導(dǎo)航定位技術(shù)（程青青912110190104）1.引言早在遠(yuǎn)古時(shí)代，人類便知道利用星歷導(dǎo)航，然后又出現(xiàn)用魚骨充當(dāng)六分儀，確定航線，接著指南針的發(fā)明，標(biāo)志著導(dǎo)航儀的誕生，再后來(lái)英國(guó)發(fā)明了航海表，人們綜合利用星歷知識(shí)、指南針、航海表進(jìn)行導(dǎo)航。隨著科技的發(fā)展，導(dǎo)航定位技術(shù)也逐漸成熟，出現(xiàn)了無(wú)線電導(dǎo)航、量子導(dǎo)航等，導(dǎo)航定位技術(shù)已經(jīng)滲透到人類文明的各個(gè)角落里，發(fā)揮著它無(wú)可替代的作用。導(dǎo)航定位系統(tǒng)的目的簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是“在哪里、到哪去、怎么去”這九個(gè)字，也就是以某種手段或方式引導(dǎo)航行體安全、準(zhǔn)確、便捷、經(jīng)濟(jì)地在規(guī)定時(shí)間內(nèi)按一定的路線到達(dá)目的地。導(dǎo)航過(guò)程中系統(tǒng)要實(shí)時(shí)連續(xù)的給出載體的位置、速度、加速度、航向等參數(shù)。導(dǎo)航定位技術(shù)是涉及自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、微電子學(xué)、光學(xué)、力學(xué)、數(shù)學(xué)等領(lǐng)域的高科技，現(xiàn)在不僅已經(jīng)廣泛應(yīng)用于海、空、天等高科技武器和武器研究平臺(tái)中，還以各種形式成為我們?nèi)粘Ｉ畈豢苫蛉钡闹匾糠?。?dǎo)航定位系統(tǒng)2.1導(dǎo)航定位系統(tǒng)的分類根據(jù)原理的不同，可以將現(xiàn)有的導(dǎo)航定位系統(tǒng)分為地磁導(dǎo)航系統(tǒng)、聲學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)、推位導(dǎo)航系統(tǒng)，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、天文導(dǎo)航系統(tǒng)七大類。（1）、地磁導(dǎo)航系統(tǒng)原理：通過(guò)地磁傳感器測(cè)得的實(shí)時(shí)地磁數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中的地磁基準(zhǔn)圖進(jìn)行匹配來(lái)定位（由于地磁場(chǎng)為矢量場(chǎng)，所以在近地空間任意一點(diǎn)的地磁矢量都不同于其他的點(diǎn)，且與該點(diǎn)的經(jīng)緯度是一一對(duì)應(yīng)的）優(yōu)點(diǎn)：無(wú)源、無(wú)輻射、全天候、全地域、能耗低。（2）、聲學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)由于電磁波在水中能量消耗太快，而聲波能傳播幾百公里而幾乎沒(méi)有能量損失，因此可以采用聲發(fā)射器作為信標(biāo)在水中引導(dǎo)載體的航行。分類：長(zhǎng)基線導(dǎo)航（LBL）、短基線導(dǎo)航（SBL）、超短基線導(dǎo)航（USBL）原理：事先在海域擺放換能器或者換能器陣，以此實(shí)現(xiàn)聲學(xué)導(dǎo)航。換能器發(fā)出的脈沖被一個(gè)或者多個(gè)設(shè)置在母船上的聲學(xué)傳感器接收，收到的脈沖經(jīng)過(guò)處理并按照預(yù)定的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算就可以得到聲源的位置。（3）推位導(dǎo)航基本原理：起始時(shí)刻的位置已知，速度的大小和方向可以通過(guò)測(cè)量得到，則下一時(shí)刻的位置可以通過(guò)計(jì)算得到。組成：平臺(tái)羅經(jīng)（測(cè)向）以及計(jì)程儀—水壓、電磁、多普勒（測(cè)速）（4）、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)定義：不依賴外界信息，只依靠本身慣性測(cè)量來(lái)完成導(dǎo)航任務(wù)的技術(shù)。基本原理：根據(jù)牛頓提出的相對(duì)慣性空間的力學(xué)定律，利用陀螺、加速度計(jì)等慣性元件感受運(yùn)行體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的加速度，然后計(jì)算機(jī)通過(guò)積分運(yùn)算算出運(yùn)動(dòng)體的位置和速度等參數(shù)；放在平臺(tái)上的加速度計(jì)測(cè)量加速度，陀螺儀用來(lái)保持平臺(tái)的方向，所以加速度計(jì)和陀螺儀是該系統(tǒng)的核心慣性優(yōu)點(diǎn)：依靠自身測(cè)量的加速度推算位置，自主式導(dǎo)航系統(tǒng)；不需要接收外界信息，不受外界干擾；不像外界輻射能量，隱蔽性好；測(cè)量位置的同時(shí)還可以測(cè)量姿態(tài)角。