的工作与无线电波传播条件有关，在某种程度上受人工干扰的影响。1.2.2卫星导航系统卫星导航系统是天文导航和无线电导航结合的一大产物，不过是把无线电导航台放在人造卫星上罢了。当然，这种导航方法只有在航天技术充分发展的今天才有实现的可能。20世纪60年代初，旨在服务于美国海军舰只的子午仪卫星导航系统出现了，70年代提供给民用，利用装在航行体上的接收机，接收导航卫星发出的无线电信号，并测量因卫星相对卫星接收机用户不断运动而产生的多普勒频移，由此确定航行体在地球上的位置等导航参数。GPS是美国国防部研制的第二代卫星导航系统。在过去的几年，使全球航行系统和空中交通管制系统发生深刻变革的根源是卫星导航。ICAO将其命名为GNSS，其中可能包括各国或组织的空间卫星系统。GNSS=GPS+GLONASS+INMARSAT-III+MTSAT+GIT……。目前，已经达到完全运行状态的卫星导航系统只有美国研制的全球定位系统（GPS）。1.2.3天文导航系统天文导航系统是利用天文方法观测星辰日月等天体来确定航行体的位置，以引导航行体沿预定航线到达目的地的一种导航方法。天文导航最早在航海方面发展起来，利用六分仪人工观测星体高度角来确定航行体的位置，现在发展为星体跟踪器测高度角及方位角来推算航行体在地球上的位置及航向。它是利用光学或射电望远镜接收星体发射来的电磁波去跟踪星体，在地球附近导航将受到云层及气象条件的限制，在空气稀薄的高空和宇宙航行，则是比较理想的。它也是一种自主式的导航系统，不需要地面设备支持，不受人工或自然形成的电磁干扰，不向外辐射电磁波，隐蔽性好，且误差不随时间积累。1.2.4惯性导航系统惯性导航是一种自主式的导航方法，它完全依靠自主的机载设备完成导航任务，和外界不发生任何光、电联系，因此隐蔽性好，工作不受气象条件的限制。惯性导航的基础理论乃是牛顿力学基本定律，其中主要技术手段是用加速计测量载体的运动加速度，用陀螺装置提供一个基准坐标系，再从中推算出所需要的导航参数。但是随着计算的时间的推移，容易产生积累误差。1.2.5多普勒导航系统多普勒导航系统是一种自主式远程导航定位系统，它不需要导航台，又称多普勒雷达，它的工作频率为8800MHZ。多普勒导航系统的主要用途是测定飞机的地速、偏流，进而计算飞机的位置、航程、待飞时间等导航参量。其测速精度约为航行精度的1/100-1/1000，并且抗干扰能力强。多普勒雷达是利用多普勒频移效应来测量飞机的地速的。民航飞机应用的多为调频连续波多普勒雷达，雷达天线向下方发射4个锥形波束，以获取地速偏流信息。工作性能与反射面的形状有关，如在水面或沙漠上空工作时，由于反射性不好就会降低性能。多普勒导航系统的绝对定位精度不是很高，在现代跨洋远程飞机上逐渐被其他导航系统取代。1.2.6组合导航及其他导航系统飞行器的发展对于导航系统在精度、可靠性等方面都提出了越来越高的要求。民航飞机上应用的组合式导航系统一般有惯性导航系统和无线电导航系统组成的组合导航系统。也有惯性导航系统、卫星导航系统和无线电导航系统组成的组合导航系统。卫星导航系统可以提供全球三维位置、速度和时间，它与惯性导航系统有很强的互补性。这样的组合导航系统可以有许多优点：限制了惯性导航系统的漂移，提高了GPS接收机的抗干扰能力和快速捕获能力，提高整个系统的容错能力。也可以在某些条件不具备时单独使用无线电导航系统、GPS、惯性导航系统。除了上述几类导航系统外，还有磁罗盘、陀螺罗盘、空速表等一般普通导航仪表。这些仪表虽然提供的航向及速度不够精确，但作为导航应急使用往往是十分必要的。1.3导航系统的发展方向导航系统的发展趋势是惯性/多传感器组合导航系统，它具有高精度、高可靠性、高自主性、高动态性、高抗干扰性等自身性能，并根据实时情况、传感器信息的可靠程度动态的、智能的选择导航传感器信息源，提供一个容错的融合导航信息来满足航行任务需求。当然，惯性导航系统的地位是任何导航系统都无法替代的，组合导航系统都是以惯性导航系统为主的。以惯性导航系统为主的组合式导航系统的发展从比较简单的惯性/多普勒、惯性/大气数据、惯性/天文、惯性/无线电导航等组合方式开始，发展到惯性/无线电/GPS、惯性/地形匹配、惯性/GPS/惯性图像匹配，以及多种系统和传感器组合的惯性/地形加景象匹配/GPS则合式导航系统，甚至有什么信息源就有利用什么信息源的多传感器组合系统。目前民航上先进的导航系统就是惯导/大气数据/无线电导航/GPS/地形加景象匹配式的组合导航系统。