1、无人系统导航定位技术无人系统导航定位技术 主讲：主讲： 申申 强强 副教授副教授机电系统工程系机电系统工程系机电工程与控制国家级重点实验室机电工程与控制国家级重点实验室010-68918500;13641386790教教 学学 目目 的的 以无人武器系统为主要应用对象，从无人武器以无人武器系统为主要应用对象，从无人武器系统总体设计的角度，学习各种导航方法的基本概系统总体设计的角度，学习各种导航方法的基本概念、基本原理，学习常用的卫星导航、捷联惯性导念、基本原理，学习常用的卫星导航、捷联惯性导航和组合导航技术，重点学习在无人武器系统设计航和组合导航技术，重点学习在无人武器系统设计过程中，导航子系
2、统所面临的一些关键性问题及其过程中，导航子系统所面临的一些关键性问题及其解决方案。解决方案。教教 学学 内内 容容第一章第一章 导航技术概述（导航技术概述（2 2学时）学时） 1.1 1.1 概述概述 1.2 1.2 几种典型的导航系统几种典型的导航系统第二章第二章 惯性导航原理（惯性导航原理（1010学时）学时） 2.1 惯性导航概述惯性导航概述 2.2 2.2 惯性导航坐标系惯性导航坐标系 2.3 2.3 捷联惯性导航机械编排捷联惯性导航机械编排 2.5 2.5 姿态矩阵计算姿态矩阵计算 2.6 2.6 惯性传感器惯性传感器 2.7 2.7 捷联惯导初始对准及惯性导航误差分析捷联惯导初始对
3、准及惯性导航误差分析第三章第三章 卫星导航原理（卫星导航原理（1010学时）学时） 3.1 3.1 卫星导航基本原理及卫星导航系统基本组成卫星导航基本原理及卫星导航系统基本组成 3.2 3.2 卫星导航接收机基本原理卫星导航接收机基本原理 3.3 3.3 卫星导航系统误差分析卫星导航系统误差分析 第四章第四章 卡尔曼滤波与组合导航原理（卡尔曼滤波与组合导航原理（1010学时）学时） 4.1 4.1 最优估计最优估计 4.2 4.2 卡尔曼滤波基本原理卡尔曼滤波基本原理 4.3 4.3 联邦滤波联邦滤波 4.4 GNSS/INS 4.4 GNSS/INS 组合导航组合导航 4.5 4.5 组合导
4、航举例组合导航举例第五章第五章 其它导航方法（其它导航方法（4 4学时）学时）教教 学学 内内 容容参参 考考 书书1 1 张天光、王秀萍、王丽霞译捷联惯性导航技术（第张天光、王秀萍、王丽霞译捷联惯性导航技术（第2 2版）北京版）北京国防工业出版社，国防工业出版社，200720072 2 谢纲谢纲.GPS.GPS原理与接收机设计原理与接收机设计. .电子工业出版社，电子工业出版社，2009.2009.3 3 Paul D. Groves. “Principles of GNSS, Inertial, and Principles of GNSS, Inertial, and Multisens
5、orMultisensor Integrated Navigation Systems” ,ARTECH Integrated Navigation Systems” ,ARTECH HOUSE,2008HOUSE,200844秦永元秦永元, ,卡尔曼滤波与组合导航原理卡尔曼滤波与组合导航原理，西北工业大学出版社，西北工业大学出版社. . 考考 核核 方方 式式（1 1）出勤：）出勤： 30%30%（2 2）知识点测试：）知识点测试：30%30%（3 3）大作业）大作业40%40%。第一章第一章 导航技术概述导航技术概述1.1 1.1 概述概述1.1.1 1.1.1 导航的概念导航的概念 导航
6、是为使运动载体到达目的地的导引工作提供实时的位置、速度导航是为使运动载体到达目的地的导引工作提供实时的位置、速度和姿态等信息的一门技术。（房建成，和姿态等信息的一门技术。（房建成，惯性惯性/ /天文天文/ /卫星组合导航技卫星组合导航技术术） 1.1.2 1.1.2 导航技术的起源与发展导航技术的起源与发展 自主式导航：靠装在运载体上的设备能够单独产生导航信息；自主式导航：靠装在运载体上的设备能够单独产生导航信息； 非自主式导航：非自主式导航： 指南车：最早的导航设备；指南车：最早的导航设备； 无线电导航的发明，使导航系统成为航行真正可以依赖的工具，因无线电导航的发明，使导航系统成为航行真正可