缺點(diǎn)：位置由加速度二次積分而得，誤差隨時(shí)間積累；對(duì)元件精度要求高，相應(yīng)的成本也高。應(yīng)用：為洲際導(dǎo)彈、戰(zhàn)略遠(yuǎn)程轟炸機(jī)、導(dǎo)彈核潛艇提供技術(shù)支持。（5）、無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)基本原理：無(wú)線電導(dǎo)航的基本任務(wù)是測(cè)向和測(cè)速，在同一介質(zhì)中，無(wú)線電沿直線傳播，且速度為一個(gè)常數(shù)，無(wú)線電波具有反射性。這三個(gè)基本特性為無(wú)線電導(dǎo)航奠定了基礎(chǔ)，利用直線傳播可以確定載體的方向，利用傳播速度不變可以測(cè)定速度的大小。測(cè)量方法：測(cè)量方位法、測(cè)量距離法、測(cè)量距離差法舉例：a、羅蘭系統(tǒng)：低頻脈沖雙曲線導(dǎo)航系統(tǒng)，屬于測(cè)距差雙曲線導(dǎo)航系統(tǒng)，同時(shí)利用脈沖信號(hào)和載波相位來(lái)測(cè)量距離差進(jìn)而求得雙曲線位置實(shí)現(xiàn)定位。優(yōu)點(diǎn)：低頻工作，作用距離遠(yuǎn)；可粗測(cè)距離差，精測(cè)時(shí)間差，從而提高測(cè)量精度；可消除天波干擾，抑制其他干擾，且可以區(qū)分主副號(hào)和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量。b、奧米伽系統(tǒng)：利用信號(hào)的相位信息來(lái)測(cè)量距離，工作在甚低頻段，所以傳播距離很遠(yuǎn)，僅用8個(gè)發(fā)射臺(tái)就可以覆蓋全球，在長(zhǎng)距離航行中能夠自動(dòng)連續(xù)的提供載體的當(dāng)前位置和各種導(dǎo)航數(shù)據(jù)優(yōu)點(diǎn)：工作連續(xù)，覆蓋范圍廣，穿透能力強(qiáng)，傳播衰減小，作用距離遠(yuǎn)；可深入水下進(jìn)行水下測(cè)量。缺點(diǎn)：受環(huán)境影響較大，地表?xiàng)l件、氣象狀況、地理環(huán)境會(huì)造成低頻信號(hào)的異常；精度不高；設(shè)備昂貴；數(shù)據(jù)更新慢?，F(xiàn)已停用。（6）、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)基本原理：利用在空間飛行的衛(wèi)星不斷向地面廣播發(fā)送某種頻率并加載了某種特殊定位信息的無(wú)線電信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)定位測(cè)量的定位系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于車輛導(dǎo)航管理以及對(duì)航天器的導(dǎo)航定位管理。系統(tǒng)組成：a、空間部分(衛(wèi)星)發(fā)送某種時(shí)間信號(hào)、測(cè)距信號(hào)和衛(wèi)星的瞬間坐標(biāo)位置信號(hào)；b、地面控制部分：精確測(cè)量衛(wèi)星的軌道坐標(biāo)，時(shí)鐘差異，確定系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，并向衛(wèi)星注入新的衛(wèi)星軌道坐標(biāo)，進(jìn)行必要的衛(wèi)星軌道糾正；c、用戶部分：接受衛(wèi)星廣播發(fā)送的多種信號(hào)并進(jìn)行處理計(jì)算確定用戶的最終位置。舉例：aGPS全球定位系統(tǒng)：（美國(guó)）24顆中高度圓軌道衛(wèi)星組網(wǎng)；ｂGLONASS全球定位系統(tǒng)：（俄羅斯）共有26顆衛(wèi)星在軌，20顆進(jìn)行工作中，2顆備用，4顆技術(shù)維修中；ｃ伽利略全球定位系統(tǒng)：（歐盟）共有30顆衛(wèi)星組成，其中27顆工作星，3顆備用星，衛(wèi)星分布在三個(gè)中地球軌道上，每個(gè)軌道上分布9顆工作星和一個(gè)備份星；ｄ北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)：（中國(guó)）由5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成，其中30顆非靜止軌道衛(wèi)星由27顆中軌衛(wèi)星和三顆傾斜同步衛(wèi)星組成。