3.7

導航系統(tǒng)1.GPS概述利用GPS定位衛(wèi)星，在全球范圍內(nèi)實時進行定位、導航的系統(tǒng)，稱為全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，簡稱GPS。GPS是由美國國防部研制建立的一種具有全方位、全天候、全時段、高精度的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，能為全球用戶提供低成本、高精度的三維位置、速度和精確定時等導航信息，是衛(wèi)星通信技術在導航領域的應用典范，它極大地提高了地球社會的信息化水平，有力地推動了數(shù)字經(jīng)濟的發(fā)展。GPS導航系統(tǒng)是以全球24顆定位人造衛(wèi)星為基礎，向全球各地全天候地提供三維位置、三維速度等信息的一種無線電導航定位系統(tǒng)。它由三部分構(gòu)成，一是地面控制部分，由主控站、地面天線、監(jiān)測站及通訊輔助系統(tǒng)組成。二是空間部分，由24顆衛(wèi)星組成，分布在6個軌道平面。三是用戶裝置部分，由GPS接收機和衛(wèi)星天線組成。民用的定位精度可達10米內(nèi)。4.組成部分（1）空間部分GPS的空間部分是由24顆衛(wèi)星組成（21顆工作衛(wèi)星；3顆備用衛(wèi)星），它位于距地表20200km的上空，運行周期為12h。衛(wèi)星均勻分布在6個軌道面上（每個軌道面4顆），軌道傾角為55°。衛(wèi)星的分布使得在全球任何地方、任何時間都可觀測到4顆以上的衛(wèi)星，并能在衛(wèi)星中預存導航信息，GPS的衛(wèi)星因為大氣摩擦等問題，隨著時間的推移，導航精度會逐漸降低。4.組成部分（2）地面控制系統(tǒng)地面控制系統(tǒng)由監(jiān)測站（MonitorStation）、主控制站（MasterMonitorStation）、地面天線（GroundAntenna）所組成，主控制站位于美國科羅拉多州春田市（Colorado.Springfield）。地面控制站負責收集由衛(wèi)星傳回之訊息，并計算衛(wèi)星星歷、相對距離，大氣校正等數(shù)據(jù)。4.組成部分（3）用戶設備部分用戶設備部分即GPS信號接收機。其主要功能是能夠捕獲到按一定衛(wèi)星截止角所選擇的待測衛(wèi)星，并跟蹤這些衛(wèi)星的運行。當接收機捕獲到跟蹤的衛(wèi)星信號后，就可測量出接收天線至衛(wèi)星的偽距離和距離的變化率，解調(diào)出衛(wèi)星軌道參數(shù)等數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，接收機中的微處理計算機就可按定位解算方法進行定位計算，計算出用戶所在地理位置的經(jīng)緯度、高度、速度、時間等信息。4.組成部分（3）用戶設備部分接收機硬件和機內(nèi)軟件以及GPS數(shù)據(jù)的后處理軟件包構(gòu)成完整的GPS用戶設備。GPS接收機的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元兩部分。接收機一般采用機內(nèi)和機外兩種直流電源。設置機內(nèi)電源的目的在于更換外電源時不中斷連續(xù)觀測。在用機外電源時機內(nèi)電池自動充電。關機后機內(nèi)電池為RAM存儲器供電，以防止數(shù)據(jù)丟失。4.組成部分（3）用戶設備部分各種類型的接受機體積越來越小，重量越來越輕，便于野外觀測使用。其次則為使用者接收器，現(xiàn)有單頻與雙頻兩種，但由于價格因素，一般使用者所購買的多為單頻接收器。