导航技术概论及组合导航基本概念

第1讲导航系统简介2主要内容1、导航技术的定义与分类2、组合导航系统3、各导航系统基本原理31、导航技术的定义与分类什么是导航？有哪些导航方法？4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。51、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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。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：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：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：各子系统观测同一信息源，测量冗余，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82、组合导航系统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组合导航的基本思想：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；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；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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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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考试：闭卷考试总成绩：平时成绩+卷面成绩参考教材：《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123、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，databasereferencenavigation)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。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。143.1数据库参考导航(DBRN，databasereferencenavigation)地磁导航(GeomagneticNavigation)重力导航(GravityNavigation)地形导航(TerrainAidedNavigation)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。1516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（TerrestrialNavigation）17船位线（LineofPosition）：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。MPβγαβγ32°α32°=32°D=35链MON'WW1W2NααM2M190°-α3.2地文导航（TerrestrialNavigation）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（TerrestrialNavigation）19利用各种船位线组合起来进行定位，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（TerrestrialNavigation）NA(φA,λA)B(φB,λB)FAFBM(φ,λ)A(φA,λA)M1(φ01,λ01)M2(φ02,λ02)M3(φ03,λ03)B(φB，λB)C(φC,λC)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（TerrestrialNavigation）213.3推位导航（DR,Deadreckoning）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。iniindxx100sininiindyy100cos3.3推位导航（DR,Deadreckoning）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。0012fccosvffffoscfcv020vffc233.4惯性导航（INS-Inertialnavigation）惯性导航是完全不依赖于外部声、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。24dtdVatadtVV00tVdtSS00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。dtdsV3.4惯性导航（INS-Inertialnavigation）25用什么测量加速度大小？加速度计（accelerometer）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-Inertialnavigation）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-Inertialnavigation）27b.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R1sec++00tyftxfNE0yV0xVyVxVtyVByaBxa--R1惯性平台导航计算机txVtNNNtEEEvdtavvdtav0000tNtEdtvRtdtvRt00001)(cos11）（3.4惯性导航（INS-Inertialnavigation）30惯性导航涉及的问题什么是惯性空间：坐标系及坐标系变换惯性导航1：坐标系及方向余弦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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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-Inertialnavigation）31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。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-Inertialnavigation）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（Radionavigation）33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（Radionavigation）输出电压θ电波方向环形天线θ090180270360（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34ttAPtAtB测量距离法3.5无线电导航（Radionavigation）（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发射机发射机AB接收机时间差或相位差指示器C测量距离差法3.5无线电导航（Radionavigation）（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。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（Radionavigation）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（Celestialnavigation）38天文船位圆法：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ｒ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。b1C2b2C2b1b2b3C3.6天文导航（Celestialnavigation）39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。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（Celestialnavigation）40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（Celestialnaviga