现代导航与制导课件：1 现代导航概论.ppt

1、医生、患者、手术刀医生、患者、手术刀 本课程不涉及医患矛盾。那么，这三者跟现代导航与制导技术课程有何关系呢？是人体医学、三维成像技术、虚拟传感技术、导航定位技术、制导控制技术交叉融合发展形成的新技术，将广泛应用于各类高精密临床手术。已成为当前最前沿的研究领域之一，是德国、美国引领的国际研究新热点。相关产品的全球市场年增长率：在欧洲为35，美国为20.9；初步估算，未来10年市场需求：欧洲近18亿美元/年的，美国接近29亿美元/年。中国将达10亿美元/年。医生、患者、手术刀医生、患者、手术刀电脑手术导航系统 手术定位精度毫米级电磁式鼻窦导航系统鼻腔的GPS手术全息导航精确定位微创手术治疗抑郁症计

2、算机三维导航定位将脊柱手术缩短一半时间利用卫星导航定位系统治疗颅脑肿瘤德国三维可视导航定位祛瘤系统近视手术也用“GPS”？将GPS用在骨科手术中GPS服务颈椎手术ADI iMEMS运动检测技术应用于掌上手术导航NDI全球领先的医学三维测量/定位系统设计制造商1 现代导航概论1.1什么是导航1.2卫星导航1.3无线电导航1.4惯性导航1.5特征匹配1 现代导航概论什么是导航什么是导航关于导航（navigation）并没有普遍认同的严格定义。牛津辞典将导航定义为：“通过几何学、天文学、无线电信号等任何手段确定或规划船舶、飞机的位置及航线的方法。”这里包含两个概念，首先是确定运动物体相对于已知参考系

3、的位置和速度，有时也称为导航科学；其次是由一个地方到另一个地方航线的规划与保持，即导航方法。 导航卫星帮忙抓小偷什么是导航什么是导航在此我们只关注导航科学的概念。导航技术（导航技术（navigation technique）是确定位置和速度的方法，可以是人参与的也可以是自动实现的。导航系统有时也称作辅助导航设备，是自动确定位置和速度的装置。导航技术基于三类方法：几何测量法、航位推算法、特征匹配法，下面将具体说明。几何测量法几何测量法通过测量用户到已知点的距离、方向实现定位。二维定位如下图所示：X代表未知的用户位置，A和B代表位置已知的两个参考点。几何测量法几何测量法 几何测量法实现二维定位一般

4、通过测量相对两个已知参考点的方向实现。如果两个已知参考点与用户近似位于同一平面，则用户到两点的距离可测量，则用户位于以两个参考点为圆心的圆弧焦点上，圆半径对应距离测量值。几何测量法实现三维定位是二维定位方法的空间延拓。特征匹配法特征匹配法将当前位置的特征，如地标、航路点、地形高度、地图、地磁场、重力场、参照物图像，跟空间位置相关的物理场数据或者函数进行匹配计算获得用户的位置信息。航位推算法航位推算法航位推算原理是测量位置变化量、或者测量速度并进行速度积分，与初始位置相加，从而获得当前位置。速度或行程在载体坐标系中测量，因而需要另外的姿态测量以获得参考坐标系下的行进方向。1.1什么是导航1.2卫

5、星导航1.3无线电导航1.4惯性导航1.5特征匹配1 现代导航概论卫星导航卫星导航卫星导航卫星导航：利用导航卫星发射的无线电信号，求出载体相对卫星的位置，再根据已知的卫星相对地面的位置，计算并确定载体在地球上的位置的技术。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。利用太阳、月球和其他自然天体导航已有数千年历史，由人造天体导航的设想虽然早在19世纪后半期就有人提出，但直到导航星到20世纪60年代才开始实现。卫星导航卫星导航世界第一个卫星导航系统是美国海军的“子午仪卫星导航系统”（Transit system）。1958年开始研发，1961年第一颗试验卫星发射，1964年系统开始

