第二章 海洋导航定位分解

第二章海洋导航定位本章讲授内容概述卫星导航定位系统水下声学定位系统本章重点现有的卫星导航系统的区别水下声学定位的原理与方式§2-1概述一、定位与导航的概念定位从测绘的意义上说，定位就是测量和表达某一地表特征、事件或目标发生在什么空间位置的理论和技术。从广义和现代意义上来说，定位就是测量和表达信息、事件或目标发生在什么时间、什么相关的空间位置的理论方法与技术。导航指运动目标，通常是指运载工具如飞船、飞机、船舶、汽车、运载武器等的实时动态定位即三维位置、速度和包括航向偏转、纵向摇摆、横向摇摆三个角度的姿态的确定。二、船舶导航及通信系统船舶导航及通信系统是保证船舶在大海中准确和安全航行的重要部分。船舶导航与通讯设备主要包括：罗经、GPS定位仪、计程仪、测深仪、测向仪、雷达、声纳以及无线电通讯设备等。海洋环境与航海交通以及任何开展作业有关，要求全天侯进行监测。航海的导航定位经历了指南针、磁罗经与电罗经、子午仪卫星系统及全球定位系统．§2-1概述二、船舶导航及通信系统1、罗经罗经是船上用来指示航向的重要仪器。它按工作原理不同分为磁罗经和电罗经两类。（1）磁罗经其基本原理是磁棒(磁针)受地磁场的作用而指向地球磁极的方向。由于构造简单、性能可靠、使用方便、又不需要供电，所以尽管船上装了许多高精度的导航仪器，磁罗经仍是船上不可缺少的仪器。由于磁罗经的指向是受所在地点的外界磁场的影响。故其指向的精确度不高。（2）电罗经（陀螺罗经）电罗经是陀螺仪特性在导航方面的具体应用。电罗经的指向准确性比磁罗经高，但它的结构复杂精密，制造成本高，必须有电才能工作，而且启动时间长。所以船上往往同时装有电罗经和磁罗经，以便配合使用。§2-1概述磁罗经型号:CPL-190材料:铝质外座,纯铜罗盆,进口磁性材料,特制高级罗经液.优点:灵敏度高,指向稳定,性能可靠,液体长期不乳化、不变色，配备可调式校正装置，具备良好的防磁功能，配备照明装置，夜间作业方便。照明电压：12V/24V刻度盘直径：190MM外形尺寸：高50CM，直径35CM。产品性能：完全符合ISO-449A级和GB3896-83A级技术要求。使用环境温度：-20°C～+60°C指向误差：不大于1.5°适用范围:适用于大中型民用船舶和军辅船作标准磁罗经,用于显示方位,指导航向.1、型号CPT-75MD2、该罗盘设置自动冲液,排气泡装置,此产品成功解决了历史以来罗盘出现漏气产生汽泡和补充液困难两大缺陷。3、获取国家实用新型专利(专利号:032259832)4、材料:优质原木盒,纯铜罗盆,进口永久磁性材料,特制高级罗经液.5、优点:灵敏度高,指向稳定,性能可靠,刻度清晰,液体长期不乳化,不变色.配备照明装置,夜间作业方便.6、照明电压:12V/24V7、刻度盘径:75MM8、外形木盒尺寸：长16CM×宽16CM×高11CM9、产品性能:完全符合1SO-499A级和GB3896-83A级技术要求。10、使用环境温度：-20ºC—+60ºC11、指向误差：不大于1.5º12、适用范围：适用于中小型民用船舶游艇作标准磁罗经，用于显示方位指导航向。电罗经二、船舶导航及通信系统2、计程仪计程仪用于指示船舶的航速和航程。它和电罗经配合使用可以确定船位。按其测量参考坐标系的不同可以分为相对计程仪和绝对计程仪两类。相对计程仪只能测量船舶相对于水的速度并累计其航程，如水压式、电磁式等计程仪。绝对计程仪可以测量船舶对地的速度并累计其航程，如多普勒计程仪和声相关计程仪。但是当测量水深超过其跟踪深度范围时，绝对计程仪便转换成为跟踪水层的相对计程仪。§2-1概述二、船舶导航及通信系统2、计程仪水压式计程仪这种计程仪是利用船舶航行时水对船体的动压力会随船速的增加而增加这一原理制成的。由实践得出动压力是与船速的平方成正比的。水压式计程仪就是利用压力传感器测出动压力，并指示出瞬时航速，再由计算机计算出航程。§2-1概述二、船舶导航及通信系统2、计程仪电磁式计程仪电磁式计程仪根据电磁感应原理制成，与水压式相比航速灵敏度较高，能测低航速。