第1章导航系统概述
第1章 导航系统概述
1.1 引言
将航行载体从起始点引导到目的地的过程称为导航。导航系统给出的基本参数是载体在空间的即时位置、速度和姿态、航向等，导航参数的确定由导航仪表或导航系统来完成。在早期导航中，测量导航参数的仪表称为导航仪表，随着测量手段日趋完善和复杂．目前测量导航参数的整套设备称为导航系统。
导航系统有两种工作状态：指示状态和自动导航状态。如导航设备提供的导航信息仅供驾驶员操纵和引导载体用，则导航系统工作指示状态，在指示状态下，导航系统不直接对载体进行控制；如果导航系统直接提供的信息给载体的自动驾驶控制系统，由自动驾驶控制系统操作和引导载体，则导航系统工作于自动导航状态。在这两种工作状态下，导航系统的作用都只是提供导航参数，“导航”含义也侧重于测量和提供导航参数。 导航有多种技术途径，如无线电导
航，天文导航，惯性导航等可实现相应的导航任务。在这些导航技术中，惯性导航占有特殊的位置。惯性导航具有高
度自主的突出优点，以牛顿力学为理论为基础，只依靠安装在载体内的惯性测量传感器陀螺、加速度计和相应的配套装置建立基准坐标系，进而获得载体的
加速度，推算速度、位置等导航参数。 另外，现代运载体的高精度、长时
间、远程导航等导航要求不断提高，单
纯惯性导航不能完全满足，采用现代控制理论信息融合方法，以软硬件迅速发展的计算机为计算工具，将惯导系统和其他导航系统综合，构成以惯性导航为
主，其他导航手段为辅的组合导航系
统，应用日益广泛。
以航空导航为例，早期飞机的导航方法是依靠飞行前制订的飞行计划
来确定飞行路径，飞行中依靠磁罗盘、无线电罗盘、速度表和时钟等导航仪表来保持既定航向、速度和大致判别飞行路径，并在可能的条件下用目视地形和明显建筑物的方法来监视飞行路径的正确性和寻找目的地。20世纪60年代以后，机载惯性导航系统、多普勒导航系统和各种无线电导航系统相继问世。这些系统都能连续提供飞机的即时位置信息。
制导是一个与“导航”相关的概念，也是和导弹、制导炸弹、制导炮弹、制导鱼雷等带有导航、制导功能的制导武器一起出现的术语。制导是指自动控制和导引飞行器按预定轨迹和飞行路线准确到达目标的过程，既包含了应用导航的测量值，又包含自动控制的闭环的全部工作过程。实现导引和控制飞行器按预定规律调整飞行路线导向目标的全部装置称为制导系统。制导系统的主要功能包括1）根据起始点、目标点和有关约束的信息，建立航迹参数（如位置、速度、航向、航路点、航线等）；2）测量载体的实际运动，确定载体的真实运动参数；3）根据航迹参数与实际运动参数，自动产生控制（制导）信息，传输给运动载体的相应控制部件。
如飞机上的自动驾驶系统可以结合计算机中已存储的飞行路径中各航路点位置信息，再根据导航系统提供的即时导航参数，就能计算出各种可用来纠正飞机航行偏差、指导正确航行方向的制导参数，如应飞航迹角、偏航迹和待飞距离(待飞时间)。惯导系统和多普勒导航系统还可计算出航迹角误差。以上参数示意见图1.1(图中还示出真航向、航迹角、偏流角和地速ν)。
待飞距离航点i -1航路点i 偏航距N V 应飞航迹角偏流角航迹角误差真航向航迹角 图1.1 制导参数示意图
预定航迹参数设置
导航系统飞行控制计算机飞行操作控制部件
导弹运动
信息指令
图1.2 导航制导闭环控制系统示意图 飞行体的制导参数是利用给定飞行计划和系统导航参数计算出来的。利用制导参数和飞机操纵规律，可以计算出飞机的操纵指令。通过飞行控制系统，可实现飞机的航行自动化。按给定的飞行计划飞行，常因飞行条件和任务的改变而不可能实现。随着科学技术的发展，1980 年代民用飞机以经济、准时、安全为目的，发展了飞行管理系统；军用飞机以完成军事任务为目的，发展了飞行综合控制系统。这些系统都能在任务和地理、气象情况改变的条件下自动计算规划出最优的飞行路径，并将飞行控制系统和导航系统组合在一起．完成飞行任务。这种系统对导航系统的准确性和可靠性提出了更高的要求，促使导航系统向综合化和容错化发展，即发展以惯性导航系统为主体的各种组合导航系统和容错组合导航系统。
国外已装机应用的组合导航系统有天文／惯性组合导航系统、VOE ／DME ／惯性组合导航系统、多普勒／惯性组合导航系统和罗兰／惯性组合导航系统等。20世纪70年代发展起来的导航星全球定位系统，具有全球性和高精度、实时三维定位测速能力，是导航技术的新突破，并且由卫星定位系统和惯性导航系统综合的导航系统已经在军事和民用领域大量使用，这也是21世纪初最理想的航行载体导航系统。另外，地形、景象辅助惯性组合导航系统也已经在军事领域获得越来越多的应用。
1.2 导航技术发展简史
1.2.1 早期导航方式（19世纪前）
追溯导航的历史，早在战国时期（约公元前475年—前221年），我国人民已经发现磁石指南北的特性，制出了“司南”，用司南确定准确的时间。北宋（公元960年—1127年）初期，人们发现了人工磁化法，用天然磁石摩擦钢针，制出了指南针。指南针作为指示船舶航行方向的仪器在航海中得到了广泛的应用。
之后，人们把指南针固定在方位盘里，制出了罗盘针。当时，中国航海所使用的是“水罗盘”，即磁针浮于水面，没有固定支点的水浮针盘；欧洲则发展了一种具有万向支架的旱罗盘。到18世纪末，一种新型的磁罗盘和附属的防磁设备，即液体磁罗经出现了，它能抵抗舰身磁场的干扰，大大减小外界对磁针的影响，保持罗面稳定。
图1.3 指南针的始祖——司南 图1.4 中国古代罗盘针
当时，人们在海上航行时还通过观测天空中的星体来确定船只的位置，即天文导航[1]。天文导航是利用天空中的星体在一定时刻与地球的地理位置具有固定关系这一特点，通过观察星体以确定运载体位置的一种导航方法。天文导航的优点是不受运载体运动时间、速度和地理区域的限制，隐蔽性好，定位精度较高。主要缺点是不能连续定位，工作受星体可见度的限制，观察不到星体时，就无法工作。
早期人们还利用地标进行导航[2]。利用地面上存在的地物、地标（岛屿、航标、特殊建筑物等），这些地物地标在地图或海图上已标明位置。在运载体上用光学等方法，量测到这些地物地标的距离、方位等几何参量，用测向或测距法定出运载体瞬时地理位置。常用的仪器有六分仪、经纬仪、望远镜等（见图1.5和1.6）。这是一种较为简单而可靠的导航方法，但易受气象条件和地域的限制。在一般能见度情况下，能见距离为10n mile左右，所以只适合于近海导航使用。
图1.5 六分仪图1.6 天文经纬仪
随着科学技术与导航技术的发展，又出现了大气数据航程推算法（也叫仪表领航法），以航空导航为例，自20世纪二三十年代开始，飞机上出现了仪表导航系统。
1.2.2 无线电导航
随着社会生产发展和人类历史进步的需要，特别是随着航空、航海及航天技术的飞速发展，简单的、单一功能的导航方式和导航仪器已远远不能满足飞机、舰船及其他载体的要求。因此，也就提出了如何利用当时科学技术的新成就，创造出精度更高、用途更广和适应性更强的导航技术和导航仪器（系统），以适应导航的新要求。
1930 年代，各种无线电导航系统问世。它的原理是利用无线电波在均匀介质和自由空间直线传播及恒速两大特性，进行引导航行的方法。它有两种定位方式：一种是通过设置在飞机和地面上的收发设备，测量飞机相对地面台的距离、距离差或相位差定位，如DME测距导航系统、罗兰双曲线导航系统、奥米加双曲线导航系统。另一种是通过机上接收系统，接收地面台站发射的无线电信号，测量飞机相对于已知地面台的方位角来定位，如伏尔测向导航系统。目前军用飞机使用较多的是测向与测距共用一个地面台的塔康导航系统。
无线电导航的主要优点是精度较高，缺点是工作时必须有地面台配合，电波易受干扰，也容易暴露自身，在军事上应用就显得严重不足。
1.2.3 多普勒雷达导航系统
1960－1970 年代多普勒雷达导航系统和惯性导航系统相继出现。
多普勒雷达导航系统是利用随飞机速度变化，在发射波和反射波之间产生的频率差—多普勒频移的大小，来测量飞机相对地面的速度，进而完成导航任务的一种方法。这种导航方法，只需要机上设立雷达发射和接收装置便可测出地速的大小。再借助机上航向系统输出航向角，将地速分解成沿地理北向和东向的速度分量，进而确定两个方向的距离变化及、经纬度大小，也就确定了飞机位置。
