第1章 导航系统概述1.1 引言将航行载体从起始点引导到目的地的过程称为导航。
导航系统给出的基本参数是载体在空间的即时位置、速度和姿态、航向等，导航参数的确定由导航仪表或导航系统来完成。
在早期导航中，测量导航参数的仪表称为导航仪表，随着测量手段日趋完善和复杂．目前测量导航参数的整套设备称为导航系统。
导航系统有两种工作状态：指示状态和自动导航状态。
如导航设备提供的导航信息仅供驾驶员操纵和引导载体用，则导航系统工作指示状态，在指示状态下，导航系统不直接对载体进行控制；如果导航系统直接提供的信息给载体的自动驾驶控制系统，由自动驾驶控制系统操作和引导载体，则导航系统工作于自动导航状态。
在这两种工作状态下，导航系统的作用都只是提供导航参数，“导航”含义也侧重于测量和提供导航参数。
导航有多种技术途径，如无线电导航，天文导航，惯性导航等可实现相应的导航任务。
在这些导航技术中，惯性导航占有特殊的位置。
惯性导航具有高度自主的突出优点，以牛顿力学为理论为基础，只依靠安装在载体内的惯性测量传感器陀螺、加速度计和相应的配套装置建立基准坐标系，进而获得载体的加速度，推算速度、位置等导航参数。
另外，现代运载体的高精度、长时间、远程导航等导航要求不断提高，单纯惯性导航不能完全满足，采用现代控制理论信息融合方法，以软硬件迅速发展的计算机为计算工具，将惯导系统和其他导航系统综合，构成以惯性导航为主，其他导航手段为辅的组合导航系统，应用日益广泛。
以航空导航为例，早期飞机的导航方法是依靠飞行前制订的飞行计划来确定飞行路径，飞行中依靠磁罗盘、无线电罗盘、速度表和时钟等导航仪表来保持既定航向、速度和大致判别飞行路径，并在可能的条件下用目视地形和明显建筑物的方法来监视飞行路径的正确性和寻找目的地。
20世纪60年代以后，机载惯性导航系统、多普勒导航系统和各种无线电导航系统相继问世。
这些系统都能连续提供飞机的即时位置信息。
制导是一个与“导航”相关的概念，也是和导弹、制导炸弹、制导炮弹、制导鱼雷等带有导航、制导功能的制导武器一起出现的术语。
制导是指自动控制和导引飞行器按预定轨迹和飞行路线准确到达目标的过程，既包含了应用导航的测量值，又包含自动控制的闭环的全部工作过程。
实现导引和控制飞行器按预定规律调整飞行路线导向目标的全部装置称为制导系统。
制导系统的主要功能包括1）根据起始点、目标点和有关约束的信息，建立航迹参数（如位置、速度、航向、航路点、航线等）；2）测量载体的实际运动，确定载体的真实运动参数；3）根据航迹参数与实际运动参数，自动产生控制（制导）信息，传输给运动载体的相应控制部件。
如飞机上的自动驾驶系统可以结合计算机中已存储的飞行路径中各航路点位置信息，再根据导航系统提供的即时导航参数，就能计算出各种可用来纠正飞机航行偏差、指导正确航行方向的制导参数，如应飞航迹角、偏航迹和待飞距离(待飞时间)。
惯导系统和多普勒导航系统还可计算出航迹角误差。
以上参数示意见图1.1(图中还示出真航向、航迹角、偏流角和地速ν)。
待飞距离航点i -1航路点i 偏航距N V 应飞航迹角偏流角航迹角误差真航向航迹角 图1.1 制导参数示意图预定航迹参数设置导航系统飞行控制计算机飞行操作控制部件导弹运动信息指令图1.2 导航制导闭环控制系统示意图 飞行体的制导参数是利用给定飞行计划和系统导航参数计算出来的。
利用制导参数和飞机操纵规律，可以计算出飞机的操纵指令。
通过飞行控制系统，可实现飞机的航行自动化。
按给定的飞行计划飞行，常因飞行条件和任务的改变而不可能实现。
