力学与导航定位技术 1 绪论 导航技术是现代科技中一个很重要的领域，而物理是导航技术理论与实践的技术学科。在这其中，力学理论占了一大部分。力学与导航技术息息相关，很多设计原理都是根据力学计算出来的，包括平衡，扫描，计算定位等等，都需要力学计算原理作为基础。在这里，我简单地介绍了一些导航技术方面知识和力学发展应用原理以及其中的联系与运用。

2 导航定位技术 定位与导航技术是涉及自动控制、计算机、微电子学、光学、力学以及数学等多学科的高技术，是实现飞行器特别是航天器飞行任务的关键技术，也是武器精确制导的核心技术，这对于提高航空器、航天器以及武器装备的机动性、反应速度和远程精确打击能力具有重要意义，在海、陆、空、天等现代高技术武器及武器平台中得到广泛的应用。 按照定位导航的方式可分成：卫星定位导航、自主式导航、组合导航以及无源导航。 2.1卫星导航 2.1.1 卫星导航简介 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20世纪60年代才开始实现。1964年美国建成“子午仪”卫星导航系统，并交付海军使用，1967年开始民用。1973年又开始研制“导航星”全球定位系统。苏联也建立了类似的卫星导航系统。法国、日本、中国也开展了卫星导航的研究和试验工作。卫星导航综合了传统导航系统的优点，真正实现了各种天气条件下全球高精度被动式导航定位。特别是时间测距卫星导航系统，不但能提供全球和近地空间连续立体覆盖、高精度三维定位和测速，而且抗干扰能力强。 2.1.2卫星导航组成部分 卫星导航系统由导航卫星、地面台站和用户定位设备三个部分组成。 ①导航卫星：卫星导航系统的空间部分，由多颗导航卫星构成空间导航网。 ②地面台站：跟踪、测量和预报卫星轨道并对卫星上设备工作进行控制管理，通常包括跟踪站、遥测站、计算中心、注入站及时间统一系统等部分。跟踪站用于跟踪和测量卫星的位置坐标。遥测站接收卫星发来的遥测数据，以供地面监视和分析卫星上设备的工作情况。计算中心根据这些信息计算卫星的轨道，预报下一段时间内的轨道参数，确定需要传输给卫星的导航信息，并由注入站向卫星发送。 ③用户定位设备：通常由接收机、定时器、数据预处理器、计算机和显示器等组成。它接收卫星发来的微弱信号,从中解调并译出卫星轨道参数和定时信息等,同时测出导航参数（距离、距离差和距离变化率等），再由计算机算出用户的位置坐标（二维坐标或三维坐标）和速度矢量分量。用户定位设备分为船载、机载、车载和单人背负等多种型式。 2.1.3卫星导航主要原理 卫星导航按测量导航参数的几何定位原理分为测角、时间测距、多普勒测速和组合法等系统，其中测角法和组合法因精度较低等原因没有实际应用。 ①多普勒测速定位:“子午仪”卫星导航系统采取这种方法。用户定位设备根据从导航卫星上接收到的信号频率与卫星上发送的信号频率之间的多普勒频移测得多普勒频移曲线，根据这个曲线和卫星轨道参数即可算出用户的位置 ②时间测距导航定位：“导航星”全球定位系统采用这种体制。用户接收设备精确测量由系统中 不在同一平面的4颗卫星(为保证结果唯一，4颗卫星不能在同一平面)发来信号的传播时间，然后完成一组包括 4个方程式的模型数学运算，就可算出用户位置的三维坐标以及用户钟与系统时间的误差。 用户利用导航卫星所测得的自身地理位置坐标与其真实的地理位置坐标之差称定位误差，它是卫星导航系统最重要的性能指标。定位精度主要决定于轨道预报精度、导航参数测量精度及其几何放大系数和用户动态特性测量精度。轨道预报精度主要受地球引力场模型影响和其他轨道摄动力影响；导航参数测量精度主要受卫星和用户设备性能、信号在电离层、对流层折射和多路径等误差因素影响，它的几何放大系数由定位期间卫星与用户位置之间的几何关系图形决定；用户的动态特性测量精度是指用户在定位期间的航向、航速和天线高度测量精度。 2.1.4卫星导航系统介绍 2.1.4.1 GPS卫星导航 GPS是美国国防部为军事目的建立的，旨在彻底解决海上、空中和陆地运载工具的导航和定位问题，全部24颗导航卫星（21颗工作卫星和3颗备用卫 星）系统已经建成。GPS采用码分多址（CDMA），定位精度通常15m左右，主要应用于单点导航定位与相对测地定位，具有全天候、定位迅速、精度高、可连续提供三维位置(纬度、经度和高度)、三维速度和时间信息等一系列优点，是实现全球导航定位的高新技术。通常GPS接收机接收到四颗卫星的信号就能够确定移动载体的方位，是当前移动目标导航定位的主流。1992年GPS正式向全世界开放，1994年在中国市场开始得到应用。GPS以精确位置与定时信息， 已成为支持世界范围各种民用、科技和商业活动的一种资源。 