多普勒雷达导航的主要优点是无需地面台，因而是主动式，自主性强。但是它工作时必
须发射电波，容易受干扰和暴露自己；此外，定位精度与发射面形状有密切关系，当飞机在海面和沙漠上空工作时，由于反射性极差会大大降低工作性能；同时导航精度也受雷达天线姿态的影响，当飞机接收不到反射波时，就会完全丧失工作能力。
1.2.4 惯性导航系统
同时发展起来的惯性导航是一种完全自主式的先进的导航方法[3]，它是根据牛顿力学定律，利用惯性器件来测量运载体本身的加速度，经过一次积分得到运载体的速度，再经过一次积分得到运载体的地理位置。它能提供运载体姿态、速度和位置九维导航信息，并且由于和外界不发生任何光电联系，因此隐蔽性好，工作不受气象条件的限制。这一独特的优点，使其成为航天、航空和航海领域中的一种广泛应用的主要导航方法。
1．理论和基础
1)1687年牛顿提出了力学和引力定律，是惯性技术的基础；
2)1765年俄国欧拉院士出版了“刚体绕定点转动的理论”的书，是陀螺仪理论的基
础；
3)1852年发现了陀螺效应，法国科学家首先使用“Gyro”(Gyroscope—转动+观察)
这个名词；
4)1923年，舒勒发表了84.4分的无干扰理论，陀螺仪的设计开始完善；
5)1939年，原苏联布尔佳科夫院士出版的“陀螺仪实用理论”一书，认为是陀螺仪
实用理论的奠基性著作。
2．现代陀螺的“史前期”（18世纪中期—20世纪初）[4]
1)1810年前后，德国培根做了第一个具有转动陀螺的雏形陀螺；
2)1851年，傅科的陀螺、傅科摆，验证了地球的自转；
1851年，法国物理学家让·傅科在巴黎国葬院安放了一个钟摆装置，摆的长度为67米，底部的摆锤是重28千克的铁球，在铁球的下方镶嵌了一枚细长的尖针。
图1.7 1851年傅科实验场景图1.8 法国国葬院内傅科摆
实验的结果与傅科的设想完全吻合，摆的摆动显示为由东向西的、缓慢而持续的方向旋转。傅科的演示直接证明了地球自西向东的自转。
3)1880年前后，特鲁弗、霍普金斯发明了电动机用于陀螺的驱动，陀螺仪开始走向实用；
4)1927年，安修茨设计了实用的用于航海的陀螺罗经，使用了几乎半个世纪。
3．近代惯导系统的发展（20世纪初—1990 年代）
1)1920年前后，出现了供飞机使用的转弯速率指示器、人工水平仪和方位陀螺；
（1）人工水平仪
测量飞机姿态角的关键问题是在飞机上建立一个当地垂线基准，并且该垂线基准既具有方向选择性，又具有方向稳定性。为此，取陀螺仪的方向稳定性这一长处，以陀螺仪作为仪表的工作基础，并取摆的方向选择性这一长处，用摆对陀螺仪进行修正，使陀螺仪获得敏感垂线的方向选择性。垂直陀螺仪就是通过这种技术途径在飞机上建立一个精确而稳定的垂线基准。
图1.11 垂直陀螺仪结构原理图图1.12 方位陀螺仪结构原理图
（2）方位陀螺仪
能使自转轴保持水平的二自由度陀螺仪。它是利用陀螺特性而做成的测量飞机航向角的一种陀螺仪表。
经过水平修正、方位修正以及航向协调以后，便能使陀螺仪相对子午面较精确地保持方位稳定，给飞机航向角的测量提供了基准。借助指标和刻度盘组成的指示机构，即可给出飞机航向角的判读指示。若在外框轴上装有电位器或自整角机等角度传感器，即可传输飞机航向角的电气信号。
2)1942年10月3日，德国的庇纳门德火箭研究中心在维
纳·冯·布劳恩的主持下制成“V”型导弹，并于1944年用以
轰炸英国。这就是现代导弹的鼻祖——用自动驾驶仪操纵的
“V-l”巡航导弹和“V-2”弹道导弹。导弹是依靠自身的动力
装置推进，由制导系统导引、控制其飞行轨迹，并将战斗部导
向目标的武器。“V-2”弹道导弹的控制系统用两个二自由度位
置陀螺仪控制箭体的姿态和航向，用一个陀螺加速度计测量沿
箭体纵轴方向的加速度，当飞行速度达到1380m/s时(飞行70s)，
接通火箭发动机的熄火装置，关闭发动机，使箭体按自由弹道
飞行，实现了轨道和弹着点的控制。尽管这时还没有完善的三
轴陀螺稳定平台，结构上还有许多不合理之处，导航和制导精度也比较低，精度为5km（CEP），但它是当时世界上独一无二的付诸实际使用的第一个惯性制导系统。这一惯导系统的雏形引起了世界上发达国家的极大重视，把惯导技术的研究推向了一个新的高度。
图1.14 V-2弹道导弹图1.15 V-2发射情景
3)惯性传感器的发展：
(1) 液浮和气浮陀螺[5]
40年代出现液浮陀螺，到50年代末60
年代初，其制造技术趋于成熟。液浮技术改进
图1.13维纳·冯·布劳恩
了陀螺的支撑方式，减小了器件中的干扰力矩，提高了陀螺性能。50年代开始，以液浮和气浮陀螺（见图1.16和1.17）构成的平台式惯导系统开始在飞机、舰船和导弹上广泛应用。
图1.16 单自由度液浮积分陀螺仪结构图1.17 半液浮速率陀螺产品
图1.18 液浮摆式加速度计原理图1.19 液浮加速度计产品
（2）动力调谐式挠性陀螺[6]
60年代动力调谐式挠性陀螺（见图1.20、1.21和1.22）研制成功。1966年美国基尔福特(Kearfott)公司研制出挠性陀螺惯导系统，并用于飞机和导弹。这为后来航空惯导的典型代表美国利登公司的军用LN-39和民用LTN-72的出现奠定了基础。
图1.20 动力调谐式挠性陀螺仪的挠性接头图1.21 动力调谐速率陀螺仪组成
图1.22 动力调谐式挠性陀螺仪实物图1.23 挠性加速度计结构
(3) 静电陀螺
70年代，在利用高压静电场支承球形转子、取代机械支承的静电陀螺（见图1.24和1.25）研制成功，陀螺性能进一步提高。
图1.24 静电陀螺原理示意图图1.25 静电陀螺仪结构示意图
(4)光学陀螺[7]
激光于1960年在世界上首次出现。1962年，美、英、法、前苏联几乎同时开始酝酿研制用激光来作为方位测向器，称之为激光陀螺仪。60年代初期，光学装置中发现了萨格纳克效应。美国斯佩里公司于1963年首先做出了激光陀螺仪的实验装置。1966年美国霍尼威尔公司开始使用石英作腔体，并研究出交变机械抖动偏频法，使这项技术有了实用的可能。1972年，霍尼威尔公司研制出GG-1300型激光陀螺仪。80年代以后，激光陀螺、光纤陀螺（见图1.26～1.29）广泛应用于惯性导航系统。
图1.26 XW-G60光纤陀螺图1.27 KVH单轴光纤陀螺
图1.28 VG949P光纤陀螺图1.29 机载三轴激光陀螺
4)惯性导航系统技术发展与应用[1,4,8,9]
1949年，J. H. Laning, Jr.发表名为“The vector analysis of finite rotations and angles”的报告，建立了捷联式惯性导航的理论基础；同时，美国麻省理工学院德雷伯（C.S. Draper）教授验证了平台式惯导系统的可行性。
1953年，德雷伯（C.S. Draper）教授，作为将惯导系统用于飞机上的开拓者，将纯惯性导航系统安装到一架B-29远程轰炸机上，首次实现了横贯美国大陆的飞行，飞行时间长达10小时，证实了纯惯性导航在飞机上应用的技术可行性。但一直拖到60年代初才用于军用飞机，而直到70年代初期商用飞机还没有公认可行的惯性导航仪。
1958年美国“鹦鹉螺”号核潜艇装备液浮陀螺平台惯性导航系统的核潜艇，从珍珠港附近潜入冰层以下的深海进行远程航行，潜航96个小时顺利穿过北极点，到达欧洲波斯兰港，此次航行历时21天，航程1830海里，露出水面时，其实际位置和计算位置仅差几海里。
1960年，世界上第一套飞机惯导系统（LN-3）出厂，但当时美国空军可能出自谨慎考虑，把它装在了西德空军的一架F-104军用飞机上，试飞结果非常满意。自此以后，美国和西方发达国家的空军开始在各类军用机上装备惯性导航系统。
静电陀螺出现后，先后在核潜艇和远程飞机上装备静电陀螺平台式惯导系统。其中B-52远程轰炸机上的GEANS惯导系统精度可达0.04n mile/h。
早期框架式平台惯性导航系统，稳定部件将敏感器与运载体的角运动隔离，从而建立加速度计的一个参考系。这些功能简化了将加速度转化成速度和位置所需的计算量，同时大大减小了陀螺必须适应的动态范围。但平台惯导的框架系统加工、装配的复杂性使得为了达到高精度要求必须赋出更高的人工代价。
