1、第五章第五章 GPS卫星导航卫星导航5.1概述概述 导航的概念首先起源于航海事业，其最初的含导航的概念首先起源于航海事业，其最初的含义是引导载体从一个地点航行到另一个地点的过程。义是引导载体从一个地点航行到另一个地点的过程。随着时代的变迁，各种标志着近代、现代科学技术随着时代的变迁，各种标志着近代、现代科学技术的众多的运载工具，诸如飞机、火箭、导弹、核潜的众多的运载工具，诸如飞机、火箭、导弹、核潜艇、海洋地球物理调查船、巨型油轮、集装箱船、艇、海洋地球物理调查船、巨型油轮、集装箱船、人造卫星、宇宙飞船等的相继出现也大大扩展了人造卫星、宇宙飞船等的相继出现也大大扩展了“导航导航”的概念，除了保证
2、航行安全外，还需要为的概念，除了保证航行安全外，还需要为载体或载体中的监视、测量、装备等系统提供精确载体或载体中的监视、测量、装备等系统提供精确的导航信息。这样在不同领域先后出现了许多导航的导航信息。这样在不同领域先后出现了许多导航体制与导航仪表。除了最古老的推算船位导航术外，体制与导航仪表。除了最古老的推算船位导航术外，还有天文导航、无线电导航、惯性导航、卫星导航还有天文导航、无线电导航、惯性导航、卫星导航等。等。所谓导航，就是引导航行的意思；也就是所谓导航，就是引导航行的意思；也就是确定航行体运动到什么地方和向那个方向运动确定航行体运动到什么地方和向那个方向运动的意思。要使飞机、舰船等成功
3、地完成所预定的意思。要使飞机、舰船等成功地完成所预定的航行任务。除了起始点和目标的位置之外，的航行任务。除了起始点和目标的位置之外，主要的就是必须知道航行体所处的即时位置。主要的就是必须知道航行体所处的即时位置。因为只有确定了即时位置才能考虑怎样到达下因为只有确定了即时位置才能考虑怎样到达下一目的地的问题；如果连自己已经到了什么地一目的地的问题；如果连自己已经到了什么地方，以后该到什么地方也不知道的话，那就无方，以后该到什么地方也不知道的话，那就无从谈起完成预定航行任务的问题。由此可见，从谈起完成预定航行任务的问题。由此可见，导航的首要问题就是确定航行体的即时位置。导航的首要问题就是确定航行体
4、的即时位置。另外，为现代载体提供精确的导航信息，另外，为现代载体提供精确的导航信息，还需要测定载体的瞬时速度，精确的时间等状还需要测定载体的瞬时速度，精确的时间等状态参数，进而态参数，进而“导引导引”该运动载体准确地驶向该运动载体准确地驶向预定的后续位置。由此可见，导航是一种广义预定的后续位置。由此可见，导航是一种广义的动态定位。的动态定位。卫星导航是用导航卫星发送的导航定位信卫星导航是用导航卫星发送的导航定位信号引导运动载体安全到达目的地的一门新兴科号引导运动载体安全到达目的地的一门新兴科学。学。GPS卫星所发送的导航定位信号，是一卫星所发送的导航定位信号，是一种可供无数用户共享的空间信息资
5、源；陆地、种可供无数用户共享的空间信息资源；陆地、海洋和空间的广大用户，只要持有一种能够接海洋和空间的广大用户，只要持有一种能够接收、跟踪、变换和测量收、跟踪、变换和测量GPS信号的接收机，信号的接收机，就可以全天候和全球性地测量运动载体的七维就可以全天候和全球性地测量运动载体的七维状态参数（三维坐标、三维速度、时间）；其状态参数（三维坐标、三维速度、时间）；其用途之广，影响之大，是任何其它接收设备望用途之广，影响之大，是任何其它接收设备望尘莫及的；上至航空航天器，下至打渔船、导尘莫及的；上至航空航天器，下至打渔船、导游、摄影和农业生产，均可利用游、摄影和农业生产，均可利用GPS信号接信号接收
6、机。收机。不仅如此，不仅如此，GPS卫星的入轨运行，还为卫星的入轨运行，还为大地测量学、地球动力学、地球物理学、天体大地测量学、地球动力学、地球物理学、天体力学、载人航天学、全球海洋学和全球气象学力学、载人航天学、全球海洋学和全球气象学提供了一种高精度和全天候的测量新技术。提供了一种高精度和全天候的测量新技术。GPS在导航领域的应用，有着比在导航领域的应用，有着比GPS静静态定位更广阔的前景，两者相比较，态定位更广阔的前景，两者相比较，GPS导导航具有：用户多样、速度多变、定位实时、数航具有：用户多样、速度多变、定位实时、数据和精度多变等特点。因此，应该依据据和精度多变等特点。因此，应该依据G