6、投入使用。并于1996年退役。目前世界上已经建成和在建的全球卫星导航系统主要包括：uGPS 美国uGalileo 欧盟及其合作伙伴uGLONASS 俄罗斯uCOMPASS 中国卫星导航卫星导航COMPASSGalileoGLONASSGPS卫星导航卫星导航GPS的研发始于1973年，当时许多美国军用卫星导航计划浮出水面。1978年第一个实际运转的原型卫星发射升空，1993年公布了整个GPS的初始运行能力。虽然作为军用卫星导航系统研发，现在GPS已经广发应用于民用领域。俄罗斯的GLONASS与GPS同时研发，也是一个军用系统，首颗卫星于1982年发射。卫星导航卫星导航Galileo卫星导航系统是

7、由民间控制的民用卫星导航系统。首颗卫星在2005年发射，计划于2010年2012年具备初始运行能力，由于受到欧洲经济危机和资金短缺的影响，发展严重滞后。GPS和GLONASS目前正在经历着卫星现代化计划。这些系统，依据同样的原理工作统称为GNSS。卫星导航卫星导航“格洛纳斯GLONASS”是俄语中“全球卫星导航系统GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTE”的缩写。俄罗斯 1993年开始独自建立本国的全球卫星导航系统。1995年俄罗斯耗资30多亿美元，完成了GLONASS导航卫星星座的组网工作。它也由24颗卫星组成，原理和方案都与GPS类似。卫星导航卫星导航GPS、GL

8、ONASS和Galileo的系统设计都包含一个星座，其中有24颗或更多的卫星沿半径为2500km3000km的轨道飞行，确保在任何地方至少能收到4颗卫星的信号。每颗卫星在2个到3个频段上播发同步的时间信号，载波频率在1145MHz和1614MHz之间。卫星导航接收机可以解算出三维定位结果，通过被动测量到四颗卫星的距离来校正时钟偏差。卫星导航卫星导航卫星导航卫星导航北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星定位与通信系统（CNSS），是继美国的全球定位系统（GPS）和俄罗斯的GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。系统由空间端、地面端和用户端三部分组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提

9、供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务，并兼具短报文通信能力。卫星导航卫星导航截止2012年5月在轨卫星12颗，已经初步具备区域导航、定位和授时能力。北斗卫星导航系统将在2020年形成全球覆盖能力。目前其定位精度优于20m，授时精度优于100ns。卫星导航卫星导航“北斗”卫星导航定位系统需要发射35颗卫星，足足要比GPS多出11颗。按照规划，“北斗”卫星导航定位系统将有5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，采用“东方红”-3号卫星平台。30颗非静止轨道卫星又细分为27颗中轨道(MEO)卫星和3颗倾斜同步(IGSO)卫星组成，27颗MEO卫星平均分布在倾角55度的三个平面上，轨道高度215

10、00公里。卫星导航卫星导航北斗二代发展历程北斗二代发展历程l 2007年4月14日4时11分，我国在西昌卫星发射中心成功将一颗北斗导航卫星送入太空。l 2009年4月15日零时16分，中国在西昌卫星发射中心成功将第2颗北斗导航卫星送入预定轨道。 l 2010年1月17日0时12分，我国在西昌卫星发射中心，成功将第三颗北斗导航卫星送入预定轨道，这标志着北斗卫星导航系统工程建设又迈出重要一步，卫星组网正稳步推进。卫星导航卫星导航北斗二代发展历程北斗二代发展历程l 2012年4月30日，北京时间凌晨4时50分，中国在西昌卫星用“长征三号乙”运载火箭将中国第十二、第十三颗北斗导航系统组网卫星顺利送入太

11、空预定转移轨道。现代化进程现代化进程近年以来，各卫星导航系统都在加紧现代化的进程。GPS现代化进程，即GPS-III，预计2025年完成；俄罗斯GLONASS系统正经历复兴计划，预计2020年完成；欧洲GALILEO系统正在部署验证系统，预计2018年完成。我国北斗卫星导航系统走 向 世 界 将 面 临 着 国 外 G P S 、GLONASS和GALILEO的激烈竞争。定位精度定位精度GNSS在水平面内提供的标准径向定位精度可达1.0m3.9m，在垂直轴方向提供的定位精度为1.6m6.3m，具体的精度取决于导航卫星服务、接收机设计、信号几何构型。差分技术利用位置已知的基站校正部分误差，由此可

