导航原理讲义第一章

导航原理（principle of navigation）

i) 使用教材：无（主要是没有合适的教材，要自己编）。ii）参考书：

1.惯性导航原理，邓正隆，哈尔滨工业大学出版社，

1994；

2.GPS卫星导航定位原理与方法，刘基余，科学出版

社，2003；

3.Elliott D. Kaplan. Understanding GPS：principles and

applications（second edition）.

中译本：1）GPS原理与应用（第一版），邱致和（20所），电子工业出版社；

2）GPS原理与应用（第二版），寇艳红（北航），电子工业出版社，2007。

4）Pratap Misra，Per Enge. Global Positioning System: Signals, Measurements and Performance(second Edition).

中译本： GPS 信号，测量与性能（第二版），罗鸣等，电子工业出版社；

iii）课程考核方式：课堂大作业形式。

iv）课程的主要内容：

惯性导航部分；

北斗部分；

GPS部分；

天文导航部分；

组合导航部分；

新增部分：

量子导航

Simulation-based（粒子滤波）。瑞典林雪平大学(LinkOping University)的Rickard Karlsson提出一种无需GPS即可定位并导航的新技术。

第一章导航及其发展

§1.1 导航的基本概念

1、导航的定义

在各种复杂的气象条件下，采用最有效的方法并以规定的所需导航性能，引导运载体航行的过程（引导运载体按一定航线从一个地点（出发点）到另一个地点（目的地）的过程）。

2、导航参数

导航过程中需要用来完成导航任务的参数。

载体的位置、速度、姿态（角度）等，其中最重要的参数是确定载体的位置，即定位。所以，导航的核心就是定位。

3、导航的任务

1）引导运载体进入并沿预定航线航行；

2）导引运载体在夜间和各种气象条件下安全着陆或进港。

3) 为运载体准确、安全地完成航行任务提供所需要的其他导引及情报咨询服务；

4）确定运载体当前所处的位置及其航行参数（最重要）。

4、导航与定位的区别与联系

区别：

导航是对运动点而言的，观测时间很短，观测数据要进行实时处理，提供相对参考位置的相对坐标，定位精度不及固定点高。

定位是对固定点而言的，允许较长时间的观测，观测数据

事后处理，提供绝对坐标，定位精度较高。

联系：能够导航的系统必须能够定位，能够定位的系统必须能够导航。这取决于观测器材能否在运载体上获得足够精度的观测量。

5、导航系统（设备）

能够完成引导功能的设备。

如指南针、罗盘（最简单），卫星导航系统、无线电导航系统、惯性导航系统。

早在春秋战国时，我们祖先就了解并利用磁石的指极性制成最早的指南针——司南。战国时的《韩非子》中提到用磁石制成的司南。司南就是指南的意思，东汉思想家王充在其所著《论衡》中也有关于司南的记载。司南由一把“勺子”和一个“地盘”两部分组成。司南勺由整块磁石制成。它的磁南极那一头琢成长柄，圆圆的底部是它的重心，琢得非常光滑。地盘是个铜质的方盘，中央有个光滑的圆槽，四周刻着格线和表示24个方位的文字。

图司南

由于司南的底部和地盘的圆槽都很光滑，司南放进了地盘就能灵活地转动，在它静止下来的时候，磁石的指极性使长柄总是指向南方。这种仪器就是指南针的前身，由于当初使用司南必须配上

地盘，所以后来指南针也叫罗盘针。

在制作中，天然磁石因打击受热容易失磁，磁性较弱，司南不能广泛流传。到宋朝时，有人发现了人造磁铁。钢铁在磁石上磨过，就带有磁性，这种磁性比较稳固不容易丢失。后来在长期实践中出现了指南鱼。

从指南鱼再加以改进，把带磁的薄片改成带磁的钢针，就创造了比指南鱼更进一步的新的指南仪器。把一支缝纫用的小钢针，在天然磁石上磨过，使它带有磁性，人造磁体的指南针就这样产生了。

11世纪初，中国人发明的用地球磁场使铁片磁化的方法图解

图元代陈元靓设计的指南鱼

图指南针

图航海罗盘

指南针发明后很快就应用于航海。世界上最早记载指南针应用于航海导航的文献是北宋宣和年间（公元1119-1125年）朱所著《萍洲可谈》（成书略晚于《梦溪笔谈》），书中记载了中国海船上航海很有经验的水手。他们善于辨别海上方向：“舟师识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦则观指南针”。“识地理”，是表明当时舟师已能掌握在海上确定海船位置的方法。说明我国人民在航海中已经知道使用指南针了。这是全世界航海史上使用指南针的最早记载，我国人民首创的这种仪器导航方法，是航海技术的重大革新。指南针应用于航海并不排斥天文导航，二者可配合使用，这更能促进航海天文知识的进步。

中国使用指南针导航不久，就被阿拉伯海船采取，并经阿拉伯人把这一伟大发明传到欧洲。恩格斯在《自然辩证法》中指出，"磁针从阿拉伯人传至欧洲人手中在1180年左右"。1180年是我国南宋孝宗淳熙七年。中国人首先将指南针应用于航海比欧洲人至少早80年。

北宋著名科学家沈括(《梦溪笔谈》著者)，在制作和应用指南针的科学实践中发现了磁偏角的存在。他精辟地指出，这是因为地球上的磁极不正好在南北两极的缘故。指南针及磁偏角理论在远洋航行中发挥了巨大的作用，使人们获得了全天候航行的能力，人类第一次得到了在茫茫大海中航行的自由。从此开辟了许多新的航线，缩短了航程，加速了航运的发展，促进了各国人民之间的文化交流与贸易往来。指南针对航海事业的重要意义怎么说也不为过。李约瑟说：“你们的祖先在航海方面远比我们的祖先来得先进。中国远在欧洲之前懂得用前后帆的系统御风而行，或许就是这个原因，在中国航海史上从未用过多桨奴隶船”。这类似于秦九韶算法是中国南宋时期的数学家秦九韶提出的一种多项式简化算法。在西方被称作霍纳算法（Horner algorithm或Horner scheme），是以英国数学家威廉·乔治·霍纳命名的。达尔文的进化论，kalman filter等等。

6、导航系统的分类

（1）依据是否依靠外界信息完成导航任务可分为自主式导航系统与非自主式导航系统。