7、PS动态测量的这些特点，选购适宜的接收机，采动态测量的这些特点，选购适宜的接收机，采用适当的数据处理方法，以便获得所要求的运用适当的数据处理方法，以便获得所要求的运动载体的状态参数的测量精度。动载体的状态参数的测量精度。5.2 GPS卫星导航原理卫星导航原理 上节已论述到上节已论述到GPSGPS导航是广义的导航是广义的GPSGPS动态定动态定位，它有着极其广阔的应用前景。例如，用于位，它有着极其广阔的应用前景。例如，用于陆地、水上和航空航天运载体的导航。根据用陆地、水上和航空航天运载体的导航。根据用户的应用目的和精度要求的不同，户的应用目的和精度要求的不同，GPSGPS动态定动态定位方法也随之
8、而改变。从目前的应用看来，主位方法也随之而改变。从目前的应用看来，主要分为以下几种方法：要分为以下几种方法：(1)单点动态定位：它是用安设在一个运动载单点动态定位：它是用安设在一个运动载体上的体上的GPS信号接收机，自主地测得该运动信号接收机，自主地测得该运动载体的实时位置，从而描绘出该运动载体的运载体的实时位置，从而描绘出该运动载体的运行轨迹。所以单点动态定位又叫做绝对动态定行轨迹。所以单点动态定位又叫做绝对动态定位。例如，行驶的汽车和火车，常用单点动态位。例如，行驶的汽车和火车，常用单点动态定位。定位。(2）实时差分动态定位：它是用安设在一个）实时差分动态定位：它是用安设在一个运动载体上的
9、运动载体上的GPS信号接收机，及安设在一信号接收机，及安设在一个基准站上的另一台个基准站上的另一台GPS接收机，联合测得接收机，联合测得该运动载体的实时位置，从而描绘出该运动载该运动载体的实时位置，从而描绘出该运动载体的运行轨迹，故差分动态定位又称为相对动体的运行轨迹，故差分动态定位又称为相对动态定位。例如，飞机着陆和船舰进港，一般要态定位。例如，飞机着陆和船舰进港，一般要求采用实时差分动态定位，以满足它们所要求求采用实时差分动态定位，以满足它们所要求的较高定位精度。的较高定位精度。(3）后处理差分动态定位：它和实时差分动）后处理差分动态定位：它和实时差分动态定位的主要差别在于，在运动载体和基
10、准态定位的主要差别在于，在运动载体和基准站之间，不必像实时差分动态定位那样建立站之间，不必像实时差分动态定位那样建立实时数据传输，而是在定位观测以后，对两实时数据传输，而是在定位观测以后，对两台台GPS接收机所采集的定位数据进行测后接收机所采集的定位数据进行测后的联合处理，从而计算出接收机所在运动载的联合处理，从而计算出接收机所在运动载体在对应时间上的坐标位置。例如，在航空体在对应时间上的坐标位置。例如，在航空摄影测量时，用摄影测量时，用GPS信号测量每一个摄影信号测量每一个摄影瞬间的摄站位置，就可以采用后处理差分动瞬间的摄站位置，就可以采用后处理差分动态定位。态定位。此外，根据载体的运行速度
11、和加速度的不此外，根据载体的运行速度和加速度的不同，以及所要求的精度不同而选用相应型号的同，以及所要求的精度不同而选用相应型号的接收机。例如，用于航空摄影测量摄站的接收接收机。例如，用于航空摄影测量摄站的接收机，不仅要求它在秒速机，不仅要求它在秒速300m左右时能够作左右时能够作伪距和载波相位测量，而且要求它具有秒脉冲伪距和载波相位测量，而且要求它具有秒脉冲输出的时间同步能力；对于海洋测绘用户而言，输出的时间同步能力；对于海洋测绘用户而言，则宜选购具有速度测量和定时功能的双频接收则宜选购具有速度测量和定时功能的双频接收机，并附设有带抑径板或抑径圈的机，并附设有带抑径板或抑径圈的GPS信号信号接