随着科学技术的发展，1980 年代民用飞机以经济、准时、安全为目的，发展了飞行管理系统；军用飞机以完成军事任务为目的，发展了飞行综合控制系统。
这些系统都能在任务和地理、气象情况改变的条件下自动计算规划出最优的飞行路径，并将飞行控制系统和导航系统组合在一起．完成飞行任务。
这种系统对导航系统的准确性和可靠性提出了更高的要求，促使导航系统向综合化和容错化发展，即发展以惯性导航系统为主体的各种组合导航系统和容错组合导航系统。
国外已装机应用的组合导航系统有天文／惯性组合导航系统、VOE ／DME ／惯性组合导航系统、多普勒／惯性组合导航系统和罗兰／惯性组合导航系统等。
20世纪70年代发展起来的导航星全球定位系统，具有全球性和高精度、实时三维定位测速能力，是导航技术的新突破，并且由卫星定位系统和惯性导航系统综合的导航系统已经在军事和民用领域大量使用，这也是21世纪初最理想的航行载体导航系统。
另外，地形、景象辅助惯性组合导航系统也已经在军事领域获得越来越多的应用。
1.2 导航技术发展简史1.2.1 早期导航方式（19世纪前）追溯导航的历史，早在战国时期（约公元前475年—前221年），我国人民已经发现磁石指南北的特性，制出了“司南”，用司南确定准确的时间。
北宋（公元960年—1127年）初期，人们发现了人工磁化法，用天然磁石摩擦钢针，制出了指南针。
指南针作为指示船舶航行方向的仪器在航海中得到了广泛的应用。
之后，人们把指南针固定在方位盘里，制出了罗盘针。
当时，中国航海所使用的是“水罗盘”，即磁针浮于水面，没有固定支点的水浮针盘；欧洲则发展了一种具有万向支架的旱罗盘。
到18世纪末，一种新型的磁罗盘和附属的防磁设备，即液体磁罗经出现了，它能抵抗舰身磁场的干扰，大大减小外界对磁针的影响，保持罗面稳定。
图1.3 指南针的始祖——司南 图1.4 中国古代罗盘针当时，人们在海上航行时还通过观测天空中的星体来确定船只的位置，即天文导航[1]。
天文导航是利用天空中的星体在一定时刻与地球的地理位置具有固定关系这一特点，通过观察星体以确定运载体位置的一种导航方法。
天文导航的优点是不受运载体运动时间、速度和地理区域的限制，隐蔽性好，定位精度较高。
主要缺点是不能连续定位，工作受星体可见度的限制，观察不到星体时，就无法工作。
早期人们还利用地标进行导航[2]。
利用地面上存在的地物、地标（岛屿、航标、特殊建筑物等），这些地物地标在地图或海图上已标明位置。
在运载体上用光学等方法，量测到这些地物地标的距离、方位等几何参量，用测向或测距法定出运载体瞬时地理位置。
常用的仪器有六分仪、经纬仪、望远镜等（见图1.5和1.6）。
这是一种较为简单而可靠的导航方法，但易受气象条件和地域的限制。
在一般能见度情况下，能见距离为10n mile左右，所以只适合于近海导航使用。
图1.5 六分仪图1.6 天文经纬仪随着科学技术与导航技术的发展，又出现了大气数据航程推算法（也叫仪表领航法），以航空导航为例，自20世纪二三十年代开始，飞机上出现了仪表导航系统。
1.2.2 无线电导航随着社会生产发展和人类历史进步的需要，特别是随着航空、航海及航天技术的飞速发展，简单的、单一功能的导航方式和导航仪器已远远不能满足飞机、舰船及其他载体的要求。
因此，也就提出了如何利用当时科学技术的新成就，创造出精度更高、用途更广和适应性更强的导航技术和导航仪器（系统），以适应导航的新要求。
1930 年代，各种无线电导航系统问世。
它的原理是利用无线电波在均匀介质和自由空间直线传播及恒速两大特性，进行引导航行的方法。