在60年代末，一些机构进行从平台惯导到捷联式惯性导航系统的过渡研究。捷联式惯性导航系统将惯性传感器与载体固联，减少了框架式的平台结构，以降低了重量、复杂性和成本，同时提高了可靠性（去掉了三个或四个框架及其导电环、力矩器和伺服电子线路）。
捷联式惯性系统的应用中，比较有标志性意义的是美国登月计划中阿波罗9号上的捷联式惯性系统的首次应用。登月舱(lunar excursion module —— LEM)在安装了主制导、导航与控制系统(PGNCS)的同时，还安装了一套采用了捷联式惯性导航系统的应急制导系统(Abort Guidance System ——AGS)作为备份系统，监视主制导、导航与控制系统是否故障，一旦PGNCS，应急系统则将脱离绕月轨道，保障宇航员返回地面。
1970 年代计算能力提高，捷联速率敏感器迅速发展，尤其是改进的环形激光陀螺（RLG）具有极好的标度因数线性度、对载体加速度敏感性低，适合于军事和商用飞机使用的动态范围。在霍尼威尔公司研制出GG-1300型激光陀螺仪以后，1975年基于激光陀螺仪的捷联惯性导航系统在战术飞机上试飞成功，1976年在战术导弹上试验成功，捷联惯性导航系统迅速发展，进入大量应用的时期。80年代后，仅在美国，空军把激光陀螺应用到空军系统中，海军把激光陀螺惯导系统用到舰载飞机中，陆军把激光陀螺用于陆军飞机的定位/导航、监视/侦察、火控以及飞行控制系统。
90年代，根据先进巡航导弹和战术飞机导航的要求，美国进行了激光陀螺捷联性能的研究（SPS）。这一时期航空惯导的典型代表是LITTON公司的环形激光陀螺捷联惯导系统LN-93，美国霍尼韦尔(Honeywell)公司的环形激光陀螺捷联惯导系统H-423(H-423/E)，这些系统作为通用导航系统，应用于多种武器系统。
惯性导航历经60多年的发展，其导航定位的精度也越来越高，但是它具有原理误差。惯性导航系统是一种推算式的导航定位系统，自主性强，工作环境不受限制，但定位误差随着时间积累，主要与陀螺和加速度计的精度有关。在要求自主性的应用场合，惯性导航系统是不可替代的。惯导系统鲜明的优缺点和巨大的需求，既促进惯性器件性能的不断提高和采用新原理的惯性传感器不断产生[10,11,12]，也促进了惯性及其组合导航技术的发展。
1.2.5 卫星导航系统
1．子午仪卫星导航系统（20世纪60年代）
1964年1月美国海军武器实验室研制成功“子午仪（Transit）卫星导航系统”，它用于北极星核潜艇的导航定位，并逐步应用于其它各种舰艇的导航定位。
虽然，子午仪卫星导航系统在导航和定位技术发展中具有划时代的意义，但是仍然存在着明显的缺陷。由于卫星数少，而且轨道较低，故每隔1~2h才有一次卫星通过地面观测站而被跟踪观测，另外，由于观测解算导航参数的时间长，不能满足连续实时三维导航的要求，尤其不能满足高动态目标的导航要求。
2．全球卫星定位系统（20世纪60年代）
1970 年代初期，鉴于子午仪卫星导航系统的
成功及其存在的缺陷，促使美国海军和空军研究
更先进的卫星导航系统，经过20多年的努力，最
后于1994年3月10日，24颗工作卫星全部进入
预定轨道，系统全面正常运行[13]。
全球定位系统(GPS)是一种可以定时和测距
的空间交会定点的导航系统，它可以向全球用户
提供连续、实时、高精度的三维位置、三维速度
和时间信息，满足军事部门和民用部门的需要。
从此，卫星导航的应用前景得到世界各国的
普遍承认和关注，各国不仅在GPS 的应用研究与
GPS 信息资源开发中倾注了巨大的人力和物力，
而且不少国家和地区亦在积极研制自己的卫星导航系统。 3．前苏联GLONASS 系统及其他卫星导航
系统（20世纪70—90年代）
前苏联自1978年10月开始，发射了自己的全球导航卫星系统(GLONASS)试验卫星，由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成，均匀分布在三个轨道平面上，见图1.31。欧洲空间局(ESA)亦在筹建民用导航卫星系统，它包括在赤道平面上的六颗同步卫星(GEO)和12颗高椭圆轨道(HEO)卫星的混合卫星星座[14]。
1.2.6 地形辅助导航系统
1980 年代以来，地形辅助导航（TAN ）系统受
到广泛重视，并已得到成功使用[15,16,17]。它与一般
组合导航系统相比，只增加了唯一的硬件——存储
数字地形高度数据的大容量存储器，便于工程实现，
而且隐身式无线电高度表向下发射的旁瓣小、能量
低，几乎不会被发现和干扰。在低高度，特别是在
山丘地带，由于GPS 能观察到的导航星少，很难达
到完善的几何精度，使得其导航精度显著下降。而
此时TAN 正处于最佳状态。但TAN 在平坦地形和
海面上空几乎失去对惯导系统提供位置修正的能
力，而且基本上只能在低高度使用。 1.2.7 组合导航系统
1990 年代以后，惯导系统和GPS 的互补性在各种国际学术会议和科技文献中得到反复强调，因为与其他导航系统相比，GPS 在精度上具有压倒性的优势，但惯性系统的完全自主的特性是GPS 所不具备的，所以，惯导与GPS 相组合已成为导航领域的重要发展方向[18]。
随着航行体机动性的增大、航程加长、可靠性要求的增高，均要求实现多信息的组合，提高导航系统的余度和容错能力。因此，出现了地形辅助惯性导航系统、多普勒惯性组合导航系统、合成孔径雷达惯性组合导航系统（INS/SAR ）等多种组合导航方式[19]，它们各自取长不短，不仅使组合后的导航精度要高于两个系统单独工作的精度，而且扩大了系统的使用范围，增强了系统的可靠性。
综上所述，鉴于惯性导航的主导航地位，本书以叙述惯性导航原理为主；结合卫星定位和其它导航方式在各种组合导航中的地位和前景，研究其应用技术。
图1.30 GPS 卫星星座分布
图1.31 GLONASS 卫星星座分布
1.3 导航技术中常用的基本参数
测试惯性器件，导航解算以及评价导航系统性能都需要用到一些基本的物理量如长度（距离）、角度，常用的单位除国际单位米、弧度外，还有海里、节、密耳等表示长度和距离，用角秒、角分、密位表示角度，有关单位之间的转换见表1.1和表1.2。
表1.1 常用长度单位及其对应转换关系表
表1.1中，海里是海上的长度单位。它原指地球子午线上纬度1分的长度，赤道上1海里约等于1843米；纬度45°处约等于1852.2 米，两极约等于1861.6 米。1929年国际水文地理学会议，通过用1分平均长度1852米作为1海里，故国际上采用1852米为标准海里长度。
表1.2常用角度单位及其对应转换关系表
表1.2中，“密位”和“度”、“角分”、“角秒”等一样，也是一种表示角度的单位。把一个圆周分成360等份，每一等份弧长所对的圆心角称为1度角；如果把圆周分成6000等份，每一等份弧长所对的圆心角叫1密位。即1密位所对弧长，等于圆周长的1/6000。根据圆周长与半径的关系，每1密位所对弧长恰好等于半径的1/1000，即：弧长/密位=半径/1000。
地球上，导航技术中在表示系统的某些参数时，长度和角度单位之间具有一定的对应关系，比如说某系统定位精度为每小时1海里或1角分，两者意义是相同的，这种对应是地球上的弧长与弧长在地球曲率半径下的角度之间的对应。
思考与练习题
1.1了解导航的概念和导航系统的工作状态，导航技术在国防和民用领域的应用以及导航
系统，导航技术的地位。
1.2区别导航和制导的意义，区别导航参数和制导参数。
1.3傅科摆实验验证了什么现象，是怎样来验证的？
1.4了解导航技术的发展过程。
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Asia-Pacific Conference on Control and Measurement, 2002 .7
[19] 林雪原,张立民,刘建业,等.基于RDSS辅助的Doppler/SINS组合导航系统研究.中国空间科学技
术,2004.