12、收天线，以减弱海面所产生的多路径效应的接收天线，以减弱海面所产生的多路径效应的影响。影响。5.2.1 单点动态定位单点动态定位单点动态定位的基本方程为单点动态定位的基本方程为其中：其中：Xu、Yu、Zu为动态用户在为动态用户在tk时刻的瞬时刻的瞬时位置；时位置；Xj、Yj、Zj是第是第j颗颗GPS卫星在其运卫星在其运行轨道上的瞬时位置，它可根据广播星历计算；行轨道上的瞬时位置，它可根据广播星历计算；为码接收机所测得的为码接收机所测得的GPS信号接收天线和第信号接收天线和第j颗颗GPS卫星之间的距离，即站星距离；卫星之间的距离，即站星距离；d是由是由于接收机时钟误差等因素所引起的站星距离偏于接收
13、机时钟误差等因素所引起的站星距离偏差。差。利用式（利用式（1）解算用户位置时，不是直接求它的三）解算用户位置时，不是直接求它的三维坐标，而是求各个坐标分量的修正量，即给定用维坐标，而是求各个坐标分量的修正量，即给定用户三维坐标的初始值（户三维坐标的初始值（Xu0，Yu0，Zu0），而求解），而求解三维坐标的改正值（三维坐标的改正值（Xu、Yu、Zu）和距离偏）和距离偏差差d。对式（。对式（1）中）中Xu、Yu、Zu分别微分，便得到分别微分，便得到线性方程线性方程 X=A-1B （2）其中其中X=XuYuZudT利用（利用（2）式解算运动载体的实时点位时，后续点位）式解算运动载体的实时点位时，后
14、续点位的初始坐标值可以依据前一个点位坐标来假定，因的初始坐标值可以依据前一个点位坐标来假定，因此，关键是要确定第一个点位坐标的初始值，才能此，关键是要确定第一个点位坐标的初始值，才能精确求得第一个点位的三维坐标。精确求得第一个点位的三维坐标。5.2.2 伪距差分动态定位伪距差分动态定位 所谓差分动态定位（所谓差分动态定位（DGPS）就是用两台）就是用两台接收机在两个测站上同时测量来自相同接收机在两个测站上同时测量来自相同GPS卫星的导航定位信号，用以联合测得动态用户卫星的导航定位信号，用以联合测得动态用户的精确位置，其中一个测站是位于已知坐标点，的精确位置，其中一个测站是位于已知坐标点，设在该
15、已知点（又称基准点）的设在该已知点（又称基准点）的GPS信号接信号接收机，叫做基准接收机。它和安设在运动载体收机，叫做基准接收机。它和安设在运动载体上的上的GPS信号接收机（简称动态接收机）同信号接收机（简称动态接收机）同时测量来自相同时测量来自相同GPS卫星的导航定位信号。卫星的导航定位信号。基准接收机所测得的三维位置与该点已知值进基准接收机所测得的三维位置与该点已知值进行比较，便可获得行比较，便可获得GPS定位数据的改正值。定位数据的改正值。如果及时将如果及时将GPS改正值发送给若干台共视卫改正值发送给若干台共视卫星用户的动态接收机，而改正后者所测得的实星用户的动态接收机，而改正后者所测得
16、的实时位置，便叫做实时差分动态定位。时位置，便叫做实时差分动态定位。由式（由式（1）可知，基准站）可知，基准站R测得至测得至GPS卫星卫星j的的伪距为伪距为5.2.3 动态载波相位差分测量动态载波相位差分测量 GPS载波相位测量方位不仅适用于静态载波相位测量方位不仅适用于静态定位，同样也适用于动态定位，并且已取得厘定位，同样也适用于动态定位，并且已取得厘米级的三维位置精度。米级的三维位置精度。由载波相位观测方程得出动态差分方程：由载波相位观测方程得出动态差分方程：5.3 GPS用于测速、测时用于测速、测时 前面已经说过，前面已经说过，GPS卫星导航不仅要确卫星导航不仅要确定运动载体的实时位置，
17、还要确定载体的瞬时定运动载体的实时位置，还要确定载体的瞬时速度，精确的时间等状态参数。本节对上述问速度，精确的时间等状态参数。本节对上述问题分别介绍。题分别介绍。5.3.1 GPS测速测速 利用利用GPS信号测得运动载体的运动速度，叫信号测得运动载体的运动速度，叫做做GPS测速。尽管载体的运动速度各不一样，且测速。尽管载体的运动速度各不一样，且不是匀速运动，但是，只要在这些运动载体上安不是匀速运动，但是，只要在这些运动载体上安设设GPS信号接收机，就可以在进行动态定位的同信号接收机，就可以在进行动态定位的同时，实时地测得它们的运行速度。利用时，实时地测得它们的运行速度。利用GPS信号信号进行速