7、以依赖的工具，因此具有划时代的意义。此具有划时代的意义。 第一章第一章 导航技术概述导航技术概述 无线电导航技术发展初期，主要用于两大领域，一是航海领域，二无线电导航技术发展初期，主要用于两大领域，一是航海领域，二是航空领域。是航空领域。 1 1）航海领域：）航海领域： 第一次世界大战期间，利用在海岸上安装的无线信标台（第一次世界大战期间，利用在海岸上安装的无线信标台（375kHz) 375kHz) 进行导航。以定向方式进行导航。进行导航。以定向方式进行导航。 19351935年，法国首先在商船上装备了年，法国首先在商船上装备了VHFVHF频段雷达，用以观测海岸和频段雷达，用以观测海岸和附近船
8、只，作近案导航和船间避撞；附近船只，作近案导航和船间避撞；19391939年，德国装在战舰上。二战时，年，德国装在战舰上。二战时，美国所有大的舰船上都装有雷达。美国所有大的舰船上都装有雷达。 第一章第一章 导航技术概述导航技术概述 第二次世界大战期间第二次世界大战期间, ,在海用导航方面，主要发了明在海用导航方面，主要发了明罗兰罗兰A A系统系统脉冲双曲线定位。载频约为脉冲双曲线定位。载频约为2MHz,2MHz,作用范围作用范围400n mile.400n mile. 5050年代末期年代末期，美海岸警卫队研制成功了，美海岸警卫队研制成功了罗兰罗兰C C导航系统导航系统，与罗兰，与罗兰A A类
9、类似。载频约为似。载频约为100kHz100kHz，作用距离达，作用距离达1000 n mile(1852m)1000 n mile(1852m)，不仅使用了，不仅使用了脉冲包络，还利用了脉冲载频相位，完成各台站间同步和为用户接收机脉冲包络，还利用了脉冲载频相位，完成各台站间同步和为用户接收机测量时间差，定位精度大大提高：信噪比为测量时间差，定位精度大大提高：信噪比为1 1：3 3时，达到时，达到460m460m，重复精，重复精度为度为1890m.1890m. 1975 1975年，美国宣布罗兰年，美国宣布罗兰C C为标准航海导航系统。为标准航海导航系统。 鉴于其它无线导航系统都达不到全球覆盖
10、的目的，鉴于其它无线导航系统都达不到全球覆盖的目的，5050年代中期，美年代中期，美国开始研制国开始研制奥米伽导航系统奥米伽导航系统。第一章第一章 导航技术概述导航技术概述奥米伽导航系统：奥米伽导航系统：双曲线定位、连续波信号、双曲线定位、连续波信号、1014kHz1014kHz、8 8个台站个台站产生全球覆盖、工作频率较低能够穿透水下产生全球覆盖、工作频率较低能够穿透水下10m10m以上。以上。随着随着GPSGPS系统成熟，于系统成熟，于19971997年年9 9月月3030日关闭。日关闭。子午仪系统：子午仪系统：19641964年美国海军发射子午（年美国海军发射子午（transit)tra
11、nsit)导航卫星（导航卫星（7 7颗），卫星以颗），卫星以600n mile600n mile低高度飞行，发射低高度飞行，发射150MHz150MHz、400400MHz/15W连续波信号，定位精度连续波信号，定位精度500500米（单频），米（单频），2525米（双米（双频）。缺点：定位周期长；定位精度对用户运动十分敏感。随着频）。缺点：定位周期长；定位精度对用户运动十分敏感。随着GPSGPS的出现，开始走向废型。的出现，开始走向废型。 第一章第一章 导航技术概述导航技术概述2 2）航空领域）航空领域 航空无线电导航在二战及后期发展迅速，具有代表性的是航空无线电导航在二战及后期发展迅速，具
