导航定位技术

1.2导航定位技术

1.2.1导航的定义

将运载体从起始点引导到目的地的技术或方法称为导航(navigation)。导航一种广义的动态定位，所需的最基本导航参数为运载体的航向、航速和航迹。它的基本作用是引导飞机、船舰、车辆等(总的称作运载体)，还有个人，安全准确的沿着所选定的路线，准时地到达目的地。能够提供运载体运动状态，完成引导任务的设备则称为导航定位系统。导航由导航系统完成。任何导航系统中都包括有装在运载体上的导航设备。

1.2.2导航定位技术的分类

依据导航定位技术的方法不同，可分为航位推算导航、无线电导航、惯性导航、地图匹配、卫星导航和组合导航等等。

(l)航位推算导航

航位推算导航是一种常用的自主式导航定位方法，它是根据运动体的运动方向和航向距离(或速度、加速度、时间)的测量，从过去已知的位置来推算当前的位置，或预期将来的位置，从而可以得到一条运动轨迹，以此来引导航行。

航位推算导航系统的优点是低成本、自主性和隐蔽性好，且短时间内精度较高;其缺点是定位误差会随时间快速积累，不利于长时间工作，另外它得到的是车辆相对于某一起始点的相对位置。

(2)无线电导航

无线电导航15，61的依据是电磁波的恒定传播速率和路径的可测性原理。无线电导航系统是借助于运动体上的电子设备接收无线电信号，通过处理获得的信号来获得导航参量，从而确定运动体位置的一种导航系统。

无线电导航是目前广为发展与应用的导航手段，它不受时间、天气的限制，定位精度高、定位时间短，可连续地、实时地定位，并具有自动化程度高、操作简便等优点。但由于辐射或接收无线电信号的工作方式，使用易被发现，隐蔽性不好。

(3)惯性导航

惯性导航(Inertial Navigation)是以牛顿力学三定律为基础的，将惯性空间的运载体引导到目标地的过程阴。惯性导航系统(Inertial Navigation System, INS)是利用惯性仪表(陀螺仪和加速度计)测量运动载体在惯性空间中的角运动和线运动，根据载体运动微分方程组实时地、精确地解算出运动载体的位置、速度和姿态角。目前应用中的惯性导航系统主要分为两类:机械平台式与捷联式(Gimbaled and Strapdown Systems)。

惯性导航系统的优点是自主性和隐蔽性好，同时具有全天候、多功能，机动灵活等特点，其缺点是定位误差随时间积累，初始对准比较困难，且成本高。

(4)地图匹配

地图匹配(Map Matching, MM)是一种基于软件技术的定位修正方法，将定位轨迹同高精度电子地图道路信息相比较，通过适当的匹配过程确定出车辆最可能的行驶路段及车辆在此路段中最可能的位置。地图匹配过程可分为两个相对独立的过程:一是寻找车辆当前行驶的道路;二是将当前定位点投影到车辆行驶的道路上。估计轨道与精确地图马路的误差可以在估计轨道上的位置点使用一种恰当的正交化方法来消除，这是一种缩小估计轨道与马路或者地理导航线距离误差的最优方法。

地图匹配的优点是定位精度较高，其缺点是覆盖范围有限，自主性差。

(5)卫星导航

卫星导航是接收导航卫星发送的导航定位信号，并以导航卫星作为动态已知点，实时地测定运动载体的在航位置和速度，进而完成导航。卫星导航系统以全球定位系统(GPS)、全球导航卫星系统(GLONASS)、欧洲伽利略(GALILEO)卫星导航系统和北斗卫星导航定位系统为

代表(如图1.1一图1.4)。

图1.l全球定位系统图 1.2GLONASS卫星

图1.3欧洲伽利略卫星导航系统图 1.4北斗卫星导航定位系统

全球定位系统由空间部分、地面控制部分和用户部分组成。空间部分由均匀分布在六个轨道面上的24颗卫星组成:地面控制部分由全球分布的一个主控站、四个注入站和五个监测站组成;用户部分则主要指用户的GPS接收机及其辅助设备。GPS具有全球性、全天候、不间断、实时提供高精度的三维位置、速度和时间信息等一系列优点，是实现全球导航定位的一种高新技术。同时，在GPS的基础上出现了差分全球定位系统(DGPS)，它是利用差分技术使用户能够获得更高的定位精度。但也有一些不足，如在城市高楼大厦林立的市区、林荫道、涵洞、以及深山峡谷中，GPS的定位功能经常失效。

全球导航卫星系统(GLONASS)是前苏联研制，并由俄罗斯继续发展的第二代全球卫星导航系统，由卫星星座(空间区段)、地面控制设施(控制区段)和用户设备(用户区段)组成。GLONASS星座由均匀分布在三个轨道面上的24颗卫星组成，轨道高度是19100Km，轨道倾角为64.8°，运行周期为11h15min40s。GLONASS系统在整体结构、信号组成、定位原理和系统功能等方面都与GPS相似，其主要区别在于GLONASS采用FDMA(频分多址)扩频体制区分不同的卫星信号，但所有卫星信号上调制的伪随机码都相同;而GPS采用CDMA(码分多址)方式，所有的卫星使用相同的频率，而在载波上调制的伪随机码随卫星的不同而不同。

欧洲伽利略(GALILEO)卫星导航系统打破了美国在卫星导航领域的垄断，其系统架构与GPS 和GLONASS相似。Galileo星座有均匀分布在三个轨道面上的30颗卫星组成，轨道高度是

23616km，轨道倾角为56°，运行周期是14h4min。Galileo系统与GPS兼容和互操作，并独立于GPS。Galileo系统具有卫星数多，多载频，覆盖范围广，能提供更高的定位精度、更强的可用性和连续性。

北斗卫星导航定位系统是我国自行研制开发的双星导航定位系统，可以对我国领土及周边地区进行准确定位。2009年4月15日，成功发射了第2颗北斗导航卫星，是北斗卫星导航定位系统中的第二颗组网卫星，是地球同步静止轨道卫星。北斗卫星导航定位系统由空间卫星、地面控制中心和用户终端三部分组成。在覆盖区内，可为用户全天候提供快速定位、实时导航、简短通信和授时服务。但是北斗导航定位系统还存在一些不足，如在定位过程时需要地面控制中心与定位终端之间进行通信，因而受到信道限制，同时服务的终端数有限，同时定位响应时间较长。

(5)组合导航

组合导航是指把两种或两种以上不同导航系统以适当的方式综合在一起，使其性能互补、取长补短，以获得比单独使用单一导航系统时更高的导航性能。由于单一导航系统都有各自的独特性能和局限性，把几种不同的单一导航系统组合起来，采用先进的信息融合技术，运用一些先进的智能算法，以到最佳的组合状态。组合导航系统具有系统精度高、可靠性好、多功能、实时、对子系统要求低等特点，此外，组合导航系统还可大大提高系统的可靠性和容错性能，因此，被广泛采用且成为导航技术的一个明显发展方向。