无线电导航原理与系统11

无线电导航原理与系统主讲：黄智刚教授、李锐讲师2009年09月第一章绪论一.概述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？”“我向哪里去？”导航的定义与任务概念：引导各种运载体（飞机、船舶、车辆等）以及个人按既定航线航行的过程称为导航，它是保证运载体安全、准确地沿着选定路线，准时到达目的地的一种手段一.概述一.概述早期的导航手段地形地物指南车、计里鼓天文导航磁罗盘—指南针推算导航—惯性导航一.概述早期导航的缺点受天气、季节、能见度和环境的制约导航精度低下导航区域有限（空中、海上或地面）安全性和准确性不高一.概述无线电导航的发明及特点无线电导航系统一般由装在运载体上的导航设备和设在地面或卫星上的导航台（站）组成通过在导航设备和导航台站之间的无线电信号传播和通信获得导航信息，给飞机或船只指示出它们的实时位置或方位使运载体在不同的运动空间和环境、不同的气象气候条件下都能够顺利地完成导航任务一.概述无线电导航具有以下特点：①受外界条件（如昼夜、季节、气象、环境等）的限制较小。②测量导航参数的精度较高，测量速度快。③系统体积小、重量轻，可靠性高。④系统价廉经济，易于推广和流行。二.无线电导航的基本知识无线电导航的任务一般包括以下4个方面：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它导引任务。二.无线电导航的基本知识导航系统的分类按所测量的电气参量振幅式，相位式，频率式，脉冲（时间）式，复合式按所测量的几何参量测角，测距，测距差按系统的组成情况自主式（自备式），非自主式（它备式）按无线电导航台（站）的安装地点陆基，空基，星基按有效作用距离近程，远程按工作方式有源，无源二.无线电导航的基本知识无线电导航系统的性能及技术指标设计或衡量一个无线电导航系统时，其精度、覆盖范围及系统容量是首先需要考虑的，它们反映了导航系统所能提供的导航信息的准确性、可服务区域、用户数量方面的性能；而其它的导航参数对导航用户也是重要的，尤其对于航空用户来说，是保障飞行安全、高效所必不可少的。二.无线电导航的基本知识精度：导航系统的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误差大小，常用均方误差（RMS），圆概率误差（CEP）。覆盖范围：一个面积或立体空间，那里的导航信号能够使导航用户以规定的精度定出运载体的位置。系统容量：导航系统的覆盖范围内，系统同时可提供定位服务的用户的数量。二.无线电导航的基本知识导航信息更新率：导航系统在单位时间内可为运载体提供定位或其他导航数据的次数。系统完好性：完好性也称完善性或完备性、完整性等，是指当导航系统发生故障或误差变化超出了允许的范围，不能提供可用的导航服务时，系统能够及时向用户发出告警的能力。二.无线电导航的基本知识连续性：运载体在某特定的运行阶段，导航系统能够提供规定的定位引导功能而不发生中断的能力，表明了系统可连续提供导航服务的性能。可用性：是指当导航系统和用户设备都正常工作时，系统为运载体提供可用的导航服务时间与该航行阶段时间的百分比可靠性：指系统在给定使用条件下，在规定的时间内以规定的性能完成其功能的概率三.无线电导航的应用及发展历史综观无线电导航的发明和发展史，一般都是通过单独或相互搭配地应用，实现为运载体提供实时方位或定位信息的目的。到目前为止，人们主要使用的还是陆基无线电导航系统，包括：为航空服务的伏尔（VOR）、测距器（DME）、塔康（TACAN）、航空无线电信标（AeronauticalRadiobeacon）、仪表着陆系统（ILS）、微波着陆系统（MLS）、精密进近雷达（PAR）等；主要为航海服务的罗兰—C（Loran—C）、航海无线电信标（MaritimeRadiobeacon）三.无线电导航的应用及发展历史最近20年间，以GPS为主导的卫星导航技术获得了飞速发展，在各个领域都得到了广泛应用三.无线电导航的应用及发展历史总的来讲，无线电导航的发展历程经历了三个典型的发展阶段：从以定向为主的早期阶段，到全面开展、日趋完善的发展阶段，再到现在卫星导航应用普及、多导航手段并举的成熟阶段。三.无线电导航的应用及发展历史早期阶段时间从20世纪初至第二次世界大战前。这一阶段由于发明了无线电测向技术，使导航系统真正成为了可用于引导航行的可靠装置。无线电罗盘、定向器、四航道信标、扇形无线电信标可以测出信标台的方向，或进一步测出两个及以上信标台的方位进行船只的定位三.无线电导航的应用及发展历史发展阶段时间从第二次世界大战开始至六十年代初。