第1章概论第一节导航概述一、导航的基本概念把飞机、航天器、导弹、舰船等航行体按预先制定的计划和要求，从一个地方（如出发点）引导到目的地的过程称为导航。导航系统就是完成上述引导任务的设备。导航系统必须随时测出航行体的即时参数，如姿态角、速度、位置等。能测得这些导航参数的物理原理和技术有很多，因此出现了各种类型的导航系统，如无线电导航系统、天文导航系统、卫星导航系统和惯性导航系统等。在飞机、舰船上的导航任务一般由领航员或驾驶员根据导航系统测出的参数来完成。随着航空、航天、航海技术的发展，有些航行体的导航任务并不需要驾驶员操作和控制，而由航行体机载设备自动测出航行体的瞬时参数，并由航行体上的控制系统自动完成，人们常称这类系统为制导系统。弹道导弹、运载火箭的引导就采用制导系1统。通过装载在飞机上的惯性传感器（如陀螺、加速度计等）自动测量飞机即时飞行参数，经过计算机解算出飞机姿态、位置、速度等导航信息的导航系统称为航空机载惯性导航系统（简称惯导系统），本书主要介绍这种航空机载惯性导航系统。二、导航系统的分类（一）导航仪表飞机上最简单的导航设备就是一些导航仪表，它们单独测出飞机的一些参数，如飞机的俯仰角、倾斜角、航向角、磁航向、空速、高度等，供飞行员操纵飞机完成导航任务。我国最早发明的指南针就是最简单的导航仪表。现在不少飞机上仍装有地平仪、磁罗盘、陀螺半罗盘、空速表和高度表等普通导航仪表，虽然这些仪表提供的飞机姿态角、速度、高度等参数不够精确，但作为人工仪表领航以及应急使用还是十分必要的。（二）无线电导航系统利用无线电技术测量导航参数的系统较多，它们的基本功能主要是测高、测向、测速、测距和定位。无线电导航包括多普勒导航系统、无线电高度表、自动定向机、全向信标机、测距系统、塔康系统、罗兰系统、奥米伽系统、雷达、微波着陆、空中交通管制等系统和设备。这类系统门类较多，使用广泛，但由于其工作均与无线电波的传播有关，因而在一定程度上受气候、地形、位置的影响，其作用距离均有一定限制。多普勒导航的基本原理如下所述（见图1-1）
航空机载惯性导航系统图1-1多普勒导航系统飞行器以相同的倾角α和偏角β向前方左右两侧对称地发射两个波束L、R，当偏流角为0°时，两个波束照射到相同的多普勒频率曲线上：当存在偏流角时，两个波束照射到不同的多普勒曲线上，两个多普勒频率存在差值：Af：利用Af调整天线角，直到4f.=0，则天线转动角度即为偏流角。在测定了地速和偏流角后，从导航系统中引进导航信息，通过导航定位计算即可获得飞行器的位置信息。（三）天文导航H天文导航由航海技术发展而来，其基本原理是利2用光学仪器人工观测星体高度角，进而确定航行体的众位置，见图1-2。目前应用成熟的星体跟踪器，利用等高线1星下点光学或射电望远镜接收星体发射的电磁波，进而测量高度角及方位角，从而推算航行体在地球上的位置及航向。在空气稀薄的高空，天文导航对宇宙航行是比较理想的：但在地球附近，天文导航受到云层及气象MN条件的限制。天文导航所用仪器有星体跟踪器、天文罗盘和真实船位高度角六分仪等星体跟踪仪器（亦称星敏感器），能从天空图1-2天文导航示意图背景中搜索、识别和跟踪星体，并测出跟踪器瞄准线相对于参考坐标系的角度。天文罗盘通过测量太阳或星体方向来指示用户航向。六分仪通过对恒星或行星的测量指示出用户的位置和距离。天文导航系统通常由星体跟踪器、惯性平台、计算机信息处理电子设备和标准时间发生器组成。天文导航在导弹定向、卫星定轨、姿态测量上也有其不可替代的应用，在卫星上利用CCD对天体摄像，可获得天体在载体坐标系的位置，已知天体在惯性坐标系的位置，通过计算可得载体相对某一坐标系的姿态。天文导航观测、获取星光信息，不需要地面设备配合工作，隐蔽性好，定位和定向精度高，定位误差与时间无关。由于星体跟踪器观测量受云雾和大气散射的影响，所以只在飞行器飞行高度超过20km时适宜用天文导航系统