2.1.4.2 GLONASS卫星导航系统 GLONASS是前苏联研制并为俄罗斯继续发展的全球卫星导航系统，其组成和功能与美国的GPS相类似，可用于陆、海、空等各类用户的定位、测速及 精密定时等。目前已完成了24颗工作卫星加一颗备用卫星空间星座布局，每天24小时每时刻各地的用户可见5～8颗卫星。卫星识别采用频分多址（FDMA），24颗卫星各占一个频率，现已向全世界开放。 2.1.4.3 GALILEO卫星导航系统 欧洲为了满足本地区导航定位的需求，计划开发针对GPS和GLONASS的广域星基增强系统（EGNOS），包括地面设施和空间卫星，以提高GPS 和GLONASS系统的精度、完备性和可用性。同时，为了打破目前世界美、俄全球定位系统在这一领域的垄断，欧洲决定启伽利略计划，建立自主的民用全球卫定位系统（GALILEO）。EGNOS是欧洲GALILEO计划的第一阶段，也是GALILEO计划的基础。GALILEO系统将建成全球性的定位和导航系统，它由星座部分、有效载荷、地面监控系统以及区域控制部分组成。GALILEO系统将成为独立性、全球性、欧洲人控制的，以卫星为基础的民用导航和定位系统。其总的战略意图是：（1）建立一个高效的民用导航及定 位系统；（2）使之具备欧洲乃至世界运输业可以信赖的高度安全性，并确保任何未来系统安全置于欧洲人的控制之下；（3）该系统的实施将为欧洲工业进军正在兴起的卫星导航市场的各个方面提供一个良好的机会，使他们能够站在一个合理的基础上公平竞争。 2.1.4.4 北斗卫星导航系统 北斗卫星导航系统﹝BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System﹞是中国正在实施的自主研发、独立运行的全球卫星导航系统。北斗卫星导航系统由空间端、地面端和用户端三部分组成。空间端包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星。地面端包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站。用户端由北斗用户终端以及与美国GPS、俄罗斯“格洛纳斯”（GLONASS）、欧洲“伽利略”（GALILEO）等其他卫星导航系统兼容的终端组成。 2.2自主导航 2.2.1 自主导航简介 随着武器性能的不断提高，军事战略思想也在不断地发展，武器系统对导航技术提出更高的技术要求，自主导航技术适应军事战略和武器系统的新要求发展起来的。自主导航技术是航行器或武器系统在不依赖于外部信息的条件下实现精确导航的关键技术，它大大提高了航行器或武器系统的机动性、隐蔽性、强干扰性和生存能力。自主式导航定位系统是利用导航的惯性原理，利用距离传感器、方向传感器等传感器测量运动载体的位移和航向信息，由此解算出移动载体的位置。主要包括惯性导航系统INS和航迹推算Dead Reckoning。 2.2.2 自主导航系统介绍 2.2.2.1 惯性导航系统INS(Inertial Navigation System) INS主要是由惯性测量装置（加速度计和陀螺仪）、计算机和稳定平台（捷联式为"数学"平台）组成。由陀螺和加速度计测量运动载体相对于惯性空间的 角速度和线加速度，通过计算机夹杂导航解算，从而获得运动载体相对某一基准的导航参数。INS具有在高速率下捕捉数据的能力，且精度很高，但是如果时间较长，精度则降低。为提高绝对精度，就需要增加别的传感器作为辅助。 2.2.2.2 航迹推算定位DR DR包括罗盘仪、速率仪、里程仪、转速计。这些传感设备能够测量出正在行驶的车辆的旅行距离、速度和方位，在短时间内这些传感器的精度较高，但对于长时间得采取措施以避免累积误差。

2.3 组合导航 组合导航，用GPS、无线电导航、天文导航、卫星导航等系统中的一个或几个与惯导组合在一起，形成的综合导航系统。大多数组合导航系统以惯导系统为主，其原因主要是由于惯性导航能够提供比较多的导航参数。还能够提供全姿态信息参数，这是其他导航系统所不能比拟的。此外，它不受外界干扰，隐蔽性好，这也是其独特的优点。惯导系统定位误差随时间积累的不足可以由其他导航系统补充。 组合导航是近代导航理论和技术发展的结果。每种单一导航系统都有各自的独特性能和局限性。把几种不同的单一系统组合在一起，就能利用多种信息源，互相补充，构成一种有多余度和导航准确度更高的多功能系统。新的数据处理方法，特别是卡尔曼滤波（见波形估计）方法的应用是产生组合导航的关键。卡尔曼滤波通过运动方程和测量方程，不仅考虑当前所测得的参量值，而且还充分利用过去测得的参量值，以后者为基础推测当前应有的参量值，而以前者为校正量进行修正，从而获得当前参量值的最佳估算。当有多种分系统参与组合时，就可利用状态矢量概念。通常，取误差本身作为状态矢量，不是对速度、方位本身等