第1章导航系统概述
第1章 导航系统概述 1.1 引言 将航行载体从起始点引导到目的地的过程称为导航。导航系统给出的基本参数是载体在空间的即时位置、速度和姿态、航向等，导航参数的确定由导航仪表或导航系统来完成。在早期导航中，测量导航参数的仪表称为导航仪表，随着测量手段日趋完善和复杂．目前测量导航参数的整套设备称为导航系统。 导航系统有两种工作状态：指示状态和自动导航状态。如导航设备提供的导航信息仅供驾驶员操纵和引导载体用，则导航系统工作指示状态，在指示状态下，导航系统不直接对载体进行控制；如果导航系统直接提供的信息给载体的自动驾驶控制系统，由自动驾驶控制系统操作和引导载体，则导航系统工作于自动导航状态。在这两种工作状态下，导航系统的作用都只是提供导航参数，“导航”含义也侧重于测量和提供导航参数。 导航有多种技术途径，如无线电导 航，天文导航，惯性导航等可实现相应的导航任务。在这些导航技术中，惯性导航占有特殊的位置。惯性导航具有高 度自主的突出优点，以牛顿力学为理论为基础，只依靠安装在载体内的惯性测量传感器陀螺、加速度计和相应的配套装置建立基准坐标系，进而获得载体的 加速度，推算速度、位置等导航参数。 另外，现代运载体的高精度、长时 间、远程导航等导航要求不断提高，单 纯惯性导航不能完全满足，采用现代控制理论信息融合方法，以软硬件迅速发展的计算机为计算工具，将惯导系统和其他导航系统综合，构成以惯性导航为 主，其他导航手段为辅的组合导航系 统，应用日益广泛。 以航空导航为例，早期飞机的导航方法是依靠飞行前制订的飞行计划 来确定飞行路径，飞行中依靠磁罗盘、无线电罗盘、速度表和时钟等导航仪表来保持既定航向、速度和大致判别飞行路径，并在可能的条件下用目视地形和明显建筑物的方法来监视飞行路径的正确性和寻找目的地。20世纪60年代以后，机载惯性导航系统、多普勒导航系统和各种无线电导航系统相继问世。这些系统都能连续提供飞机的即时位置信息。 制导是一个与“导航”相关的概念，也是和导弹、制导炸弹、制导炮弹、制导鱼雷等带有导航、制导功能的制导武器一起出现的术语。制导是指自动控制和导引飞行器按预定轨迹和飞行路线准确到达目标的过程，既包含了应用导航的测量值，又包含自动控制的闭环的全部工作过程。实现导引和控制飞行器按预定规律调整飞行路线导向目标的全部装置称为制导系统。制导系统的主要功能包括1）根据起始点、目标点和有关约束的信息，建立航迹参数（如位置、速度、航向、航路点、航线等）；2）测量载体的实际运动，确定载体的真实运动参数；3）根据航迹参数与实际运动参数，自动产生控制（制导）信息，传输给运动载体的相应控制部件。 如飞机上的自动驾驶系统可以结合计算机中已存储的飞行路径中各航路点位置信息，再根据导航系统提供的即时导航参数，就能计算出各种可用来纠正飞机航行偏差、指导正确航行方向的制导参数，如应飞航迹角、偏航迹和待飞距离(待飞时间)。惯导系统和多普勒导航系统还可计算出航迹角误差。以上参数示意见图1.1(图中还示出真航向、航迹角、偏流角和地速ν)。 待飞距离航点i -1航路点i 偏航距N V 应飞航迹角偏流角航迹角误差真航向航迹角 图1.1 制导参数示意图
北斗卫星导航系统常识简介
北斗卫星导航系统常识简介一、北斗卫星导航系统现状 中国北斗卫星导航系统（BeiDouNavigationSatelliteSystem，BDS）是中国自行研制的全球卫星导航系统。是继美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）之后第三个成熟的卫星导航系统。北斗卫星导航系统（BDS）和美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALILEO，是联合国卫星导航委员会已认定的供应商。 北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，可 在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力，已经初步具备区域导航、 定位和授时能力，定位精度10米，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒。 北斗卫星导航系统空间段由5颗静止轨道卫星（又称24小时轨道，指轨道平面与赤道平面重合，卫星的轨道周期等于地球在惯性 空间中的自转周期，且方向亦与之一致，即卫星与地面的位置相对 保持不变，故这种轨道又称为静止卫星轨道。一般用作通讯、气象 等方面）和30颗非静止轨道卫星组成，2012年左右，“北斗”系统将覆盖亚太地区，2020年左右覆盖全球。中国正在实施北斗卫星导航系统建设，截止2016年10月已成功发射16颗北斗导航卫星。
2000年，首先建成北斗导航试验系统，使我国成为继美、俄之 后的世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。北斗导航系统是 覆盖中国本土的区域导航系统，覆盖范围东经约70°-140°，北纬5°-55°。北斗卫星系统已经对实现全覆盖。该系统已成功应用于测绘、电信、水利、渔业、交通运输、森林防火、减灾救灾和公共安全等 诸多领域，产生显着的经济效益和社会效益。特别是在2008年北京奥运会、汶川抗震救灾中发挥了重要作用。 北斗产业应用前景广阔，预计到2020年，仅北斗卫星导航市场将达到年产值4000亿元人民币，年复合增长率达到40%以上。”中国科学院院士、中国工程院院士、着名测量与遥感学家李德仁介 绍说 二、卫星定位原理 北斗卫星导航系统35颗卫星在离地面2万多千米的高空上，以固定的周期环绕地球运行，使得在任意时刻，在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。 由于卫星的位置精确可知，在接收机对卫星观测中，我们可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置（X,Y,Z）。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和钟差，因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而
北斗卫星导航系统概述
北斗卫星导航系统概述 00钟恩彬 引言 自从1960 年美国发射第一颗导航卫星并于 1964年组成美国海军导航卫星系 统(NNSS)以来，导航卫星经过了从多普勒定位技术到伪码扩频测距定位，从间断、部分覆盖导航到全天候、全天时、全覆盖导航，从单纯广播式导航到通信导航融合技术的发展，其中运行了近二十年的美国GPS 系统是卫星导航技术发展 的结晶。随着卫星导航系统应用价值的不断扩展，GPS 也暴露了一些不足，比如， GPS 能够解决单一用户的精确定位导航问题，但由于它是广播式的导航，用户不能与导航卫星建立通信，定位信息不能传输给用户中心，这一缺
点使得它若在战场上运用时虽然能给导弹导航，但不能向指挥中心回传打击效果。我国充分吸收GPS 的经验，于上世纪80 年代开始研究设计自己的卫星导航系统—北斗卫星导 航系统。截至目前，我国已经发射了16 颗组网卫星，基本实现了亚太区域覆盖，我们很快就将用上国产的北斗终端设备了。在此背景下，本文将主要从北斗卫星导航系统的基本原理、与其它系统的比较两个方面简要介绍北斗卫星导航系统。 一、北斗卫星导航系统的基本原理 卫星定位说白了就是测出几颗卫星到定位点的距离，然后在建立的三维空间坐标系中以这些距离为半径画几个球，球的交点即为定位点的坐标，至于导航就是选定一个参考点，测算出它的坐标，引导用户到该参考坐标点就是导航。关键的问题是如何测量出实时的距离，这就需要利用电磁波在卫星与用户之间的来回传播来测算。不过实际的系统远不止这么简单，例如必须保证发射和接受同步，这
就好比要使卫星和用户接收机同时开始播放同一 首歌，这时站在接收机旁的人会停到两个版本的歌声，滞后的就是来自卫星的歌声，这个时延乘上光速c 即为卫星到定位点的距离，当然，这个时延 的测量也必须用精准的时钟。为了保证这些，电 磁波上必须加载复杂的导航电文。导航电文不是由卫星单独产生的，而要有地面主控站来控制完成，所以为了不受制于人，我国决定开发自己的卫星导航系统。 北斗卫星导航系统由空间端、地面端和用户端组成，空间端包括35 颗组网卫星，其中 5 颗为静止轨 道(GEO)卫星，地面端主要有主控站、注入站 1 和监测站等，而用户端既包括北斗用户终端，也包括与其它导航系统兼容的 终端。北斗卫星导航系统分三阶段组网，目前已成功完成北斗-1 的试验和北
北斗卫星导航系统常识简介
北斗卫星导航系统常识简介 一、北斗卫星导航系统现状 中国北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）是中国自行研制的全球卫星导航系统。是继美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）之后第三个成熟的卫星导航系统。北斗卫星导航系统（BDS）和美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALILEO，是联合国卫星导航委员会已认定的供应商。 北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力，已经初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度10米，测速精度米/秒，授时精度10纳秒。 北斗卫星导航系统空间段由5颗静止轨道卫星（又称24小时轨道，指轨道平面与赤道平面重合，卫星的轨道周期等于地球在惯性空间中的自转周期，且方向亦与之一致，即卫星与地面的位置相对保持不变，故这种轨道又称为静止卫星轨道。一般用作通讯、气象等方面）和30颗非静止轨道卫星组成，2012年左右，“北斗”系统将覆盖亚太地区，2020年左右覆盖全球。中国正在实施北斗卫星导航系统建设，截止2016年10月已成功发射16颗北斗导航卫星。 2000年，首先建成北斗导航试验系统，使我国成为继美、俄之