18、度测量，是基于站星距离的测量。用户天进行速度测量，是基于站星距离的测量。用户天线和线和GPS卫星之间的距离：卫星之间的距离：根据物理学关于线速度是运动质点在单位时间根据物理学关于线速度是运动质点在单位时间内的距离变化率的定义，则微分上式得到动态内的距离变化率的定义，则微分上式得到动态用户的三维速度表达式：用户的三维速度表达式：另外，还可用另外，还可用GPS差分方法测速，从而差分方法测速，从而消除星历误差对测速精度的损失，这对消弱消除星历误差对测速精度的损失，这对消弱SA技术的影响是一种有效的措施，另外还可技术的影响是一种有效的措施，另外还可以显著消弱电离层或对流层效应对测速精度的以显著消弱电离
19、层或对流层效应对测速精度的影响。影响。5.3.2 GPS定时定时 定时有着广泛的应用。从日常生活到航天定时有着广泛的应用。从日常生活到航天发射，从出外步行到航空航海，都离不开定时。发射，从出外步行到航空航海，都离不开定时。随着使用目的的不同，人们对时间准确度的要随着使用目的的不同，人们对时间准确度的要求也不一样。求也不一样。GPS卫星都安装有卫星都安装有4台原子时钟，台原子时钟，GPS时间受美国海军天文台经常性监测。时间受美国海军天文台经常性监测。GPS系系统的地面主控站能够以优于统的地面主控站能够以优于5ns的精度，使的精度，使GPS时间和世界协调时之差保持在时间和世界协调时之差保持在 以以
20、内。此外，内。此外，GPS卫星还向用户播发自己的钟卫星还向用户播发自己的钟差、钟速和钟漂等时钟参数，加之利用差、钟速和钟漂等时钟参数，加之利用GPS信号可以测得站址的精确位置，因此，信号可以测得站址的精确位置，因此，GPS卫星可以成为一种全球性的用户无限的时间信卫星可以成为一种全球性的用户无限的时间信号源，用以进行精确的时间比对。号源，用以进行精确的时间比对。利用利用GPS信号进行时间传递，一般采用下列两信号进行时间传递，一般采用下列两种方法：种方法：(1)一站单机定时法。即在一个已知位置测站一站单机定时法。即在一个已知位置测站上，用一台上，用一台GPS信号接收机观测一颗信号接收机观测一颗GP
21、S卫卫星，从而测定用户时钟的偏差。星，从而测定用户时钟的偏差。如图所示，在用如图所示，在用GPS信号传送时间时，存信号传送时间时，存在在3种时间尺度，即种时间尺度，即GPS时间，每颗时间，每颗GPS卫卫星的时钟，用户时钟。星的时钟，用户时钟。GPS定时的目的在于定时的目的在于测定用户时钟相对于测定用户时钟相对于GPS时间的偏差，并依时间的偏差，并依据据GPS卫星导航电文的有关参数，计算出世卫星导航电文的有关参数，计算出世界协调时。界协调时。上式即为一站单机的定时方程式。上式即为一站单机的定时方程式。当同时观测当同时观测4颗颗GPS卫星时，一站单机定卫星时，一站单机定时法可以在不知道测站坐标的情
22、况下，同时测时法可以在不知道测站坐标的情况下，同时测得用户时钟偏差和测站坐标。得用户时钟偏差和测站坐标。(2)共视比对定时法共视比对定时法 即在两个测站上各安设一台即在两个测站上各安设一台GPS信号接信号接收机，在相同的时间内，观测同一颗收机，在相同的时间内，观测同一颗GPS卫卫星，而测定用户时钟的偏差。星，而测定用户时钟的偏差。如图所示为单颗如图所示为单颗GPS卫星共视定时法。卫星共视定时法。实验表明，两个测站共同见到同一颗卫星的时实验表明，两个测站共同见到同一颗卫星的时间并不要求严格同步，前后相差间并不要求严格同步，前后相差20分钟以内分钟以内时，定时准确度无显著差别；这为用户提供了时，定