優(yōu)點(diǎn)：能夠全天候的實(shí)時(shí)提供載體的三維位置和速度信息，且誤差不隨時(shí)間積累，是高精度導(dǎo)航和定位系統(tǒng)缺點(diǎn)：容易被干擾，不能提供連續(xù)定位信息，同時(shí)不能提供姿態(tài)信息。（７）天文導(dǎo)航系統(tǒng)基本原理：天文導(dǎo)航系統(tǒng)是根據(jù)天上星座的運(yùn)行規(guī)律來(lái)對(duì)地面上的目標(biāo)進(jìn)行定位，通過(guò)觀測(cè)星體相對(duì)地球的位置參數(shù)（例如仰角）以及觀測(cè)時(shí)間，就可以確定觀測(cè)者在地球上的位置，從而引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)體航行。測(cè)量方法：天文船位圓法：每測(cè)量一個(gè)天體的高度和頂距時(shí)，必位于以該天體投影點(diǎn)為圓心，以Ｒ為半徑的等高圓上因此就得到一部分與自身地理位置有關(guān)的信息，繼續(xù)觀測(cè)第二個(gè)天體，得到另一個(gè)等高圓，這兩個(gè)等高圓相較于兩點(diǎn)，其中一點(diǎn)就是觀測(cè)點(diǎn)，為了測(cè)量船位，側(cè)者在同一地點(diǎn)至少要觀測(cè)兩個(gè)天體，便可得到兩個(gè)天文船位圓，它們相交于兩點(diǎn)。由于天文船位圓的半徑很大，這兩個(gè)交點(diǎn)相距很遠(yuǎn)，因此推算船位的一個(gè)交點(diǎn)就是測(cè)者的觀測(cè)船位，這就是天文船位圓原理，也就是常說(shuō)的雙星定位原理，也可以用第三顆星來(lái)消除模糊度，即三星定位原理。特點(diǎn)：天文導(dǎo)航系統(tǒng)是自主式系統(tǒng)，不需要地面設(shè)備；不受人工或自然形成的電磁場(chǎng)的干擾；不向外輻射電磁波，隱蔽性好；定向定位精度高，定位誤差不隨時(shí)間積累（８）其他輔助導(dǎo)航定位系統(tǒng)SLAM導(dǎo)航，脈沖星導(dǎo)航，量子導(dǎo)航，視覺(jué)導(dǎo)航。２.２導(dǎo)航定位系統(tǒng)的應(yīng)用傳統(tǒng)導(dǎo)航定位系統(tǒng)發(fā)展至今，已經(jīng)度過(guò)了約一百個(gè)春秋。隨著科技的發(fā)展，導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)得到了迅速發(fā)展，取得了許多傲人的成就，其應(yīng)用已經(jīng)由最原始的交通運(yùn)輸中的方向判定擴(kuò)展到了工業(yè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、漁業(yè)、建筑、旅游、救助、電信、物探、測(cè)繪、氣象等等，其中，正是因?yàn)槿蚨ㄎ幌到y(tǒng)具有全天候、高精度、自動(dòng)化、高效益等顯著特點(diǎn)，贏得了廣大測(cè)繪工作者的青睞，并且將其廣泛應(yīng)用于大地測(cè)繪、工程測(cè)繪、航空攝影測(cè)量、運(yùn)載工具導(dǎo)航與管制、地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、工程建設(shè)、市政規(guī)劃、海洋開(kāi)發(fā)、資源勘查、地球動(dòng)力學(xué)等多種學(xué)科。目前，導(dǎo)航定位技術(shù)已經(jīng)滲透到了國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防建設(shè)、科學(xué)研究和人民生活等方方面面，主要的應(yīng)用領(lǐng)域有：ａ國(guó)家大型測(cè)繪項(xiàng)目領(lǐng)域：我國(guó)先后于1992和1996年建立了有28個(gè)點(diǎn)組成的國(guó)家Ａ級(jí)衛(wèi)星定位測(cè)控網(wǎng)和730個(gè)點(diǎn)組成的國(guó)家Ｂ級(jí)衛(wèi)星定位控制網(wǎng)，首次整合和通一平查后形成了2000多個(gè)國(guó)家衛(wèi)星定位大地控制網(wǎng)，并于2004年完成與天文大地網(wǎng)的平差，成為我國(guó)現(xiàn)代測(cè)繪的基本框架。與此同時(shí)，建成了連續(xù)運(yùn)行的衛(wèi)星定位觀測(cè)站30多個(gè)，其中7個(gè)納入了國(guó)際IGS網(wǎng)站，根本上解決了我國(guó)使用參考框架的問(wèn)題；ｂ大壩橋梁以及高層建筑等變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域：例如在三峽大壩等大壩變形檢測(cè)中，衛(wèi)星導(dǎo)航定位監(jiān)測(cè)達(dá)到了毫米級(jí)；在滑坡檢測(cè)中，衛(wèi)星導(dǎo)航頂定位測(cè)量比常規(guī)的外觀測(cè)量在精度監(jiān)測(cè)速度以及時(shí)效性和效益上都有明顯的優(yōu)勢(shì)。