導航學(第一章)導航系統概述

導航學教授：魏二虎1課程目的意義飛機空間站導彈艦船衛星月球車意義：導航技術是眾多應用領域的關鍵基礎技術！2JDAM低成本制導武器

精確打擊-現代戰爭的主要手段！彈道導彈遠程空空導彈艦空導彈

精確打擊

導航技術

核心技術

陸、海、空、天武器系統

應用于

精確制導

精確打擊

必要條件重大需求牽引導航技術與時俱進3目標信息獲取是精確打擊的前提高分辨率對地觀測系統必要條件導航技術技術瓶頸國家中長期發展規劃16個重大專項之一!美無人偵察機“全球鷹”在執行任務偵察衛星機載高分辨率SAR、激光掃描系統重大需求牽引導航技術與時俱進

對地觀測4課程目的意義教學目的：學習和掌握與導航有關的基礎知識學習和了解各種導航系統的理論，方法和技術，重點學習慣性導航技術為學習和研究現代導航理論和導航技術打下基礎學習方法重在實踐 5課程的主要內容簡介第1章導航系統概述第2章定位與導航基礎第3章慣性導航系統第4章衛星定位系統第5章無線電、天文和其它傳統導航系統第6章新型導航技術6

第一章導航系統概述

內容提綱

1.1、引言§1.2、導航技術發展簡史§1.3、導航技術中常用的基本參數§1.4、思考與練習題7提供載體的導航參數，位置、速度和姿態引導載體從出發點到達目的地的技術和方法（1）何為導航？（2）與大地測量的區別作用對象定位形式輸出物理量實時性要求位置精度要求導航運動載體動態定位速度、姿態、位置很高米、十米級大地測量大地地物靜態定位精確位置不高厘米、毫米級§1.1

引言8§1.1引言將航行載體從起始點引導到目的地的過程稱為導航。導航系統給出的基本參數是載體在空間的即時位置、速度和姿態、航向等，導航參數的確定由導航儀表或導航系統來完成。測量導航參數的整套設備

稱為導航系統。9§1.1

引言導航系統有兩種工作狀態：指示狀態和自動導航狀態。指示狀態：如導航設備提供的導航信息僅供駕駛員操縱和引導載體用，則導航系統工作指示狀態，在指示狀態下，導航系統不直接對載體進行控制；自動導航狀態：如果導航系統直接提供的信息給載體的自動駕駛控制系統，由自動駕駛控制系統操作和引導載體，則導航系統工作于自動導航狀態。在這兩種工作狀態下，導航系統的作用都只是提供導航參數，“導航”含義也側重于測量和提供導航參數。10

導航有多種技術途徑，如無線電導航，天文導航，慣性導航等可實現相應的導航任務。§1.1

引言11§1.1

引言慣性導航具有高度自主的突出優點，以牛頓力學為理論為基礎，只依靠安裝在載體內的慣性測量傳感器陀螺、加速度計和相應的配套裝置建立基準坐標系，進而獲得載體的加速度，推算速度、位置等導航參數。另外，單純慣性導航不能完全滿足高精度、長時間、遠程導航等要求，將慣導系統和其他導航系統綜合，構成以慣性導航為主，其他導航手段為輔的組合導航系統，應用日益廣泛。12§1.1

引言

制導是一個與“導航”相關的概念，制導是指自動控制和導引飛行器按預定軌跡和飛行路線準確到達目標的過程，既包含了應用導航的測量值，又包含自動控制的閉環的全部工作過程。

制導系統的主要功能包括1）根據起始點、目標點和有關約束的信息，建立航跡參數（如位置、速度、航向、航路點、航線等）；2）測量載體的實際運動，確定載體的真實運動參數；3）根據航跡參數與實際運動參數，自動產生控制（制導）信息，傳輸給運動載體的相應控制部件。13§1.1

引言飛機上的自動駕駛系統可以結合計算機中已存儲的飛行路徑中各航路點位置信息，再根據導航系統提供的即時導航參數，就能計算出各種可用來糾正飛機航行偏差、指導正確航行方向的制導參數。慣導系統和多普勒導航系統還可計算出航跡角誤差。14§1.1

引言國外已裝機應用的組合導航系統有天文／慣性組合導航系統VOE／DME／慣性組合導航系統多普勒／慣性組合導航系統羅蘭／慣性組合導航系統等20世紀70年代發展起來的導航星全球定位系統，具有全球性和高精度、實時三維定位測速能力。由衛星定位系統和慣性導航系統綜合的導航系統已經在軍事和民用領域大量使用。另外，地形、景象輔助慣性組合導航系統也已經在軍事領域獲得越來越多的應用。15