12、将定位精度提高到1m以内。载波相位定位的实时导航精度可以达到厘米级，对于测量和测地学应用，精度可以达到毫米级。定位精度GNSS的主要优势是长期定位精度高，用户设备成本低，一部标准的接收机起价不到100美元。卫星导航主要的局限是信号的连续性不足。GNSS信号容易容易受到偶然或蓄意的干扰，也会被建筑物、地形及树叶遮挡、削弱和反射。室内及高大建筑物间的“城市峡谷”中GNSS信号通常较弱，受多路径干扰，使得测量距离失真，定位精度下降。全球卫星定位系统构成全球卫星定位系统构成全球卫星定位系统构成全球卫星定位系统构成(1)地面控制部分地面控制部分，由主控站(负责管理、协调整个地面控制系统的 工作)、地面天

13、线(在主控站的控制下，向卫星注入寻电文)、监测站(数据自动收集中心)和通讯辅助系统(数据传输)组成；(2)空间部分空间部分，由24颗卫星组成，分布在6个道平面上； (3)用户装置部分用户装置部分，主要由接收机和卫星天线组成。全球卫星定位系统特点全球卫星定位系统特点(1)(1)全天候；全天候； (2)(2)全球覆盖；全球覆盖； (3)(3)三维定速定时高精度；三维定速定时高精度； (4)(4)快速省时高效率；快速省时高效率； (5)(5)应用广泛多功能。应用广泛多功能。应用全球卫星导航系统,从应用的角度可分成以下10类加以简述，这就是：航空、航海、通信、人员跟踪、消费娱乐、测绘、授时、车辆监控管

14、理，和汽车导航与信息服务。应用 欧洲的Galileo便是新建的全球导航星座，它与GPS配合起来，可以大大提高导航卫星的可用性，使单一的GPS市区可用性从55%提高到GPS/Galileo共用时的95%。GPS技术建立广域增强系统(WAAS)逐步代替原先的微波着陆/仪表着陆系统，美国的WAAS系统计划在2003年下半年运营，地面改正数据可以通过静地卫星转发给飞机。应用 卫星导航接收机广泛地用于海上行驶的各类船只，DGPS则广泛地用于沿岸与进港，以及内河行驶的船只，精度可达到2-3m。在卫星导航接收机与无线通信手段集成后，该系统便成为一个位置报告系统和紧急救援系统。许多渔船将GPS与雷达和鱼探器结

15、合在一起，产生明显的经济效益。 应用 卫星导航接收机与无线电通信机的结合是自然发生的，这种融合产生的意义是非常深远的。实际上，这是移动计算机(PDA)、蜂窝电话和GPS接收机的系统集成和完美整合。应用 个人跟踪的应用需求与E911这类导航手机或称定位手机思路相似，但其产品类型和主要功能定位则与它们大相径庭。首先要求其体积和功耗要小，便于隐藏或佩带，如手表之类。其应用功能可以由中心加以激活或启动，以利于获取佩带者所在位置。应用 徒步旅行者、猎人、越野滑雪者，野外工作人员和户外活动者现在常应用袋式GPS定位器，配上电子地图，可以在草原、大漠、乡间、山野或无人区内找到自己的目的地。应用 GPS测绘还

16、可用于绘图、地藉测量、地球板块测量、火山活动监测、GIS领域、大桥监测、水坝监测、滑坡监测、大型建筑物监测等。这种测量技术的实时动态化(RTK)可以用于海洋河道公路测量， 北斗卫星导航定位接收系统以及矿山、大型工程建设工地等作为自动化管理和机械控制。应用 GPS设备还用于作为时间同步装置，特别是作为交易处理定时(如在ATM机中)和通信网络中应用。应用根据中国全球定位系统技术应用协会统计，1993年2009年全球卫星导航系统应用市场产值由5.1亿美元增长到660亿美元。据欧洲全球导航卫星系统管理委员会预测，2010年2020年，全球卫星导航市场规模将由775亿美元增长到2207亿美元，卫星导航终

