卫星定位系统原理及应用第一讲

积分
积分
加速度
速度
位移
包括：IMU（Inertial Measure Unit)、导航计算 机。
基本原理：以牛顿力学定律为基础 由安装于载体内部的加速度计和陀螺仪测量载体相
对于惯性空间的比力（从中可以提取载体运动的加 速度）和角速度、三维位置、速度和姿态信息。
分类： 平台式INS 捷联式INS（SINS：Strapdown Inertial Navigation System)
作用距离为370公里 方位角优于2.0度 *应用：常与测距器配合使用。伏尔/测距器是陆地上无线 电近程导航和非精密进场的国际标准设备。
4、 罗兰C
*罗兰C（Loran-long range navigation) *陆基、低频脉冲相位导航系统 *中远程精密无线电导航系统 *主要包括地面设施和用户设备两大部分。
（2）重复精度
指用户回到从前曾用同一导航系统测定过的位 置的精度。
（3）相对精度
指用户测量出的位置相对于另一个同时用同一 导航系统测量出的位置的精度。
2、可用性与可靠性
*可用性
导航系统为运动载体提供可用的导航服务 的时间的百分比
*可靠性
在给定的条件下在规定的时间内以规定的 性能完成其功能的概率
可靠性指标：发生故障的频度和平均无故 障工作时间(MTBF:Mean Time Between Fault)
*信号可用性
指从导航台发射的导航信号可以使用 的时间的百分比
3、覆盖范围
指一个面积或立体空间。在此范围内， 导航系统以规定的精度为载体提供位置。
影响因素包括： 系统几何关系 发射信号功率 接收机灵敏度 大气噪声条件
4、导航信息更新率 5、导航信息多值性 6、系统容量 7、系统的完善性 8、导航信息的维数
1、精度
导航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重合度。
精度用导航误差的大小衡量。导航误 差是一个随机变化的量，常用统计的度量 单位来描述，即用定位误差不超过一个数 值的概率来描述。
RMS
均方根差RMS（Root Mean Square Error) 测绘界的人将其称为”中误差”或”标准差” (,Standard Deviation)。它的探测概率，是以置信 椭圆（二维定位）和置信椭球（三维定位）来表述。 1 的概率值为68.3％； 2 的概率值为95.5％； 3 的概率值为99.7％。
DR目前多与GPS等卫星定位系统组合进行组合导 航。一方面GPS系统可以弥补航位推算系统的累 积误差随时间增加的不足，在长时间导航的过程 中不断计算和纠正航位推算系统的仪器参数。而 航位推算系统也可以在GPS信号暂时失效的情况 下发挥补充作用。
2、 惯性导航系统（INS）
INS-Inertial Navigation System，简称惯导
社 2.3 GPS应用程序设计，李洪涛等，科学出版社 2.4 GPS导航原理与应用，王惠南等，科学出版社 2.5 GPS原理与应用,Understanding GPS Principles
and Applications,邱志和译（Elliott D. Kaplan), 电子工业出版社
3. 课程要求
地面设施：发射台组和监测站
*工作原理：双曲线无线电导航系统。 用户设备接收到两个发射台的信号到达的时间差 TDOA，乘以电波传播速度，可换算为距两个台的 距离差值---为一双曲线，再接收另外两个台的信 息，便可得另一双曲线，两条双曲线的交点，就可 计算出用户位置。
5、Omega 6、多普勒导航系统
3.1 笔试（80分） 考试时间2小时，考试内容为授课内容。
3.2 平时（20分） 缺课三次不能参加考试
一、基础知识
1.1 导航的概念、方法和要求 1.1.1 导航的概念和方法
位置:坐标、坐标系、地球椭球模型 速度 姿态：横倾、纵倾
航向：地磁北、地理北、地图北、磁偏角、收敛角
基础知识
定位：确定载体位置信息的技术和方法。 定向：确定载体姿态、航向信息的技术和方法。 导航：将载体从起始点引导到目的地的方法和技术
1.2.2卫星定位导航系统（GNSS）
GNSS：Global Navigation Satellite System. 以导航定位卫星发射的信号来确定载体位置而进行导航的
系统。
常用GNSS：
GPS：
Global Positioning System,美国
GLONASS：Global Navigation Satellite System,
惯性组合导航系统的结构框图
GPS/IMU
GPS接收机
信 息
IMU信息
数据融合
航
里程计信息
位
推
算
导航信息
GPS/INS组合模式
❖根据不同的应用要求,GPS/INS的组合模式可 以有不同水平的组合模式。从GPS和INS耦合性 角度,可以分为松耦合和紧耦合两种基本组合模 式。
