导航基本理论
导航工程技术专业学习教程掌握导航原理和技术的关键步骤
导航工程技术专业学习教程掌握导航原理和技术的关键步骤一、引言导航工程技术是一门涉及航海、航空、导弹、卫星等领域的重要学科，它关乎着航行安全和导航精度。
本教程将介绍导航工程技术的学习路径和关键步骤，帮助读者全面理解和掌握导航原理和技术。
二、导航原理1. 惯性导航惯性导航是一种基于力学原理的导航方式，它通过测量物体在空间中的运动状态和加速度来确定位置和速度。
了解物体的运动特性和相关的力学原理是学习惯性导航的关键。
2. 卫星导航系统卫星导航系统是一种基于卫星信号的导航方式，目前广泛应用的系统包括GPS、GLONASS、Galileo等。
了解卫星导航系统的组成和工作原理，以及如何使用卫星信号进行导航定位是学习卫星导航系统的关键。
三、学习步骤1. 基础知识学习在学习导航工程技术之前，需要掌握一些基础知识，如数学、物理、电子学等。
这些基础知识为后续的学习打下坚实的基础。
2. 系统学习导航原理学习导航原理是理解导航工程技术的核心。
可以通过学习教材、参加相关课程或者进行自主学习来全面了解惯性导航和卫星导航系统的原理。
3. 实践操作理论学习之后，需要进行实践操作来加深对导航技术的理解和掌握。
实践操作可以包括使用导航设备进行定位导航、参与导航工程项目等。
4. 深入研究与学术交流在掌握基本导航原理和技术之后，可以进行深入研究和学术交流。
可以阅读相关领域的学术论文、参加学术会议或者进行科研项目，以提升自己在导航工程技术领域的专业水平。
四、学习资源推荐1. 书籍推荐- 《惯性导航原理与技术》- 《卫星导航原理与应用》- 《导航工程实践指南》2. 在线课程推荐- Coursera平台上的《导航工程导论》课程- edX平台上的《卫星导航系统原理与应用》课程3. 学术期刊推荐-《Navigation》-《IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems》-《Journal of Navigation》五、结论通过学习以上步骤和资源，可以全面掌握导航原理和技术。
《导航定位技术》PPT课件
发展简史
由前苏联从80年代初开始建设的与美国GPS系统相类似的卫星定位系统，现在由俄罗斯 空间局管理。 从苏联1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星 1996年1月18日，24颗卫星正常工作运行。
卫星组成
GLONASS系统共有26颗卫星在轨。其中有20颗卫星处于工作状态，2颗备用，4颗正接受 技术维护。其中18颗卫星即可实现俄罗斯境内导航。
Navigation and positioning technology
本课程所涉及的主要内容
第一部分：导航定位技术理论基础
➢ 地球描述 ➢ 坐标系 ➢ 时间基准
第二部分：典型导航定位系统
➢ 典型导航定位系统的工作原理及特点 ➢ 典型导航定位系统应用 ➢ 辅助导航定位系统工作原理及应用
第三部分：组合导航定位系统
GPS全球定位系统
拥有者 美国
发展简史 全球卫星定位系统（GPS）计划自1973年起步，1978年首次发射卫星，1994年完成24颗中高度圆轨道（MEO ）卫星组网，共历时16年、耗资120亿美元。
39
3.6 卫星导航（Satellite navigation）
GLONASS全球定位系统
拥有者
25
3.4 惯性导航（INS-Inertial navigation system）
N
f
t y
E
f
t x
惯性平台
vE
t
aEdt vE0
0
t
vN
aN dt vN 0
0
aBy
-
Vy0
Vy
1 R
aBx
Vx0
-
Vx
1 R
sec
导航计算机
GPS导航定位原理以及定位解算算法
G P S导航定位原理以及定位解算算法TYYGROUP system office room 【TYYUA16H-TYY-TYYYUA8Q8-GPS导航定位原理以及定位解算算法全球定位系统(GPS)是英文Global Positioning System的字头缩写词的简称。
