第一讲-导航技术1概要

上海海事大学应士君2020年1月28日星期二2020/1/28第一讲2020/1/28何为导航？引导某一对象，从指定航线的一点运动到另一点的方法。导航分两类：(1)自主式导航：用飞行器或船舶上的设备导航，有惯性导航、多普勒导航和天文导航等；(2)非自主式导航：用于飞行器、船舶、汽车等交通设备与有关的地面或空中设备相配合导航，有无线电导航、卫星导航。在军事上，还要配合完成武器投射、侦察、巡逻、反潜和援救等任务。2020/1/28一、导航的来源•导航来源于人类交通和军事活动对方位或位置识别的需求，其目的是要解决“我现在在哪里？”和“我向哪里去？”这类基本定位和引导问题。2020/1/28•在远古时代，人们利用地形地物作参照物或者通过观察太阳和星体的方位，作为到达目的地的方法或手段。•为了克服天气和能见度的限制，后来陆续出现了指南车、计里鼓和磁罗盘等最初的导航装置，此时对导航的要求主要还是辨别方向。2020/1/28•相传公元前约2600年，涿鹿大战中，黄帝部落发明了指南车•有记载最早的用来指示方向的一种机械导航装置，主要采用差动齿轮的传动原理，无论车体如何行进，都可根据车轮的转动，由车上木人指示出固定方向（南向）。指南车2020/1/28•记里鼓车是中国古代的一种距离测量装置，它同样利用齿轮机的差动原理，通过对所行进的路程进行计数，实现“记里车行一里路，车上木人击鼓，行十里路，车上木人击镯”的目的。计里鼓2020/1/28大约公元前一千年，天文星历导航开始应用。天文导航：2020/1/28•公元前580－500年希腊哲学家毕达哥拉斯和公元前504－450年帕梅尼德斯（Parmenides），在科学上得出了地球是球形的结论•公元前276－195年由埃拉托斯特尼（Eratosthenes）确定了地球的大小。•公元前150－100年，著名天文学家喜帕恰斯（Hipparkhos）提出了用地理纬度和经度来表示地球上某点位置的方法，由此建立了近代天文导航的基础。天文导航：2020/1/28•公元27－97年间，我国就已有关于地磁指南工具的记载。磁罗盘：2020/1/28•1569年，荷兰发明家格哈德·鱼雷默出版了世界海图。•1601年英国人约翰·托普出版了海员历。1731年，六分仪在英国问世。•1761年，英国钟表匠JohnHarrison发明了第一台航海表。至此，海上导航得到了快速发展，原始的推算导航仪器出现并得到初步应用，海员们通过测量船体的速度增量并进行外推来确定自己的位置，这成为后来惯性导航技术（inertialnavigation）的理论基础。惯性导航：2020/1/28•早期的导航活动来源于人们当时所掌握的地磁现象、天文知识、惯性技术等知识，导航精度比较低下，应用的范围也仅限于陆路和海上交通，对于早期海上船舰的航行安全起到了至关重要的作用，推动了经济的发展，对战争具有重要的辅助作用。•从19世纪末到20世纪初，无线电技术开始用于导航中的计时器校准和方位测量，由此进入了无线电导航时代，翻开了导航史上的崭新一页。无线电导航：2020/1/28二、无线电导航的发明及特点•19世纪末，无线电测向技术正式应用于船舶导航•随着无线电技术的迅猛发展，无线电导航的概念逐步建立，无线电导航设备和系统也逐步完善。•二战以来，对导航的需求不断提高，使导航的功能从主要提供运载体的航向转变为主要提供位置信息。•导航己经发展成一门专业的技术，形成了较为完备的科学体系，并成为航空、航海和陆路交通可以完全依赖及必须依赖的技术手段。2020/1/28•最初和主要形式是在地面台（站）上为船舶和飞机进行导航•20世纪80年代开始，由于卫星导航的发展及应用，以及其他新型导航方式的出现，开辟了无线电导航的一个新的应用领域，进入了以卫星导航为主要形式的精密导航时代。2020/1/28无线电导航的特点•受外界条件（如昼夜、季节、气象等）的限制较小；•测量导航参数的精度较高，测量速度快；•系统体积小、质量轻，可靠性高；•系统价廉经济，易于推广和流行。