上海市在世界上率先建立了包括衛(wèi)星定位系統(tǒng)在內(nèi)的健全的地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測(cè)和控制地面沉降工作上取得了很好的成績(jī)。；ｃ交通方面：衛(wèi)星導(dǎo)航定位等相關(guān)集成技術(shù)已經(jīng)能夠營(yíng)建智能交通系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)并得到了廣泛應(yīng)用，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)普遍使用于公交，銀行，醫(yī)療，消防等部門的緊急救援或報(bào)警，部分用于汽車船舶的導(dǎo)航監(jiān)控，廣泛應(yīng)用于物流配送中心，并在車載導(dǎo)航方面取得了重大發(fā)展；ｄ資源探測(cè)領(lǐng)域：在地質(zhì)調(diào)查和找礦工作中，導(dǎo)航定位技術(shù)的應(yīng)用提高了野外地質(zhì)調(diào)查和找礦工作的定位精度和自動(dòng)化程度。他與遙感級(jí)計(jì)算機(jī)等高新技術(shù)相結(jié)合，為基礎(chǔ)地質(zhì)研究提供了地球化學(xué)依據(jù)。差分衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于海洋物探定位和海洋石油鉆井平臺(tái)定位，為發(fā)現(xiàn)海底儲(chǔ)油構(gòu)造和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的安全可靠性發(fā)揮關(guān)鍵性作用；ｅ城市綜合服務(wù)：北京、上海、深圳、成都、昆明、天津等城市的衛(wèi)星定位系統(tǒng)嗯哼香港衛(wèi)星定位參考網(wǎng)先后建成，可以分別滿足城市規(guī)劃、城市建設(shè)、城市管理、科學(xué)研究等多方面的需求，電力、有線電視、城市地下管道已采用衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)布設(shè)路線；ｆ電信網(wǎng)絡(luò)方面：移動(dòng)通信、電腦、衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)結(jié)合的各類移動(dòng)信息終端日益普及，為位置信息相關(guān)服務(wù)的應(yīng)用提供了巨大的發(fā)展平臺(tái)，其中的應(yīng)用產(chǎn)品把導(dǎo)航從車載向個(gè)人終端邁進(jìn)；ｇ自然災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)防及防治方面：測(cè)繪、地震、中科院等部門基于衛(wèi)星定位技術(shù)應(yīng)用，于2000年建成了地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)工程，通過(guò)該工程對(duì)地殼位移的監(jiān)測(cè)，可以科學(xué)的判定地震活動(dòng)趨勢(shì)。在抗災(zāi)救災(zāi)中，用衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)可迅速確定受災(zāi)地點(diǎn)，為決策提供科學(xué)依據(jù)。２.３、導(dǎo)航定位系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀從最初的指南針，六分儀以及天文鐘作為人們導(dǎo)航的主要方式，而現(xiàn)在這些傳統(tǒng)的導(dǎo)航定位方式已成為特殊情況下的補(bǔ)充手段。隨著全球一體化和科技的迅速發(fā)展，二十世紀(jì)的導(dǎo)航定位技術(shù)如同雨后春筍，迅速的在全球擴(kuò)散開(kāi)來(lái)。在此情況下，一方面，以70年代的信息技術(shù)發(fā)展為基礎(chǔ)的幾種新型導(dǎo)航系統(tǒng)，例如衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，陀螺捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，組合式的導(dǎo)航系統(tǒng)都得到了很大的發(fā)展。