17、端设备出货量将由4.37亿部增长到10.89亿部。应用在我国，卫星导航产业正处于飞速发展阶段。经预测，卫星导航产业2015年产值将超2250亿，到2020年时我国的导航产值或将达到4000亿元1.1什么是导航1.2卫星导航1.3无线电导航1.4惯性导航1.5特征匹配1 现代导航概论无线电导航无线电导航利用无线电引导飞行器沿规定航线、在规定时间达到目的地的航行技术。利用无线电波的传播特性可测定飞行器的导航参量（方位、距离和速度），算出与规定航线的偏差，由驾驶员或自动驾驶仪操纵飞行器消除偏差以保持正确航线。无线电导航无线电导航无线电导航无线电导航第一次将无线电用于导航是1930年，有七大基本的无线

18、电导航技术：无线电信标无线电信标无线电测向无线电测向方位角方位角/仰角测量仰角测量被动测距被动测距双向测距双向测距双曲线测距双曲线测距多普勒定位多普勒定位无线电导航无线电导航是其中最简单的技术，其原理是根据接收到的无线电信号可指示出用户在无线电发射机附近的位置。测量技术中用户接收机采用方向旋转天线后相控阵天线获得发射台所在方向。无线电导航无线电导航参考的发射台广播的无线电信号随发射方向变化，使用户不需要定向天线就可以获得相对参考台的方位角或仰角测量值。系统中，如GNSS，参考发射台对外广播时钟信号，用户接收机根据时钟信号推算出距离。无线电导航无线电导航如无线电测距系统及北斗卫星定位系统，用户向

19、参考台发射请求信号，在预先设定的时间间隔后，由参考台发回应信号，避免了时钟同步的需求，但用户数量受到限制。系统中，接收机测量两个发射台广播信号到达的时间差。无线电导航无线电导航依据发射机沿预定的轨迹运动，接收机测量收到信号的多普勒频移，从而确定位置。当频移为零时，视线矢量与发射机运动轨迹垂直，得到平行于运动轨迹方向的位置测量值。到发射机运动轨迹的垂直距离可根据多普勒频移的幅度和变化率确定。1.1什么是导航1.2卫星导航1.3无线电导航1.4惯性导航1.5特征匹配1 现代导航概论要点 惯性导航系统 航位推测系统 组合的意义 组合的方式惯性导航系统 一个惯性导航系统（INS）通常包括惯性传感器、计

20、算机和计算机上运行的导航算法，而作为惯性导航系统核心部分的惯性传感器现在已经成为大多数导导弹、潜艇、飞机和轮船弹、潜艇、飞机和轮船等运动载体上的一个标准器件。惯导的姿态四元素算法惯性导航系统 惯性传感器按照其所传感的物理量大致分为以下两类：（1）距离传感器距离传感器：这是一类可用来测量加速度、速度或位移的传感器，例如加速度计、速度计、里程表、多普勒雷达和气压计等。（2）角度传感器角度传感器：这是一类可用来测量角度变化或方位的传感器，例如陀螺仪和磁罗盘等。惯性导航系统 不同类型、不同形式的传感器各有其不同的工作原理、性能等特点，以下对两种常用惯性传感器件做简单介绍：a.加速度计测量的是载体的运动

21、加速度加速度计测量的是载体的运动加速度。弹簧型加速度计是将一定质量的物体固定连接到弹簧上，并将弹簧另一端固定在载体上，利用牛顿第二定律计算物体的加速度值。目前，许多加速度计的设计正转向采用微机电系统（MEMS）形式。惯性导航系统 b.陀螺仪是一种测量旋转速率或者说是单位时间内角度变换量的仪器，他的惯性工作原理十分简单，即一个旋转的陀螺仪在没有外界扭矩的作用下，其旋转的速率和指向在空间保持不变。一个陀螺仪可以用来测量位于某个平面内的旋转速率，而三分量陀螺仪指的是在空间相互垂直的三个轴上各安装一个陀螺仪，用以测量物体的三维旋转运动。陀螺仪有多种形式，比如挠性陀螺、光纤陀螺、挠性陀螺、光纤陀螺、激光