5.GPS特點由于GPS技術所具有的全天候、高精度和自動測量的特點，作為先進的測量手段和新的生產(chǎn)力，已經(jīng)融入了國民經(jīng)濟建設、國防建設和社會發(fā)展的各個應用領域。（1）全球全天候定位GPS衛(wèi)星的數(shù)目較多，且分布均勻，保證了地球上任何地方任何時間至少可以同時觀測到4顆GPS衛(wèi)星，確保實現(xiàn)全球全天候連續(xù)的導航定位服務（除打雷閃電不宜觀測外）。（2）定位精度高應用實踐已經(jīng)證明，GPS相對定位精度在50km以內(nèi)可達10-6m，100-500km可達10-7m，1000km可達10-9m。（3）觀測時間短隨著GPS系統(tǒng)的不斷完善，軟件的不斷更新，20km以內(nèi)相對靜態(tài)定位，僅需15-20分鐘；快速靜態(tài)相對定位測量時，當每個流動站與基準站相距在15KM以內(nèi)時，流動站觀測時間只需1-2分鐘；采取實時動態(tài)定位模式時，每站觀測僅需幾秒鐘。因而使用GPS技術建立控制網(wǎng)，可以大大提高作業(yè)效率。（4）測站間無需通視GPS測量只要求測站上空開闊，不要求測站之間互相通視，因而不再需要建造覘標。這一優(yōu)點既可大大減少測量工作的經(jīng)費和時間（一般造標費用約占總經(jīng)費的30%～50%），同時也使選點工作變得非常靈活，也可省去經(jīng)典測量中的傳算點、過渡點的測量工作。（5）儀器操作簡便隨著GPS接收機的不斷改進，GPS測量的自動化程度越來越高，有的已趨于“傻瓜化”。在觀測中測量員只需安置儀器，連接電纜線，量取天線高，監(jiān)視儀器的工作狀態(tài)，而其它觀測工作，如衛(wèi)星的捕獲，跟蹤觀測和記錄等均由儀器自動完成。結(jié)束測量時，僅需關閉電源，收好接收機，便完成了野外數(shù)據(jù)采集任務。（5）儀器操作簡便如果在一個測站上需作長時間的連續(xù)觀測，還可以通過數(shù)據(jù)通訊方式，將所采集的數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)處理中心，實現(xiàn)全自動化的數(shù)據(jù)采集與處理。另外，接收機體積也越來越小，相應的重量也越來越輕，極大地減輕了測量工作者的勞動強度。（6）可提供全球統(tǒng)一的三維地心坐標GPS測量可同時精確測定測站平面位置和大地高程。GPS水準可滿足四等水準測量的精度，另外，GPS定位是在全球統(tǒng)一的WGS-84坐標系統(tǒng)中計算的，因此全球不同地點的測量成果是相互關聯(lián)的。（7）應用廣泛經(jīng)過20余年的實踐證明，GPS系統(tǒng)是一個高精度、全天候和全球性的無線電導航、定位和定時的多功能系統(tǒng)。GPS技術已經(jīng)發(fā)展成為多領域、多模式、多用途、多機型的國際性高新技術產(chǎn)業(yè)。7.中國“北斗”系統(tǒng)由5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成?！氨倍芬惶枴本_度在10米之內(nèi)，而“北斗二號”可以精確到“厘米”之內(nèi)。計劃2008年左右覆蓋中國及周邊地區(qū)，然后逐步擴展為全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。2012年10月25日23時33分，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用“長征三號丙”火箭，成功將第16顆北斗導航衛(wèi)星送入預定軌道。