它的含义是利用导航卫星进行测时和测距，以构成全球定位系统。
它是由美国国防部主导开发的一套具有在海、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定位系统。
GPS用户部分的核心是GPS接收机。
其主要由基带信号处理和导航解算两部分组成。
其中基带信号处理部分主要包括对GPS卫星信号的二维搜索、捕获、跟踪、伪距计算、导航数据解码等工作。
导航解算部分主要包括根据导航数据中的星历参数实时进行各可视卫星位置计算；根据导航数据中各误差参数进行星钟误差、相对论效应误差、地球自转影响、信号传输误差(主要包括电离层实时传输误差及对流层实时传输误差)等各种实时误差的计算，并将其从伪距中消除；根据上述结果进行接收机PVT（位置、速度、时间）的解算；对各精度因子(DOP)进行实时计算和监测以确定定位解的精度。
本文中重点讨论GPS接收机的导航解算部分，基带信号处理部分可参看有关资料。
本文讨论的假设前提是GPS接收机已经对GPS卫星信号进行了有效捕获和跟踪，对伪距进行了计算，并对导航数据进行了解码工作。
1 地球坐标系简述要描述一个物体的位置必须要有相关联的坐标系，地球表面的GPS接收机的位置是相对于地球而言的。
因此，要描述GPS接收机的位置，需要采用固联于地球上随同地球转动的坐标系、即地球坐标系作为参照系。
地球坐标系有两种几何表达形式，即地球直角坐标系和地球大地坐标系。
地球直角坐标系的定义是：原点O与地球质心重合，Z轴指向地球北极，X轴指向地球赤道面与格林威治子午圈的交点(即0经度方向)，Y轴在赤道平面里与XOZ 构成右手坐标系(即指向东经90度方向)。
《无线电导航原理》辅导提纲
无线电导航原理课程辅导提纲军区空军自考办第一章无线电导航概论一、内容提要本章分五节，主要讲述了航空导航导的基本任务、航空导航的基本参量、导航技术的发展历程与技术特点，无线电波段的划分及此波段常用的导航设备、导航信号的特点、导航参数与位置线、位置线交点定位的方法，航空器对无线电导航的基本要求、无线电导航设备的种类和系统分类，对无线电导航系统的基本要求等内容。
二、重点内容、要求(一)航空导航基本概念1、能够阐明航空导航各基本参量的定义及意义；2、能够阐明各种导航方法的原理及特点；3、能够把握航空导航的核心任务和主要任务。
(二)无线电导航基本理论1、能够阐明各波段无线电导航信号的传播方式及特点；2、能够阐明位置线的定义以及位置线的分类；3、能够理解无线电导航的物理基础；4、能够掌握如何利用位置线交点法定位实现导航定位。
(三)无线电导航系统的分类及基本要求l、能够说出无线电导航系统的分类方法；2、能够说出对无线电导航系统各种性能指标的要求；3、理解工作容量的含义。
三、典型例题（一）填空题1、电台所在点的地理子午线北端顺时针到飞机方向的夹角在水平面的投影称为飞机真方位角。
2、惯性导航的物理依据是牛顿第二定律。
3、飞机与两导航台距离之差相等各点的连线是一条双曲线位置线。
4、飞机重心在空间运动时的轨迹称为航迹。
5、飞机重心在空间运动时的轨迹在地面上的投影称为航线。
6、飞机重心点的子午线北向顺时针到飞机纵轴之间的夹角在水平面的投影称为航向。
7、利用无线电技术测定飞机位置、方向和距离等参数，引导飞机航行的方法称为无线电导航。
8、飞机所在点的磁子午线北端顺时针到电台方向的夹角在水平面的投影称为电台磁方位角。
9、电台所在点的地理子午线北端顺时针到飞机方向的夹角在水平面的投影称为飞机真方位角。
10、电台所在点的磁子午线北端顺时针到飞机方向的夹角在水平面的投影称为飞机磁方位角。
11、飞机与地面投影点的垂直距离称为飞机的真实高度。
导航原理-组合导航PPT课件
上式说明，组合导航系统的导航参数的误差就 是惯导系统导航参数误差估值的估计误差。
.
9
2、反馈校正
采用反馈校正的间接法估计是将导航参数误差 的估值反馈到各导航系统内，对误差状态进行 校正。反馈校正的滤波示意图如图6.5所示
.