§2-1概述二、船舶导航及通信系统2、计程仪多普勒声纳计程仪多普勒声纳计程仪是利用在水中声波传播的多普勒效应来测量船舶相对于岸壁或海底运动速度，并累计航程的仪器。多普勒效应：声源和接受者之间有相对运动时，接受者收到的频率与声源发射频率不同的现象§2-1概述§2-1概述二、船舶导航及通信系统2、计程仪声相关计程仪声相关计程仪是一种采用相关技术处理水声信息、测量船速并累计航程的计程仪。特点：其一，采用垂向发射和接收超声波信号，并对被接收的回波信号的幅值包络进行相关处理来测速；其二，可工作于海底跟踪和水层跟踪两种方式，即可测对地的速度，又可测对水的速度；其三，测量精度不受声速变化的影响；其四，它同时可测量水深，兼作测深仪使用。二、船舶导航及通信系统2、计程仪声相关计程仪测速原理：§2-1概述沿船底纵向等间距安装有前向接收换能器Rf、发射换能器Bt、及后向接收换能器Ra，前后两接收换能器的间距为S。发射换能器Bt以一定的时间间隔向海底发射超声波脉冲，假设在t=t1时刻，经海底反射回来的回波被前向换能器Rf所接收，如图（a）；经过时间间隔τ，即t=t2时刻，回波被后向换能器Ra所接收，船航行的位移为S/2，如图（b）。§2-1概述二、船舶导航及通信系统2、计程仪声相关计程仪测速原理：由于两换能器接收的超声波所走过的路径完全一致，因此可认为这两个回波信号的包络幅值f1（t）和f2（t）形状完全相同，只是在时间上相差了一时间间隔τ。S为两接收换能器之间距，为定值；延时τ可以用相关接收技术进行测量，所以船速V便可求得。§2-1概述二、船舶导航及通信系统3、测深仪船舶航行时，需要知道船舶所在位置海水深度，以保证船的安全航行。一般采用回声测深仪来解决。§2-1概述二、船舶导航及通信系统4、无线电导航仪器无线电测向仪，双曲线定位仪用无线电测向仪定位时，船上必须备有各导航台的资料，资料上必须注明导航台的地理位置座标及各自发射信号的特征等。§2-1概述二、船舶导航及通信系统4、无线电导航仪器双曲线定位仪具有定位精度高，作用距离远等优点，所以应用更广。这类定位仪有劳兰、台卡和奥米加系统，它们只是在导航台发射电波的方式、频率及接收方式上各不相同而已。§2-1概述二、船舶导航及通信系统5、惯性导航系统惯性导航系统是利用物体的惯性，制成加速度计，测出船舶的运动加速度值，并用电子计算机对加速度和时间进行运算，由此可得到船舶的运动速度、航向以及航程。惯性导航系统在船舶启航前应根据船舶所在港口的地理位置座标对系统进行校准。启航后则根据求得的航速、航向和航程，可以随时求得船舶的地理位置座标。§2-1概述二、船舶导航及通信系统6、雷达雷达是利用无线电波来测量目标的距离和方位，并可进一步识别目标的性质和形状的仪器。不受任何天气的影响，可以在雷达作用的范围内识别来往和停泊的船只、海岸及岸上建筑物、水道内的浮筒和露出水面的礁石等。这在大雾、暴风、黑夜里航行时更显得重要，它是船舶的眼睛。一、工作原理及系统组成工作原理卫星定位系统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。系统组成空间运行的卫星：发送某种时间信号、测距信号和卫星的瞬时坐标位置信号。地面控制部分：精确测定卫星的轨道坐标、时钟差异，确定系统运行状态，并向卫星注入新的卫星轨道坐标，进行必要的卫星轨道纠正等。用户部分：接收卫星广播发送的多种信号并进行处理计算确定用户的最终位置。§2-2卫星导航定位系统卫星定位系统的三大部分二、全球卫星定位系统定义具有全球导航定位能力的卫星定位导航系统称为全球卫星导航系统，英文全称为GlobalNavigationSatelliteSystem，简称为GNSS。实际系统美国的全球卫星定位系统（GPS）俄罗斯的全球卫星导航系统GLONASS•因经济问题，星座中卫星缺失太多，暂时不能连续实时定位。