第1章概论（四）卫星导航系统卫星导航系统是利用导航卫星进行导航的设备。导航卫星被严格地控制在预定的轨道上运行，利用装在航行体上的无线电装置测出航行体与卫星之间的相对速度或位置，从而确定航行体在地球上的速度、位置等导航参数。它是介于天文导航与无线电导航之间的一种导航系统。整个卫星导航系统包括众多运行的卫星（美国GPS有24颗定位卫星），地面跟踪站，轨道参数计算机，发射、接收无线电设备等。这种导航系统定位精度很高（见图1-3）。（a）低轨道卫星分布（b）中高轨道卫星分布3图1-3导航定位卫星的分布随着电子技术的发展，GPS技术发展很快，采用常规的差分技术，定位精度可达米级；若采用动态载波相位的差分法，定位精度甚至能够达到厘米级水平；GLONASS是俄罗斯发展起来的一种卫星导航系统，它的卫星轨道与美国CPS不同，也具有较高的导航精度；“北斗”是我国具有独立知识产权的一种卫星导航系统，利用载机的高度信息通过双星定位，目前已达到实用阶段：然而，这三种卫星导航系统均属于非自主式导航系统，且其动态响应能力较差，有易受电子战中施放干扰和其他非故意干扰以及外界环境和信号遮挡的限制等缺点，如果与惯性导航系统相组合，上述缺点能够得到有效的弥补。近年来欧洲发展了一种新的卫星导航体系，称为“伽利略”卫星导航系统。“伽利略”卫星导航系统计划于1999年提出，经过长时间的酿，2002年3月26日，欧盟15国交通部长会议一致决定，正式启动“伽利略”导航卫星计划，这标志着欧洲将拥有自已的卫星导航定位系统，即将结束美国GPS独霸空间的局面。该系统经费由欧洲航天局成员国和欧洲工业界等联合投资，费用公方和私方各占50%。与20世纪70年代美国建成的GPS相比，“伽利略”系统是一个更经济、实用、高效、先进的系统。按照欧洲目前的设想，“伽利略”系统定位精度可达厘米级。如果说CPS只能找到街道，“伽利略”则可找到车库门。“伽利略”为地面用户提供三种信号：免费使用的信号、加密且需交费使用的信号、加密且需满足更高要求的信号，其精度依次提高，最高精度是GPS的10倍，即使是免费使用的信号精度也达到6m
航空机载惯性导航系统“伽利略”系统的另一个优势在于，它能够与美国的GPS、俄罗斯的GLONASS实现多系统内的相互兼容。“伽利略”的接收机可以采集各个系统的数据或者通过各个系统数据的组合来实现定位导航的要求。“伽利略”除能提供精确的定位信号外，还可以提供移动电话服务业务用于救生行动，如接收失事飞机的求救信号后，快速通知附近的救援部门。据称，这些是GPS无法实现的。毫无问，“伽利略”是CPS强有力的竞争对手，与已形成垄断地位的GPS相比，“伽利略”由于采用了许多新技术而更加灵活、全面、可靠，可以提供完整、准确的数据信号。较高的功率使“伽利略”的信号可以很容易克服干扰和进行接收，还可以为高纬度地区以及中亚和黑海地区提供较好的数据。“伽利略”系统的卫星星座由分布在3个轨道上的30颗中等高度轨道卫星（MEO）构成，具体参数为：每条轨道10颗卫星（9颗工作，1颗备用）：卫星分布轨道面数为3：轨道倾斜角56；轨道高度24000km；运行周期14h4min；卫星寿命20年；卫星重量625kg；电量供应1.5kW；射电频率1202.025MHz，1278.750MHz，1561.098MHz，1589.742MHz。卫星个数与卫星的布置和美国GPS的星座有一定的相似之处。“伽利略”系统的工作寿命为20年，中等高度轨道卫星（MEO）星座工作寿命设计为15年。“伽利略”系统的地面部分主要完成两个功能：导航控制和星座管理功能以及完好性数据检测和分发功能。导航控制和星座管理部分由地面控制部分（CCS）完成，主要由导航系统控制中心（NSCC）、无人控制轨道/同步监测站（OSS）工作站和遥测遥控中心（TCC）三部分构成：其中，OSS工作站共32个，无人监管并且只能接收星座发出的导航电文和星座运行环境数据，4并把数据传送到导航系统控制中心，由导航系统控制中心检测和处理：分布在4点的遥测遥控系统接收导航系统控制中心卫星控制设备（SCF）提供的导航数据信息，并上传到星座。完好性数据检测和分发功能主要由欧洲完好性决策系统（EIDS）完成，EIDS主要由完好性监视站（IMS）、完好性注人站（IULS）和完好性控制中心（ICC）三部分组成。其中，无人监管的完好性监视站接收来自星座的L波段信号，用来计算“伽利略”系统完好性的原始卫星测量数据：完好性控制中心包括完好性控制设备、完好性处理设备和完好性服务接口，用来接收完好性监视站的数据，并发送数据到完好性注人站，由完好性注人站将数据以S波段发送到星座上。