22、陀螺和激光陀螺和MEMS陀螺陀螺等。惯性导航系统 陀螺仪和加速度计通常作为惯性导航系统的惯性传感器。作为惯性导航系统中的惯性部分，惯性测量仪（IMU）通常由安装在三个方向相互垂直的轴上的共计三个陀螺仪和三个加速度计组成，其中每一个轴上的一对陀螺仪与加速度计分别用来测量相应方向上的旋转角速度与运动加速度。惯性导航系统在获得惯性测量仪的传感数据后，通过计算可以确定载体在空间的六个自由度变量，即三个空间位置坐标分量和三个运行姿态角度。 下图以飞机为例画出了他的三个运行姿态角，即航偏角、俯仰角和滚动角。惯性导航系统飞机飞行的三个姿态角惯性导航系统陀螺仪的传感测量误差惯性导航的分类目前，惯性导航基本上可

23、分为平台式（Gimbaled）和捷联式（Strapdown）两大类。平台式惯导平台式惯导：有一个借助陀螺仪来稳定的物理实体平台，而作为惯导系统惯性传感器的陀螺仪和加速度计则安装在该平台上，于是无论在提出与何种运动姿态，该平台的三个分轴方向可始终与惯性坐标系的三个分轴方向保持一致。平台式惯导捷联式惯导捷联式惯导：陀螺仪和加速度计直接固定在载体上，并跟随载体在空间一起转动，整个系统以计算机为中心的数学平台来替代平台式惯导中的常规物理平台。捷联式惯导惯性导航的分类下图是一个指令制导的方框图。惯性导航的分类 与捷联式惯导相比，平台式惯导的一个主要优优点在于其较小的固有误差点在于其较小的固有误差。因为平

24、台式惯导中，三个方向相互垂直的加速度计在空间保持方向不变，所以始终只有竖直方向上的加速度计会受到与地球重力场有关的测量影响，而不像捷联式惯导中的三个加速度计测量值均会受到地球重力场的影响。 与平台式惯导相比，捷联式惯导也有其优越性。因为捷联式惯导系统完全固定在载体上，所以该系统在机械设计上比较简单机械设计上比较简单。惯性导航的基本原理 惯性导航的工作原理基于牛顿运动定律，特别是牛顿第一和第二定律。 惯性导航系统利用惯性测量仪中的加速度计测量载体的运动加速度，利用陀螺仪测量载体的旋转角速度，然后通过计算机对这些惯性测量值进行处理，得到载体的位置、速度和姿态。稍具体的讲，给定载体运动状态的初始条给

25、定载体运动状态的初始条件，我们将加速度测量值对时间进行一次积分件，我们将加速度测量值对时间进行一次积分可获得载体的运动速度，对时间进行二次积分可获得载体的运动速度，对时间进行二次积分可获得其空间位置。同样，将旋转角速度测量可获得其空间位置。同样，将旋转角速度测量值对时间进行积分，惯性导航系统可获得载体值对时间进行积分，惯性导航系统可获得载体在空间三维中的姿态角在空间三维中的姿态角。航位推测系统 航位推测（DR）法在航海定位中的应用已经有好几个世纪的历史，而如今它在车载导航系统中依然扮演着一个重要角色。 简单地讲，航位推测法就是从物体在上一时刻所处的一直为之出发，根据当前的运行航向和航速推算出物

26、体在当前时刻的位置，然后再从当前时刻的位置出发推算出物体在下一时刻的位置，如此反复不已，这就是航位推测定位算法的基本原理。可见，航位推测法的最低需求是航向与航速这两个传感测量值输入，其中航速乘以时间就等于在该航向上的运行距离。组合的意义 惯性导航系统/航位推算（INS/DR）与卫星导航定位系统在功能特点上存在着很多互补性，而这些互补性主要表现在一下几个方面：1.惯性导航系统的运行不依赖于任何外部信息，也不向外部辐射能量，因而它具有很好的隐蔽性和鲁棒性，可在空中、地面和水下等环境中工作，能达到100%的定位有效率。相反，GNSS接收机需要持续地接收来自接收机外部的四颗或者更多颗可见卫星的信号后，

27、才有可能实现定位。组合的意义2.惯性导航系统是通过对惯性测量值进行积分而完成定位的。因此，虽然惯性传感测量值中的误差、噪声可能非常小，系统在一小段时间内的相对定位精度也可能很高，但是这些测量误差、噪声在积分计算过程中会随着时间的推移而积累成越来越大的定位误差。相反，GNSS接收机一旦得到足够多个可供定位的卫星测量值，在正常情况下的定位精度可以在20m以内，并且定位精度不会随着时间的推移而改变。组合的意义3. 惯性导航系统能够提供精度很高的运动位移量，然而因为缺少绝对定位功能，所以它必须与GPS、罗兰-C等某种绝对定位系统相结合才能开始有效工作。4. 惯性传感器的工作是连续的，传感测量值也几乎是

