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《导航概论》课程论文

导航概论论文

院（系）名 称：测绘学院
专 业 名 称 ：测绘工程
学 生 姓 名 ：何杨
指 导 教 师 ：刘经南

二○一六年十一月

摘要：导航工程内涵，导航方法和原理，自己对导航应用的设想
关键词：导航，方法，原理，应用

导航内涵：采用导航卫星对地面、海洋、空中和空间用户进行导航定位的技术。
导航分两类：
(1)自主式导航：用飞行器或船舶上的设备导航，有惯性导航、多普勒导航和天文导航等；
(2)非自主式导航：用于飞行器、船舶、汽车等交通设备与有关的地面或空中设备相配合导航，有无线电导航、卫星导航。在军事上，还要配合完成武器投射、侦察、巡逻、反潜和援救等任务。卫星导航包括GPS、GLONASS、Beidou、Galileo。
一、惯性导航系统的概念
惯性导航（inertial navigation）是依据牛顿惯性原理，利用惯性元件（加速度计）来测量运载体本身的加速度，经过积分和运算得到速度和位置，从而达到
对运载体导航定位的目的。组成惯性导航系统的设备都安装在运载体内，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，是一种自主式导航系统。惯性导航系统通常由惯性测量装置、计算机、控制显示器等组成。惯性导航涉及到控制技术、计算机技术、测试技术、精密机械工艺等多门应用技术学科，是现代高精尖技术的产物，但其基本定位原理并不复杂。
二、惯性导航技术的发展史
1942年德国在V2火箭上首先应用了惯性导航原理，即采用两台陀螺仪和一台横向加速度表，再加上一台模拟计算机来调整火箭飞行的方位。根据测量数据，模拟计算发出信号调整4个位于垂直尾翼上的外部方向舵来控制火箭的飞行。这是闭环导航系统的一个创新。
二战结束之后，以冯?布劳恩为首的500多名德国火箭科学家，加上他们的设计图纸、实验设备都去了美国，1945年他们在德克萨斯的布利斯空军基地开始了在美国的火箭研制工作，1950年到达了阿拉巴马州的亨茨维尔市，继续从事火箭研究。
在50年代早期，美国空军的西部研发中心邀请麻省理工学院(MIT)的仪器仪表实验室(即后来的德雷伯实验室)设计一种独立的导航系统，该导航系统将安装在康维尔公司的新一代Atlas洲际弹道导弹上，在MIT该项目的负责人是吉姆?弗莱彻(Jim Fletcher)，他后来成为NASA的负责人。Atlas导航系统当中首先包含了机载自主导航系统与地基跟踪指挥系统。后来这两种导航系统还导致了长期的争论，最后在洲际导弹上主要采用自主导航系统，而在空间探索过程中，则是采用两种导航系统的混合物。
1952年夏天，Richard Battin和J. Halcombe Laning, Jr两位博士开始在IBM 650计算机上进行利用MAC语言进行导航计算，直到1958年他们才完成了第一个惯性导航计算模型，而MAC语言作为第一种可以人工阅读的计算机语言也在航天方面得到广泛应用，现在的航天飞机上主系统的开发语言HAL/S就来自MAC语言。