正在发展研究的有欧盟的GALILEO系统中国北斗卫星导航广域增强系统•实现中国及其周边海域的区域定位导航系统。§2-2卫星导航定位系统二、全球卫星定位系统1、GPS全球定位系统拥有者美国发展简史全球卫星定位系统（GPS）计划自1973年起步，1978年首次发射卫星，1994年完成24颗中高度圆轨道（MEO）卫星组网，共历时16年、耗资120亿美元。至今，已先后发展了三代卫星。系统组成空间部分控制部分用户部分§2-2卫星导航定位系统各种类型的GPS用户接收机二、全球卫星定位系统1、GPS全球定位系统工作原理由于卫星的位置精确可知，在GPS观测中，我们可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置(X,Y,Z)。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和钟差，因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度和高程。事实上，接收机往往可以锁住4颗以上的卫星，这时，接收机可按卫星的星座分布分成若干组，每组4颗，然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位，从而提高精度。§2-2卫星导航定位系统二、全球卫星定位系统1、GPS全球定位系统应用§2-2卫星导航定位系统1991年海湾战争期间开始显露出的巨大战术价值也令其他国家感到吃惊美军在伊拉克战场上所使用的GPS12二、全球卫星定位系统1、GPS全球定位系统应用§2-2卫星导航定位系统二、全球卫星定位系统2、GLONASS全球定位系统拥有者俄罗斯发展简史由前苏联从80年代初开始建设的与美国GPS系统相类似的卫星定位系统，现在由俄罗斯空间局管理。GLONASS的整体结构类似于GPS系统，其主要不同之处在于星座设计和信号载波频率和卫星识别方法的设计不同。系统组成卫星星座地面监测控制站用户设备§2-2卫星导航定位系统用于发射“格洛纳斯”系统卫星的俄“质子”火箭被运往发射点二、全球卫星定位系统2、GLONASS全球定位系统已经于2011年1月1日在全球正式运行。根据俄罗斯联邦太空署信息中心提供的数据（2012年10月10日），目前有24颗卫星正常工作、3颗维修中、3颗备用、1颗测试中。§2-2卫星导航定位系统二、全球卫星定位系统2、GLONASS全球定位系统该系统由24颗卫星组成，首颗卫星于1984年发射，苏联解体后曾一度处于停顿状态。直至1998年，俄再度开始对“格洛纳斯”进行更新升级。定位精度最高将可以达到1米，能让现役武器在不用花大价钱的情况下把威力提高一个等级。最让美方担心的是，“格洛纳斯”能提高战略导弹的打击精度。在导弹飞行过程中，“格洛纳斯”系统可不间断地进行路线精确测算和数据修正，将导弹的命中误差大大缩小。俄罗斯军事专家亚历山大·戈尔茨因此把“格洛纳斯”系统称为“除核武器之外，前苏联留给俄罗斯最珍贵的遗产”。§2-2卫星导航定位系统二、全球卫星定位系统2、GLONASS全球定位系统§2-2卫星导航定位系统在俄罗斯首都莫斯科，俄总理普京的爱犬“科尼”被佩戴上装有全球卫星导航装置的项圈。二、全球卫星定位系统2、GLONASS全球定位系统§2-2卫星导航定位系统GLONASS既可以提供独立的导航服务，又可与GPS结合。将GLONASS组合到GPS中构成GNSS，主要有三方面的优势：有效性GPS需要捕获至少4颗卫星才能提供纬度、经度和高度定位数据。但如果在靠近高山、建筑物、树木和其它遮挡物时，GPS可见星的数目可能低于4颗或者3颗甚至更少，导致GPS接收机不能给出用户位置。将GLONASS与GPS组合，则有48颗卫星提供给用户，从而大大提高导航系统的有效性。完整性完整性即导航系统在定位数据出错时给用户提供报警信息。更高的要求是能够隔离故障，提供修正后的定位结果。普通的完整性算法要求可见性数目至少为5颗，如若需要隔离故障