28、连续的，他的测量采样频率只受限于外界数据采集器的运算速度高低。一般来说，低定位频率的GPS不适合单独作为一些具有高动态性载体的导航系统。组合的意义5. 惯性导航系统能同时给出运动载体的位置和姿态角，但是用于定位的GNSS接收机一般来说不能或者很难获得载体的姿态角信息。6. 惯性传感器的运行受地球重力场的影响，而GNSS接收机的工作与重力场无关。7. 惯性传感器价格较贵，并且外界对其参数矫正的这一过程又可能相当复杂。而与之不同的是，GNSS信号是免费的，并且GNSS接收机的价格也已经相当便宜。组合的方式 GNSS与INS/DR的组合一般来说可分为松耦松耦合（合（LooseLoose）、紧耦合（）

29、、紧耦合（TightTight）和超紧耦合超紧耦合（DeepDeep）三种方式。松耦合松耦合： 我们将相互独立运行的GNSS和INS/DR两个导航子系统在位置、速度和姿态角参数域内的组合成为松耦合松耦合，是一种最简单的组合方式。 总体来说，松耦合松耦合方式简单、方便，但是性能较差。组合的方式GPS与INS/DR的松耦合组合的方式紧耦合紧耦合： GNSS与INS/DR在伪距、载波相位和多普勒频移等测距参数域内进行的组合称为紧耦合紧耦合方式，它比松耦合方式复杂，但性能通常较好。 由下图可知，紧耦合紧耦合中的INS/DR子系统所输出的定位、测速结果相当于给GNSS接收机提供了载体运动的参考轨迹，这实

30、际上是将GNSS定位这个非线性卡尔曼滤波问题转化成一个线性卡尔曼滤波问题。组合的方式组合的方式超紧耦合超紧耦合： 是将INS/DR传感器测量值反馈给GNSS接收机的信号跟踪环路，通过先验预报多普勒频移、载波相位/码相位，实现接收机在载体高动态条件下更稳定地捕获、跟踪卫星信号的定位方式。 相比较于前两种组合方式，超紧耦合超紧耦合系统能够在某些原因导致卫星信号不可用的时间段进行伪距、多普勒参数外推预报，卫星信号恢复时GNSS接收机能够迅速重捕获/锁定信号。组合的方式GPS与INS/DR的超紧耦合组合的方式超紧耦合的特殊价值超紧耦合的特殊价值：1、对姿态和速度机动剧烈的高动态载体提供高品质高可靠的导

31、航性能。2、对姿态和速度机动剧烈的高动态载体为GNSS接收机的P码（长周期伪随机序列码）捕获/跟踪提供完整可靠的辅助信息。3、在电子对抗条件下大幅度提高GNSS接收机的抗干扰能力。1.1什么是导航1.2卫星导航1.3无线电导航1.4惯性导航1.5特征匹配1 现代导航概论特征匹配特征匹配技术通过将地形或环境特征与数据库相比较，确定用户的位置。就像人根据地图或一系列指示，比较地标，从而确定位置。用于飞机导航的地形参考导航，如图特征匹配采用雷达或高度计测量出飞机到地形表面的高度，与导航结果中的飞机垂直线高度差，得到地形高度。只要地形高度有足够的变化，通过一系列测量值与地形高度数据库相比较，就可以确定飞机的位置。该系统被称作地形参考导航（Terrain Referenced Navigation ，TRN）。特征匹配地图匹配技术基于这样一个事实，陆地车辆通常在道路或轨道上行驶，而行人不会穿过墙壁，以此限制航位推算的误差漂移，修正位置测量误差，从而使陆地车辆、行人等的导航结果与地图相符合，在导航结果偏离允许的区域时实施修正。特征匹配其他特征匹配技术包括地球磁场地球磁场、重重力场异常的测量力场异常的测量以及天文导航及天文导航。谢谢