10
输出校正和反馈校正的分析
从形式看，输出校正只是校正系统的输出量，而 反馈校正则校正系统内部状态，但可以证明，如 果滤波器是最优滤波器，则两种校正方式的结果 是一样的。然而，真正意义上的“最优滤波器” 工程上是不存在的。未校正系统导航参数的误差 会随时间而增大，因而输出校正方式下的滤波器 状态值会越来越大。这使得方程线性化等近似计 算误差不断增大，从而滤波效果变差。
.
5
间接法估计的状态都是误差状态，即滤波 方程中的状态矢量是导航参数误差状态和 其它误差状态的集合（用 正和反馈校正。
1、输出校正
以惯导系统和其它某一导航系统组合为
例，间接法的组合导航卡尔曼滤波器将惯
导系统和其它导航系统各自计算的某些导
组合导航
.
1
2. 最优综合导航系统
采用卡尔曼滤波器的组合方法
卡尔曼滤波是一种递推线性最小方差估计，它 用“状态”表征系统的各个物理量，而以“状 态方程”和“观测方程”描述系统的动力学特 性。它要求应用对象是线性系统，且已知系统 的某些先验知识，如系统噪声和测量噪声的统 计特性。综合导航系统基本满足这些条件，因 而适合采用卡尔曼滤波。
(ie
cos L
VE RN
N
、)
hU
E
VN RM
h N
N
式中角注E、N、U 代表东、北、天；
RM Re (1 2 f 3 f sin 2 L)
第1章 无线电导航基本理论
1.2 无线电导航的发展简史和发展趋势
二、第二阶段（从二战至20世纪60年代初）（7）
7.战术空中导航系统－塔康（TACAN） 军用测距测角系统，美国海军1955年研制； TACAN在功能上相当于民航的VOR和DME； TACAN台安装在航母或地面上，可为飞机同时 提供距地面台（航母）的方位和距离信息；
ADF-NDB，VOR，DME，ILS，MLS，GPS。
5.自主式（自备式）导航系统
只包括航行体上的无线电导航系统就能完 成导航任务的导航系统。
LRRA，INS（非无线电导航系统）。
中国民航大学 CAUC
1.4 无线电导航系统的分类
一、常用无线电导航术语（6） 6.导航台 具有确定位置、辐射与导航参数有关的有 规定信号格式的发射/接收处理系统。
1.3 导航的分类 三、天体导航
1.定义：通过观测两个以上星体的位置参数（ 如仰角），来确定观察者在地球上的位置，从 而引导运动体航行 。 2.举例：通过观测两颗星的仰角来确定航行体 的位置。
3.特点：为自主式导航，保密性强，定位精度 高，受气候及环境影响，定位时间较长，比较 适合航海导航。
中国民航大学 CAUC
1. 台卡系统（DECCA）
主要用于航海； 英国台卡导航仪公司研制； 1937年提出，1944年研制成功； 1954年开始普及（在欧洲应用最为广泛） ； 随着罗兰－C的建设和发展，台卡用户逐渐 减少。
中国民航大学 CAUC
1.2 无线电导航的发展简史和发展趋势
二、第二阶段（从二战至20世纪60年代初）（2） 2. 罗兰系统（LORAN） 主要用于航海，美国研制； 罗兰－A，罗兰-C；
1.按所测量的电气参量划分
导航工程技术专业学习教程从入门到精通
导航工程技术专业学习教程从入门到精通尊敬的读者，我将为你提供一份《导航工程技术专业学习教程：从入门到精通》的文章。
导航工程技术专业学习教程：从入门到精通一、导航工程的概述导航工程是一门涉及测量、地理信息系统、卫星通信等领域的技术学科。
它旨在利用卫星导航系统、地球测量技术等，实现对地球上任意点的精确定位、导航和时空数据获取。
本教程将从基础知识入手，逐步引导读者深入了解和掌握导航工程技术。
二、导航工程基础知识1. 坐标系统与地球椭球体参数：详解各种常用坐标系统（如WGS-84坐标系统、UTM投影坐标系统等），并介绍地球椭球体参数的意义及计算方法。
2. 卫星导航系统：深入探讨GPS、GLONASS、Galileo等全球卫星导航系统的原理、构成和定位精度等方面。
重点讲解GPS导航定位算法及误差源分析。
3. 测量基础知识：从基础测量学原理出发，介绍导航工程中常用的测量方法、仪器和数据处理技术。