12、有代表性的是仪表着陆仪表着陆系统（系统（ILS)ILS)、精密进近雷达精密进近雷达(PAR)(PAR)、伏尔（、伏尔（VOR)VOR)、塔康（、塔康（TACAN). TACAN). 无线电导航系统由于依赖电波在空间传播，系统的生存能力、抗干无线电导航系统由于依赖电波在空间传播，系统的生存能力、抗干扰、反利用、抗欺骗能力具有很大局限性。扰、反利用、抗欺骗能力具有很大局限性。 自主式导航系统则无这样自主式导航系统则无这样的缺点，用推算的方法得出当前位置。早在的缺点，用推算的方法得出当前位置。早在2020世纪初便开始使用，用舰世纪初便开始使用，用舰载或机载测速与测向仪推算出舰船或飞机位置的方法，因此
13、也是推算导载或机载测速与测向仪推算出舰船或飞机位置的方法，因此也是推算导航系统。航系统。2020世纪世纪6060年代，惯性导航系统（年代，惯性导航系统（INS)INS)首先是在航海，然后是在首先是在航海，然后是在航空，大量投入使用。航空，大量投入使用。 第一章第一章 导航技术概述导航技术概述 惯性导航系统不依赖于外界导航台和电波传播，因此应用不受环惯性导航系统不依赖于外界导航台和电波传播，因此应用不受环境限制，包括海陆空和水下；隐蔽性好，不可能被干扰，无法反利用，境限制，包括海陆空和水下；隐蔽性好，不可能被干扰，无法反利用，生存能力强；另外还可产生多种信息，包括载体的三维位置、三维速生存能力强
14、；另外还可产生多种信息，包括载体的三维位置、三维速度与航向姿态。度与航向姿态。 由于是推算导航系统，位置信息由积分导出，因此误差随时间而由于是推算导航系统，位置信息由积分导出，因此误差随时间而累积；而无线电导航则无此问题，因此实际应用中，多用组合导航系累积；而无线电导航则无此问题，因此实际应用中，多用组合导航系统。统。 第一章第一章 导航技术概述导航技术概述 1.2 1.2 几种典型的无线电导航系统几种典型的无线电导航系统 1.2.1 1.2.1 无线电导航系统（无线电导航系统（Radio Navigation System） 无线电信号中包含无线电信号中包含4 4个电气参数：振幅、频率、时间
15、和相位。无线电波在传个电气参数：振幅、频率、时间和相位。无线电波在传输过程中，某一参数可能发生与某导航参量有关的变化，通过测量这一参数就输过程中，某一参数可能发生与某导航参量有关的变化，通过测量这一参数就可得到相应的导航参量。可得到相应的导航参量。 1.2.1.1 1.2.1.1 无线电导航系统分类无线电导航系统分类 1 1）无线电导航测角系统）无线电导航测角系统 第一章第一章 导航技术概述导航技术概述2 2）无线电导航测距系统）无线电导航测距系统 3 3）无线电导航测距差系统）无线电导航测距差系统 第一章第一章 导航技术概述导航技术概述4 4）无线电导航测速系统）无线电导航测速系统 多普勒测
16、速多普勒测速1.2.1.2 1.2.1.2 无线电导航准确度和误差无线电导航准确度和误差 系统误差系统误差 随机误差随机误差 如果误差统计是正态分布：如果误差统计是正态分布： 168.27%295.45%399.73%对于二维情况，以圆概率误差（对于二维情况，以圆概率误差（CEP)CEP)表示，即定位测量值落在以表示，即定位测量值落在以R R为半径的为半径的圆以内的概率为圆以内的概率为50%50%。或者以距离均方根误差（或者以距离均方根误差（DRMS)DRMS)表示表示, ,或以等概率误差圆表示。或以等概率误差圆表示。 1DRMS 67% 2DRMS 95%第一章第一章 导航技术概述导航技术概
17、述1.2.1.3 几何因子和几何发散度几何因子和几何发散度 首先在双曲线导航系统中提出了几何首先在双曲线导航系统中提出了几何 因子的概念，后推广到卫星导航系统因子的概念，后推广到卫星导航系统和其它导航系统中。和其它导航系统中。 21csc21G:运动载体到两个导航台连线的夹角。GPD推广：几何发散度GDOP2/112P)1(NiiNGDOP:p系统定位均方根误差；:i第 个导航信号测量产生的测距均方根误差； 为参与定位的导航发射信号源总数。iN第一章第一章 导航技术概述导航技术概述1.2.1.4 1.2.1.4 典型无线电导航系统举例典型无线电导航系统举例 伏尔（伏尔（VOR)VOR)导航系统
