导航学(第一章)导航系统概述

ห้องสมุดไป่ตู้
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民用机场上的TACAN系统
TACA N
使用URN 25 Tacan 导航系统的 英国航母
野战机场上的TACAN系统
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罗兰（LORAN）导航系统
• 罗兰导航系统是一种 根据测量距离差来定 位的系统，全名是远 程式导航系统 （LONG RANGE NAVIGATION SYSTEM）。 • 目前使用的罗兰C导航 系统作用距离可达 2000公里，定位精度 优于300米。
（卫星导航也应属于无线电导航的一种，但由于其特殊 24/65 性一般拿出来单独讨论。）
二战及战后时期的航海无线电导航的发展
• 近程无线电导航系统
– VOR/DME、塔康（TACAN)系统，作用范围100-500公里
• 中程无线电导航系统
– 罗兰A（loran-A）系统，作用范围500-1000公里
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第一章 导航系统概述
内容提纲
1.1、引言 §1.2、导航技术发展简史 §1.3、导航技术中常用的基本参数 §1.4、思考与练习题
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§ 1.1 引言
（1）何为导航？ • 提供载体的导航参数，位置、速度和姿态 • 引导载体从出发点到达目的地的技术和方法 （2）与大地测量的区别
作用对象 导航 大地测量 运动载体 大地地物 定位形式 动态定位 静态定位 输出物理量 速度、姿态、位置 精确位置 实时性要求 很高 不高 位置精度要求 米、十米级 厘米、毫米级
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自主式导航
• 陆基无线电导航系统的优点是把整个导航系统的 复杂性集中在导航台上，使机载的用户设备比较 简单，价格低廉，可靠性高，易于推广。 • 缺点：从作战角度看，依赖导航台发送的无线电 波，影响系统的生存力，抗干扰力，（反利用， 抗欺骗能力）。 • 新思路：通过机载测速、测向来推算运载体的位 置，不依赖地面导航台，称为自主式导航系统， 一种推算导航系统。
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1.2.2 无线电导航系统
• 无线电导航的发明，使导航系统成为航行中真 正可以依赖的工具，具有划时代的意义！ • 一战时海上首先使用了无线电通讯，后来就演 化为无线电信标台，这就是无线电导航的雏形。 • 广义上讲所有以无线电波为导航信息载体的导 航系统都可以叫无线电导航系统。包括多普勒 效应测速，用雷达测距和测定方位，用导航台 定位。
舰空导弹
JDAM低成本制导武器
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• 重大需求牵引导航技术与时俱进

对地观测
目标信息获取是 精确打击的前提
必要 条件
高分辨率 对地观测系统
技术 瓶颈
导航技术
国家中长期发展规划16个重大专项之一!
美无人侦察机“全 球鹰”在执行任务
侦察卫星
机载高分辨率SAR、 激光扫描系统 4/65
课程目的意义
天文导航
• 依靠星体的信息定位的一种导航方式。 • 受天气影响较大，误差较大。
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天文导航
星敏感器 跟踪标志 星
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§1.2、导航技术发展简史 1.2.1、早期导航方式（19世纪前）
早期人们还利用地标进行导航。在运载体上用光学等 方法，量测到（已标明位置的）地物地标的距离、方 位等几何参量，用测向或测距法定出运载体瞬时地理 位置。 常用的仪器有六分仪、经纬仪、望远镜等。
N
真航向 航迹角 应飞航迹角 偏流角
V
航迹角误差
航
i 点 路
偏航
距
航
i-1 点 路
待
离 距 飞
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§ 1.1 引言
国外已装机应用的组合导航系统有
– – – – 天文／惯性组合导航系统 VOE／DME／惯性组合导航系统 多普勒／惯性组合导航系统 罗兰／惯性组合导航系统等
20世纪70年代发展起来的导航星全球定位系统，具有 全球性和高精度、实时三维定位测速能力。由卫星定 位系统和惯性导航系统综合的导航系统已经在军事和 民用领域大量使用。 另外，地形、景象辅助惯性组合导航系统也已经在军 事领域获得越来越多的应用。
另外，单纯惯性导航不能完全满足高精度、长时 间、远程导航等要求，将惯导系统和其他导航系统 综合，构成以惯性导航为主，其他导航手段为辅的 组合导航系统，应用日益广泛。
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§ 1.1 引言
制导是一个与“导航”相关的概念，制导是指自动 控制和导引飞行器按预定轨迹和飞行路线准确到达目 标的过程，既包含了应用导航的测量值，又包含自动 控制的闭环的全部工作过程。 制导系统的主要功能包括
2000年后
新型导航系统和复合导航系统
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常见导航方法和技术 • 天文导航——航海、航天 • 惯性导航——与惯性器件水平有关 • 无线电导航——卫星导航 • 推算导航——速度和航向
• 地形、景象匹配导航
• 物理场匹配导航
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§1.2、导航技术发展简史
1.2.1、早期导航方式（19世纪前）
这是一种较为 简单而可靠的 导航方法，但 易受气象条件 和地域的限制。
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§1.2、导航技术发展简史 1.2.1、早期导航方式（19世纪前）
•
随着科学技术与导航技术的发展，又出现了大气 数据航程推算法（也叫仪表领航法），以航空导航为 例，自20世纪二三十年代开始，飞机上出现了仪表导 航系统。
• 1）根据起始点、目标点和有关约束的信息，建立航迹参数 （如位置、速度、航向、航路点、航线等）； • 2）测量载体的实际运动，确定载体的真实运动参数； • 3）根据航迹参数与实际运动参数，自动产生控制（制导） 信息，传输给运动载体的相应控制部件。
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§ 1.1 引言
飞机上的自动驾驶系统可 以结合计算机中已存储的 飞行路径中各航路点位置 信息，再根据导航系统提 供的即时导航参数，就能 计算出各种可用来纠正飞 机航行偏差、指导正确航 行方向的制导参数。 惯导系统和多普勒导航系 统还可计算出航迹角误差。
导航学
教授：魏二虎
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课程目的意义
• 意义：导航技术是众多应用领域的关键基础技术！
飞机
导弹
舰船
卫星
空间站
月球车
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• 重大需求牵引导航技术与时俱进