包括测量误差分析、导航精度评定等内容。
三、导航工程技术进阶1. 差分GPS技术：详细介绍差分GPS技术的原理和应用。
包括差分GPS基站、差分GPS接收机的选择与设置，差分效果评估等方面的内容。
2. 动态导航与姿态测量：讲解导航工程中的动态导航因素及相关技术。
着重介绍基于惯性测量单元（IMU）的姿态测量方法及其应用。
3. 卫星导航数据处理：介绍卫星导航数据处理的基本流程及各种数据处理软件的使用方法。
包括数据预处理、数据平滑和滤波等内容。
4. 导航工程在交通、农业等领域的应用：探讨导航工程技术在交通导航系统、农业机械导航等领域的具体应用案例，展示其在社会发展中的重要作用。
四、导航工程领域的挑战与发展1. 多模态导航技术：介绍多模态导航技术的概念和研究进展。
阐述多模态传感器融合、多模态数据处理及导航决策等方面的关键问题。
2. 室内导航与增强现实：探索室内导航技术和增强现实导航技术的最新发展。
讲解室内定位算法、虚拟导航引导等方面的理论与应用。
导航技术概论及组合导航基本概念
3.2 地文导航（Terrestrial Navigation ）
船位线（Line of Position） ：在导航上，凡是观测值相等 点的轨迹称为等值线，在导航定位中常称为位置线或船位 线。陆标定位使用的船位线主要有以下三种：方位船位线、 距离船位线和水平角船位线。
➢ 特点：由于可获取的各种数据资源的条件限 制，数据库参考系统往往不能为航行体提供 全程连续导航，所以通常和其他导航系统结 合在一起使用。
3.2 地文导航（Terrestrial Navigation ）
➢ 地文导航又称为陆标定位，是一种通过观测陆标 与船泊只见的某种相互位置关系进行定位的方法。
➢ 陆标是指海图上标有准确位置可供目视或雷达观 测，用以导航或定位的山头、岛屿、灯塔、立标 及其它显著固定物标的统称。
vE
1
cos
dt0
1 R
t
0 vNdt0
3.4 惯性导航（INS-Inertial navigation）
惯性导航涉及的问题
什么是惯性空间：坐标系及坐标系变换 ➢ 惯性导航1：坐标系及方向余弦 用什么测加速度，怎么测加速度 ➢ 惯性导航2：加速度及比力方程 有了加速度，怎么求速度，怎么求位置 （控制方程，基本方程，误差方程） ➢ 惯性导航3：平台式惯导系统基本原理 捷联惯导系统 ➢ 惯性导航4：捷联惯导系统基本原理
基本原理：利用预先测量的数据库或地图作 为参考，与传感器测量信息进行比较和匹配 来确定位置。
3.1 数据库参考导航(DBRN，
database reference navigation)
地磁导航 (Geomagnetic Navigation) 重力导航 (Gravity Navigation) 地形导航 (Terrain Aided Navigation)
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
39
3、卫星导航信号传输体制
——测距码
• 类型
– 目前
• C/A码（Coarse/Acquisition Code） – 粗码/捕获码；码率： 1.023MHz；周期：1ms；1周期含码元数：1023；码元宽度： 293.05m；仅被调制在L1上
– 测距码（Ranging Code）
• C/A码别调制在L1和L2上）
– 卫星（导航）电文（Message）
• GPS卫星信号的生成
– 关键设备 – 原子钟
35
3、卫星导航信号传输体制
——载波
• GPS卫星的基准频率 f0 • 由卫星上的原子钟直接产生 • 频率为10.23MHz • 卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍频或分频
• FDMA的缺点：
– 前端复杂，接收机体积大且造价昂贵，是GLONASS市场占有率低 的一个重要因素。
• FDMA的优点：
——卫星（导航）电文 • 第三数据块