后的世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。北斗导航系统是覆盖中国本土的区域导航系统，覆盖范围东经约70°-140°，北纬5°-55°。北斗卫星系统已经对东南亚实现全覆盖。该系统已成功应用于测绘、电信、水利、渔业、交通运输、森林防火、减灾救灾和公共安全等诸多领域，产生显著的经济效益和社会效益。特别是在2008年北京奥运会、汶川抗震救灾中发挥了重要作用。 北斗产业应用前景广阔，预计到2020年，仅北斗卫星导航市场将达到年产值4000亿元人民币，年复合增长率达到40%以上。”中国科学院院士、中国工程院院士、著名测量与遥感学家李德仁介绍说 二、卫星定位原理 北斗卫星导航系统35颗卫星在离地面2万多千米的高空上，以固定的周期环绕地球运行，使得在任意时刻，在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。 由于卫星的位置精确可知，在接收机对卫星观测中，我们可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置（X,Y,Z）。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和钟差，因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度和高程。事实上，接收机往往可以锁住4颗以上的卫
卫星导航定位与车辆监控综述
卫星导航定位与车辆监控综述 1．概述 随着社会的发展和科学技术的进步，整个社会都希望利用新的技术来为生产、生活服务，提高生活质量。在卫星定位、通信等技术快速发展的促进下，车辆监控应运而生了。车辆监控系统是把全球卫星定位技术（GNSS）、地理信息系统（GIS）和现代通讯技术综合在一起的高科技系统。其主要功能是将任何装有GNSS接收机的移动载体的动态位置（经度、纬度和高度）、时间、状态等信息，实时地通过无线通信网传至主控基地中心，而后在具有强大地理信息处理和查询功能的电子地图上进行载体运动轨迹的显示，并能对载体的准确位置、速度、运动方向、车辆状态等用户感兴趣的参数进行监控和查询。 2.车辆监控产业发展状况 2.1国外发展情况 早在20世纪20年代，汽车行驶记录仪便伴随着汽车里程表而诞生。随着汽车工业的快速发展，记录仪开始在汽车运营中得到自发性的广泛应用。1953年，德国开始对客车和载重超过7吨的货车强制推广使用行驶记录仪，随后欧共体道路安全管理部门进行总结评估后，也实施了相关条例。而车载GPS导航系统则最早出现在德国宝马汽车公司在1994年生产的“7”系高级汽车上。 随着电子技术及互联网技术飞速发展，欧盟近年来逐渐发展了TACHONET（处理卡车转速计资料信息交换的通信设施）的概念，通过建立TACHONET通信网络，促进智能卡和数字式tachograph的信息在欧盟个成员国之间的及时交换和共享，进而促进对于长途运输及tachograph相关执法信息管理的便捷、高效。最终通过控制疲劳驾驶和超速，提高道路安全性，并确保驾驶员、货物承运人及其他交通方式的公平竞争。 在北美地区，美国、加拿大等国同样车辆监控在道路交通管理中的作用，但理解和做法有所不同。他们更注重汽车行驶记录仪在交通事故发生前后的数据记录功能，以及他在事故分析处理中的作用。 日本也在有关机动车的法律法规中规定了具体内容，明确了管理运营规则。 由此可以看出，国外在导航定位和车辆监控方面有着比较丰富的经验和成果，值得我们借鉴。 2.2国内发展情况 我国测量监控的历史可以追溯到20世纪80年代末，当时我国自主研发的数字式记录仪产品开发成功，我国开始在少数地区使用国内一些科研机构及企业自主研制的数字式记录仪。进入21世纪以来，随着我国的科技水平的进一步提升，国内生产的数字式记录仪在技术上已经比较成熟，并在以配套产品的使用上取得了成功的经验。
全球卫星导航系统概述
全球卫星导航系统概述 介绍： 全球导航卫星系统（GNSS），也称为全球导航卫星系统，是一种空间无线电导航和定位系统，为用户提供地球上任何位置或近地空间的全天候3D坐标，速度和时间信息。它是一个虚拟概念，通常代表在太空轨道上运行的所有卫星导航系统的总称，并且没有统一的规划标准。 全球卫星导航系统目前包括GPS全球卫星导航，北斗卫星导航，GLONASS卫星导航和伽利略卫星导航系统以及其他导航系统。其中，美国GPS系统（Global Positioning System）是全世界最早部署实施的卫星导航系统，也是目前世界领先的卫星导航系统。现在，日本的QZSS准天顶卫星系统，印度的IRNSS区域导航卫星系统和其他区域导航系统也已经开始建立。北斗卫星导航系统和GLONASS现在在亚洲开放民用的使用权，尤其是北斗卫星系统，在民用领域的应用发展速度越发加快。卫星导航系统广泛用于航空，导航，通信，人员跟踪，消费娱乐，测绘，定时，车辆监控和管理，车辆导航和信息
服务。其发展趋势是为用户的实时应用提供高精度的服务。 卫星导航定位已成为衡量综合国力和世界科技发展水平的重要指标之一。借助卫星导航技术，人类可以进一步了解和改造世界。只有大力发展北斗卫星导航系统，才可以完成中国大国崛起的目的，确保实现中华民族的伟大复兴。 GPS导航系统： GPS导航系统是美国陆军，海军和空军在20世纪70年代联合开发的卫星导航系统。经过20多年的研究和实验，花费了300亿美元。早在1994年3月就已经基本形成了以24颗GPS卫星，全球覆盖率达98％的标准。该空间由18颗卫星和3颗主动备用卫星组成，均匀分布在距离地面20200km的6个轨道平面上。它可以在世界任何地方实现，可以随时同时观察4颗以上的卫星。 其地面控制系统由监测站，主站和地面天线组成。主控制站位于美国科罗拉多州的斯普林菲尔德。它收集卫星传输信息并计算卫星日历，相对距离和大气校正数据。 用户设备包括捕获和跟踪卫星的操作，测量伪距的变化率和接收
北斗卫星导航系统简介
资料来源：http: 北斗卫星导航系统简介 （一）概述 北斗卫星导航系统﹝BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System﹞是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统。系统建设目标是：建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的覆盖全球的北斗卫星导航系统，促进卫星导航产业链形成，形成完善的国家卫星导航应用产业支撑、推广和保障体系，推动卫星导航在国民经济社会各行业的广泛应用。 北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，空间段包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，地面段包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站，用户段包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。 （二）发展历程 卫星导航系统是重要的空间信息基础设施。中国高度重视卫星导航系统的建设，一直在努力探索和发展拥有自主知识产权的卫星导航系统。2000年，首先建成北斗导航试验系统，使我国成为继美、俄之后的世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。该系统已成功应用于测绘、电信、水利、渔业、交通运输、森林防火、减灾救灾和公共安全等诸多领域，产生显著的经济效益和社会效益。特别是在2008年北京奥运会、汶川抗震救灾中发挥了重要作用。为更好地服务于国家建设与发展，满足全球应用需求，我国启动实施了北斗卫星导航系统建设。 （三）建设原则 北斗卫星导航系统的建设与发展，以应用推广和产业发展为根本目标，不仅要建成系统，更要用好系统，强调质量、安全、应用、效益，遵循以下建设原则：
1、开放性。北斗卫星导航系统的建设、发展和应用将对全世界开放，为全球用户提供高质量的免费服务，积极与世界各国开展广泛而深入的交流与合作，促进各卫星导航系统间的兼容与互操作，推动卫星导航技术与产业的发展。 2、自主性。中国将自主建设和运行北斗卫星导航系统，北斗卫星导航系统可独立为全球用户提供服务。 3、兼容性。在全球卫星导航系统国际委员会（ICG）和国际电联（ITU）框架下，使北斗卫星导航系统与世界各卫星导航系统实现兼容与互操作，使所有用户都能享受到卫星导航发展的成果。 4、渐进性。中国将积极稳妥地推进北斗卫星导航系统的建设与发展，不断完善服务质量，并实现各阶段的无缝衔接。 （四）发展计划 目前，我国正在实施北斗卫星导航系统建设。根据系统建设总体规划，2012年左右，系统将首先具备覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力；2020年左右，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。 （五）服务 北斗卫星导航系统致力于向全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务，包括开放服务和授权服务两种方式。开放服务是向全球免费提供定位、测速和授时服务，定位精度10米，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒。授权服务是为有高精度、高可靠卫星导航需求的用户，提供定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。
