南理工導航6-2014

1、1導航技術基礎（導航技術基礎（6）教師：李 勝E-mail: Blog: http:/ n安裝在基準站上的安裝在基準站上的GPS接收機觀測接收機觀測4顆衛(wèi)星顆衛(wèi)星后便可進行三維定位，解算出基準站的坐后便可進行三維定位，解算出基準站的坐標。標。n求取解算出的坐標與基準站的已知坐標之求取解算出的坐標與基準站的已知坐標之間的誤差。間的誤差。n基準站利用數(shù)據鏈將此改正數(shù)發(fā)送出去，基準站利用數(shù)據鏈將此改正數(shù)發(fā)送出去，由用戶站接收，并且對其解算的用戶站坐由用戶站接收，并且對其解算的用戶站坐標進行改正。標進行改正。 n作用范圍作用范圍100km以內以內5偽距差分原理偽距差分原理n在基準站上的接收機要求得它至

2、可見衛(wèi)星在基準站上的接收機要求得它至可見衛(wèi)星的距離，并將此計算出的距離與含有誤差的距離，并將此計算出的距離與含有誤差的測量值的測量值 加以比較。利用一個加以比較。利用一個-濾波器將濾波器將此差值濾波并求出其偏差。此差值濾波并求出其偏差。n將所有衛(wèi)星的測距誤差傳輸將所有衛(wèi)星的測距誤差傳輸 給用戶，用戶給用戶，用戶利用此測距誤差來改正測量的偽距。利用此測距誤差來改正測量的偽距。n用戶利用改正后的偽距來解出本身的位置，用戶利用改正后的偽距來解出本身的位置， 就可消去公共誤差，提高定位精度。就可消去公共誤差，提高定位精度。6載波相位差分技術載波相位差分技術n稱為稱為RTK技術（技術（real time

3、 kinematic），），n由基準站通過數(shù)據鏈實時將其載波觀測量由基準站通過數(shù)據鏈實時將其載波觀測量及站坐標信息一同傳送給用戶站。用戶站及站坐標信息一同傳送給用戶站。用戶站接收接收GPS衛(wèi)星的載波相位衛(wèi)星的載波相位 與來自基準站的與來自基準站的載波相位，并組成相位差分觀測值進行實載波相位，并組成相位差分觀測值進行實時處理，能實時給出厘米級的定位結果。時處理，能實時給出厘米級的定位結果。n實現(xiàn)載波相位差分實現(xiàn)載波相位差分GPS的方法分為兩類：的方法分為兩類：修正法修正法和和差分法差分法。7三種差分三種差分GPS定位方法的比較定位方法的比較n位置差分的先決條件是基準站和用戶站觀測同一位置差分的先

4、決條件是基準站和用戶站觀測同一組衛(wèi)星的情況。適用于用戶與基準站間距離在組衛(wèi)星的情況。適用于用戶與基準站間距離在100km以內的情況。以內的情況。n偽距差分能將兩站公共誤差抵消，但隨著用戶到偽距差分能將兩站公共誤差抵消，但隨著用戶到基準站距離的增加又基準站距離的增加又 出現(xiàn)了系統(tǒng)誤差。用戶和基出現(xiàn)了系統(tǒng)誤差。用戶和基準站之間的距離對精度有決定性影響。準站之間的距離對精度有決定性影響。n載波相位差分是建立在實時處理兩個測站的載波載波相位差分是建立在實時處理兩個測站的載波相位基礎上的。它能實時提供觀測點的三維坐標，相位基礎上的。它能實時提供觀測點的三維坐標，并達到厘米級的高精度。并達到厘米級的高精度

5、。8按照差分按照差分GPS工作模式分類工作模式分類n局域差分（局域差分（LADGPS Local Area DGPS）單基準站差分單基準站差分多基準站差分多基準站差分n廣域差分（廣域差分（WADGPS Wide Area DGPS）9單基準站差分單基準站差分v結構：一個基準站、數(shù)據通訊鏈和用戶結構：一個基準站、數(shù)據通訊鏈和用戶v特點特點優(yōu)點：結構、模型簡單優(yōu)點：結構、模型簡單缺點：差分范圍小，精度隨距基準站距缺點：差分范圍小，精度隨距基準站距離的增加而下降，可靠性低離的增加而下降，可靠性低10多基準站差分多基準站差分v結構：多個基準站、數(shù)據通訊鏈和用戶結構：多個基準站、數(shù)據通訊鏈和用戶v特點特

