《导航定位技术概论》大作业

导航定位技术

（程青青 912110190104）

1. 引言

早在远古时代，人类便知道利用星历导航，然后又出现用鱼骨充当六分仪，确定航线，接着指南针的发明，标志着导航仪的诞生，再后来英国发明了航海表，人们综合利用星历知识、指南针、航海表进行导航。随着科技的发展，导航定位技术也逐渐成熟，出现了无线电导航、量子导航等，导航定位技术已经渗透到人类文明的各个角落里，发挥着它无可替代的作用。导航定位系统的目的简单来说就是“在哪里、到哪去、怎么去”这九个字，也就是以某种手段或方式引导航行体安全、准确、便捷、经济地在规定时间内按一定的路线到达目的地。导航过程中系统要实时连续的给出载体的位置、速度、加速度、航向等参数。导航定位技术是涉及自动控制、计算机、微电子学、光学、力学、数学等领域的高科技，现在不仅已经广泛应用于海、空、天等高科技武器和武器研究平台中，还以各种形式成为我们日常生活不可或缺的重要部分。

2.导航定位系统

2.1 导航定位系统的分类

根据原理的不同，可以将现有的导航定位系统分为地磁导航系统、声学导航系统、推位导航系统，惯性导航系统、无线电导航系统、卫星导航系统、天文导航系统七大类。

（1）、地磁导航系统

原理：通过地磁传感器测得的实时地磁数据与存储在计算机中的地磁基准图进行匹配来定位（由于地磁场为矢量场，所以在近地空间任意一点的地磁矢量都不同于其他的点，且与该点的经纬度是一一对应的）

优点：无源、无辐射、全天候、全地域、能耗低。

（2）、声学导航系统

由于电磁波在水中能量消耗太快，而声波能传播几百公里而几乎没有能量损失，因此可以采用声发射器作为信标在水中引导载体的航行。

分类：长基线导航（LBL）、短基线导航（SBL）、超短基线导航（USBL）

原理：事先在海域摆放换能器或者换能器阵，以此实现声学导航。换能器发出的脉冲被一个或者多个设置在母船上的声学传感器接收，收到的脉冲经过处理并按照预定的数学模型进行计算就可以得到声源的位置。

（3）推位导航

基本原理：起始时刻的位置已知，速度的大小和方向可以通过测量得到，则

下一时刻的位置可以通过计算得到。

θi n i i n d x x sin 100∑-=+=

θi

n i i n d y y cos 100∑-=+= 组成：平台罗经（测向）以及计程仪—水压、电磁、多普勒（测速）

（4）、惯性导航系统

定义：不依赖外界信息，只依靠本身惯性测量来完成导航任务的技术。 基本原理：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行体在运动过程中的加速度，然后计算机通过积分运算算出运动体的位置和速度等参数；放在平台上的加速度计测量加速度，陀螺仪用来保持平台的方向，所以加速度计和陀螺仪是该系统的核心惯性

?+=t

adt 0

0v V

?+=t

Vdt S s 0

优点：依靠自身测量的加速度推算位置，自主式导航系统；

不需要接收外界信息，不受外界干扰；

不像外界辐射能量，隐蔽性好；

测量位置的同时还可以测量姿态角。

缺点：位置由加速度二次积分而得，误差随时间积累；

对元件精度要求高，相应的成本也高。

应用：为洲际导弹、战略远程轰炸机、导弹核潜艇提供技术支持。

（5）、无线电导航系统

基本原理：无线电导航的基本任务是测向和测速，在同一介质中，无线电沿直线传播，且速度为一个常数，无线电波具有反射性。这三个基本特性为无线电导航奠定了基础，利用直线传播可以确定载体的方向，利用传播速度不变可以测定速度的大小。

测量方法：测量方位法、测量距离法、测量距离差法

举例：a 、罗兰系统：低频脉冲双曲线导航系统，属于测距差双曲线导航系统，同时利用脉冲信号和载波相位来测量距离差进而求得双曲线位置实现定位。优点：低频工作，作用距离远；可粗测距离差，精测时间差，从而提高测量精度；可消除天波干扰，抑制其他干扰，且可以区分主副号和实现自动化测量。

b 、奥米伽系统：利用信号的相位信息来测量距离，工作在甚低频段，所以传播距离很远，仅用8个发射台就可以覆盖全球，在长距离航行中能够自动连续的提供载体的当前位置和各种导航数据

优点：工作连续，覆盖范围广，穿透能力强，传播衰减小，作用距离远；可深入水下进行水下测量。

缺点：受环境影响较大，地表条件、气象状况、地理环境会造成低频信号的异常；精度不高；设备昂贵；数据更新慢。现已停用。

（6）、卫星导航系统

基本原理：利用在空间飞行的卫星不断向地面广播发送某种频率并加载了某种特殊定位信息的无线电信号来实现定位测量的定位系统，广泛应用于车辆导航管理以及对航天器的导航定位管理。