在这一阶段中，名目繁多的各种无线电导航系统因为战争需要而发明和研制出来：塔康（TACAN）测距器（DME）甚低频导航系统伏尔（VOR）多普勒导航雷达劳兰系统（LORAN）仪表着陆系统（ILS）精密进近雷达（PAR）无线电高度表（Radioltimeter）台卡系统（DECCA）三.无线电导航的应用及发展历史成熟阶段时间从六十年代中期至今此阶段之前的无线电导航系统大多为陆基系统，它把整个系统的复杂性集中在地面导航台上，使机载或船载的用户设备比较简单，并且价格低廉、可靠性高，但其导航精度一般较低，导航数据的更新率也不高，覆盖范围有限。三.无线电导航的应用及发展历史卫星导航的出现可以改变这种情况：第一：它把导航台设在了外层空间的卫星上，解决了导航信号大范围覆盖的问题；第二：它所发射的无线电波频率很高，可以顺利地穿过电离层等大气层，并且提供很高的导航精度；第三：它可以通过多颗卫星组成导航星座，使用户不必发射无线电信号就可以实现二维、三维甚至四维定位。三.无线电导航的应用及发展历史当前新型的无线电导航系统：①子午仪导航卫星系统（TransitNavigationSatelliteSystem）②GPS和GLONASS卫星导航系统③其它卫星导航系统三.无线电导航的应用及发展历史①子午仪导航卫星系统（TransitNavigationSatelliteSystem）：该系统由美国海军于1958年开始研制，1964年发射导航卫星并投入使用,子午仪系统可在全球范围内对舰船进行定位导航，开创了人造卫星用于导航的先河，为第一代星基导航系统。它通过天空的7颗卫星（其中一颗是备份星）向地面用户发射连续波信号，通过对卫星信号的多普勒频移的测量，可使地面或水上的低动态用户达到几十米或几百米的导航定位精度。三.无线电导航的应用及发展历史②GPS和GLONASS卫星导航系统：1973年美国国防部开始研制第二代卫星导航系统，即现在的GPS（NavigationSatelliteTimingAndRanging/GlobalPositioningSystem,NAVSTARGPS），其全称为“导航星授时和测距全球定位系统”。GPS于1994年部署完毕，全部24颗卫星升空，1996年进入“完全工作能力（FOC）阶段”。三.无线电导航的应用及发展历史②GPS和GLONASS卫星导航系统：GPS采用高度为2万公里的24颗卫星覆盖全球，用户只要收到4颗卫星的信号就可实现定位.其特点为全天候全球导航，定位精度高，可提供用户的三维位置、三维速度和时间等信息，用户设备无源工作，体积小、重量轻、耗电少，使用方便、价格低廉，应用范围广泛，是军事应用的首选定位系统。通过提取GPS信号的载波相位信息，还可以得到更高的测量或定位精度，可用于测绘、低动态导航和运载体姿态测量等高精度定位的场合。三.无线电导航的应用及发展历史GPS卫星导航定位示意图：三.无线电导航的应用及发展历史③其它卫星导航系统2003年5月中国发射了北斗导航系统的第三颗卫星，完成了第一代主动式卫星导航系统的建立。目前欧洲各国正在积极建立一个多国共享的独立于GPS的导航卫星系统——Galileo系统。国际民航组织（ICAO）和国际海事卫星组织（IMO）也在筹划建立全球统一的无隙导航体系的GNSS（GlobalNavigationSatelliteSystem）系统。三.无线电导航的应用及发展历史其他导航系统:微波着陆系统（MLS）地形辅助导航系统联合战术信息分发系统（JTIDS）定位报告系统（PLRS）组合导航系统：GPS/惯导（INS）组合JTIDS和PLRS组合地形信息系统与惯导组合三.无线电导航的应用及发展历史卫星导航系统的增强技术卫星导航系统在覆盖范围和精度等方面的性能已远远超过陆基无线电导航系统，但系统的完好性、可用性和连续性等指标，还不能满足某些用户尤其是飞机飞行的需要。对卫星导航系统做增强处理，可进一步改善系统性能，并在某些应用场合如飞机着陆阶段提高系统的引导定位精度，达到精密进近的目的。三.无线电导航的应用及发展历史对卫星导航系统的增强技术主要包括自主增强(RAIM)辅助增强(AAIM)局域增强(LAAS)广域增强(WAAS)四.发展前景及军事应用GPS和GLONASS系统能够在任何气候条件下，实时、便捷地提供连续的和高精度的位置、航向、速度、姿态和时间信息。卫星导航代表了未来无线电导航的发展方向。与此同时，无线电导航技术的应用正在迅速超越交通运输的范畴，渗透到国民经济和人民生活的各个方面，包括工业、农业、林业、渔业、公安、急救、邮电、电力传输、地质、石油开采、信息网络以及科学研究等等。四.发展前景及军事应用在新型无线电导航系统中，卡尔曼滤波技术得到了广泛应用，它对于滤除定位数据中的噪声、平滑运行轨迹以及进行多系统组合十分关键，在卫星导航、地形辅助导航、JTIDS和PLRS及其组合导航中都用到了卡尔曼滤波。本章作业复习题2、4、8