1.导航原理第一章2

导航原理（principle of navigation）i) 使用教材：无（主要是没有合适的教材，要自己编）。

ii）参考书：1.惯性导航原理，邓正隆，哈尔滨工业大学出版社，1994；2.GPS卫星导航定位原理与方法，刘基余，科学出版社，2003；3.Elliott D. Kaplan. Understanding GPS：principles andapplications（second edition）.中译本：1）GPS原理与应用（第一版），邱致和（20所），电子工业出版社；2）GPS原理与应用（第二版），寇艳红（北航），电子工业出版社，2007。

4）Pratap Misra，Per Enge. Global Positioning System: Signals, Measurements and Performance(second Edition).中译本： GPS 信号，测量与性能（第二版），罗鸣等，电子工业出版社；iii）课程考核方式：课堂大作业形式。

iv）课程的主要内容：惯性导航部分；北斗部分；GPS部分；天文导航部分；组合导航部分；新增部分：量子导航Simulation-based（粒子滤波）。

瑞典林雪平大学(LinkOping University)的Rickard Karlsson提出一种无需GPS即可定位并导航的新技术。

第一章导航及其发展§1.1 导航的基本概念1、导航的定义在各种复杂的气象条件下，采用最有效的方法并以规定的所需导航性能，引导运载体航行的过程（引导运载体按一定航线从一个地点（出发点）到另一个地点（目的地）的过程）。

2、导航参数导航过程中需要用来完成导航任务的参数。

载体的位置、速度、姿态（角度）等，其中最重要的参数是确定载体的位置，即定位。

所以，导航的核心就是定位。

3、导航的任务1）引导运载体进入并沿预定航线航行；2）导引运载体在夜间和各种气象条件下安全着陆或进港。

3) 为运载体准确、安全地完成航行任务提供所需要的其他导引及情报咨询服务；4）确定运载体当前所处的位置及其航行参数（最重要）。

4、导航与定位的区别与联系区别：导航是对运动点而言的，观测时间很短，观测数据要进行实时处理，提供相对参考位置的相对坐标，定位精度不及固定点高。

定位是对固定点而言的，允许较长时间的观测，观测数据事后处理，提供绝对坐标，定位精度较高。

联系：能够导航的系统必须能够定位，能够定位的系统必须能够导航。

这取决于观测器材能否在运载体上获得足够精度的观测量。

5、导航系统（设备）能够向运载体的操纵者或控制系统提供运载体的位置、速度、姿态等即时运动状态的系统称为导航系统。

如指南针、罗盘（最简单），卫星导航系统、无线电导航系统、惯性导航系统。

早在春秋战国时，我们祖先就了解并利用磁石的指极性制成最早的指南针——司南。

战国时的《韩非子》中提到用磁石制成的司南。

司南就是指南的意思，东汉思想家王充在其所著《论衡》中也有关于司南的记载。

司南由一把“勺子”和一个“地盘”两部分组成。

司南勺由整块磁石制成。

它的磁南极那一头琢成长柄，圆圆的底部是它的重心，琢得非常光滑。

地盘是个铜质的方盘，中央有个光滑的圆槽，四周刻着格线和表示24个方位的文字。

图司南由于司南的底部和地盘的圆槽都很光滑，司南放进了地盘就能灵活地转动，在它静止下来的时候，磁石的指极性使长柄总是指向南方。

这种仪器就是指南针的前身，由于当初使用司南必须配上地盘，所以后来指南针也叫罗盘针。

在制作中，天然磁石因打击受热容易失磁，磁性较弱，司南不能广泛流传。

到宋朝时，有人发现了人造磁铁。

钢铁在磁石上磨过，就带有磁性，这种磁性比较稳固不容易丢失。

后来在长期实践中出现了指南鱼。

从指南鱼再加以改进，把带磁的薄片改成带磁的钢针，就创造了比指南鱼更进一步的新的指南仪器。

把一支缝纫用的小钢针，在天然磁石上磨过，使它带有磁性，人造磁体的指南针就这样产生了。

11世纪初，中国人发明的用地球磁场使铁片磁化的方法图解图元代陈元靓设计的指南鱼图指南针图航海罗盘指南针发明后很快就应用于航海。

世界上最早记载指南针应用于航海导航的文献是北宋宣和年间（公元1119-1125年）朱所著《萍洲可谈》（成书略晚于《梦溪笔谈》），书中记载了中国海船上航海很有经验的水手。