18、导航系统甚高频全向信标系统甚高频全向信标系统(VOR)(VOR)是一种近程无线电导航系统。是一种近程无线电导航系统。19491949年被年被ICAOICAO采用为国采用为国际标准航线的无线电导航设备。它由地面发射台和机载设备组成。地面设备通际标准航线的无线电导航设备。它由地面发射台和机载设备组成。地面设备通过天线发射从过天线发射从VORVOR台到飞机的磁方位信息台到飞机的磁方位信息, ,机载设备接受和处理该信息机载设备接受和处理该信息, ,并通过有并通过有关指示器指示出飞机到关指示器指示出飞机到VORVOR台的磁方位角。台的磁方位角。 第一章第一章 导航技术概述导航技术概述 多普勒导航系统多普
19、勒导航系统 多普勒（多普勒（Doppler)导航系统是利用多普勒效应实现无线电导航的机载系统。导航系统是利用多普勒效应实现无线电导航的机载系统。它由脉冲多普勒雷达、航向姿态系统、导航计算机和控制显示器等组成。它由脉冲多普勒雷达、航向姿态系统、导航计算机和控制显示器等组成。 塔康（塔康（TACAN)导航系统导航系统 塔康导航系统是一种近程极坐标式无线电导航系统。塔康导航系统是一种近程极坐标式无线电导航系统。由机上发射与接收设备、显示器和地面台组成。由机上发射与接收设备、显示器和地面台组成。 第一章第一章 导航技术概述导航技术概述1.2.1.5 1.2.1.5 无线电导航系统时频基准无线电导航系统
20、时频基准 石英晶体振荡器（石英晶体振荡器（1 11010-2-2/s/s，体积小，短期稳定性好，体积小，短期稳定性好) ) 铯原子钟（体积相当于一台普通电子仪器）铯原子钟（体积相当于一台普通电子仪器） 铷原子钟（体积介于石英晶体和铯原子钟之间）铷原子钟（体积介于石英晶体和铯原子钟之间） 高稳定时频基准用于：高稳定时频基准用于： （1 1）双曲线导航系统地面台之间的同步基准；）双曲线导航系统地面台之间的同步基准； （2 2）圆）圆- -圆导航系统（导航台站配备铯钟，圆导航系统（导航台站配备铯钟，1 1 S-300mS-300m）；）； 第一章第一章 导航技术概述导航技术概述1.2.2 1.2.2
21、 惯性导航系统（惯性导航系统（Inertial Inertial Navigation System）基本原理是根据牛顿提出的相对惯性空间的力学定律，利用陀螺，加速度计等基本原理是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，然后通过计算机进行积分运算，惯性元件感受运行体在运动过程中的加速度，然后通过计算机进行积分运算，从而得到运动体的位置与速度等导航参数。从而得到运动体的位置与速度等导航参数。 平台式惯性导航系统捷联式惯性导航系统第一章第一章 导航技术概述导航技术概述第一章第一章 导航技术概述导航技术概述1.2.3 1.2.3 天文导航系统
22、（天文导航系统（celestial navigation） 利用对自然天体的测量来确定自身位置和航向的导航技术。由于天体位置利用对自然天体的测量来确定自身位置和航向的导航技术。由于天体位置是已知的，测量天体相对于导航用户参考基准面的高度角和方位角就可计算出是已知的，测量天体相对于导航用户参考基准面的高度角和方位角就可计算出用户的位置和航向。用户的位置和航向。 所用仪器有星体跟踪器、天文罗盘和六分仪所用仪器有星体跟踪器、天文罗盘和六分仪等。自动星体跟踪器（星敏感器）能从天空背景等。自动星体跟踪器（星敏感器）能从天空背景中搜索、识别和跟踪星体，并测出跟踪器瞄准线中搜索、识别和跟踪星体，并测出跟踪器
23、瞄准线相对于参考坐标系的角度。天文罗盘通过测量太相对于参考坐标系的角度。天文罗盘通过测量太阳或星体方向来指示用户航向。六分仪通过对恒阳或星体方向来指示用户航向。六分仪通过对恒星或行星的测量指示出用户的位置和距离。天文星或行星的测量指示出用户的位置和距离。天文导航系统通常由星体跟踪器、惯性平台、计算机、导航系统通常由星体跟踪器、惯性平台、计算机、信息处理电子设备和标准时间发生器组成。信息处理电子设备和标准时间发生器组成。第一章第一章 导航技术概述导航技术概述1.2.3 1.2.3 组合导航系统组合导航系统在载体装载两种式两种以上不同的导航系统，以适当方式组合在一起，在载体装载两种式两种以上不同的