1954年，这两位科学家完成了针对Atlas惯性导航系统的最初的分析工作，而这个项目的技术负责人Walter Schweidetzky曾经是冯?布劳恩的手下，参与过V2火箭的研制。1954年惯性导航系统在飞机上试飞成功。基本原理是将现在的运行轨迹与预先设置的运行轨迹进行比较，然后调整火箭的姿态保证实际运行轨迹与预先设置的运行轨迹重合，不过由于当时计算机的处理能力和惯性导航系统的测量精度问题，火箭的偏差非常大。后来在三角洲(Delta)火箭当中的Q系统才真正解决了这个问题。Q系统最大的特点是可以利用自导驾驶仪当中的速度与方向信号直接进行计算，获得相关导航参数，该系统是在1956年6月21日首次公诸于众，该系统到现在仍然在导弹当中广泛使用。
1958年舡鱼号潜艇依靠惯性导航在北极冰下航行21天，证明了惯性导航不但可以在火箭、飞机上使用，也可以在船舶、潜艇、车辆上使用。
1961年2月，NASA委托MIT为阿波罗登月计划设计导航系统，而对于航天飞机来说，从航天飞机起飞到固体火箭助推器(SRB)分离这个阶段采用开环导航，而固体火箭助推器分析之后，则采用一种叫做PEG4的导航系统。PEG4实际上是将Q系统与Delta系统当中的PEG导航系统结合在一起，并加上了预测校正功能。虽然在过去30年里航天飞机的导航系统多次升级，并加上了GPS导航系统，但是航天飞机与空间探索导航的核心系统还是惯性导航。
三、惯性导航技术的原理
惯性导航系统属于推算导航方式，即从一已知点的位置根据连续测得的运动体航向角和速度推算出其下一点的位置，因而可连续测出运动体的当前位置。惯性导航系统中的陀螺仪用来形成一个导航坐标系，使加速度计的测量轴稳定在该坐标系中，并给出航向和姿态角；加速度计用来测量运动体的加速度，经过对时间的一次积分得到速度，速度再经过对时间的一次积分即可得到距离。
四、惯性导航系统的组成
1.惯性测量仪表：用来测量载体运动的线加速度和角速度信息。常用的惯性测量仪表有陀螺仪和加速度仪。
a．陀螺仪
陀螺仪主要用于获取运动体角运动信息。陀螺仪具有两大特性：一是定轴性，在不受外力矩作用时，陀螺转子的方向始终指向初始恒定方向。二是进动性，在受外力作用时，陀螺转子讲偏离原始方向。根据以上两个特性制成的陀螺仪能够精确测定陀螺轴指向。目前，陀螺仪发展已经进入第四个阶段，即激光陀螺，静电陀螺，振动陀螺广泛应用。在未来，高灵敏度，高可靠性，结构简单，成本低廉的光纤陀螺将是主要发展趋势。
b．加速度仪
加速度计主要用于获取运动体加速度信息。假设加速度计处于垂直方向上，由于地球重力影响，根据牛顿第二定律，只需已知测试元件质量，通过测量测试元件所受的力，便可求出运动体加速度。 通常记f（specific force）定义为作用在单位质量的非引力外力，可由加速度计测出。目前，工程上常采用具有偏心质量的摆式加速度，常见有液浮摆式加速度计，陀螺积分加速度计。
2.惯导平台：用来模拟一个导航坐标系，把加速度计的测量轴稳定在导航坐标系，并用模拟的方法给出载体的姿态和方位信息。
3.导航计算机：完成导航计算和平台跟踪回路中指令角速度信号的计算。
4.输入输出单元：给定初始参数及系统需要的其他参数，并显示各种导航信息。