他们善于辨别海上方向：“舟师识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦则观指南针”。

“识地理”，是表明当时舟师已能掌握在海上确定海船位置的方法。

说明我国人民在航海中已经知道使用指南针了。

这是全世界航海史上使用指南针的最早记载，我国人民首创的这种仪器导航方法，是航海技术的重大革新。

指南针应用于航海并不排斥天文导航，二者可配合使用，这更能促进航海天文知识的进步。

中国使用指南针导航不久，就被阿拉伯海船采取，并经阿拉伯人把这一伟大发明传到欧洲。

恩格斯在《自然辩证法》中指出，"磁针从阿拉伯人传至欧洲人手中在1180年左右"。

1180年是我国南宋孝宗淳熙七年。

中国人首先将指南针应用于航海比欧洲人至少早80年。

北宋著名科学家沈括(《梦溪笔谈》著者)，在制作和应用指南针的科学实践中发现了磁偏角的存在。

他精辟地指出，这是因为地球上的磁极不正好在南北两极的缘故。

指南针及磁偏角理论在远洋航行中发挥了巨大的作用，使人们获得了全天候航行的能力，人类第一次得到了在茫茫大海中航行的自由。

从此开辟了许多新的航线，缩短了航程，加速了航运的发展，促进了各国人民之间的文化交流与贸易往来。

指南针对航海事业的重要意义怎么说也不为过。

李约瑟说：“你们的祖先在航海方面远比我们的祖先来得先进。

中国远在欧洲之前懂得用前后帆的系统御风而行，或许就是这个原因，在中国航海史上从未用过多桨奴隶船”。

这类似于秦九韶算法是中国南宋时期的数学家秦九韶提出的一种多项式简化算法。

在西方被称作霍纳算法（Horner algorithm或Horner scheme），是以英国数学家威廉·乔治·霍纳命名的。

达尔文的进化论，kalman filter等等。

6、导航系统的分类（1）依据是否依靠外界信息完成导航任务可分为自主式导航系统与非自主式导航系统。

自主式导航系统：在不依靠外界信息或不与外界发生联系的情况下，独立完成导航任务，如惯性导航系统，天文导航。

惯性导航基于牛顿力学定律，组成惯性导航系统的设备都安装在运载体内，工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰，是一种自主式导航系统。

天文导航系统是自主式导航系统，不需要地面设备，不受人工或自然形成的电磁场的干扰，不向外辐射电磁波，隐蔽性好。

虽然短时间内的导航定位精度不及惯性导航，但其误差不随时间积累，这一特点对长期运行的载体来说非常重要。

另外，它可以同时提供位置、速度和姿态信息。

因而，天文导航成为深空探测、载人航天和远洋航海必不可少的关键技术和卫星、远程导弹、运载火箭、高空远程侦察机等的重要辅助导航手段。

需要特别指出的是，天文导航因不需要设置专门的导航信息源，人们一般称之为自主式导航，但因为其导航信息源（恒星）在载体之外，有时候又将其称为半自主式导航。

非自主式导航系统：必须有地面设备或依靠其他外部信息才能完成导航任务（无线电导航系统、卫星导航系统等等）。

除了要装在运载体上的导航设备外，还需设在其他地方的一套或多套设备与其配合工作，才能产生导航信息。

在运载体上的设备分别被称为弹载、机载、船（舰）载、车载或单兵导航设备，而设在其他地方的那套设备被称为导航台。

导航台与运载器上的导航设备用无线电相联系，总体形成一个导航系统。

§1.2 常用的导航方法目前广泛使用的导航方法有以下几种：1航标方法过去人们习惯称之为目视方法，这是一种借助于信标或参照物把运动物体从一个地点引导到另外的一个地点的方法。

目前，在飞机进场着陆时，这种方法仍在使用，经验性很强。

2航位推算法它是通过推算一系列测量的速度增量来确定位置的。

航位推算导航技术克服了前一种方法的缺点，不受天气、地理条件的限制．是一种自主式导航方法，保密性强。

其缺点是：随着时间的推移，其位置累积误差会越来超大。

惯性导航系统在原理上就是采用这种方法，但人们常说的航位推算大都采用方位仪(如磁罗盘)和速度表，利用方位仪将速度表所测的载体速度分解成东向和北向分量，然后分别积分，计算出各个方向上所经过的距离。

目前，航位推算法仍广泛使用在航海、航空和车辆自动定位系统中。

3 天文导航通过对天体精确地定时观测来定位的一种方法。

它用(光学)六分仪、反跟踪器等光学传感器测量出视野中天体的方位，再根据当时的时间，便能确定载体处于地球表面上的某一个圆环上．观测两颗或更多天体并进行处理，便可以确定出载体在地球表面的位置；目前，天文导航仍广泛用在航海和航天，特别是星际航行中。

它的缺点是误差累积及受时间和气象条件的限制，定位时间长，操作计算比较复杂。

4 惯性导航它是通过积分安装在稳定平台(物理的或数学的)上的加速度计输出来确定载体的位置和速度。

它完全依靠载体上的导航设备自主地完成导航任务，和外界不发生任何光、电联系。

因此，它是一种自主式导航方法，隐蔽性好，工作不受气象条件的限制。

这一独特的优点，使其成为航空、航海和航天领域中一种广泛使用的主要导航方法。

其主要缺点是导航误差随时间累积。

目前，惯性导航系统常常和其他导航系统组合使用。

5 无线电导航它是通过测量无线电波从发射台(导航台)到接收机的传输时间来定位的一种方法，也可以通过测量无线电信号的相位或相角来定位。

按照发射机或转发器所在的位置，无线电导航可分为地面(陆)基无线电导航和空间(星)基无线电导航。

6 卫星定位导航卫星导航是以人造卫星作为导航台的星基无线电导航，是一种利用人造地球卫星进行用户点位测量的技术，是以用导航卫星发送的导航定位信号确定载体位置和运动状态、引导运动载体安全有效地到达目的地的一门新兴科学。

卫星导航在军事和民用领域具有重要而广泛的应用。

它可为全球陆、海、空、天的各类军民载体，全天候、24小时提供高精度的三维位置、速度、姿态和精密时间信息。

§1.3 运载体对导航系统的要求导航的基本作用是为运载体航行服务，它所提供的服务应该满足航行所提出的特定要求。

现代导航不仅要解决航行的目的性，更要解决航行的安全性、服务连续性和有效性。

为了便于国际和国内的顺利通航，要在全世界范围内使用一些具有规定性能的导航系统。

导航系统的性能是由其信号特性和性能参数来描述的。

一般说来，要衡量一个导航系统的优劣，必须考虑其精度、覆盖范围、信息更新率、可用性、可靠性、完善性、多值性、系统容量和导航信息的维数等参数。

(1) 精度导航系统的精度指系统为运载体所提供的位置与运载体当时的真实位置之间的重合度。