《卫星导航定位技术》课程教学大纲
《卫星导航定位技术》课程教学大纲 一、基本信息 二、教学目的与任务 通过本课程的理论学习及实践教学，达到如下教学目标：使学生了解卫星导航定位技术的科技前沿及发展趋势，掌握相关专业基础知识和基本理论,具有一定的GPS工程实践经验；能够设计及实施GPS相关的工程实验，并能分析其结果；了解卫星导航定位相关的国家及行业工程规范，并具备运用规范解决工程施工中遇到问题的能力；具备一定的组织管理能力，能够综合运用相关理论与技术，组织实施卫星导航定位相关的工程。 主要教学任务包括：了解卫星导航定位技术的产生和发展的过程；掌握GPS系统的组成和卫星信号结构；掌握GPS定位中的主要误差源以及消除削弱各种误差影响的方法和措施；掌握测定卫星到接收机间的距离的方法，掌握GPS定位的原理和各种定位模式及其工作原理等内容。重点掌握GPS静态定位的基本理论和方法，能够正确运用GPS仪器完成相关数据采集，能够使用GPS处理软件完成相关的数据处理；重点掌握RTK相关的理论及方法，能够应用GPS仪器完成相关的数据采集与处理。 三、教学内容与要求 (一) 绪论学时：4 主要内容：GPS的历史及其发展，GPS的特点和用GPS的限制与相应措施，GPS的组成，GPS测量的应用范围及GPS在我国的应用现状。 1、GPS定位技术的历史与发展、特点 2、GPS的组成及限制 3、GPS定位技术的应用 基本要求：掌握GPS的发展历史、GPS组成、特点、应用范围等，了解我国的GPS应用现状。 教学方式：课堂教学。
(二) GPS的坐标系统与时间系统学时：4 主要内容：坐标系统的类型，协议天球坐标，协议地球坐标系，地球坐标系的其他表达形式，大地测量基准及其转换，时间系统。 1、坐标系统 2、坐标系统及转换 3、时间系统 基本要求：掌握GPS坐标参考框架及时间参考框架等基本概念。 教学方式：课堂教学。 (三) 卫星运动的基础知识学时：4 主要内容：基础知识概述，卫星的无摄运动，GPS卫星的导航电文，GPS卫星的星历，GPS卫星的信号及其构成。 1、卫星的无摄运动 2、卫星的受摄运动及坐标计算 基本要求：掌握卫星无摄运动、受摄运动等基本概念，以及GPS位置坐标计算方法。 教学方式：课堂教学。 （四）GPS卫星的信号与导航电文学时：4 主要内容：GPS定位的基本观测量，是观测站（用户接收天线）至GPS卫星（信号发射天线）的距离（或称信号传播路径），它是通过测定卫星在该路径上的传播时间（时间延迟），或测定卫星载波相位在该路径上变化的周数（相位延迟）来导出的。这跟通常的电磁波测距原理相似，只要已知卫星信号的传播时间和传播速度，就可得到卫星至观测站的距离。 为了便于理解GPS定位的原理，这里将首先简要地介绍一下有关电磁波传播的基本知识及大气层折射的影响，然后，进一步说明有关GPS卫星的信号问题。 1、电磁波的传播 2、 GPS卫星的测距码信号 3、 GPS卫星的导航电文 4、 GPS卫星信号的构成 基本要求：了解GPS卫星导航电文的基本构成，信号编码、解码原理等内容。 教学方式：课堂教学。 (五) GPS定位基本原理学时：8 主要内容：GPS的观测量，是用户利用GPS进行定位的重要依据之一。主要介绍，利用GPS进行定位的基本方法和观测量的类型，并着重阐述与测码伪距和载波相位观测量相应的，观测方程及其线性化形式；GPS定位方法与观测量，伪距法定位，载波相位测量，整周跳变的探测及修复，整周未知数No的确定，载波相位测量的线形组合，静态相对定位测量。 1、 GPS定位的观测量 2、 GPS定位的观测方程 3、伪距法定位 4、载波相位法测量 5、整周跳变的探测与修复 基本要求：掌握GPS测量的基本方法、观测量、观测方程及其线性化表达等内容，了解整周模糊度概念及探测修复方法。 教学方式：课堂教学。 (六) GPS卫星导航学时：4 1、GPS卫星导航的概况； 2、GPS卫星导航原理
全球四大卫星导航系统概述与比较
全球四大卫星导航系统概述与比较 【摘要】美国全球定位系统、俄罗斯格洛纳斯系统、欧盟伽利略定位系统和中国北斗卫星导航系统为联合国卫星导航委员会认定的全球卫星导航系统四大核心供应商。本文主要介绍了全球四大卫星导航系统的概况以及与目前应用最广泛的GPS系统的比较。 【关键词】卫星导航系统；功能；区别 0.前言 卫星导航系统是覆盖全球的自主地利空间定位的卫星系统，允许小巧的电子接收器确定它的所在位置（经度、纬度和高度），并且经由卫星广播沿着视线方向传送的时间信号精确到10米的范围内。卫星导航系统是重要的空间基础设施，为人类带来了巨大的社会和经济效益，对民生和国防产生深远的影响。 1.全球卫星导航系统概述 （1）全球定位系统（英语：Global Positioning System，通常简称GPS），又称全球卫星定位系统，是美国国防部研制和维护的中距离圆型轨道卫星导航系统。它可以为地球表面绝大部分地区（98%）提供准确的定位、测速和高精度的时间标准。全球定位系统可满足位于全球任何地方或近地空间的军事用户连续精确的确定三维位置、三维运动和时间的需要。该系统包括太空中的24颗GPS卫星；地面上1个主控站、3个数据注入站和5个监测站及作为用户端的GPS接收机。最少只需其中3颗卫星，就能迅速确定用户端在地球上所处的位置及海拔高度；所能收联接到的卫星数越多，解码出来的位置就越精确。 该系统由美国政府于1970年代开始进行研制并于1994年全面建成。使用者只需拥有GPS接收机即可使用该服务，无需另外付费。GPS信号分为民用的标准定位服务和军规的精确定位服务两类。由于SPS无须任何授权即可任意使用，原本美国因为担心敌对国家或组织会利用SPS对美国发动攻击，故在民用讯号中人为地加入选择性误差（即SA政策）以降低其精确度，使其最终定位精确度大概在100米左右；军规的精度在十米以下。2000年以后，克林顿政府决定取消对民用讯号的干扰。因此，现在民用GPS也可以达到十米左右的定位精度。 GPS系统拥有如下多种优点：使用低频讯号，纵使天候不佳仍能保持相当的讯号穿透性；全球覆盖（高达98%）；三维定速定时高精度；快速、省时、高效率；应用广泛、多功能；可移动定位；不同于双星定位系统，使用过程中接收机不需要发出任何信号增加了隐蔽性，提高了其军事应用效能。 （2）GLONASS系统由苏联在1976年组建，现在由俄罗斯政府负责运营。该系统由卫星、地面测控站和用户设备三部分组成，目前的系统由21颗工作星和3颗备份星组成，分布于3个轨道平面上，每个轨道面有8颗卫星，轨道高度
卫星导航系统简介
北斗卫星导航系统BDS（中国） 系统介绍 北斗卫星导航系统﹝BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System﹞是中国正在实施的自主研发、独立运行的全球卫星导航系统,缩写为BDS[1-2],与美国的GPS、俄罗斯的格洛纳斯、欧盟的伽利略系统兼容共用的全球卫星导航系统，并称全球四大卫星导航系统。北斗卫星导航系统2011年12月27日起提供连续导航定位与授时服务北斗卫星导航系统由空间端、地面端和用户端三部分组成。空间端包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星。地面端包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站。用户端由北斗用户终端以及与美国GPS、俄罗斯“格洛纳斯”（GLONASS）、欧盟“伽利略”（GALILEO）等其他卫星导航系统兼容的终端组成。中国此前已成功发射四颗北斗导航试验卫星和十六颗北斗导航卫星（其中，北斗-1A已经结束任务），将在系统组网和试验基础上，逐步扩展为全球卫星导航系统。北斗卫星导航系统建设目标是建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠覆盖全球的导航系统。北斗卫星导航系统，促进卫星导航产业链形成，形成完善的国家卫星导航应用产业支撑、推广和保障体系，推动卫星导航在国民经济社会各行业的广泛应用。该系统可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务并兼具短报文通信能力。[3]中国以后生产定位服务设备的生产商，都将会提供对GPS和北斗系统的支持，会提高定位的精确度。而北斗系统特有的短报文服务功能将收费，这个功能的实用性还有待观察。 2011年12月27日起，开始向中国及周边地区提供连续的导航定位和授时服务。2012年12月27日起，北斗系统在继续保留北斗卫星导航试验系统有源定位、双向授时和短报文通信服务基础上，向亚太大部分地区正式提供连续无源定位、导航、授时等服务；民用服务与GPS一样免费。[1-2] 北斗卫星系统已经对东南亚实现全覆盖。 北斗卫星导航系统使用码分多址技术，与全球定位系统和伽利略定位系统一致，而不同于格洛纳斯系统的频分多址技术。两者相比，码分多址有更高的频谱利用率，在由L波段的频谱资源非常有限的情况下，选择码分多址是更妥当的方式。
车载导航系统项目介绍
车载导航系统项目介绍 Modified by JEEP on December 26th, 2020.