五、惯性导航技术的分类
按照惯性导航仪表的安装方式，可以将惯性导航系统分为：
1.平台式惯性导航系统：将陀螺仪和加速度计安装在一个稳定平台上，以平台坐标系为基准，测量运载体运动参数的惯性导航系统。
2.捷联式惯性导航系统：加速度计和陀螺仪直接安装在运动载体上，惯导平台的功能由计算机来完成，有时也称作“数学平台”。
六、惯性导航的优缺点

惯性导航系统的优点：
1.由于它是不依赖于任何外部信息，也不向外部辐射能量的自主式系统，故隐蔽性好，也不受外界电磁干扰的影响。
2.可全天候、全时间地工作于空中、地球表面乃至水下。
3.能提供位置、速度、航向和姿态角数据，所产生的导航信息连续性好而且噪声低。
4.数据更新率高、短期精度和稳定性好。

缺点：
1.由于导航信息经过积分而产生，定位误差随时间而增大，长期精度差。
2.每次使用之前需要较长的初始对准时间。
3.设备的价格较昂贵。
4.不能给出时间信息。
七、惯性导航系统在各个领域的应用
惯性导航技术不断拓展到新的应用领域，其范周已经由原来的陆地车辆、船舶、舰艇、航空飞行器等扩展到了大地测量、资源勘测、地球物理测量、海洋探测、铁路、隧道、航天飞机、星际探测、制导武器等各个方面，在我们日常生活中的必备用品中，如：摄影机、儿童玩具中惯导技术也被广泛应用。
1.武器领域 惯性技术是涉及多学科的综合技术，是现代武器系统必需的核心技术。而惯性导航技术则是各类作战平台必需的核心技术。惯性导航装置不仅使作战平台具有了自主定位能力，而且使指挥员可以随时了解所属部队的行踪和准确位置，从而提高了部队的机动作战能力、协同作战能力，以及自动化指挥能力。惯性导航装置使压制兵器可以迅速确定自己的准确位置，并按照指挥部门提供的目标位置数据确定射击诸元，从而提高了其快速反应能力和精确打击能力。在海湾战争和伊拉克战争中，以军和美军就采用了GPS／INS[5]作为中段制导，红外成像、地形辅助、图像匹配作为末段制导的复合式制导方式的精确制导武器如，SLAM和“战斧”巡航导弹，联合直接攻击弹药(JDAM)等在战争中发挥强大的摧毁性作用。
A航空武器
惯性导航装置最先用于飞机。50年代初就已经演示了机载惯性导航系统。作为商业飞机和大多数军用航空器的惯性导航装置，要求固有位置误差的变化范围在0.5～2 n mile/h（海里/小时），速度误差为2～4m/s（米/秒）。70年代初，以机电陀螺为基础的机载惯性导航装置，已经达到了这些性能指标，可以满足军用和民用飞机的基本导航要求，但由于可靠性不高，因此飞机导航仍主要以无线电导航为基础。此后，机载惯性导航装置的发展目标是，提高可靠性，减少体积、重量和成本，降低维修费，从而减少寿命周期成本。这些要求则反过来推动了惯性测量器件，特别是光电惯性器件的发展。80年代。可靠性高、尺寸小、机械结构简单的激光陀螺成熟，并迅速应用在机载惯性导航装置中，一大批以激光陀螺为基础的惯性导航装置问世，并装备在军用和民用飞机上。激光陀螺正逐步在机载惯性导航领域占据主导地位。90年代，光纤陀螺成熟，并进入机载惯性导航领域。而GPS导航技术的发展以及与惯性导航装置组成机载综合导航系统，进一步强化了惯性导航在机载导航中的地位。
B航海武器
惯性导航装置也成功地用于舰船。舰载惯性导航也是首先以机电陀螺为基础，然后转向光电陀螺。80年代初，美国研制出捷联式激光陀螺导航仪，实验证明其性能参数优于海军的规范要求。随后陆续研制出水面舰船、潜艇、核潜艇等用的高精度激光陀螺导航仪。其他国家也研制和装备了舰载光电导航装置。
C陆地武器
地面惯性导航装置的发展相对迟后一些。由于现代地面战争要求部队能在广阔的地域内快速机动，并迅速投入战斗。这种作战方式需要地面作战平台具有地面导航能力，以不断地准确确定当前位置和精确保持动态姿态基准。美国70 年代初期就开始考察地面导航的方法和技术。1980年有人提出无线电导航可能受到干扰，GPS卫星导航的卫星可能受到攻击，因而地面导航应以自主的惯性导航为基础。在军事部门的支持下，工业部门开始研究将激光陀螺用于地面导航，并将机载激光陀螺惯性导航系统安装在坦克上进行试验。结果，野外试验证明，获得的方位精度、位置精度、姿态误差等数据均优于陆军规范的要求，而且激光陀螺可靠性高、反应时间短、可提供数字输出，以其为基础的惯性导航系统可以满足地面战场的严酷使用要求。因此80年代中期以后，以激光陀螺和光纤陀螺为基础的地面导航系统逐步发展起来。如美国的M109A6“帕拉丁”自行榴弹炮、德国的“豹”2坦克、英国的“勇士”炮兵观察车、瑞典的TGR-11炮兵测地－观察车、FH-77B 155mm牵引榴弹炮等，已经能够完全满足现代地面作战的要求。地面导航装置正逐渐成为地面作战平台必备的装备。