6、點n優(yōu)點：優(yōu)點：差分精度高、可靠性高，差分差分精度高、可靠性高，差分范圍增大范圍增大n缺點：差分范圍仍然有限，模型不完缺點：差分范圍仍然有限，模型不完善善11廣域差分廣域差分v結構：多個基準站、數(shù)據通訊鏈和用戶結構：多個基準站、數(shù)據通訊鏈和用戶v特點特點v優(yōu)點：差分精度高、差分精度與距離無優(yōu)點：差分精度高、差分精度與距離無關、差分范圍大關、差分范圍大v缺點：系統(tǒng)結構復雜、建設費用高缺點：系統(tǒng)結構復雜、建設費用高12慣性導航系統(tǒng)（慣性導航系統(tǒng)（INS）nInertial Navigation Systemn一種利用慣性敏感器件、基準方向及最初一種利用慣性敏感器件、基準方向及最初的位置信息來確定運

7、載體在慣性空間中的的位置信息來確定運載體在慣性空間中的位置、方向和速度的自主式導航系統(tǒng)。有位置、方向和速度的自主式導航系統(tǒng)。有時簡稱為慣導。時簡稱為慣導。13慣性空間慣性空間n慣性空間是符合牛頓力學定律的空間，是慣性空間是符合牛頓力學定律的空間，是絕對靜止或只作勻速直線運動的空間。絕對靜止或只作勻速直線運動的空間。14慣性導航系統(tǒng)的基本工作原理慣性導航系統(tǒng)的基本工作原理n以牛頓力學定律為基礎以牛頓力學定律為基礎n通過慣性儀表測量載體在慣性參考系的加通過慣性儀表測量載體在慣性參考系的加速度；速度；n將它對時間進行將它對時間進行積分積分，且把它變換到導航，且把它變換到導航坐標系；坐標系；n得到在導

8、航坐標系中的速度、偏航角和位得到在導航坐標系中的速度、偏航角和位置等信息。置等信息。 15平面慣性導航系統(tǒng)原理圖平面慣性導航系統(tǒng)原理圖16慣性導航系統(tǒng)的優(yōu)點慣性導航系統(tǒng)的優(yōu)點n隱蔽性好且不受外界電磁干擾的影響；隱蔽性好且不受外界電磁干擾的影響；n可全天侯、全時間地工作于空中、地球表可全天侯、全時間地工作于空中、地球表面乃至水下；面乃至水下；n所產生的導航信息全面、連續(xù)性好而且噪所產生的導航信息全面、連續(xù)性好而且噪聲低；聲低；n數(shù)據更新率高、短期精度和穩(wěn)定性好；數(shù)據更新率高、短期精度和穩(wěn)定性好；17慣性導航系統(tǒng)的缺點慣性導航系統(tǒng)的缺點n定位誤差隨時間而增大長期精度差；定位誤差隨時間而增大長期精度

9、差；n每次使用之前需要較長的初始對準時間；每次使用之前需要較長的初始對準時間；n設備的價格較昂貴；設備的價格較昂貴；n不能給出時間信息；不能給出時間信息；18慣性導航系統(tǒng)的組成結構慣性導航系統(tǒng)的組成結構n慣性測量儀表慣性測量儀表：用來測量載體運動的線加速度和：用來測量載體運動的線加速度和角速度信息；角速度信息；n慣導平臺慣導平臺：用來模擬一個導航坐標系，把加速度：用來模擬一個導航坐標系，把加速度計的測量軸穩(wěn)定在導航坐標系，并用模擬的方法計的測量軸穩(wěn)定在導航坐標系，并用模擬的方法給出載體的姿態(tài)和方位信息；給出載體的姿態(tài)和方位信息；n導航計算機導航計算機：完成導航計算和平臺跟蹤回路中指：完成導航計