內容提綱1.1、引言1.2、導航技術發展簡史§1.3、導航技術中常用的基本參數§1.4、思考與練習題16導航技術發展歷史古代路標、指南針、天文等20年代磁羅盤、速度表、里程表——儀表導航30年代無線電導航問世40-70年代慣性導航系統、多普勒導航系統80年代末全球衛星定位系統問世90年代慣性/衛星組合導航系統大量推廣2000年后新型導航系統和復合導航系統17天文導航——航海、航天慣性導航——與慣性器件水平有關無線電導航——衛星導航推算導航——速度和航向地形、景象匹配導航物理場匹配導航常見導航方法和技術18§1.2、導航技術發展簡史1.2.1、早期導航方式（19世紀前）戰國時期（約公元前475年—前221年）：司南；北宋（公元960年—1127年）初期：指南針；之后，人們把指南針固定在方位盤里，制出了羅盤針。18世紀末，液體磁羅經，一種新型的磁羅盤和附屬的防磁設備，它能抵抗艦身磁場的干擾，大大減小外界對磁針的影響，保持羅面穩定。19天文導航依靠星體的信息定位的一種導航方式。受天氣影響較大，誤差較大。§1.2、導航技術發展簡史

1.2.1、早期導航方式（19世紀前）20天文導航星敏感器跟蹤標志星21§1.2、導航技術發展簡史

1.2.1、早期導航方式（19世紀前）

早期人們還利用地標進行導航。在運載體上用光學等方法，量測到（已標明位置的）地物地標的距離、方位等幾何參量，用測向或測距法定出運載體瞬時地理位置。常用的儀器有六分儀、經緯儀、望遠鏡等。這是一種較為簡單而可靠的導航方法，但易受氣象條件和地域的限制。22§1.2、導航技術發展簡史

1.2.1、早期導航方式（19世紀前）

隨著科學技術與導航技術的發展，又出現了大氣數據航程推算法（也叫儀表領航法），以航空導航為例，自20世紀二三十年代開始，飛機上出現了儀表導航系統。231.2.2無線電導航系統無線電導航的發明，使導航系統成為航行中真正可以依賴的工具，具有劃時代的意義！一戰時海上首先使用了無線電通訊，后來就演化為無線電信標臺，這就是無線電導航的雛形。廣義上講所有以無線電波為導航信息載體的導航系統都可以叫無線電導航系統。包括多普勒效應測速，用雷達測距和測定方位，用導航臺定位。

（衛星導航也應屬于無線電導航的一種，但由于其特殊性一般拿出來單獨討論。）24二戰及戰后時期的航海無線電導航的發展近程無線電導航系統VOR/DME、塔康（TACAN)系統，作用范圍100-500公里中程無線電導航系統羅蘭A（loran-A）系統，作用范圍500-1000公里遠程無線電導航系統羅蘭C（loran-C）系統，作用范圍2000-3000公里超遠程無線電導航系統奧米伽（Omega）系統，作用范圍均大于10000公里25VOR系統VOR（甚高頻全向信標，伏爾）工作頻段108~118MHz，連續波作用距離200nmile。

(10000m以內的高度)

導航信息：相對于磁北來說飛機對于地面臺的方位，精度±4.5°

無線電信標：±3°至±10°

局限性：只能給出方位，不能給出具體位置。26DMEDME（測距器）：

1949年國際民航組織接受以DME為標準航空近程導航系統工作方式。機載設備——〉（詢問脈沖）地面臺機載設備〈——（應答）地面臺根據詢問脈沖與應答脈沖的時間間隔，乘以電報傳播速度測距。作用距離：200nmile（飛行高度10000m時）精度：0.5nmile或距離地面臺3%局限性：只能對有限詢問信號進行回答，因此，只能為110架左右的飛機服務。一般情況下,伏爾/測距器（VOR/DME）設在一處，同時指示方位與距離,形成極坐標近程定位導航系統。27TACAN民用機場上的TACAN系統野戰機場上的TACAN系統使用URN25Tacan導航系統的英國航母