2020/1/28三、船舶导航与导航系统的定义与任务•1、导航（navigation）是引导运载体（船舶）按既定航线航行的整个引导过程。–“引导由导航系统或设备为运载体（船舶）的操纵者提供必要的导航参量。–控制是操纵者根据导航参量，酌情实施对运载体（船舶）进行航行控制。2020/1/282、导航系统•导航系统（NavigationSystem）是实施导航的专用设备组合式设备的统称。–导航系统侧重于实现特定导航功能的设备组合体，组合体内的各部分都必须按特定的协同方式工作才能实现系统功能–导航设备一般是指导航系统中某一相对独立部分的型号产品，或实现某一导航功能的单机。2020/1/283、无线电导航•利用无线电技术对运载体航行的全部（或部分）过程实施导航，称为无线电导航。能够完成全部或部分无线电导航功能（或任务）的技术装置组合称为无线电导航系统或设备。置于地面、船舰或已知运动轨迹的卫星上，为其他用户提供导航定位功能的无线电导航系统或设备，称为无线电导航台（站）。2020/1/284、无线电导航的基本任务（以航空为例）•航路导航系统：完成航线导航任务的系统；•着陆引导系统：完成进场着陆引进的导航系统（有的着陆引导系统具有离港引导能力）。•随着空域中飞机密度增高，特别是港区空域更加突出，空中航行管制显得非常必要，这也是导航业务的一个重要方面，专门用于空中航行管制的系统称为空中交通管制系统（ATCS-AirTrafficControlSystem）。港区空域起飞机场降落机场特定出口特定入口航线空域2020/1/28•导引运载体沿既定航线航行；•确定运载体当前所处的位置及其航行参数，包括航向、速度、姿态等实时运动状态；•导引运载体在夜间和复杂气象条件下的安全着陆或进港；•保证运载体准确、安全地完成航行任务所需要的其他导引任务2020/1/28四、导航系统的分类——1、按所测量的电气参量划分•振幅式无线电导航系统；如无线电罗盘，仪表着陆系统（ILS）•相位式无线电导航系统；如VOR，欧米伽系统、台卡系统，罗兰-A等等。•频率式无线电导航系统；如频率式高度表，多普勒导航系统•脉冲（时间）式无线电导航系统；如脉冲式高度表，应答/测距系统（DME）•复合无线电导航系统，即可同时测量两个或两个以上相同或不同的电气参量的系统。如TACAN系统和LORAN-C等。2020/1/282、按所测量的几何参量划分•无线电测角导航系统（直线位置线）：伏尔、罗盘•无线电测距系统（圆位置线）：塔康、DME•无线电测距差系统（双曲线位置线）：罗兰－Ａ、罗兰－C•无线电测距和系统（椭圆位置线）：星基导航有源定位•无线电复合式系统2020/1/283、按系统的组成情况划分•自备式（自主式）：仅靠装在运载体上的导航设备就能独立地为该运载体提供导航服务。(多普勒自主推算导航系统、惯性系统)•他备式（非自主式）:需由运载体外的安装位置已知的导航设备配合机载设备协调工作才能实现对运载体的导航。（无线电罗盘、伏尔、TACAN、卫星导航系统）2020/1/284、按导航台的安装位置分类•地基导航系统：导航台安装在地球表面的某一确知位置上。（无线电罗盘、伏尔、罗兰-C）•空基导航系统：导航台安装在空中某一特定载体上。（多普勒自主推算导航系统）•星基导航系统：导航台安装在人造卫星上。（GPS、GLONASS、北斗导航系统）2020/1/285、按导航系统最大有效作用距离分类•近程导航系统：500km（伏尔、罗盘、塔康）•中程导航系统：1000km（罗兰-B）•远程导航系统：3000km（罗兰-C）•超远程导航系统：＞10,000km（奥米伽、多普勒、GPS、GLONASS）2020/1/286、按工作方式划分•有源工作方式导航系统：用户设备工作时需要发射信号；•无源工作方式导航系统：用户设备不须发射信号。