10、算和平臺跟蹤回路中指令角速度信號的計算；令角速度信號的計算；n輸入輸出單元輸入輸出單元：給定初始參數(shù)及系統(tǒng)需要的其他：給定初始參數(shù)及系統(tǒng)需要的其他參數(shù)，并顯示各種導航信息；參數(shù)，并顯示各種導航信息；19慣性導航系統(tǒng)坐標系慣性導航系統(tǒng)坐標系n地球坐標系（地球坐標系（xe,ye,ze）WGS84坐標系坐標系原點地球質心，原點地球質心，z軸指向地球軸指向地球北極方向，北極方向，x軸指向格林威治軸指向格林威治子午線與赤道交點，子午線與赤道交點，y軸構成軸構成右手坐標系；右手坐標系；n地理坐標系（地理坐標系（ xg,yg,zg ）原點位于運載體質心，原點位于運載體質心，x軸沿軸沿當?shù)鼐暰€指向東；當?shù)鼐暰€

11、指向東；y軸沿當?shù)剌S沿當?shù)刈游缇€指向北；子午線指向北；z軸沿當?shù)氐剌S沿當?shù)氐乩泶咕€指向天，因此也稱為理垂線指向天，因此也稱為（東北天坐標系）；（東北天坐標系）；20慣性導航系統(tǒng)的分類（一）慣性導航系統(tǒng)的分類（一）n按照導航系統(tǒng)采用的導航坐標系不同，可按照導航系統(tǒng)采用的導航坐標系不同，可以將導航系統(tǒng)分為：以將導航系統(tǒng)分為：當?shù)厮綉T導系統(tǒng)當?shù)厮綉T導系統(tǒng)：采用當?shù)厮阶鴺讼底鳛椋翰捎卯數(shù)厮阶鴺讼底鳛閷Ш阶鴺讼担蝗缰副狈轿粦T導系統(tǒng)；游動方位導航坐標系；如指北方位慣導系統(tǒng)；游動方位慣導系統(tǒng)；慣導系統(tǒng)；空間穩(wěn)定慣導系統(tǒng)空間穩(wěn)定慣導系統(tǒng)：導航坐標系采用地球坐標：導航坐標系采用地球坐標系，即慣導平臺穩(wěn)定

12、在慣性空間，這種慣導平系，即慣導平臺穩(wěn)定在慣性空間，這種慣導平臺只有穩(wěn)定回路，不需要跟蹤回路；臺只有穩(wěn)定回路，不需要跟蹤回路；21慣性導航系統(tǒng)的分類（二）慣性導航系統(tǒng)的分類（二）n按照慣性導航儀表的安裝方式，可以將慣按照慣性導航儀表的安裝方式，可以將慣性導航系統(tǒng)分為：性導航系統(tǒng)分為：平臺式慣性導航系統(tǒng)平臺式慣性導航系統(tǒng)：將陀螺儀和加速度計安：將陀螺儀和加速度計安裝在一個穩(wěn)定平臺上，以平臺坐標系為基準，裝在一個穩(wěn)定平臺上，以平臺坐標系為基準，測量運載體運動參數(shù)的慣性導航系統(tǒng)；測量運載體運動參數(shù)的慣性導航系統(tǒng)；捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)：加速度計和陀螺儀直接：加速度計和陀螺儀直接安裝在運

13、動載體上，慣導平臺的功能由計算機安裝在運動載體上，慣導平臺的功能由計算機來完成，有時也稱作來完成，有時也稱作“數(shù)學平臺數(shù)學平臺”；22平臺式慣導系統(tǒng)原理圖平臺式慣導系統(tǒng)原理圖23捷聯(lián)式慣導系統(tǒng)原理圖捷聯(lián)式慣導系統(tǒng)原理圖24慣性導航系統(tǒng)的工作過程慣性導航系統(tǒng)的工作過程n標定標定：確定加速度計敏感的比力和陀螺儀敏感的：確定加速度計敏感的比力和陀螺儀敏感的角速率與實際的比力和角速率之間的關系，提供角速率與實際的比力和角速率之間的關系，提供正確表達加速度計和陀螺儀輸出的系數(shù)。正確表達加速度計和陀螺儀輸出的系數(shù)。n初始對準初始對準：確定每個加速度計輸入軸的方向或者：確定每個加速度計輸入軸的方向或者捷聯(lián)矩