精确打击
精确打击-现代战争的主要手段！
精确打击 必要 条件 精确制导
核心 技术
导航 技术
应用于 陆、海、空、天 武器系统
弹道导弹
远程空空导弹
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内容提纲
1.1、引言 1.2、导航技术发展简史 §1.3、导航技术中常用的基本参数 §1.4、思考与练习题
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导航技术发展历史
古代 20年代 路标、指南针、天文等 磁罗盘、速度表、里程表——仪表导航
30年代
无线电导航问世
40-70年代 惯性导航系统、多普勒导航系统 80年代末 90年代 全球卫星定位系统问世 惯性/卫星组合导航系统大量推广
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优点：无需地面台，主动式，自主 性强。 缺点：


工作时必须发射电波，容易受干扰和 暴露自己； 定位精度与发射面形状有密切关系， 当飞机在海面和沙漠上空工作时，由 于反射性极差会大大降低工作性能； 导航精度也受雷达天线姿态的影响， 当飞机接收不到反射波时，就会完全 丧失工作能力。
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Loran-A
Commercial receiver for fishermen
USCG Loran-A station in the SW Pacific
military receiver for US
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loran-C
70年代loran-C接收系统
Loran-C天线
90年代loran-C接收系统
• 远程无线电导航系统
– 罗兰C（loran-C）系统，作用范围2000-3000公里
• 超远程无线电导航系统
– 奥米伽（Omega）系统，作用范围均大于10000公里
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VOR系统
• VOR（甚高频全向信标，伏尔） 工作频段108~118MHz，连续波 作用距离200nmile。 ( 10000m以内的高度) 导航信息：相对于磁北来说飞机对于地面台的方位，精 度±4.5° 无线电信标：±3°至±10° 局限性：只能给出方位，不能给出具体位置。
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§1.1 引言
将航行载体从起始点引导到目的地的过程称为导航。 导航系统给出的基本参数是载体在空间的即时位置、 速度和姿态、航向等，导航参数的确定由导航仪表或 导航系统来完成。 测量导航参数的整套设备 称为导航系统。
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§ 1.1 引言
导航系统有两种工作状态：指示状态和自动导航状态。
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§1.2、导航技术发展简史
1.2.3 多普勒雷达导航系统
1960－1970 年代多普勒雷达导航系统和惯性导航系统 相继出现。 原理：利用随飞机速度变化，在发射波和反射波之间 产生的频率差—多普勒频移的大小，来测量飞机相对 地面的速度。再借助机上航向系统输出航向角，将地 速分解成沿地理北向和东向的速度分量，进而确定两 个方向的距离变化及、经纬度大小，也就确定了飞机 位置。
• 教学目的：
学习和掌握与导航有关的基础知识 学习和了解各种导航系统的理论，方法和技术， 重点学习惯性导航技术
为学习和研究现代导航理论和导航技术打下基础
• 学习方法
重在实践
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课程的主要内容简介
• 第1章 导航系统概述 • 第2章 定位与导航基础 • 第3章 惯性导航系统 • 第4章 卫星定位系统 • 第5章 无线电、天文和其它传统导航系统 • 第6章 新型导航技术
指示状态：如导航设备提供的导航信息仅供驾驶员操纵和引 导载体用，则导航系统工作指示状态，在指示状态下，导 航系统不直接对载体进行控制； 自动导航状态：如果导航系统直接提供的信息给载体的自动 驾驶控制系统，由自动驾驶控制系统操作和引导载体，则 导航系统工作于自动导航状态。