28羅蘭（LORAN）導航系統羅蘭導航系統是一種根據測量距離差來定位的系統，全名是遠程式導航系統（LONGRANGENAVIGATIONSYSTEM）。目前使用的羅蘭C導航系統作用距離可達2000公里，定位精度優于300米。29Loran-AUSCGLoran-AstationintheSWPacificCommercialreceiverforfishermenmilitaryreceiverforUS30loran-CLoran-C天線70年代loran-C接收系統90年代loran-C接收系統31自主式導航陸基無線電導航系統的優點是把整個導航系統的復雜性集中在導航臺上，使機載的用戶設備比較簡單，價格低廉，可靠性高，易于推廣。缺點：從作戰角度看，依賴導航臺發送的無線電波，影響系統的生存力，抗干擾力，（反利用，抗欺騙能力）。新思路：通過機載測速、測向來推算運載體的位置，不依賴地面導航臺，稱為自主式導航系統，一種推算導航系統。32§1.2、導航技術發展簡史

1.2.3多普勒雷達導航系統1960－1970年代多普勒雷達導航系統和慣性導航系統相繼出現。原理：利用隨飛機速度變化，在發射波和反射波之間產生的頻率差—多普勒頻移的大小，來測量飛機相對地面的速度。再借助機上航向系統輸出航向角，將地速分解成沿地理北向和東向的速度分量，進而確定兩個方向的距離變化及、經緯度大小，也就確定了飛機位置。33多普勒雷達還可以用于天氣監測優點：無需地面臺，主動式，自主性強。缺點：工作時必須發射電波，容易受干擾和暴露自己；定位精度與發射面形狀有密切關系，當飛機在海面和沙漠上空工作時，由于反射性極差會大大降低工作性能；導航精度也受雷達天線姿態的影響，當飛機接收不到反射波時，就會完全喪失工作能力。34§1.2、導航技術發展簡史

1.2.4慣性導航系統慣性導航是一種完全自主式的先進的導航方法，它是根據牛頓力學定律，利用慣性器件來測量運載體本身的加速度，經過一次積分得到運載體的速度，再經過一次積分得到運載體的地理位置。提供運載體姿態、速度和位置九維導航信息隱蔽性好，工作不受氣象條件的限制航天、航空和航海領域中的一種廣泛應用的主要導航方法35陀螺儀∫∫加速度計矢量矢量在哪個坐標系里計算?如何確定坐標系?∫ZXY36§1.2、導航技術發展簡史

1.2.4慣性導航系統(2013-11-14)1理論和基礎1687年牛頓提出了力學和引力定律，是慣性技術的基礎；1765年俄國歐拉院士出版了“剛體繞定點轉動的理論”的書，是陀螺儀理論的基礎；1852年發現了陀螺效應，法國科學家首先使用“Gyro”(Gyroscope—轉動+觀察)這個名詞；1923年，舒勒發表了84.4分的無干擾理論，陀螺儀的設計開始完善；1939年，原蘇聯布爾佳科夫院士出版的“陀螺儀實用理論”一書，認為是陀螺儀實用理論的奠基性著作。37§1.2、導航技術發展簡史

1.2.4慣性導航系統

2現代陀螺的“史前期”（18世紀中期—20世紀初）1810年前后，德國培根做了第一個具有轉動陀螺的雛形陀螺；1851年，傅科的陀螺、傅科擺，驗證了地球的自轉；1851年，法國物理學家讓·傅科在巴黎國葬院安放了一個鐘擺裝置，直接證明了地球自西向東的自轉。1880年前后，特魯弗、霍普金斯發明了電動機用于陀螺的驅動，陀螺儀開始走向實用；1927年，安修茨設計了實用的用于航海的陀螺羅經，使用了幾乎半個世紀。

1851年傅科實驗場景

法國國葬院內傅科擺38§1.2、導航技術發展簡史

1.2.4慣性導航系統3近代慣導系統的發展（20世紀初—1990年代）（1）初期

1920年前后，出現了供飛機使用的轉彎速率指示器、人工水平儀和方位陀螺。

人工水平儀：測量飛機姿態角的關鍵問題是在飛機上建立一個當地垂線基準，該垂線基準既具有方向選擇性，又具有方向穩定性。取陀螺儀的方向穩定性這一長處，以陀螺儀作為儀表的工作基礎，并取擺的方向選擇性這一長處，用擺對陀螺儀進行修正，使陀螺儀獲得敏感垂線的方向選擇性。垂直陀螺儀就是通過這種技術途徑在飛機上建立一個精確而穩定的垂線基準。

垂直陀螺儀結構原理圖39§1.2、導航技術發展簡史

1.2.4慣性導航系統方位陀螺儀：能使自轉軸保持水平的二自由度陀螺儀。利用陀螺特性而做成的測量飛機航向角的一種陀螺儀表。1942年10月3日，德國的庇納門德火箭研究中心在維納·馮·布勞恩的主持下制成“V”型導彈，并于1944年用以轟炸英國。它是當時世界上獨一無二的付諸實際使用的第一個慣性制導系統。維納·馮·布勞恩V-2彈道導彈V-2發射情景40§1.2、導航技術發展簡史