第2章无线电导航简介2.1无线电导航原理简介2.1.1无线电导航的基本原理一、对理想通用定位和导航系统的要求理想的导航系统应能满足下列要求：1）全球覆盖：系统必须在地球表面下或表面上、空中任何位置上工作。2）绝对准确度和相对准确度都必须很高：准确度要求，无论是绝对的和相对的，应根据应用情况在2-4000米之内。3）准确度应不受环境影响：不管用户的位置、速度和加速度如何，系统的准确度都应能达到；应该不存在多路径误差或信号传播通过大气层、电离层产生的误差，如果产生了这些误差，应能从数据中适当除去。4）有效的实时反应：定位数据的更新率可随运动而连续变动。5）无多值解：如果存在解的多值性，设备应能自动地或由操作员很快地进行分辨。6）容量无限：系统应能容纳无数用户，且不会降低性能。7）敌人不能使用：未经准许的用户不能使用系统导航，以达到他所要求到达的目的。8）有抗电子战能力：敌人不能侦察、干扰或蒙蔽系统的正常工作。9）没有频率分配问题：系统必须在现已分配的频谱带宽之内工作而不干扰别的系统。10）全体用户共用一个坐标格网。11）高的平均无故障间隔。12）体积、重量、价格、平均修复时间、部署时间和电源消耗都要小。13）适当扩大用户：设备应具有机载式、舰载式、车载式和背负式等多种形式。14）通信能力强。很显然，上述各种要求之间是存在着许多矛盾的，虽然导航经过了漫长的发展史，直到科学技术已经大大发展的今天，仍然不能在一个系统里把这些要求完善地统一起来。因此，各类、各种导航系统都因它能满足一种或一些特定的要求而存在、而发展着，从而导致了许多导航类别的产生；同时，随着科学技术的不断进步，各类导航中的各种导航系统，为更好地满足上述各种要求，又不断地完善、不断地改进着。在空间领域已经得到广泛的开发和利用的基础上，一种具有多种新技术、能同时适应多种导航要求的崭新系统必将随之而来，这就是把天体导航和无线电导航合为一体的卫星导航系统。二、采用无线电导航手段的可能性无线电导航的过程，就是通过无线电波的发射和接收，测量飞机相对于导航台的方向、距离等导航参量的过程，而测量和运用这些导航参量的可能性则基于电波的以下传播特性：1）无线电波在理想均匀介质中，按直线（或最短路径）传播；2）无线电波经电离层发射后，入射波和发射波在同一铅垂面内；3）无线电波在传播路径中，若遇不连续介质时发生反射；4）在理想均匀介质中，无线电波传播速度为常数。根据1）、2）两个特性，可以测定无线电波的传播方向，从而确定飞机相对于导航台的方向，实现角坐标测量。根据1）、4）两个特性，可以测定无线电波在导航台和飞机之间的传播时间，从而确定飞机到导航台的斜距。如测定电波有两个导航台到飞机的时间差，则可确定飞机到这两个导航台的距离差。特性3）是雷达导航的基础，正是由于这个特性，才能通过无线电波发现飞机并确定飞机相对于雷达所在位置的角坐标和距离。20世纪20～30年代，无线电测向是航海和航空仅有的一种导航手段，而且一直沿用至今。不过它后来已成为一种辅助手段。第二次世界大战期间，无线电导航技术迅速发展，出现了各种导航系统。雷达也开始在舰船和飞机上用作导航手段。飞机着陆开始使用雷达和仪表着陆系统。60年代出现子午仪卫星导航系统。70年代微波着陆引导系统研制成功。80年代，同步测距全球定位系统研制成功。无线电导航在军事和民用方面有着广阔的应用前景。三、位置线、位置面和定位方法无线电导航，尽管它千差万别，但都是通过接收和处理无线电信号来实现的。在导航台位置精确已知的情况下，接收并测量无线电信号的电参量（如振幅、频率、相位或延迟时间等），根据有关的电波传播特性，转换成导航需要的、接收点相对于该导航台坐标的导航参量——位置、方向、距离、距离差等，这就是无线电导航的实质所在。处于某一特定位置上的接收机，在某一时刻接收并测得的无线电信号的电参量当然是个确定的值，由它转换过来的导航参量也将是个确定的值。根据一个（注意：不是两个或两个以上）导航参量，是不能唯一地确定该接收点位置的。由一个导航参量只能确定接收点的可能位置是在与该导航参量相对应的轨迹线（如果发射台和接收机都在地平面上的话）上，或是在一个轨迹面（如果发射台和接收机中一个在地面另一个在空中的话）上。前者称为位置线，后者称为位置面。由此可见，要单值地定位，测得一个导航参量，即获得一条位置线（或一个位置面）是不够的，至少是两个（平面定位）或两个以上（空间定位）。这种用几何线（或几何面）相交来完成定位的方法是普遍采