同時(shí)，一些像歐米伽導(dǎo)航系統(tǒng)這樣的原有的導(dǎo)航系統(tǒng)面臨著被淘汰的命運(yùn)；還有一些經(jīng)過(guò)改進(jìn)被保留；還有一些在科技發(fā)展大潮中獲得了新生，例如天文導(dǎo)航系統(tǒng)就與傳統(tǒng)的定位系統(tǒng)有許多不同，而普遍的都認(rèn)為這種天文導(dǎo)航已經(jīng)過(guò)時(shí)，將被淘汰，而現(xiàn)在，隨著新型的光電器件如CCD的發(fā)展，計(jì)算機(jī)還有新的數(shù)學(xué)模型的發(fā)展，天文導(dǎo)航的精度得到很大提高，對(duì)環(huán)境的要求也大大降低，天文導(dǎo)航作為一種獨(dú)立的，自主式的，成本地的系統(tǒng)，又重新為人們所認(rèn)識(shí)?？v觀30年來(lái)，導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展具有三個(gè)特點(diǎn)。第一，由于新材料，微電子，集成光學(xué)，計(jì)算機(jī)等發(fā)展，促進(jìn)了新型慣性器件的發(fā)展，從而慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的體積越來(lái)越小，精度越來(lái)越高，成本越來(lái)越低；第二，衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)這30年來(lái)得到了極大的發(fā)展，可以認(rèn)為衛(wèi)星導(dǎo)航給導(dǎo)航技術(shù)帶來(lái)了一次極大的革命；第三，衛(wèi)星導(dǎo)航，慣性導(dǎo)航以及其他技術(shù)之間互相組合，促進(jìn)了導(dǎo)航技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。隨著導(dǎo)航定位技術(shù)的逐漸成熟，陸空導(dǎo)航定位技術(shù)迅速發(fā)展的同時(shí)，水下定位技術(shù)也得到了十足的發(fā)展，同時(shí)，經(jīng)過(guò)軟硬件的發(fā)展和不斷完善，從最早期的近百米定位精度到目前的厘米級(jí)甚至毫米級(jí)精度。目前最為前沿的定位技術(shù)主要有兩個(gè)：第一，精密單點(diǎn)定位技術(shù)，即利用預(yù)報(bào)或事后精密星歷（如IGS預(yù)報(bào)精密星歷或事后精密星歷），同時(shí)利用某種方式得到的精密衛(wèi)星鐘差代替用戶GPS單點(diǎn)定位方程中的衛(wèi)星鐘差參數(shù)，用戶利用單臺(tái)雙頻接收機(jī)的非差相位和偽距觀測(cè)值在數(shù)千萬(wàn)公里甚至全球范圍內(nèi)的任意位置進(jìn)行分米級(jí)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位或事后厘米級(jí)快速靜態(tài)定位；第二，網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)，就是在一定區(qū)域內(nèi)建立多個(gè)基準(zhǔn)站，對(duì)準(zhǔn)地區(qū)構(gòu)成網(wǎng)狀覆蓋，并以這些基準(zhǔn)站中的一個(gè)或多個(gè)為基準(zhǔn)計(jì)算和發(fā)播改正信息，對(duì)該地區(qū)內(nèi)的衛(wèi)星定位用戶進(jìn)行實(shí)時(shí)改正的定位方式，又稱為多基準(zhǔn)站。與常規(guī)的單基準(zhǔn)站相比，該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是覆蓋面廣，定位精度高，可靠性高，可實(shí)時(shí)提供厘米級(jí)定位。２.４、導(dǎo)航定位系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展前景未來(lái)對(duì)導(dǎo)航定位系統(tǒng)的發(fā)展要求主要包括在幾個(gè)方面：首先，提高靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量性能，滿足高精度系統(tǒng)的要求；其次提高系統(tǒng)的工作可行性，適應(yīng)更為惡劣的工作環(huán)境，抑制其他因素的干擾；第三，降低其質(zhì)量以及體積還有功耗，向微型化發(fā)展；第四，降低成本，使導(dǎo)航定位平民化；最后，提高系統(tǒng)的自動(dòng)化。眾所周知，導(dǎo)航定位技術(shù)正以銳不可當(dāng)?shù)膭?shì)頭發(fā)展著，其廣泛的應(yīng)用已經(jīng)滲透到人類活動(dòng)的每一個(gè)角落里，成為人類發(fā)展中不可或缺的一部分。其應(yīng)用范圍從航天飛機(jī)到機(jī)器人和汽車都有廣闊的應(yīng)用前景，因此對(duì)導(dǎo)航定位技術(shù)的研究是現(xiàn)代科技研究的重