1.2.4慣性導航系統3近代慣導系統的發展（20世紀初—1990年代）（2）慣性傳感器的發展液浮和氣浮陀螺40年代出現液浮陀螺，到50年代末60年代初，其制造技術趨于成熟。液浮技術改進了陀螺的支撐方式，減小了器件中的干擾力矩，提高了陀螺性能。50年代開始，以液浮和氣浮陀螺構成的平臺式慣導系統開始在飛機、艦船和導彈上廣泛應用。單自由度液浮積分陀螺儀結構半液浮速率陀螺產品液浮擺式加速度計原理液浮加速度計產品41§1.2、導航技術發展簡史

1.2.4慣性導航系統3近代慣導系統的發展（20世紀初—1990年代）（2）慣性傳感器的發展動力調諧式撓性陀螺60年代動力調諧式撓性陀螺研制成功。1966年美國基爾福特(Kearfott)公司研制出撓性陀螺慣導系統，并用于飛機和導彈。這為后來航空慣導的典型代表美國利登公司的軍用LN-39和民用LTN-72的出現奠定了基礎。動力調諧式撓性陀螺儀的撓性接頭動力調諧速率陀螺儀組成動力調諧式撓性陀螺儀實物撓性加速度計結構42§1.2、導航技術發展簡史

1.2.4慣性導航系統3近代慣導系統的發展（20世紀初—1990年代）（2）慣性傳感器的發展靜電陀螺70年代，在利用高壓靜電場支承球形轉子、取代機械支承的靜電陀螺研制成功，陀螺性能進一步提高。靜電陀螺原理示意圖靜電陀螺儀結構示意圖43§1.2、導航技術發展簡史

1.2.4慣性導航系統3近代慣導系統的發展（20世紀初—1990年代）（2）慣性傳感器的發展光學陀螺激光于1960年在世界上首次出現。1962年，美、英、法、前蘇聯幾乎同時開始醞釀研制用激光來作為方位測向器，稱之為激光陀螺儀。60年代初期，光學裝置中發現了薩格納克效應。美國斯佩里公司于1963年首先做出了激光陀螺儀的實驗裝置。1966年美國霍尼威爾公司開始使用石英作腔體，并研究出交變機械抖動偏頻法，使這項技術有了實用的可能。1972年，霍尼威爾公司研制出GG-1300型激光陀螺儀。80年代以后，激光陀螺、光纖陀螺廣泛應用于慣性導航系統。XW-G60光纖陀螺KVH單軸光纖陀螺VG949P光纖陀螺機載三軸激光陀螺44§1.2、導航技術發展簡史

1.2.4慣性導航系統3近代慣導系統的發展（20世紀初—1990年代）（3）慣性導航系統技術發展與應用1949年，J.H.Laning,Jr.發表名為“Thevectoranalysisoffiniterotationsandangles”的報告，建立了捷聯式慣性導航的理論基礎；同時，美國麻省理工學院德雷伯（C.S.Draper）教授驗證了平臺式慣導系統的可行性。1953年，德雷伯（C.S.Draper）教授，將純慣性導航系統安裝到一架B-29遠程轟炸機上，首次實現了橫貫美國大陸的飛行1958年美國“鸚鵡螺”號核潛艇裝備液浮陀螺平臺慣性導航系統的核潛艇，實際位置和計算位置僅差幾海里。1960年，世界上第一套飛機慣導系統（LN-3）出廠……慣導系統鮮明的優缺點和巨大的需求，既促進慣性器件性能的不斷提高和采用新原理的慣性傳感器不斷產生，也促進了慣性及其組合導航技術的發展。

45§1.2、導航技術發展簡史

1.2.5衛星導航系統子午儀衛星導航系統（20世紀60年代）1964年1月美國海軍武器實驗室研制成功“子午儀（Transit）衛星導航系統”子午儀衛星導航系統在導航和定位技術發展中具有劃時代的意義由于觀測解算導航參數的時間長，不能滿足連續實時三維導航的要求，尤其不能滿足高動態目標的導航要求。

46§1.2、導航技術發展簡史

1.2.5衛星導航系統2.全球衛星定位系統1970年代初期，鑒于子午儀衛星導航系統的成功及其存在的缺陷，促使美國海軍和空軍研究更先進的衛星導航系統。1994年3月10日，24顆工作衛星全部進入預定軌道，系統全面正常運行。全球定位系統(GPS)是一種可以定時和測距的空間交會定點的導航系統，它可以向全球用戶提供連續、實時、高精度的三維位置、三維速度和時間信息。47§1.2、導航技術發展簡史