松耦合
紧耦合
4. 地形辅助导航系统
伏尔（Very-High-Frequency Omnidirectional Ranging)甚高频全向测距。 *组成：地面台和机载接收机。 *原理：地面台的天线方向图为一个旋转着的心脏形方向图。 飞机在不同方位，飞机上伏尔接收机收到的信号幅度调制 包络具有不同的相位。利用地面台辐射场调制包络的相位 与飞机方位角之间的一一对应关系可为飞机提供相对于地 面台磁北的方位坐标 *特点：作用距离受视距限制
地形辅助导航(TAN-Terrain Aided Navigation)是利用地形、地物和地貌特征进行 导航的总概念。
其基本工作原理是： 在系统中存储有飞行器所要飞越地区的三维数字地图； 在飞行过程中，系统利用地形特征传感器得出飞行器 正下方的地形剖面图或其他特征； 系统将所存储的数字地图与测得的地形剖面图相比较， 当达到匹配时，便求出了飞行器所在点的位置。
(自主导航和目的地导航）。导航也是一种广义的 动态定位。 导航系统：能够向航行体的操纵者或控制系统提 供航行体的位置、速度、姿态、航向等即时运动状 态的系统称为导航系统。
常用的定位导航方法
* 航标方法（目视方法） 借助于信标或参照物把载体从一点引导到目的 地的方法。如：海上的信标（灯塔等），机场 导航灯。
二战期间及战后，由于军事的迫切需求， 加速了陆基无线电导航系统的发展。近年来， 随着无线电导航技术特别是卫星定位导航技 术的发展和完善，许多陆基无线电导航系统 已停用或即将停用。
1、塔康（TACAN）
TACAN（Tactical Air Navigation)美 国于1955年研制的近程测距测向无线电导 航系统。 *组成
1.1.2 航行体对导航系统的要求
导航的作用：为运载体的航行服务， 该服务应满足特定要求，不光要解决航行 的目的性，更要解决安全性、服务连续性 和有效性。
导航系统的性能是由其信号特性和性 能参数来描述的。
一般说来，要衡量一个导航系统的优 劣，必须考虑其精度、覆盖范围、信息更 新率、可用性、可靠性、完善性、多值性、 系统容量和导航信息的维数等参数。
* 航位推算法 通过测量载体的速度和方向数据来累积求得
载体在各方向分量上行驶的距离。
常用的定位导航方法
* 天文导航 通过对天体的精确定时观测来确定载体的位置的 方法。
* 惯性导航 通过积分安装在稳定平台上的加速度计的输出来 确定载体的位置和速度的方法。
常用的定位导航方法
* 无线电导航
通过测量无线电波从发射台到载体的传输时间来确定 载体位置的一种定位方法，也可通过测量无线电波的相位 或相角来定位。
平台式惯导：经陀螺为基础形成一个不随载体姿态 和载体在地球上的位置而变动的稳定平台。 特点：导航计算小，精度较高，但结构复杂，尺寸 大，成本高。
SINS：将陀螺和加速度计直接固连在运载体上。 特点：平均无故障时间长，体积小，价格低。
特点：自主式导航系统 抗干扰能力强，隐蔽性好（多用于军品）
n 1
x n x0 d i cos i i0
n 1
y n y 0 d i sin i i0
(x0,y0)
d1
(x1,y1) 1
d0 0
(xn,yn)
dn-1
n1
其中（x0,y0)为0时刻车辆的初始位置，di是行驶距离，
i是角度值.
由于航位推算是累积推算位置的，方向和距离传 感器的存在长时间运行的漂移问题。
卫星定位系统原理及应用第一讲
1. 课程说明 2. 参考书 3. 课程要求
1. 课程说明
1.3 本课程所需的前期储备知识 高等数学、电子技术、计算机技术、数据处理、 数据通讯等
2. 参 考 书
2.1 卫星导航原理与应用，袁建平等，中国宇航出版社 2.2 差分GPS定位技术与应用，王广运等，电子工业出版
俄罗斯
BDSTAR： 北斗双星，中国
GALILEO： 欧州
其他典型的导航定位系统 1、 航位推算法
航位推算（DR-Dead Reckoning),一般由里程计 和惯性测量单元（IMU）或电子罗盘组成，里程计 用于测量车辆的行驶距离信息，IMU或电子罗盘用 于测量车辆的速度或者方向信息。
航位推算系统是一种自主式（独立）导航系统，它 完全依靠车载的设备自主地完成导航任务，因此很 少受到周围环境的干扰和影响。
* 卫星定位导航
1957年10月，世界上第一颗人造卫星的发射成功使 人类在空间建立导航无线电发射基准站的设想变成了现 实，星基无线电导航系统也随之应运而生，这就是卫星 定位系统。
与传统的定位方法相比，卫星导航不但能够在全球 范围内为陆地、海洋以及近地空间的用户提供连续准确 的位置、速度和时间信息，而且用户设备体积小、重量 轻、功耗小、价格低、易于操作，从而给导航技术带来 了革命性的变化。