– 第4、5子帧的第3~10个字 – 内容：所有卫星历书（概略星历） – 第三数据块的内容每12.5分钟重复一次
45
3、卫星导航信号传输体制
——多路接入方式
• 1：TDMA
• 在GPS最初设计阶段，曾经考虑采用时分多址（TDMA）方 式来传送C/A码信号和P码（精密码）信号；具体接入方式 是先传送C/A码信号的全部或部分周期，然后传送P码信号 的一部分。
2. GPS的系统组成 ——GPS的空间部分
GPS卫星迄今已设计了三代。 第一代Block1型用于系统实验， 称实验卫星，共研制和发射了 11颗，设计寿命5年，现已停 止工作。第二代Block2和2A 型卫星称为工作卫星，共研制 了28颗，设计寿命7.5年，从 1989年初到1994年上半年发 射完毕。第三代Block2R和2F 型卫星预计20颗，以取代第二 代卫星，改善全球定位系统。
卡瓦加兰（太平洋）
26
夏威夷（太平洋）
2. GPS的系统组成 ——GPS的地面控制部分
• 监测站（5个）
– 作用：
• 接收卫星数据， 采集气象信息， 并将所收集到的 数据传送给主控 站。
– 地点：
• 夏威夷、主控站 及三个注入站。
27
2. GPS的系统组成 ——GPS的地面控制部分
• 主控站（1个）
– 作用：
• 将导航电文注入GPS 卫星。
– 地点：
• 阿松森群岛（大西 洋）、迪戈加西亚 （印度洋）和卡瓦 加兰（太平洋）
29
2. GPS的系统组成 ——GPS的地面控制部分
L1 L2
GPS卫星 GPS卫星
S波段
数据处理机
接收机
调制 解调器
铯钟 气象传感器
观测星历 编算注入 与时钟 导航电文
计算误差
– 信号中含有卫星信号准确的发射时间,以及不同的时间卫 星在空间的准确位置(由卫星运动的星历参数和历书参数 描述)；
– 卫星导航接收机接收卫星发出的无线电信号,测量信号的 到达时间,计算卫星和用户之间的距离；
– 用导航算法(最小二乘法或滤波估计方法)解算得到用户的 位置。
9
1. 卫星导航定位原理
• 理想定位模型
19.03c m
– 测定多普勒频移
L2
• 类型
– 目前
24.42c m
• L1 – 频率： 154f0 = 1575.43MHz；波长：19.03cm • L2 – 频率： 120f0 = 1227.60MHz；波长：24.42cm
– 现代化后
• 增加L5 – 频率：115f0 = 1176.45MHz；波长：25.48cm
• 信号生成与发射装置
20
GPS卫星结构
在星体两端面上 装有全向遥测遥 控天线，用于与 地面监控网通信。
双叶对日定向太阳能 电池帆板，全长 5.33m，接受日光面 Slide 21 积7.2m2。
多波束定向天线，这是一种由12个单元构成 的成形波束螺旋天线阵，能发射L1和L2波段 的信号，其波束方向图能覆盖约半个地球。
37
3、卫星导航信号传输体制
——载波
• 特点
– 所选择的频率有利于测定多普勒频移 – 所选择的频率有利于减弱信号所受的电离层折
射影响 – 选择两个频率可以较好地消除信号的电离层折
射延迟（电离层折射延迟于信号的频率有关）
38
3、卫星导航信号传输体制
——测距码
• 作用
– 测距
• 性质
– 为伪随机噪声码（PRN － Pseudo Random Noise） – 不同的码（包括未对齐的同一组码）间的相关系数为0
• 地面监控部分 （Ground Segment）
– 组成
• 主控站：1个
• 监测站：5个 • 注入站：3个
G P S卫 星
• 通讯与辅助系统
监测站
主控站
注入站
25
2. GPS的系统组成 ——GPS的地面控制部分
• 地面监控部分 （Ground Segment）（续）
科罗拉多
阿松森群岛（大西洋）
迭戈加西亚（印度洋）
全球导航卫星系统概述
1
本次培训主要内容
1. 卫星导航定位原理 2. GPS的系统组成 3. 卫星导航信号传输体制 4. 国内外主要卫星导航系统 5. 卫星导航系统应用 6. 卫星导航接收机工作原理