這是我國二代北斗導航工程的最后一顆衛(wèi)星。至此，我國北斗導航工程區(qū)域組網(wǎng)順利完成。3.7.2慣性測量單元IMU慣性測量單元（英文：InertialMeasurementUnit，簡稱IMU）是測量物體三軸姿態(tài)角（或角速率）以及加速度的裝置。一般一個IMU包含了三個單軸的加速度計和三個單軸的陀螺，加速度計檢測物體在載體坐標系統(tǒng)獨立三軸的加速度信號，而陀螺檢測載體相對于導航坐標系的角速度信號，測量物體在三維空間中的角速度和加速度，并以此解算出物體的姿態(tài)。在導航中有著很重要的應用價值。3.7.2慣性測量單元IMU1.測量單元為了提高可靠性，還可以為每個軸配備更多的傳感器。一般而言IMU要安裝在被測物體的重心上。IMU大多用在需要進行運動控制的設備，如汽車和機器人上。也被用在需要用姿態(tài)進行精密位移推算的場合，如潛艇、飛機、導彈和航天器的慣性導航設備等。3.7.2慣性測量單元IMU3.工作原理慣性測量裝置IMU屬于捷聯(lián)式慣導，該系統(tǒng)有三個加速度傳感器與三個角速度傳感器（陀螺）組成，加速度計用來感受飛機相對于地垂線的加速度分量，角速度傳感器用來感受飛機的角度信息3.7.3慣性導航系統(tǒng)1.定義慣性導航系統(tǒng)是以陀螺和加速度計為敏感器件的導航參數(shù)解算系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)陀螺的輸出建立導航坐標系，根據(jù)加速度計輸出解算出運載體在導航坐標系中的速度和位置。3.7.3慣性導航系統(tǒng)2.慣性導航系統(tǒng)簡介是一種不依賴于外部信息、也不向外部輻射能量（如無線電導航那樣）的自主式導航系統(tǒng)。其工作環(huán)境不僅包括空中、地面，還可以在水下。慣性導航的基本工作原理是以牛頓力學定律為基礎，通過測量載體在慣性參考系的加速度，將它對時間進行積分，且把它變換到導航坐標系中，就能夠得到在導航坐標系中的速度、偏航角和位置等信息。3.7.3慣性導航系統(tǒng)慣性導航系統(tǒng)屬于推算導航方式，即從一已知點的位置根據(jù)連續(xù)測得的運動體航向角和速度推算出其下一點的位置，因而可連續(xù)測出運動體的當前位置。慣性導航系統(tǒng)中的陀螺儀用來形成一個導航坐標系，使加速度計的測量軸穩(wěn)定在該坐標系中，并給出航向和姿態(tài)角；加速度計用來測量運動體的加速度，經(jīng)過對時間的一次積分得到速度，速度再經(jīng)過對時間的一次積分即可得到位移。3.7.3慣性導航系統(tǒng)現(xiàn)代比較常見的幾種導航技術，包括天文導航、慣性導航、衛(wèi)星導航、無線電導航等等，其中，只有慣性導航是自主的，既不向外界輻射東西，也不用看天空中的恒星或接收外部的信號，它的隱蔽性是最好的。3.7.3慣性導航系統(tǒng)慣性導航，并不像大家所認為的那樣“不靠譜”，像國家的很多戰(zhàn)略、戰(zhàn)術武器，再如洲際飛行的民航飛機等，都必須依賴慣性導航系統(tǒng)或者慣導系統(tǒng)和其他類型的導航系統(tǒng)的組合。它的造價也比較昂貴，像一臺導航級（即1小時誤差1海里）的慣導系統(tǒng)，至少要幾十萬，而這種精度的導航系統(tǒng)已足夠配備在波音747這樣的飛機上了。現(xiàn)在，隨著mems（微電子機械系統(tǒng)）慣性器件技術的進步，商業(yè)級、消費品級的慣性導航才逐漸走進尋常百姓家。