车载导航系统项目介绍 ----北京华清远见科技有限公司 1、项目简介 项目背景 现在，随着GPS技术、多媒体应用、LCD显示技术的日趋成熟，汽车导航、防盗系统在高端汽车中已经是现实，而在普通汽车中实现，也是指日可待了。车载导航系统中包含了很多前卫、实用的技术，如：GPS应用技术、GPRS应用技术、GUI开发技术、多媒体功能应用技术、传感器技术、嵌入式操作系统应用开发技术、系统构建技术、驱动编写技术、数据库技术等等。学员通过项目的完成，对于巩固理论知识、拓展实用的项目经验都有很大的帮助。 系统功能说明 ?定位功能 GPS通过接收卫星信号，可以准确地定出其所在的位置，位置误差小于10米。利用GPS，在地图上实时显示车辆当前位置； ?地图导航功能 输入目标地点后，自动在地图上显示出行车路线；重假如用户因为不小心错过路口，没有走车载GPS导航系统推荐的最佳线路，新为用户设计一条回到主航线路线，或是为用户设计一条从新位置到终点的最佳线路。 ?语音导航功能
输入目标地点后，车辆只要遇到前方路口或者转弯，车载GPS语音系统提示用户转向等语音提示。 ?防盗功能 通过发送gprs短信，可以返回车辆当前位置； ?娱乐功能 播放U盘、SD卡中的MP3、MP4文件。 ?智能导航功能 在短时间失去GPS信号时，可根据车内的加速度传感器、结合行车速度计算出行车情况。 ?增加兴趣点功能 由于我国大部分城市都处于建设阶段，随时随地都有可能冒出新的建筑物，由此，电子地图的更新也成为众多消费者关心的问题。因此遇到一些电子地图上没有的目标点，只要你感兴趣或者认为有必要，可将该点或者新路线增加到地图上。 2、硬件需求
全球定位系统概述
1.什么是全球定位系统（GPS） 全球定位系统（Global Positioning System - GPS）是美国从本世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。经近10年我国测绘等部门的使用表明，GPS 以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。 全球定位系统(Global Positioning System,缩写GPS)是美国第二代卫星导航系统。是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的，它采纳了子午仪系统的成功经验。和子午仪系统一样，全球定位系统由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成。 按目前的方案，全球定位系统的空间部分使用24颗高度约2.02万千米的卫星组成卫星星座。21+3颗卫星均为近圆形轨道，运行周期约为11小时58分，分布在六个轨道面上（每轨道面四颗），轨道倾角为55度。卫星的分布使得在全球的任何地方，任何时间都可观测到四颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图形（DOP）。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。 地面监控部分包括四个监控间、一个上行注入站和一个主控站。监控站设有GPS用户接收机、原子钟、收集当地气象数据的传感器和进行数据初步处理的计算机。监控站的主要任务是取得卫星观测数据并将这些数据传送至主控站。主控站设在登堡空军基地。它对地面监控部实行全面控制。主控站主要任务是收集各监控站对GPS卫星的全部观测数据，利用这些数据计算每颗GPS卫星的轨道和卫星钟改正值。上行注入站也设在登堡空军基地。它的任务主要是在每颗卫星运行至上空时把这类导航数据及主控站的指令注入到卫星。这种注入对每颗GPS卫星每天进行一次，并在卫星离开注入站作用围之前进行最后的注入。 全球定位系统具有性能好、精度高、应用广的特点，是迄今最好的导航定位系统。随着全球定位系统的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地开拓，目前已遍及国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活。 2.GPS如何定位 GPS接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息；用于预报未来几个月卫星所处概略位置的预报星历；用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历，精度为几米至几十米（各个卫星不同，随时变化）；以及GPS系统信息，如卫星状况等。 GPS接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离，由于含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差，故称为伪距。对0A码测得的伪距称为UA码伪距，精度约为20米左右，对P码测得的伪距称为P码伪距，精度约为2米左右。 GPS接收机对收到的卫星信号，进行解码或采用其它技术，将调制在载波上的信息去掉后，就可以恢复载波。严格而言，载波相位应被称为载波拍频相位，它是收到的受多普勒频移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。一般在接收机钟确定
车辆导航系统
湖南交通职业技术学院[智能交通系统]
[车辆导航系统] 项目组：曾为佳徐东子张馨宇 [2013年12月28日] 车辆导航系统 曾为佳徐东子张馨宇 一．摘要 车辆导航系统是智能交通系统ITS的一个分支,其把全球定位技术、地理信息技术、多媒体技（略）及嵌入式计算机技术综合到一起的高科技系统。它能够实时、高效地向驾驶员提供导航定位、地理信息等服务，引导驾驶员从一地到达另一地。车辆导航系统是新型汽车信息电子（略）表，它的应用对改善城市交通状况、促进行车安全和
提高道路的通行效率具有重要的实际意义。本文密切结合实际科研成果，对车辆导航系统进行详细介绍。 二．主题词 ●GPS ●自主式 ●中心决定式 ●发展与问题 三．正文 3.1 车辆导航系统的概述及起源 3.1.1 概述 车辆导航系统是ITS设施中涉及的一个主要应用系统。导航是为使用者从一点指向另一点的导引的过程，一个成功的导航应该能够确定使用者在哪里，要去哪里以及怎样去的问题。因此车辆导航系统是通过计算机提供相应的服务，来为使用者提供路况信息和道路交通指引的公共服务系统。车辆导航系统一般具有以下基本作用：GPS卫星导航定位、电子地图浏览查询、智能的路线规划、全程的语音提示。其中，电子地图的数据量与详细程度最为重要，车辆导航最主要的功能之一就是任意两点最佳路径建议功能。车主只需将目标点输入，导航系统便会自动根据当前的位置，为车主设计最佳路线。另外，它还有修改功能，假如车主因为不小心错过路口，没有走该系统推荐的最佳线路，车辆位置偏离最佳线路轨迹200m以上，该系统会根据车
辆所处的新位置，重新为车主设计最佳路线。 3.1.2 起源 最早期的车辆导航可追溯到公元前2600年的中国，当时人们在手推车装了一个人形的指南针，从而不管手推车在哪条道路上行进，指南针的手指始终指向南方。这种指南针的仿制品可在中国历史博物馆见到。 3.2 现代车辆导航系统的发展及形成 3.2.1 国际上车辆导航系统的发展 现代车辆导航技术始于20世纪60年代晚期。当时美国联邦公路局启动了一个称为电子路径诱导系统（ERGS）的项目。ERGS是具有无线路径诱导能力的导航系统，可用于控制和分配交通流。由于资金的限制，该项目并没有完整的被实施，但初步的实验还是很有成效的。 20世纪70年代以后，特别是80年代后期，车辆导航系统进入了一个迅猛发展的时期。这主要是由于有关ITS的相关技术日趋成熟，而有关ITS的组织如欧洲的ERTICO，日本的VERTIS和美国的ITS America 等也相继成立。ITS会议和有关刊物大量涌现，从而形成了一个所谓的“ITS”运动，如日本进行的CACS项目，欧洲进行的ACI 工程项目，美国实施的Navergator Guidestar项目，90年代后期有Pathfinder等。 3.2.2 国内车辆导航系统发展历程
导航与定位概述
导航与定位概述 导航与定位已经深入到人们的曰常生活，但是导航与定位的含义经常被混淆，而且绝大多数教科书和文献也没有刻意区分这两个既有联系又有区别的概念。本文试图分别给出导航与定位的定义与内涵，讨论导航与定位的联系与区别，描述导航定位分类，简述导航与定位的交叉发展史。试图从学科发展、应用领域的发展讨论导航定位涉及的研究内容，侧重讨论导航与定位未来的重要研究方向。需要强调的是，本文只讨论一般意义的导航与定位，尽管卫星导航定位是重点描述内容，但不特指目前快速发展的卫星导航定位。 一、引言 定位是人类社会活动、经济活动、军事活动的重要支撑。高精度定位是地球科学研究的基础，内部地球物理、地壳运动、海洋活动、地震等都需要毫米级精度的定位；边界划分、土地测量、工程建设等需要厘米甚至毫米级精度的定位。日常生活中人们更需要连续实时导航定位。行人在陌生的城市、森林和无垠的沙漠戈壁需要导航、定位和定向，车辆行进在陌生的道路和城市需要参照、需要导航，舰船航行在浩瀚的海洋需要标志和定向指引，飞行器遨游太空也需要导航定位。 国防建设更离不开导航定位。军事行动、指挥平台、武器平台等都需要导航定位的支持。