CCS和EIDS之间，通过ICC和NSCC可进行数据通信。由于“伽利略”计划耗资巨大，欧盟非常欢迎其他国家参与这一计划以降低风险。目前欧盟以外正式参加“伽利略”计划的有中国、乌克兰和以色列三个国家。2005年，印度、巴西、墨西哥、智利、韩国、加拿大、阿根廷和澳大利亚也进人谈判之列。2003年9月18日，作为中欧“伽利略”计划的结晶，中国科技部与欧盟委员会在北京正式签署了合作协议。2004年10月9日，中国国家遥感中心与欧洲“伽利略”联合执行体分别代表国家科技部和欧盟签署了《关于“伽利略”计划合作协议》（简称“合作协议”），进一步明确了中欧双方在“伽利略”计划中的合作范围和内容。中国由此成为第一个加人“伽利略”计划的非欧盟国家。①本书“重量”均为“质量”（mass）概念，单位为千克（kg）
第1章概论2005年3月9日，中国国家遥感中心与“伽利略”卫星导航有限公司在北京签署了关于执行《中国国家遥感中心和“伽利略”联合执行体关于“伽利略”计划合作协议》的总承包协议。根据该协议，“伽利略”公司受中国国家遥感中心的委托，将作为组织和开展中欧“合作协议”中所涉及的相关项目和活动的总承包商，与国内相关工业界、科研机构大学以及其他相关单位，共同完成该“合作协议”中规定的、应由中方承担和完成的相关任务，从而更好地履行中方在该“合作协议”中的责任、权利和义务。协议的签署，对促进中国和欧盟国家在高科技领域的合作，推动国内民用卫星导航产业的发展，都具有重要的现实意义和深远的战略意义。首先，中国加人“利略”计划，将使中国拥有该系统20%的所有权和全部使用权，拥有一个有自已股权，能进行管理和控制，进而保障相关服务可靠性、稳定性、安全性的民用卫星导航系统。其次，中方的投资不仅仅是购买系统的服务，中方将派团队参与整个计划的决策与管理。中国公司和科研单位将与欧洲合作进行卫星核心技术的研发，这是一种真正意义上的合作，对中国相关技术的发展将会有巨大的促进作用，可以为我国自主开发导航卫星系统提供重要的科研平台。中国经济的发展需要先进的导航技术和安全稳定的导航信号，美国GPS的安全性无法满足中国的要求，因此参加“伽利略”计划既是一种现实需要也是一种明智之举。（五）惯性导航系统惯性导航系统利用惯性敏感元件（加速度计和陀螺）测量航行体相对惯性空间的线运动和角运动参数，在给定的运动初始条件下，由计算机解算出航行体的姿态、方位、速度和位置等参数，从而引导航行体完成预定的航行任务。惯性导航最主要的惯性敏感元件是加速度计和陀螺仪。这两种元件是根据牛顿力学定律5测量航行体相对惯性空间的线运动和角运动参数的（某些新型陀螺，如激光陀螺、光纤陀螺等，它们的工作原理不属于牛顿力学定律范畴）。用这两种惯性元件与其他控制元件、部件、计算机等组成测量系统，完成导航参数的测量，故称惯性导航系统。惯导系统依靠自身的惯性敏感元件，不依赖任何外界信息测量导航参数，因此，它不受天然的或人为的干扰，具有很好的隐蔽性，是一种完全自主式的导航系统。它的主要缺点是定位误差随时间而积累，因而在长时间工作后，会产生不同程度的积累误差。此外，它对陀螺、加速度计、计算机的精度要求高，成本也较高。然而惯性导航系统在军事上使用价值很高，也广泛用于民航、航天、航海、地质探测等领域。（六）组合导航上述几种类型的导航系统各有优缺点。为了提高导航系统的定位精度和性能，往往将上述两种以上的导航系统组合成为组合式导航系统，如无线电/惯导系统、天文/惯导系统、卫星/惯导系统、无线电/天文/惯导系统、多普勒/卫星/惯导系统等。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导系统能够提供比较多的导航参数，还能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由其他导航系统弥补。由于惯导/GPS/GLONASS/北斗组合导航系统克服了系统各自的缺点，而且组合后的导航性能比任一系统单独使用时要高，因而受到导航界人士的关注和重视，成为现代导航技术的一个重要的发展方向，其在军事方面的应用也极为广泛