3.7.3慣性導航系統(tǒng)（1）優(yōu)點1）由于它是不依賴于任何外部信息，也不向外部輻射能量的自主式系統(tǒng)，故隱蔽性好，也不受外界電磁干擾的影響；2）可全天候、全時間地工作于空中、地球表面乃至水下；3）能提供位置、速度、航向和姿態(tài)角數(shù)據(jù)，所產(chǎn)生的導航信息連續(xù)性好而且噪聲低；4）數(shù)據(jù)更新率高、短期精度和穩(wěn)定性好。3.7.3慣性導航系統(tǒng)（2）缺點1）由于導航信息經(jīng)過積分而產(chǎn)生，定位誤差隨時間而增大，長期精度差；2）每次使用之前需要較長的初始對準時間；3）設備的價格較昂貴；4）不能給出時間信息。3.7.3慣性導航系統(tǒng)但慣導有固定的漂移率，這樣會造成物體運動的誤差，因此射程遠的武器通常會采用指令、GPS等對慣導進行定時修正，以獲取持續(xù)準確的位置參數(shù)。慣導系統(tǒng)目前已經(jīng)發(fā)展出撓性慣導、光纖慣導、激光慣導、微固態(tài)慣性儀表等多種方式。陀螺儀由傳統(tǒng)的繞線陀螺發(fā)展到靜電陀螺、激光陀螺、光纖陀螺、微機械陀螺等。3.7.3慣性導航系統(tǒng)激光陀螺測量動態(tài)范圍寬，線性度好，性能穩(wěn)定，具有良好的溫度穩(wěn)定性和重復性，在高精度的應用領域中一直占據(jù)著主導位置。由于科技進步，成本較低的光纖陀螺（FOG）和微機械陀螺（MEMS）精度越來越高，是未來陀螺技術發(fā)展的方向。3.7.3慣性導航系統(tǒng)3.7.3慣性導航系統(tǒng)4.應用慣性系統(tǒng)最先應用于火箭制導，美國火箭先驅(qū)羅伯特.戈達爾試驗了早期的陀螺系統(tǒng)。二戰(zhàn)期間經(jīng)德國人馮布勞恩改進應后，應用于V-2火箭制導。戰(zhàn)后美國麻省理工學院等研究機構(gòu)及人員對慣性制導進行深入研究，從而發(fā)展成應用飛機、火箭、航天飛機、潛艇的現(xiàn)代慣性導航系統(tǒng)。3.7.3慣性導航系統(tǒng)5.重要性慣性技術是對載體進行導航的關鍵技術之一，慣性技術是利用慣性原理或其它有關原理，自主測量和控制運載體運動過程的技術，它是慣性導航、慣性制導、慣性測量和慣性敏感器技術的總稱?，F(xiàn)代慣性技術在各國政府雄厚資金的支持下，己經(jīng)從最初的軍事應用滲透到民用領域。慣性技術在國防裝備技術中占有非常重要的地位。3.7.3慣性導航系統(tǒng)5.重要性對于慣性制導的中遠程導彈，一般說來命中精度70%取決于制導系統(tǒng)的精度。對于導彈核潛艇，由于潛航時間長，其位置和速度是變化的，而這些數(shù)據(jù)是發(fā)射導彈的初始參數(shù)，直接影響導彈的命中精度，因而需要提供高精度位置、速度和垂直對準信號。目前適用于潛艇的唯一導航設備就是慣性導航系統(tǒng)。3.7.3慣性導航系統(tǒng)5.重要性慣性導航完全是依靠運載體自身設備獨立自主地進行導航，不依賴外部信息，具有隱蔽性好、工作不受氣象條件和人為干擾影響的優(yōu)點，而且精度高。對于遠程巡航導彈，慣性制導系統(tǒng)加上地圖匹配技術或其它制導技術，可保證它飛越幾千公里之后仍能以很高的精度擊中目標。3.7.3慣性導航系統(tǒng)5.重要性慣性技術己經(jīng)逐步推廣到航天、航空、航海、石油開發(fā)、大地測量、海洋調(diào)查、地質(zhì)鉆控、機器人技術和鐵路等領域，隨著新型慣性敏感器件的出現(xiàn)，慣性技術在汽車工業(yè)、醫(yī)療電子設備中都得到了應用。因此慣性技術不僅在國防現(xiàn)代化中占有十分重要的地位，在國民經(jīng)濟各個領域中也日益顯示出它的巨大作用。3.7.3慣性導航系統(tǒng)7.我國發(fā)展我國的慣