系统组成：a、空间部分(卫星)发送某种时间信号、测距信号和卫星的瞬间坐标位置信号；

b、地面控制部分：精确测量卫星的轨道坐标，时钟差异，确定系统运行状态，并向卫星注入新的卫星轨道坐标，进行必要的卫星轨道纠正；

c、用户部分：接受卫星广播发送的多种信号并进行处理计算确定用户的最终位置。

举例：a GPS全球定位系统：（美国）24颗中高度圆轨道卫星组网；

ｂGLONASS全球定位系统：（俄罗斯）共有26颗卫星在轨，20颗进行工作中，2颗备用，4颗技术维修中；

ｃ伽利略全球定位系统：（欧盟）共有30颗卫星组成，其中27颗工作星，3颗备用星，卫星分布在三个中地球轨道上，每个轨道上分布9颗工作星和一个备份星；

ｄ北斗卫星导航定位系统：（中国）由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，其中30颗非静止轨道卫星由27颗中轨卫星和三颗倾斜同步卫星组成。

优点：能够全天候的实时提供载体的三维位置和速度信息，且误差不随时间积累，是高精度导航和定位系统

缺点：容易被干扰，不能提供连续定位信息，同时不能提供姿态信息。

（７）天文导航系统

基本原理：天文导航系统是根据天上星座的运行规律来对地面上的目标进行定位，通过观测星体相对地球的位置参数（例如仰角）以及观测时间，就可以确定观测者在地球上的位置，从而引导运动体航行。

测量方法：天文船位圆法：每测量一个天体的高度和顶距时，必位于以该天体投影点为圆心，以Ｒ为半径的等高圆上因此就得到一部分与自身地理位置有关的信息，继续观测第二个天体，得到另一个等高圆，这两个等高圆相较于两点，其中一点就是观测点，为了测量船位，侧者在同一地点至少要观测两个天体，便可得到两个天文船位圆，它们相交于两点。由于天文船位圆的半径很大，这两个交点相距很远，因此推算船位的一个交点就是测者的观测船位，这就是天文船位

圆原理，也就是常说的双星定位原理，也可以用第三颗星来消除模糊度，即三星定位原理。

特点：天文导航系统是自主式系统，不需要地面设备；不受人工或自然形成的电磁场的干扰；不向外辐射电磁波，隐蔽性好；定向定位精度高，定位误差不随时间积累

（８）其他辅助导航定位系统

SLAM 导航，脉冲星导航，量子导航，视觉导航。

２.２导航定位系统的应用

传统导航定位系统发展至今，已经度过了约一百个春秋。随着科技的发展，导航技术已经得到了迅速发展，取得了许多傲人的成就，其应用已经由最原始的交通运输中的方向判定扩展到了工业、农业、林业、渔业、建筑、旅游、救助、电信、物探、测绘、气象等等，其中，正是因为全球定位系统具有全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得了广大测绘工作者的青睐，并且将其广泛应用于大地测绘、工程测绘、航空摄影测量、运载工具导航与管制、地壳运动监测、工程建设、市政规划、海洋开发、资源勘查、地球动力学等多种学科。目前，导航定位技术已经渗透到了国民经济、国防建设、科学研究和人民生活等方方面面，主要的应用领域有：

ａ国家大型测绘项目领域：我国先后于1992和1996年建立了有28个点组成的国家Ａ级卫星定位测控网和730个点组成的国家Ｂ级卫星定位控制网，首次整合和通一平查后形成了2000多个国家卫星定位大地控制网，并于2004年完成与天文大地网的平差，成为我国现代测绘的基本框架。与此同时，建成了连续运行的卫星定位观测站30多个，其中7个纳入了国际IGS网站，根本上解决了我国使用参考框架的问题；

ｂ大坝桥梁以及高层建筑等变形监测领域：例如在三峡大坝等大坝变形检测中，卫星导航定位监测达到了毫米级；在滑坡检测中，卫星导航顶定位测量比常规的外观测量在精度监测速度以及时效性和效益上都有明显的优势。上海市在世界上率先建立了包括卫星定位系统在内的健全的地面沉降监测网络，监测和控制地面沉降工作上取得了很好的成绩。；

ｃ交通方面：卫星导航定位等相关集成技术已经能够营建智能交通系统和监控系统并得到了广泛应用，卫星导航系统已经普遍使用于公交，银行，医疗，消防等部门的紧急救援或报警，部分用于汽车船舶的导航监控，广泛应用于物流配送中心，并在车载导航方面取得了重大发展；

ｄ资源探测领域：在地质调查和找矿工作中，导航定位技术的应用提高了野外地质调查和找矿工作的定位精度和自动化程度。他与遥感级计算机等高新技术相结合，为基础地质研究提供了地球化学依据。差分卫星导航定位系统已经被广泛应用于海洋物探定位和海洋石油钻井平台定位，为发现海底储油构造和实时