23、时准确度无显著差别；这为用户提供了方便，因此单星共视定时法获得了广泛的应用。方便，因此单星共视定时法获得了广泛的应用。A、B两个测站所测得的用户时钟偏差分别为两个测站所测得的用户时钟偏差分别为通过数据传输而将测站通过数据传输而将测站A的用户钟差送到测站的用户钟差送到测站B，故知两个用户的钟差，故知两个用户的钟差因此共视用户的钟差为因此共视用户的钟差为 从上式可知，共视定时法不仅能够消除卫星从上式可知，共视定时法不仅能够消除卫星钟差，而且能够消除或消弱星历误差的影响，在钟差，而且能够消除或消弱星历误差的影响，在GPS工作卫星实施工作卫星实施SA技术的情况下，它具有重技术的情况下，它具有重大的价值
24、，且可达到大的价值，且可达到5ns的定时准确度。的定时准确度。5.4 GPS卫星导航方法卫星导航方法 导航的任务是引导航行体自起始点沿着预定导航的任务是引导航行体自起始点沿着预定路线路线,经济而安全地到达目的地经济而安全地到达目的地.经常的测定经常的测定在航行航行体的位置在航行航行体的位置,是完成导航任务的一是完成导航任务的一个重要课题个重要课题,因为引航人员需要随时了解航因为引航人员需要随时了解航行体已经到达的位置，以便掌握航行体的运行体已经到达的位置，以便掌握航行体的运动状态，判明其有无偏离预定的航线，偏离动状态，判明其有无偏离预定的航线，偏离的程度如何，当前的处境有无危险，原定的的程度如
25、何，当前的处境有无危险，原定的计划航线能否继续实施，还是需要做适当的计划航线能否继续实施，还是需要做适当的修正等。正因为在航行中，定位问题是如此修正等。正因为在航行中，定位问题是如此重要，因此在习惯上往往将测定位置的方法重要，因此在习惯上往往将测定位置的方法和技术称为导航。和技术称为导航。5.4.1 基本概念基本概念 对于任何某一具体的导航过程，首先必对于任何某一具体的导航过程，首先必须确定本次航行的起始点、目的点以及航行须确定本次航行的起始点、目的点以及航行计划路径。路径的标定一般是用一系列均匀计划路径。路径的标定一般是用一系列均匀分布于路径上的坐标点来确定，这些坐标点分布于路径上的坐标点来
26、确定，这些坐标点就叫航路点。起始点、目的点、航路点的位就叫航路点。起始点、目的点、航路点的位置坐标可以是从地图上量取，也可以是直接置坐标可以是从地图上量取，也可以是直接测得。测得。在航行过程中，在航行过程中，GPS定位系统能够实定位系统能够实时提供给航行体位置信息，结合计算机中存时提供给航行体位置信息，结合计算机中存储的航行路径中各航路点位置信息，可以计储的航行路径中各航路点位置信息，可以计算出各种可用来纠正航行偏差、指导正确航算出各种可用来纠正航行偏差、指导正确航行方向的制导参数。行方向的制导参数。利用制导参数，可以计算出航行体的操纵利用制导参数，可以计算出航行体的操纵指令，再通过控制系统，
27、可实现航行的自动化。指令，再通过控制系统，可实现航行的自动化。按给定的航行计划航行，常因自然条件和任务按给定的航行计划航行，常因自然条件和任务而不可能实现。随着科学技术的发展，而不可能实现。随着科学技术的发展，80年年代民用飞机以经济、准时、安全为目的，发展代民用飞机以经济、准时、安全为目的，发展飞行管理系统；军用飞机以完成军事目的，发飞行管理系统；军用飞机以完成军事目的，发展了飞行综合控制系统；公路交通以经济、快展了飞行综合控制系统；公路交通以经济、快速为目的，发展了智能交通管理系统。速为目的，发展了智能交通管理系统。这些系统都能在任务和地理、交通、气这些系统都能在任务和地理、交通、气象情况
28、改变的条件下自动计算出最优的前进象情况改变的条件下自动计算出最优的前进路径，并将控制任务和导航系统组合在一起，路径，并将控制任务和导航系统组合在一起，完成航行任务，这种系统对导航系统的准确完成航行任务，这种系统对导航系统的准确性和可靠性提出了更高的要求，促使导航系性和可靠性提出了更高的要求，促使导航系统向综合化和容错化发展。统向综合化和容错化发展。5.4.2 GPS单机导航单机导航 单机就是在航行体上仅装配一台单机就是在航行体上仅装配一台GPS接收接收机，单独实施导航。因为一台机，单独实施导航。因为一台GPS接收只要接收只要接收到接收到4颗以上的卫星信号便可以测定出所处颗以上的卫星信号便可以测