14、陣的初始值；捷聯(lián)矩陣的初始值；n狀態(tài)初始化狀態(tài)初始化：確定導航坐標系中比力二重積分的：確定導航坐標系中比力二重積分的積分常數(shù)（初始速度和初始位置）積分常數(shù)（初始速度和初始位置）n當前狀態(tài)計算當前狀態(tài)計算：根據加速度計和陀螺儀輸出，按：根據加速度計和陀螺儀輸出，按照力學方程組實時解算并提供載體的速度、位置照力學方程組實時解算并提供載體的速度、位置和姿態(tài)角等導航參數(shù)信息；和姿態(tài)角等導航參數(shù)信息；25慣性測量儀表慣性測量儀表n慣性測量儀表是指陀螺儀、加速度計和陀慣性測量儀表是指陀螺儀、加速度計和陀螺儀與加速度計的組合裝置。螺儀與加速度計的組合裝置。陀螺儀用來檢測運動載體在慣性空間中的角運動；陀螺儀用

15、來檢測運動載體在慣性空間中的角運動；加速度計用來檢測運動載體在慣性空間中的線運動；加速度計用來檢測運動載體在慣性空間中的線運動；n“慣性級慣性級”慣性儀表慣性儀表是指精度能夠滿足慣是指精度能夠滿足慣性系統(tǒng)最基本要求，并且能夠用于導航系性系統(tǒng)最基本要求，并且能夠用于導航系統(tǒng)的慣性儀表。統(tǒng)的慣性儀表。慣性級陀螺儀的隨機漂移率小于慣性級陀螺儀的隨機漂移率小于0.015 /h；慣性級加速度計的隨機漂移率小于慣性級加速度計的隨機漂移率小于10-4g/h；26陀螺儀（陀螺儀（gyroscope）n在古希臘語中，在古希臘語中，Gyroscope表示旋轉敏感表示旋轉敏感器器n陀螺儀是一種用于測量運載體旋轉角速

16、度陀螺儀是一種用于測量運載體旋轉角速度和角度的慣性測量儀表；和角度的慣性測量儀表；n經典陀螺儀具有高速旋轉的剛體轉子，現(xiàn)經典陀螺儀具有高速旋轉的剛體轉子，現(xiàn)在陀螺儀這一名稱已推廣到沒有剛體轉子在陀螺儀這一名稱已推廣到沒有剛體轉子而與經典陀螺儀而與經典陀螺儀功能相同功能相同的儀表；的儀表；27陀螺儀：定義、緣起陀螺儀：定義、緣起陀螺：陀螺： 繞自身對稱軸高速旋轉的剛體繞自身對稱軸高速旋轉的剛體 陀螺儀：陀螺儀：陀螺陀螺 + + 支撐及輔助裝置，支撐及輔助裝置，實現(xiàn)某種測量功能實現(xiàn)某種測量功能 從玩具陀螺說起從玩具陀螺說起 高速旋轉的陀螺具有定軸性高速旋轉的陀螺具有定軸性 定軸性易被破壞定軸性易被

17、破壞 破壞（干擾）因素破壞（干擾）因素 非對稱支撐帶來的干擾力矩非對稱支撐帶來的干擾力矩 旋轉受到的摩擦力旋轉受到的摩擦力 28地球自轉的驗證實驗地球自轉的驗證實驗n傅科擺（傅科擺（1851年）年）L=67mM=28kg傅科傅科(1819-1868)2930陀螺的定軸性陀螺的定軸性n陀螺的定軸性表現(xiàn)在它陀螺的定軸性表現(xiàn)在它的轉軸相對于慣性空間的轉軸相對于慣性空間是恒定不變的。是恒定不變的。n傅科傅科(1819-1868) ：法：法國地球物理學家，國地球物理學家，1852年發(fā)現(xiàn)并試圖將年發(fā)現(xiàn)并試圖將其用于驗證地球自轉；其用于驗證地球自轉；但由于當時技術水平限但由于當時技術水平限制，實驗僅僅持續(xù)了制，實驗僅僅持續(xù)了510分鐘；分鐘；31慣性導航對陀螺儀的要求慣性導航對陀螺儀的要求n1. 測量精度測量精度：陀螺儀的精度直接決定慣性：陀螺儀的精度直接決定慣性導航系統(tǒng)的精度；導航系統(tǒng)的精度；n2. 測量范圍測量范圍：對于速率陀螺而言，測量范：對于速率陀螺而言，測量范圍是指最大測量角速度與最小測量角速度圍是指最大測量角速度與最小測量