1.2.5衛星導航系統3.前蘇聯GLONASS系統及其他衛星導航系統前蘇聯自1978年10月開始，發射了自己的全球導航衛星系統(GLONASS)試驗衛星，由21顆工作衛星和3顆在軌備用衛星組成，均勻分布在三個軌道平面上歐洲空間局(ESA)亦在籌建民用導航衛星系統，它包括在赤道平面上的六顆同步衛星(GEO)和12顆高橢圓軌道(HEO)衛星的混合衛星星座

GLONASS衛星星座分布

48§1.2、導航技術發展簡史

1.2.6地形輔助導航系統1980年代以來，地形輔助導航（TAN）系統受到廣泛重視，并已得到成功使用。與一般組合導航系統相比，只增加了唯一的硬件——存儲數字地形高度數據的大容量存儲器在低高度，特別是在山丘地帶，由于GPS能觀察到的導航星少，而此時TAN正處于最佳狀態。

水下地形輔助系統49采用兩種或兩種以上的非相似導航系統對同一信息作量測量,從這些量測量中計算出各導航系統的誤差并校正之。采用組合導航技術的系統稱為組合導航系統參與組合的各導航系統稱為子系統。§1.2、導航技術發展簡史

1.2.7組合導航系統50

內容提綱1.1、引言1.2、導航技術發展簡史§1.3、導航技術中常用的基本參數§1.4、思考與練習題51§1.3、導航技術中常用的基本參數測試慣性器件，導航解算以及評價導航系統性能都需要用到一些基本的物理量如長度（距離）、角度，常用的長度單位除國際單位米外，還有海里、節、密耳等海里是海上的長度單位。它原指地球子午線上緯度1分的長度，赤道上1海里約等于1843米；緯度45°處約等于1852.2米，兩極約等于1861.6米。1929年國際水文地理學會議，通過用1分平均長度1852米作為1海里參數英文全稱表示符號與對應相關單位的轉換關系海里nauticalmilenm1海里=1852米碼yardyd1碼=0.9144米英尺footft1英尺=0.3048米英寸inchin1英寸=0.0254米表1.1常用長度單位及其對應轉換關系表52§1.3、導航技術中常用的基本參數常用的角度單位除弧度外，還有角秒、角分、密位。如果把圓周分成6000等份，每一等份弧長所對的圓心角叫1密位。即1密位所對弧長，等于圓周長的1/6000。根據圓周長與半徑的關系，每1密位所對弧長恰好等于半徑的1/1000，即：弧長/密位=半徑/1000。

表1.2常用角度單位及其對應轉換關系表參數英文全稱表示符號與對應相關單位的轉換關系度degreeo1度=0.0174532925弧度角分arcmin′1角分=60角秒角秒arcsec″毫弧度milliradianmrad1毫弧度=3.44角分＝206.4角秒密位milmil1密位=3.6角分＝216角秒53§1.3、導航技術中常用的基本參數地球上，導航技術中在表示系統的某些參數時，長度和角度單位之間具有一定的對應關系，比如說某系統定位精度為每小時1海里或1角分，兩者意義是相同的，這種對應是地球上的弧長與弧長在地球曲率半徑下的角度之間的對應。54

內容提綱1.1、引言1.2、導航技術發展簡史1.3、導航技術中常用的基本參數§1.4、思考與練習題55§1.4、思考與練習題了解導航的概念和導航系統的工作狀態，導航技術在國防和民用領域的應用以及導航系統，導航技術的地位。區別導航和制導的意義，區別導航參數和制導參數。傅科擺實驗驗證了什么現象，是怎樣來驗證的？了解導航技術的發展過程。56參考文獻[1]陳金枝.天文導航與星光制導.艦船科學技術,2001.1[2]丁衡高.海陸空天顯神威:慣性技術縱橫談.北京:清華大學出版社,2000[3]張宗麟.慣性導航與組合導航.北京:航空工業出版社,2000.8[4]黃德鳴.慣性技術神奇的指路魔杖.濟南:山東教育出版社,2001[5]何傳五.幾種新型陀螺簡介.航天控制,2001(02)[6]姜璐,于遠治,吉春生.陀螺儀在導航中的應用及其比較,船舶工程2004.2[7]曾慶化,劉建業,賴際舟,等.環形激光陀螺的最新發展.傳感器技術,2004,23(11):1-4[8]R