2020/1/28五、导航基本参量和术语•航线和航迹•导航中常用的速度参量•导航中常用的角度参量•导航中常用的距离参量2020/1/281、航线和航迹•航线：指船舶在两地间的海上航行路线，每个航次的具体航线，应根据航行任务和航行地区的地理、水文、气象等情况，以及船舶状况拟定。–大圆航线：沿最短大圆弧线航行的航线。–恒向航线：保持恒定不变航向的航线。•航迹：船舶的实际轨迹在水面或地面上的投影（水平投影）。2020/1/282、导航中常用的速度参量•对水速：运载体相对水媒质的运动速度。•风流速：空气和水流相对地球表面的运动速度。•对地速：运载体相对地球表面的运动速度。•航行速度三角形：对水速、风流速在地面的投影与对地速构成的三角形。对地速可通过求解航行速度三角形得出。对水速矢量风流速矢量对地速矢量2020/1/283、导航中常用的角度参量•航向（船舶首向）：船舶纵轴首端的水平指向。船舶的航向与对水速度矢量方向是一致的。航向由选定的基准方向（真北）顺时针转到该指向的夹角来定量标度。–真航向：船舶重心点的真北顺时针转到船舶纵轴的夹角在水平面的投影。–磁航向：船舶重心点的磁北顺时针转到船舶纵轴的夹角在水平面的投影。–电台航向（电台相对方位）2020/1/28•航迹角：基准方向和航迹之间的夹角。航迹方向与对地速度矢量方向是一致的。•流压角：船舶纵轴首向和航迹方向之间的夹角。因为船舶的航向与对水速度矢量方向一致，航迹方向与对地速度矢量方向是一致，因此流压角是由于对水速和对地速矢量方向不同造成的，究其根本是由于风流造成的。•方位：表示两点间相对位置的量，由观测点基准方向顺时针转到两点连线之间的夹角在水平面的投影来标度目标点的方位。2020/1/28•运载体真方位：以导航台真北为基准，顺时针转到导航台与运载体之间的夹角在水平面的投影。•运载体磁方位：以导航台磁北为基准，顺时针转到导航台与运载体之间的夹角在水平面的投影。•电台（导航台）真方位：以运载体真北为基准，顺时针转到导航台与运载体之间的夹角在水平面的投影。•电台（导航台）磁方位：以运载体磁北为基准，顺时针转到导航台与运载体之间的夹角在水平面的投影。•电台向对方位：以运载体纵轴方向为基准方向，顺时针转到导航台与运载体之间的夹角在水平面的投影。2020/1/284、导航中常用的距离参量•水深：从某一基准水平面到海底的垂直距离。–水面水深：海平面到海底的垂直距离。–龙骨水深：船舶龙骨到海底的垂直距离。–传感器水深：换能器面到海底的垂直距离。2020/1/28•高度：从运载体重心到某一基准水平面的垂直距离。–绝对高度：运载体重心到平均海平面的垂直距离。–相对高度：运载体重心到某一指定参考水平面的垂直距离。–真实高度：运载体重心到实际地面的垂直距离。绝对高度真实高度相对高度2020/1/28•斜距：不在同一高度层或同一铅垂线上的两点之间的距离。•地面斜距：斜距在地面上的投影。2020/1/28六、无线电导航系统的性能及技术指标•精度•覆盖范围（工作区、作用距离）•系统容量•导航信息更新率•连续性、可用性和可靠性•系统完好性2020/1/28（一）、精度•精度是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。•导航系统为用户提供的实测导航参量（如实时位置、方位、距离等）与其真实参量之间的偏差称为导航参量误差，简称导航误差。2020/1/281、导航误差的典型表示法•1）平均误差•2）均方根误差–均方误差RMS（RootMeanSquareError）描述了定位精度所对应的置信椭圆（二维定位）或置信椭球（三维定位）的大小。置信椭圆的长、短半轴分别表示了二维位置坐标分量的标准差（如经度的αλ和纬度的αφ），如果误差统计分布是服从于正态分布，随机误差落在一倍标准差（1α）的概率值是68.3％，2α、3α的概率值分别为95.5％、99.7％。n2,,1indinindi,2,122020/1/28•通常定义均方根误差的三倍（即3σ）为最大误差，在正态分布条件下，随机误差落在±3σ范围内的概率为9