2
身边的卫星导航系统
• 车载导航仪
3
身边的卫星导航系统
• 手持导航仪
4
1. 卫星导航定位原理
已知一颗卫星的位置和接收器到它的距离，就 可以确定接收器在一个球面上。
43
3、卫星导航信号传输体制
——卫星（导航）电文
• 第二数据块
– 第2、3子帧的第3~10个字 – 内容
• 该发送信号卫星的星历 － 广播星历 – 星历参数 M0, n, e, a, 0,i0,, ,i,Cuc,Cus ,Crc ,Crs ,Cic ,Cis ,toe, AODE
44
3、卫星导航信号传输体制
参数、卫星状态信息及其它信息 • 基本结构
41
3、卫星导航信号传输体制
——卫星（导航）电文 • 遥测字（TLM – Telemetry Word）
– 每一子帧的第1个字 – 用作捕获导航电文的前导
• 交接字（HOW – Hand Over Word）
– 每一子帧的第2个字 – 主要内容：Z计数
42
10
1. 卫星导航定位原理
• 理想定位模型
11
1. 卫星导航定位原理
• 实际定位模型
12
1. 卫星导航定位原理
• 实际定位模型
13
2. GPS的系统组成
• GPS系统由三部分组成
– 空间部分 – 地面控制部分 – 用户设备部分
14
这三部分有各自 独立的功能和作 用，对于整个全 球定位系统来说， 它们都是不可缺 少的。
3、卫星导航信号传输体制
——概述
• 信号传输体制的内涵
– 多路接入方式：TDMA、FDMA和CDMA – 信号调制体制：BPSK、QPSK和BOC等 – 导航伪码信号：C码和P码 – 导航电文
34
3、卫星导航信号传输体制
——概述
• GPS卫星信号的组成部分
– 载波（Carrier）
• L1 • L2
fL2 120 f0 1227.60MHz; L2 24.42 cm
C / A码码率 f0 10 1.023MHz; P码码率 f0 10.23MHz; 卫星（导航）电文码率 f0 20460000 50Hz
36
3、卫星导航信号传输体制
——载波
• 作用
L1
– 搭载其它调制信号 – 测距
• P（Y）码（Precise Code） – 精码；码率：10.23MHz；周期：7 天；1周期含码元数：6187104000000；码元宽度：29.30m；被 调制在L1和L2上
– 现代化后
• 在L2上调制C/A码 • 在L1和L2增加调制M码
40
3、卫星导航信号传输体制
——卫星（导航）电文 • 作用：向用户提供卫星轨道参数、卫星钟
– 设计星座：21+3 – 21颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星 – 保证在每天24小时的任何时刻，在高度角15以
上，能够同时观测到4颗以上卫星 – 当前星座：28颗
17
2. GPS的系统组成 ——GPS的空间部分
18
2. GPS的系统组成 ——GPS的空间部分
• GPS卫星的地面轨迹
19
2. GPS的系统组成 ——GPS的空间部分
2. GPS的系统组成 ——GPS的用户部分
• 组成
– 用户 – 接收设备
• 接收设备
– GPS信号接收机 – 其它仪器设备
32
2. GPS的系统组成 ——GPS的用户部分
u用户部分组成 GPS信号接收机及相关设备 uGPS接收机 接收、跟踪、变换和测量GPS信号的无线电设备 uGPS接收机的组成 天线、接收机、处理器、控制显示单元、电源 uGPS接收机的作用 接收GPS卫星发射的无线电信号，以获得必要的定 位信息和观测量，并经过数据处理而完成定位工作
监测站
主控站
调制解调器
数据 处理机
高功率 放大器
指令发生器
数据存储器和外部设备 注入站
2. GPS的系统组成 ——GPS的地面控制部分
负责监控全球定位系统的工作： u监测卫星是否正常工作，是否沿预定的轨道 运行 u跟踪计算卫星的轨道参数并发送给卫星，由 卫星通过导航电文发送给用户 u保持各颗卫星的时间同步 u必要时对卫星进行调度