监测平台的安全可靠性发挥关键性作用；

ｅ城市综合服务：北京、上海、深圳、成都、昆明、天津等城市的卫星定位系统嗯哼香港卫星定位参考网先后建成，可以分别满足城市规划、城市建设、城市管理、科学研究等多方面的需求，电力、有线电视、城市地下管道已采用卫星导航技术布设路线；

ｆ电信网络方面：移动通信、电脑、卫星导航技术结合的各类移动信息终端日益普及，为位置信息相关服务的应用提供了巨大的发展平台，其中的应用产品把导航从车载向个人终端迈进；

ｇ自然灾害的监测预防及防治方面：测绘、地震、中科院等部门基于卫星定位技术应用，于2000年建成了地壳运动监测网络工程，通过该工程对地壳位移的监测，可以科学的判定地震活动趋势。在抗灾救灾中，用卫星导航定位技术可迅速确定受灾地点，为决策提供科学依据。

２.３、导航定位系统的发展现状

从最初的指南针，六分仪以及天文钟作为人们导航的主要方式，而现在这些传统的导航定位方式已成为特殊情况下的补充手段。随着全球一体化和科技的迅速发展，二十世纪的导航定位技术如同雨后春笋，迅速的在全球扩散开来。在此情况下，一方面，以70年代的信息技术发展为基础的几种新型导航系统，例如卫星导航系统，陀螺捷联式惯性导航系统，组合式的导航系统都得到了很大的发展。同时，一些像欧米伽导航系统这样的原有的导航系统面临着被淘汰的命运；还有一些经过改进被保留；还有一些在科技发展大潮中获得了新生，例如天文导航系统就与传统的定位系统有许多不同，而普遍的都认为这种天文导航已经过时，将被淘汰，而现在，随着新型的光电器件如CCD的发展，计算机还有新的数学模型的发展，天文导航的精度得到很大提高，对环境的要求也大大降低，天文导航作为一种独立的，自主式的，成本地的系统，又重新为人们所认识。

纵观30年来，导航系统的发展具有三个特点。第一，由于新材料，微电子，集成光学，计算机等发展，促进了新型惯性器件的发展，从而惯性导航系统的体积越来越小，精度越来越高，成本越来越低；第二，卫星导航技术这30年来得到了极大的发展，可以认为卫星导航给导航技术带来了一次极大的革命；第三，卫星导航，惯性导航以及其他技术之间互相组合，促进了导航技术的进一步发展。

随着导航定位技术的逐渐成熟，陆空导航定位技术迅速发展的同时，水下定位技术也得到了十足的发展，同时，经过软硬件的发展和不断完善，从最早期的近百米定位精度到目前的厘米级甚至毫米级精度。目前最为前沿的定位技术主要有两个：第一，精密单点定位技术，即利用预报或事后精密星历（如IGS预报精密星历或事后精密星历），同时利用某种方式得到的精密卫星钟差代替用户GPS 单点定位方程中的卫星钟差参数，用户利用单台双频接收机的非差相位和伪距观测值在数千万公里甚至全球范围内的任意位置进行分米级实时动态定位或事后

厘米级快速静态定位；第二，网络RTK技术，就是在一定区域内建立多个基准站，对准地区构成网状覆盖，并以这些基准站中的一个或多个为基准计算和发播改正信息，对该地区内的卫星定位用户进行实时改正的定位方式，又称为多基准站。与常规的单基准站相比，该方法的主要优点是覆盖面广，定位精度高，可靠性高，可实时提供厘米级定位。

２.４、导航定位系统未来的发展前景

未来对导航定位系统的发展要求主要包括在几个方面：首先，提高静态和动态测量性能，满足高精度系统的要求；其次提高系统的工作可行性，适应更为恶劣的工作环境，抑制其他因素的干扰；第三，降低其质量以及体积还有功耗，向微型化发展；第四，降低成本，使导航定位平民化；最后，提高系统的自动化。

众所周知，导航定位技术正以锐不可当的势头发展着，其广泛的应用已经渗透到人类活动的每一个角落里，成为人类发展中不可或缺的一部分。其应用范围从航天飞机到机器人和汽车都有广阔的应用前景，因此对导航定位技术的研究是现代科技研究的重点，各种新技术和新新材料在导航定位技术的研究中都有所体现，随着低成本和高精度的导航系统的出现，导航定位系统不就将以通用低价的面貌面向世人。我们相信导航技术的不断进步，导航定位手段必将更加的丰富，导航定位技术必将渗透到城市建设的方方面面，在人们的生活和工作中扮演更加重要的角色。

参考文献：

[1]袁赣南．导航定位系统工程[M]．哈尔滨：哈尔滨大学出版社出版社，2009．

[2]秦永元. 惯性导航.北京：科学出版社2006.

[3]谭述森. 卫星导航定位工程 .国防工业出版社.2007.

[4]王永泉. 导航系统的现状、发展和未来 .上海交通大学出版社.2009