24、导航系统，以适当方式组合在一起，形成一个有机的整体。利用性能上的互补特性，以获得比单独使用任形成一个有机的整体。利用性能上的互补特性，以获得比单独使用任一系统时更高的系统性能。 其主要特点：其主要特点： 组合导航内各子系统之间能取长补短，使系统总精度得以提高。组合导航内各子系统之间能取长补短，使系统总精度得以提高。 一旦某系统出现故障，可由子系统继续工作，或以工作组合模式一旦某系统出现故障，可由子系统继续工作，或以工作组合模式的转换来保证系统的正常工作，提高了系统的稳定性和可靠性。的转换来保证系统的正常工作，提高了系统的稳定性和可靠性。 各子系统由计算机联接，以最优估计理论（典型的为卡尔曼滤波
25、各子系统由计算机联接，以最优估计理论（典型的为卡尔曼滤波技术）为理论基础，实现定位的自动化和能连续实时地提供所需的导技术）为理论基础，实现定位的自动化和能连续实时地提供所需的导航定位参数。航定位参数。第一章第一章 导航技术概述导航技术概述1.2.4 1.2.4 其它导航系统其它导航系统 1 1）地磁导航系统）地磁导航系统 2 2）视觉导航系统）视觉导航系统 3 3）超声波导航系统）超声波导航系统第一章第一章 导航技术概述导航技术概述1.3 1.3 导航技术的发展趋势导航技术的发展趋势1.3.1 1.3.1 现代军事作战对导航的要求及其发展现代军事作战对导航的要求及其发展1.3.1.1 1.3.
26、1.1 现代军事作战对导航的要求现代军事作战对导航的要求 具有强的电子对抗能力；具有强的电子对抗能力； 高于敌方的导航信息精度；高于敌方的导航信息精度； 实时性与易维护性；实时性与易维护性； 自主式、高动态、大区域导航。自主式、高动态、大区域导航。 1.3.1.2 1.3.1.2 军用导航技术的发展军用导航技术的发展 微波着陆系统微波着陆系统 环形激光陀螺、光纤陀螺、环形激光陀螺、光纤陀螺、MEMSMEMS惯性器件等捷联式惯性导航系统惯性器件等捷联式惯性导航系统 第一章第一章 导航技术概述导航技术概述 INS/GPS INS/GPS组合导航系统组合导航系统 地形辅助导航系统地形辅助导航系统 1
27、.3.2 21 1.3.2 21世纪导航技术发展的主要趋势世纪导航技术发展的主要趋势 1 1）卫星定位成为导航技术发展的主要方向）卫星定位成为导航技术发展的主要方向 2 2）自主式导航继续发展）自主式导航继续发展 3 3）组合导航成为主要的导航方式）组合导航成为主要的导航方式 4 4）军用导航系统迅速发展）军用导航系统迅速发展 第一章第一章 导航技术概述导航技术概述1.4 1.4 导航技术在无人武器系统中的应用导航技术在无人武器系统中的应用美国XM982 Excalibur (亚瑟王神剑）155mm制导炮弹第一章第一章 导航技术概述导航技术概述ERGM （增程制导弹药）第一章第一章 导航技术概
28、述导航技术概述网火-PAM-LAM第一章第一章 导航技术概述导航技术概述FOLDING FREEROTATING TAILROLL JOINTROCKET MOTORDPICMGRENADESGPU/ELECTIMU500 mmCANARDS (4)BATTERYCONTROLACTUATIONSYSTEMUMBILICALSAFRocket Length3,937 mm(155 in.) Rocket Diameter227 mm(9 in.)Warhead Length1,686 mm(66 in.)Motor Length2,251 mm(89 in.)Launch Weight296 kg(653 lb)Number of Grenades400 Self-Destruct GrenadesRange60 km(37 mi)IOC2003制导多管火箭系统