29、定出所处的位置。因此操作和使用非常简单，价格也便的位置。因此操作和使用非常简单，价格也便宜，且具有全天候、全球性、较高精度及实时宜，且具有全天候、全球性、较高精度及实时三维定位和测速能力。但在众多的情况下，单三维定位和测速能力。但在众多的情况下，单机导航还需配备适当的辅助设备，以保证导航机导航还需配备适当的辅助设备，以保证导航的安全可靠性。以保证导航的安全可靠性。如的安全可靠性。以保证导航的安全可靠性。如果船只航行不仅要确定船的实时位置，还必须果船只航行不仅要确定船的实时位置，还必须实时测定水深，才不致使船只触礁而能够安全实时测定水深，才不致使船只触礁而能够安全的航行。又如汽车导航时，当汽车行
30、驶在高层的航行。又如汽车导航时，当汽车行驶在高层建筑的街道或林荫道上，可能建筑的街道或林荫道上，可能GPS接收机接接收机接收不到足够的卫星数以满足定位的需要。一般收不到足够的卫星数以满足定位的需要。一般在汽车上还要配备电子罗盘，结合速度计和相在汽车上还要配备电子罗盘，结合速度计和相应软件，来实现不能实施应软件，来实现不能实施GPS定位情况下的定位情况下的连续定位导航工作。在陆地车辆的导航中，还连续定位导航工作。在陆地车辆的导航中，还经常配备电子地图、交通信息库和智能选线功经常配备电子地图、交通信息库和智能选线功能，以帮助驾驶员安全、快速的到达目的地。能，以帮助驾驶员安全、快速的到达目的地。5.
31、4.3 差分差分GPS导航导航由于由于SA政策降低了使用政策降低了使用C/A码的民用用户码的民用用户的定位精度，因而就提出了如何提高民用定位的定位精度，因而就提出了如何提高民用定位精度的问题。差分精度的问题。差分GPS就是适应这一要求而就是适应这一要求而产生的，其原理如图所示。在地面已知位置设产生的，其原理如图所示。在地面已知位置设置一个地面站，地面站由一个置一个地面站，地面站由一个GPS差分接收差分接收机和一个差分发射机组成。机和一个差分发射机组成。差分接收机接收卫星信号，监测差分接收机接收卫星信号，监测GPS差分系差分系统的误差，并按规定的时间间隔把修正信息发统的误差，并按规定的时间间隔把
32、修正信息发送给用户，用户用修正信息校正自己的测量或送给用户，用户用修正信息校正自己的测量或位置解。差分位置解。差分GPS导航有两种工作方式。导航有两种工作方式。1位置差分法位置差分法 2伪距差分法伪距差分法 5.4.4 GPS/惯性综合导航惯性综合导航 GPSGPS全球定位系统是一种高精度的全球三维全球定位系统是一种高精度的全球三维实时导航的卫星导航系统，其导航定位的全球实时导航的卫星导航系统，其导航定位的全球性和高精度，使之成为一种先进的导航设备。性和高精度，使之成为一种先进的导航设备。但是但是GPSGPS全球定位系统也存在着一些不足之处，全球定位系统也存在着一些不足之处，主要是：卫星星座对
33、地球覆盖不完善，特别在主要是：卫星星座对地球覆盖不完善，特别在中纬度地区，存在着所谓中纬度地区，存在着所谓“间隔区间隔区”。另外。另外GPSGPS接收机的工作受飞行器机动的影响，当飞行器接收机的工作受飞行器机动的影响，当飞行器的机动超过的机动超过GPSGPS接收机的动态范围时，接收机会接收机的动态范围时，接收机会失锁，从而不能工作，或者动态误差太大，超失锁，从而不能工作，或者动态误差太大，超过允许值，不能使用。过允许值，不能使用。当用在无人驾驶的飞行器上时，由于当用在无人驾驶的飞行器上时，由于GPSGPS接收接收机数据更新频率低（一般每秒一次），因而难机数据更新频率低（一般每秒一次），因而难以
