54水下航行器导航与定位技术教材(新)

水下航行器导航与定位技术学习提纲主要参考书：1．导航与定位——现代战争的北斗星，干国强主编，国防工业出版社，20002．水下导航信息融合技术，朱海，莫军著，国防工业出版社，20023．卡尔曼滤波与组合导航原理，秦永元，西北工业大学出版社，1998主要内容：导航技术概论(参考书1)航位推算系统声学导航系统陆基无线电导航系统(参考书1)卫星导航系统(参考书1)惯性导航系统(参考书1)其它水下导航方法(重力梯度、地形匹配、磁导航等)水下组合导航技术(参考书1)要求：全文阅读讲义；阅读参考书指定章节；掌握各类主要导航方法的基本原理、适用范围、优缺点；掌握推算航位导航的计算方法。目录水下航行器导航与定位技术................................................................................................................................0第一章水下导航技术概论..................................................................................................................................2§1.1导航的基本概念.................................................................................................................................2第二章航位推算..................................................................................................................................................2§2.1概述........................................................................................................................................................2§2.2航位推算的定义....................................................................................................................................3第三章声学导航系统..........................................................................................................................................9第四章陆基无线电导航系统............................................................................................................................13第五章卫星导航系统........................................................................................................................................13第六章惯性导航系统........................................................................................................................................136．1航海陀螺仪器的发展..........................................................................................................................136．2以捷联惯导为核心的组合导航技术.................................................................................................16第七章其它水下导航技术................................................................................................................................17§7.1地形辅助导航.....................................................................................................................................17§7.2地球物理导航.....................................................................................................................................19§7.3各种水下助航方法(舰船导航，2001，6).........................................................................................207.3.1磁导航........................................................................................................................................207.3.2重力导航.....................................................................................................................................21§7.4地形辅助导航技术.............................................................................................................................231第八章水下组合导航技术................................................................................................................................232第一章水下导航技术概论导航的基本作用是引导飞机、舰船、车辆、个人等，安全准确地沿着所选定的路线，准时地到达目的地。§1.1导航的基本概念“导航”就是正确地引导航行器沿着预定的航线在规定的时间内到达目的地的过程。为了完成这个任务，就需要随时知道航行器的瞬时地理位置、航行速度、航行器的姿态、航向等参数。这些参数，通常称作导航参数。对有人驾驶的航行器，这些导航参数可由领航员通过观察仪表和计算得到。但是，随着速度和航程的不断增大，对导航的要求越来越高。为了减轻和代替领航员的工作，就出现了各种各样的导航系统，可以自动地提供需要的各种导航参数。在舰船、飞机、导弹、宇宙飞船等各种航行器上，导航系统已作为保证航行任务完成所不可缺少的重要装备。而导航原理、导航方法和导航技术的研究已发展成为一门独立的学科。随着科学技术的发展，导航的概念也扩展了，除了保证载体的安全航行外，还需要为运载体以及运载体内的其它系统，如测量、武器、监视等系统提供精确的导航、定位信息，进一步地还可以对运载体的航向、航迹进行控制，也可实现对运载体的动力定位。按照近代科技术语，导航的主要工作就是定位、定向、授时和测速。导航系统需要连续提供此类信息；当载体的运动速度加快时，要求数据的更新速率也相应加快。导航系统有两种工作状态：若作为测量装置，提供的导航参数仅供驾驶员引导载体之用，则称导航系统工作于指示状态；如果导航系统与自动驾驶仪联用，所提供的导航信息作为自动驾驶仪的输入量，由自动驾驶仪自动操纵和引导载体，驾驶员(若有)只起监督作用，则称导航系统工作于自动导航状态。无论何种工作状态，导航系统的作用都只是提供导航参数，因此人们提到“导航”这个术语时，其含义也只侧重于测量和提供导航参数这部分工作。第二章航位推算§2.1概述航位推算导航是最基本的导航方法之一，由于在水上导航中它和各种导航设备一起使用，所以很少强调它的重要性，但在水下导航中其地位至关重要。航位推算导航有两个独特的优点：一是可随时定位，不象无线电导航、卫星导航等系统，当需要在水下精确定位的时候，却因收不到信号而不能定位；二是能够给出载体现在和将来的位置。利用其它导3航方法即便是得到了位置并画在海图上，这个位置并不表示一艘正在航行的舰船现在或将来某一时刻的位置。为了得到舰船现在和将来的近似位置，导航者只能单纯依赖于航位推算导航法。上述特点使得航位推算导航法在舰船导航中处于不可缺少的地位。航位推算(DeadReckoning)这一术语的确切来历至今没有考证清楚，据说，在16世纪，航海者就开始应用航位推算法。当时，人们还不能利用天文学技术对所测得的船位进行校正，对远离陆地的航行，只能凭借海员的推测或航行的经验进行估计，也没有任何其它方法能作为引导航行的依据。§2.2航位推算的定义在18世纪和19世纪期间，各种海图极其缺乏，价格也十分昂贵，船长只能根据航行前已知位置的航向和航速，利用数学公式算出当时的位置，把这种技术称为“推算估算法”，英文用“DeducedReckoning”表示，后来又缩写为“dedreckoning”，几经演化而成为今天使用的航位推算“deadreckoning”。由于自然天文学的进步，使得校正航位推算方法成为可能。海上寻找舰船位置的最早的自然天文学技术，是根据观测北极星高度，找出观察者所处的纬度。后来又利用观测恒星、行星等确定船位。直到18世纪海上测量经度的问题得到彻底解决，航位推算导航法才被人们真正地确定下来。最常用而且应用最早的导航方法是航位推算法[10]，即将水下航行器的速度对时间进行积分来获得航行器的位置。因此，这种方法需要一个水速传感器来测量航行器的速度，再用一个罗经来测量航行器的方向。但是，这种方法的主要问题是海流的存在而给水下航行器产生一个速度的分量，这个分量水速传感器又无法测量，从而给低速航行的水下航行器在长时间航行时会产生很大的定位误差。对于靠近海底航行的水下航行器，可以采用多普勒速度声纳（DVS）来测量航行器相对于大地的速度，从而可以消除海流对航行器定位的影响。目前国外水下航行器上常用的DVS，主要有：美国EDO公司的3040型和3050型多普勒速度声纳，其精度达到可达到0.2%；美国RDInstrucments公司的WorkhorseNavigator，其精度也可达到0.4%；英国MA公司研制的COVELIA，其最大绝对误差不大于0.005节。对于DVS，其作用距离越大，其体积和功耗就越大。因此，选择DVS时，因根据航行器及航行器的使用环境来确