导航定位是信息技术（information technology，IT)和数据技术(data technology，DT)开发与应用的基础。信息化社会中（无论是数字地球还是智慧城市），约80%的信息都与空间和时间有关。于是，导航定位所提供的三维位置、三维速度和时间信息是信息化建设的重要内容，也是数字地球、智慧城市建设十分重要的基础。 涉及导航与定位的著作、文献十分丰富，但是专门讨论定位与导航的区别、联系、发展历程的文献并不多。而且导航与定位概念经常混淆。此外，在全球卫星导航定位系统发展之前，导航与定位分别附属于不同学科。“定位”属于大地测量学科；“导航”尽管在航海、航空得到广泛研究和应用，但是它一般属于自动控制学科。卫星导航定位系统出现后，导航与定位的界限越来越模糊。从学科发展角度，严格的导航与定位的定义也需要加以规范化论述，尤其需要理清导航与定位的区别与联系，讨论其发展的关联性。 二、导航定位定义及其分类 “定位”指的是测定地面、海洋或空中一点相对于指定坐标系统的坐标。简言之，测定点的位置就叫定位。定位分为绝对定位(相对于指定坐标系统的位置)和相对定位(相对于其他点的位置）；定位可按单点进行位置测定，也可按整网的一部分进行测定。定位也分静态定位和动态定位，静态定位指的是载体在静止状态进行的定位，动态定位指的是载
卫星导航定位技术概述
卫星导航定位技术概述 ?卫星：围绕行星运转的物体，这里指人造地球卫星。 ?卫星通信：地球上包括地面、水面和低层大气中的无线电通信站之间利用人造地球卫星作中继站而进行的通信。 ?导航：通过实时测定运载体在行进途中的位置和速度，引导运载体沿一定航线经济而安全地到达目的地的技术。 ?要实现导航，必须首先实现定位，即精确确定当前所在的位 置。只有先定位，才能确定目的地的方向，即实现定向。 ?导航定位的发展： 推算定位－天文导航－惯性导航－无线电导航
导航系统 ?推算定位系统（Dead Reckoning Systems） ?通过航行的方向和距离来推算其所在位置。 ?惯性导航系统（Inertial Navigation System） ?根据牛顿提出的相对惯性空间的力学定律，利用陀螺、加速度 计等惯性元件感受运动载体在运动过程中的加速度。然后通过 计算机积分运算，从而得到运动载体的位置和速度等信息。 ?优点是不依赖外界导航台和电磁波的传播，因此应用不受环境 限制，包括海陆空及水下。隐蔽性好，不可能被干扰，生存能 力强。此外，还可以产生包括载体三维位置、三维速度与航向 姿态的多种信息。然而，它的垂直定位信息不好。
无线电导航系统 ?基本原理 ?根据电磁波在理想均匀媒介中按直线传播，且速度为常数， 并在任两种媒质介面上一定产生反射，入射波和反射波同在 一铅垂面内的特性，进行导航定位。 ?优点： ?电磁波的传播基本上不受昼夜、气候、距离的影响； ?可对空中、海上与地面的各种运动载体进行定位、导航。 ?测量快、准确度高、可靠性高。 ?缺点： ?电磁波难免受外界干扰
卫星导航定位算法_常用参数和公式概要
《卫星导航定位算法与程序设计》课程 常用参数和常用公式一览 编制人：刘晖 更新时间：2010年10月29日 1、常用参考框架的几何和物理参数 1.1 ITRFyy 主要的大地测量常数 长半轴a=6.3781366×106m； 地球引力常数（含大气层）GM=3.986004418×1014 m3/s2； 地球动力因子J2=1.0826359×10-3； 地球自转角速度ω=7.292115×10-5 rad/s。 扁率1/f =298.25642； 椭球正常重力位U0=6.26368560×107 m2/s2； 赤道正常重力 e γ=9.7803278 m/s2； 光速c=2.99792458×108 m/s。 1.2 GTRF主要的大地测量常数 长半轴a=6.37813655×106 m； 地球引力常数GM=3.986004415×1014 m3/s2； 地球动力因子J2=1.0826267×10-3； 扁率1/f =298.25769。 1.3 WGS84（Gwwww）主要的大地测量常数 长半轴a=6.3781370×106 m； 地球引力常数（含大气层）GM=3.986004418×1014 m3/s2； 地球自转角速度ω=7.292115×10-5 rad/s。 扁率1/f =298.257223563； 椭球正常重力位U0=62636860.8497 m2/s2； 赤道正常重力 e γ=9.7803267714m/s2； 短半轴b=6356752.3142m； 引力位二阶谐系数 2,0 C=-484.16685×10-6； 第一偏心率平方2e=0.00669437999013； 第二偏心率平方 2 e'=0.006739496742227。 1.4 PZ90 主要的大地测量常数 长半轴a=6.378136×106m； 地球引力常数GM=3.9860044×1014 m3/s2； 地球大气引力常数 a fM=3.5×108 m3/s2；
北斗卫星导航系统简介与概述
北斗卫星导航系统简介与概述 2013年08月17日?北斗导航资讯?共1511字?字号小中大?暂无评论 一、概述 北斗卫星导航系统﹝BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System﹞是中国正在实施的 自主发展、独立运行的全球卫星导航系统。系统建设目标是：建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的覆盖全球的北斗卫星导航系统，促进卫星导航产业链形成，形成完善的国家卫星导航应用产业支撑、推广和保障体系，推动卫星导航在国民经济社会各行业的广泛应用。 北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，空间段包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，地面段包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站，用户段包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容 二、发展历程 卫星导航系统是重要的空间信息基础设施。中国高度重视卫星导航系统的建设，一直在努力探索和发展拥有自主知识产权的卫星导航系统。2000年，首先建成北斗导航试验系统，使我 国成为继美、俄之后的世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。该系统已成功应用于测绘、电信、水利、渔业、交通运输、森林防火、减灾救灾和公共安全等诸多领域，产生显著的经济效益和社会效益。特别是在2008年北京奥运会、汶川抗震救灾中发挥了重要作用。 为更好地服务于国家建设与发展，满足全球应用需求，我国启动实施了北斗卫星导航系统建设 （一）北斗双星定位系统： 2003年5月建成；三颗地球同步轨道卫星36,000km；卫星寿命5年；主动式定位,有源定位 下行S波段，上行L波段；二维定位、授时、短报文服务、广域增强军民两用系统；被动式定位,无源定位。 特点： 具有定位、授时、短报文通信多种功能；可用于发布广域差分信息；军民两用系统。
北斗卫星导航系统常识简介
北斗卫星导航系统常识 简介 Company Document number：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998
北斗卫星导航系统常识简介 一、北斗卫星导航系统现状 中国北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）是中国自行研制的全球卫星导航系统。是继美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）之后第三个成熟的卫星导航系统。北斗卫星导航系统（BDS）和美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALILEO，是联合国卫星导航委员会已认定的供应商。 北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力，已经初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度10米，测速精度米/秒，授时精度10纳秒。 北斗卫星导航系统空间段由5颗静止轨道卫星（又称24小时轨道，指轨道平面与赤道平面重合，卫星的轨道周期等于地球在惯性空间中的自转周期，且方向亦与之一致，即卫星与地面的位置相对保持不变，故这种轨道又称为静止卫星轨道。一般用作通讯、气象等方面）和30颗非静止轨道卫星组成，2012年左右，“北斗”系统将覆盖亚太地区，2020年左右覆盖全球。中国正在实施北斗卫星导航系统建设，截止2016年10月已成功发射16颗北斗导航卫星。
2000年，首先建成北斗导航试验系统，使我国成为继美、俄之后的世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。北斗导航系统是覆盖中国本土的区域导航系统，覆盖范围东经约70°-140°，北纬5°-55°。北斗卫星系统已经对实现全覆盖。该系统已成功应用于测绘、电信、水利、渔业、交通运输、森林防火、减灾救灾和公共安全等诸多领域，产生显着的经济效益和社会效益。特别是在2008年北京奥运会、汶川抗震救灾中发挥了重要作用。 北斗产业应用前景广阔，预计到2020年，仅北斗卫星导航市场将达到年产值4000亿元人民币，年复合增长率达到40%以上。”中国科学院院士、中国工程院院士、着名测量与遥感学家李德仁介绍说 二、卫星定位原理 北斗卫星导航系统35颗卫星在离地面2万多千米的高空上，以固定的周期环绕地球运行，使得在任意时刻，在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。 由于卫星的位置精确可知，在接收机对卫星观测中，我们可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置（X,Y,Z）。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和钟差，因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求