34、满足实时控制的要求。由于上述不足，因此以满足实时控制的要求。由于上述不足，因此目前目前GPSGPS全球定位系统在高可靠性的领域，还全球定位系统在高可靠性的领域，还只能作为一种辅助导航设备，而不能作为唯一只能作为一种辅助导航设备，而不能作为唯一的导航设备使用。的导航设备使用。惯性导航系统由于它工作的完全自主性，惯性导航系统由于它工作的完全自主性，在航空、航天、航海和许多民用领域都得到了在航空、航天、航海和许多民用领域都得到了广泛的应用，成为目前各种航行体上应用的一广泛的应用，成为目前各种航行体上应用的一种主要导航设备。其主要缺点是导航定位误差种主要导航设备。其主要缺点是导航定位误差随时间增长，因
35、而难以长时间的独立工随时间增长，因而难以长时间的独立工作。作。惯性导航惯性导航 inertial navigation 通过测量飞行器的加速度通过测量飞行器的加速度(惯性惯性)，并自动进行，并自动进行积分运算，获得飞行器瞬时速度和瞬时位置数积分运算，获得飞行器瞬时速度和瞬时位置数据的技术。组成惯性导航系统的设备都安装在据的技术。组成惯性导航系统的设备都安装在飞行器内，工作时不依赖外界信息，也不向外飞行器内，工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰，是一种自主式导界辐射能量，不易受到干扰，是一种自主式导航系统。其主要缺点是导航定位误差随时间增航系统。其主要缺点是导航定位误差随时间增
36、长，因而难以长时间的独立工作。长，因而难以长时间的独立工作。惯性测量装置包括加速度计和陀螺仪，又称惯性惯性测量装置包括加速度计和陀螺仪，又称惯性导航组合。导航组合。3个自由度陀螺仪用来测量飞行器的个自由度陀螺仪用来测量飞行器的3个转动运动；个转动运动；3个加速度计用来测量飞行器的个加速度计用来测量飞行器的3个平移运动的加速度。计算机根据测得的加速个平移运动的加速度。计算机根据测得的加速度信号计算出飞行器的速度和位置数据。惯性测度信号计算出飞行器的速度和位置数据。惯性测量装置测出导弹运动参数的变化，计算机根据实量装置测出导弹运动参数的变化，计算机根据实时测得的数据、发射前输入的初始条件和重力影时
37、测得的数据、发射前输入的初始条件和重力影响等数据响等数据,算出导弹的实际飞行速度、航向、姿算出导弹的实际飞行速度、航向、姿态和坐标，并将这些数据与制导程序要求的预定态和坐标，并将这些数据与制导程序要求的预定值进行比较，根据偏差大小产生相应的制导指令，值进行比较，根据偏差大小产生相应的制导指令，执行机构根据制导指令控制导弹沿正确的路线飞执行机构根据制导指令控制导弹沿正确的路线飞行。行。GPS/惯性综合，克服了各自缺点，取长补短，惯性综合，克服了各自缺点，取长补短，使综合后的导航精度高于两个系统单独工作的使综合后的导航精度高于两个系统单独工作的精度。综合的优点表现为：对惯导系统可以实精度。综合的优
38、点表现为：对惯导系统可以实现惯性传感器的校准、惯导系统的空中对准、现惯性传感器的校准、惯导系统的空中对准、惯导系统高度通道的稳定等，从而可以有效地惯导系统高度通道的稳定等，从而可以有效地提高惯导系统的性能和精度；而对提高惯导系统的性能和精度；而对GPS全球全球定位系统，惯导系统的辅助可以提高其跟踪卫定位系统，惯导系统的辅助可以提高其跟踪卫星的能力，提高接收机的动态特性和抗干扰性。星的能力，提高接收机的动态特性和抗干扰性。另外，另外，GPS/惯性综合还可以实现惯性综合还可以实现GPS完整完整性的检测，从而提高了可靠性。性的检测，从而提高了可靠性。GPS/惯性综惯性综合还可以实现一体化，把合还可以实现一体化，把GPS接收机放人惯接收机放人惯导部件中，这样使系统的体积、重量和成本都导部件中，这样使系统的体积、重量和成本都可以减小，且便于实现惯导和可以减小，且便于实现惯导和GPS的同步，的同步，减小非同步误差。总之减小非同步误差。总之GPS/惯性综合可以构惯性综合可以构成一种比较理想的导航系统，是目前导航技术成一种比较理想的导航系统，是目前导航技术发展的主要方向。发展的主要方向。