2.有惯导参与的组合导航的应用
惯性导航有着其优越的特点，但也有其局限性，所以将其与其它形式组合而成的组合导航则有着更大的发展空间与应用可能性。
A INS/SAR组合导航技术应用
SAR(Synthetic Aperture Radra,合成孔径雷达)/SAR组合导航系统具有潜在的优越性，国外已将该系统成功应用于军用飞机、精确制导武器、精密武器投掷系统等方面。1993年法国汤姆逊—CSF公司向法国宇航公司交付了第一台“普罗米修斯”导航系统，原型产品阿帕奇空对地导弹制导，该系统就是一个INS/SAR组合系统。我国对INS/SAR组合系统的研制虽起步较晚，但发展很快。中科院电子研究所已成功研制机载SAR实时数字成像处理器的整机控制系统，实现了机上实时数字成像、实时显示和记录，能够实时、直观地呈现雷达扫过区域的地面图像，并能够及时反映系统运转情况、分析质量成像等。该所研制的X波段、多极化、多通道、数字处理的机载SAR分辨率可达10米。国家“863计划”信息领域，众多单位联合公关，在SAR研制方面取得突破性进展。
B公路监测系统
公路，尤其是高速公路建成通车以后，需要一直保持道路的完好与平整以确保行驶车辆的高速、安全与舒适。只就需要经常对道路进行所谓的路面病害监测，诸如路面是否平整、路肩是否整洁，边坡是否稳定，道沟是否畅通，线性是否变形等等。加拿大从80年代末到90年代初做了大量研究工作，Albarta研究厅研制了“机动车道路监测系统”，但该系统的主要缺点为其定位定向测量设备精度较低，而1990年，该省卡尔加里大学测量工程系使用当时世界最先进的测量技术：全球导航定位系统GPS与捷联式惯性测量系统SINS,成功解决这一问题。
C地下油气管道监测
由于土层的移动地下油气管道可能会发生弯曲、破裂和泄漏。因而需要实行动态监测、事先给出预报。管道在底下，常规方法不能解决这一问题，而要解决这一问题，需解决以下两点：一是探测可能的事故地段，二是测定出事故点的位置。前者实际上是局部曲率参数测定问题，后者是定位问题。二者只需SINS系统即可解决。将一小型SINS安装在底盘上，一起放入直径约30厘米粗的管道内。记录下原始数据，并对其进行相应的处理与分析，推算局部曲率并同步确定相应的点位。管道弯曲点的探测及曲率测定问题，对此，陀螺比加速计更加敏感。因此采用角速度来计算，可以达到非常好的效果。
D激光断面测量
将GPS/INS与激光测高仪安装在飞机上，GPS/INS连续测定飞机的位置（含大地高），而激光测高仪用来测量飞机到地面的高度，二者之差就给出了地形起伏状况，亦即给出了地表面的地形模型。这里，INS数据还可以修正激光束的非铅垂性。这种方法的优点，一是机动灵活、不受地形条件的限制，很适合森林覆盖地区的地形测定，无需在地面进行地形测绘，二是高效率、高精确度。
E飞机进场着陆中的应用
飞机进场着陆是飞行的一个重要阶段精确的进场着陆是飞机飞行安全的重要保证。目前国外使用的仪表着陆系统（ILS）和微波着陆系统（MLS）虽然能满足国际民航组织所规定的着陆要求，但这些着陆系统都需要昂贵的地面设备。而INS/GPS组合系统成本低，但精度高，且全天候，成为目前正在热门讨论的飞机着陆系统。

参考文献：
[1]罗建军，马卫华，袁建平，岳晓奎．组合导航原理与应用[M]．西安：西北工业大学出版社，2012．4
[2]张爱军.卫星导航定位技术[R].导航定位技术概论,2012.
[3]董绪荣，张守信，华仲春GPS/INS组合导航定位及其应用[M].长沙：国防科技大学出版社，1998.6
[4]秦永元. 惯性导航[M]. 北京:科学出版社,2006
[5] 高社生，李华星. INS/SAR组合导航定位技术与应用[M].西安：西安工业大学出版社，2004.10

对本门课的建议:总体来说很好，老师讲解的很到位，扩大可我的知识面，如果能够多一些视频资料就好了，这样学生看着也会感到有趣。
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