它有两种定位方式：一种是通过设置在飞机和地面上的收发设备，测量飞机相对地面台的距离、距离差或相位差定位，如DME测距导航系统、罗兰双曲线导航系统、奥米加双曲线导航系统。
另一种是通过机上接收系统，接收地面台站发射的无线电信号，测量飞机相对于已知地面台的方位角来定位，如伏尔测向导航系统。
目前军用飞机使用较多的是测向与测距共用一个地面台的塔康导航系统。
无线电导航的主要优点是精度较高，缺点是工作时必须有地面台配合，电波易受干扰，也容易暴露自身，在军事上应用就显得严重不足。
1.2.3 多普勒雷达导航系统1960－1970 年代多普勒雷达导航系统和惯性导航系统相继出现。
多普勒雷达导航系统是利用随飞机速度变化，在发射波和反射波之间产生的频率差—多普勒频移的大小，来测量飞机相对地面的速度，进而完成导航任务的一种方法。
这种导航方法，只需要机上设立雷达发射和接收装置便可测出地速的大小。
再借助机上航向系统输出航向角，将地速分解成沿地理北向和东向的速度分量，进而确定两个方向的距离变化及、经纬度大小，也就确定了飞机位置。
多普勒雷达导航的主要优点是无需地面台，因而是主动式，自主性强。
但是它工作时必须发射电波，容易受干扰和暴露自己；此外，定位精度与发射面形状有密切关系，当飞机在海面和沙漠上空工作时，由于反射性极差会大大降低工作性能；同时导航精度也受雷达天线姿态的影响，当飞机接收不到反射波时，就会完全丧失工作能力。
1.2.4 惯性导航系统同时发展起来的惯性导航是一种完全自主式的先进的导航方法[3]，它是根据牛顿力学定律，利用惯性器件来测量运载体本身的加速度，经过一次积分得到运载体的速度，再经过一次积分得到运载体的地理位置。
它能提供运载体姿态、速度和位置九维导航信息，并且由于和外界不发生任何光电联系，因此隐蔽性好，工作不受气象条件的限制。
这一独特的优点，使其成为航天、航空和航海领域中的一种广泛应用的主要导航方法。
1．理论和基础1)1687年牛顿提出了力学和引力定律，是惯性技术的基础；2)1765年俄国欧拉院士出版了“刚体绕定点转动的理论”的书，是陀螺仪理论的基础；3)1852年发现了陀螺效应，法国科学家首先使用“Gyro”(Gyroscope—转动+观察)这个名词；4)1923年，舒勒发表了84.4分的无干扰理论，陀螺仪的设计开始完善；5)1939年，原苏联布尔佳科夫院士出版的“陀螺仪实用理论”一书，认为是陀螺仪实用理论的奠基性著作。
2．现代陀螺的“史前期”（18世纪中期—20世纪初）[4]1)1810年前后，德国培根做了第一个具有转动陀螺的雏形陀螺；2)1851年，傅科的陀螺、傅科摆，验证了地球的自转；1851年，法国物理学家让·傅科在巴黎国葬院安放了一个钟摆装置，摆的长度为67米，底部的摆锤是重28千克的铁球，在铁球的下方镶嵌了一枚细长的尖针。
图1.7 1851年傅科实验场景图1.8 法国国葬院内傅科摆实验的结果与傅科的设想完全吻合，摆的摆动显示为由东向西的、缓慢而持续的方向旋转。
傅科的演示直接证明了地球自西向东的自转。
3)1880年前后，特鲁弗、霍普金斯发明了电动机用于陀螺的驱动，陀螺仪开始走向实用；4)1927年，安修茨设计了实用的用于航海的陀螺罗经，使用了几乎半个世纪。
3．近代惯导系统的发展（20世纪初—1990 年代）1)1920年前后，出现了供飞机使用的转弯速率指示器、人工水平仪和方位陀螺；（1）人工水平仪测量飞机姿态角的关键问题是在飞机上建立一个当地垂线基准，并且该垂线基准既具有方向选择性，又具有方向稳定性。