导航概论论文
论导航工程
学号;2013301610240 姓名：朱洲宗
摘要：导航工程包括导航时空基准与天文导航、惯性测量、匹配导航、高精度卫星定位导航、组合导航等
关键词：内涵、原理方法、应用、建议；
正文：
导航内涵
什么是导航？自从原始人从他的洞穴游荡，他问，“我在哪里我“（定位问题）”，它的方式使我对我的目的地“（指导的问题），或一起“我怎么从这里到那里”（导航问题）。现代化的武器系统，包括天基，空，地，海，和作为个体的勇士，不仅要有导航的能力，但也有能力直接各种车载传感器和武器因此需要进行交流。今天的战争要求越来越高的精度和时机战场要素（个人战士，地面车辆的同步船舶，飞机，宇宙飞船等 - 还呼吁本小册子“平台”）。这反过来又要求更高的导航导航精度和参考坐标系，导航系统登陆上或集成到所有这些平台上提供这一使命的重要信息。尽管操作的巨大差异，对于导航一些要求的的可能可以通过回答一些基本问题进行分析：?什么是所需的精度和导航性能等级？
?任务的长度是多少？
?什么是动态平台？
在根据问题的给出的一些答案中通用类的组合性能已成为普遍使用的。但是，拥有独自的使命的导航系统必须通过选择和组装建最有效的技术，来解决相对于环境条件，如：电磁战，中的隐身问题和许多其他问题。由此产生的操作要求驱动的尺寸，重量，功耗和复杂性需要的系统，并且因此所得到的资源来开发并获得导航系统。
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。
导航工程包括导航时空基准与天文导航、惯性测量、匹配导航、高精度卫星定位导航、组合导航等。
导航时空基准与天文导航概念内容包括时间系统、坐标系统、地球上的位置航天器的天文导航、深空脉冲星导航；其中时间系统包括时刻与时间的区别、时间的确定（三种物质运动形式来建立时间单位：转动体的自由转动、开普勒运动、谐波振荡运动）、恒星时（由于地球自转轴在空间方向的不断变化，春分点分：真春分点，平春分点；恒星时分：真恒星时，平恒星时）、世界时（真太阳时；平太阳时；
民用时;世界时UT（Universal Time)）、力学时系统（历书时（ET)；地球动力学时（TDT)；太阳系质心力学时（TDB)）、原子时（国际原子时（IAT)；协调世界时UTC；GPS时间（GPST)）；坐标系统包括坐标轴相互垂直的笛卡尔坐标系、由多个截面所组成的曲线坐标系、球面坐标系、地球坐标系（地心坐标系；参心坐标系）、国际地球参考系(ITRS)、天球坐标系、协议天球参考系；地球上位置的确定包括天文经纬度及天文方位角的确定方法；航天器的天文导航分为纯天文的几何解析法、基于轨道动力学方程的滤波方法、天文组合导航方法；深空脉冲星导航包括脉冲星的概念、意义、测量，包括X射线脉冲星导航。
惯性测量内容包括惯性导航与航位推算、惯性传感器、惯性导航系统、惯性导航技术的应用。其中惯性导航定位包括航位推算（磁罗盘+里程计惯性导航）、空间交汇测量（经纬仪、GPS）、数据库匹配导航（地标定位；地形匹配）；航位推算包括惯性测量的惯性空间与牛顿定律；惯性传感器主要是陀螺仪包括机械陀螺（转子陀螺（Spin Mass）；振动陀螺（Vibration）；动力调谐陀螺）、光学陀螺（激光陀螺(RLG)、光纤陀螺(FOG)）、原子陀螺）、转子陀螺的陀螺定轴性、振动陀螺的哥氏效应、光学陀螺的萨格纳克效应；惯性导航系统包括ISA, IMU 和INS以及二维平面惯性导航——平台式系统、捷联式系统；惯性导航的应用与主要体现在军事应用（潜艇、弹道导弹、巡航导弹、智能弹药）、航空航天（航天的卫星姿态控制，航空的通用航空/民用航空、飞机姿态控制）、测绘专业上的应用（移
动测图（MMS）的定位定姿系统）、消费产品（车载导航和手机导航、导航仪、电子游戏、玩具（遥控直升机）、照相机/摄像机防抖技术、易步车（Rob Step）。
匹配导航内容包括包括地形匹配导航、重力匹配导航、磁力匹配导航，导航手段（有源导航手段：GNSS、以短基线，超短基线，主动声呐为代表的声学导航、地形匹配导航定位系统；无源导航手段：惯性导航系统、重力辅助导航）、海洋地磁测量、海洋地磁测量。
精度卫星定位导航内容包括北斗卫星导航系统的需求和现状、全球卫星导航系统（GNSS）（北斗、GPS、GLONASS、Galileo）、北斗导航系统的研发历程（区域有源北斗一号，区域无源北斗二号，全球无源正在建设）、北斗地基增强系统、广域实时精密定位服务系统、室内外协同精密定位系统（羲和）、北斗三频模糊度快速确定方法、北斗/GPS联合解算、北斗单频差分精密导航定位算法、北斗RTK演示系统、北斗导航系统的应用（气象行业应用、交通运输管理和精确导航应用、用北斗实现车道级车辆监控、广域实时精密定位服务系统（MASS）（基准站系统、控制与处理中心系统、信息播发系统、用户系统）、行业应用＿国土资源调查、精细农业、地震监测（形变实时监测）、遥感（无人机准实时精密定位）、交通（铁道机车监控管理）、测绘（解放军61175部队）、产业化（个人位置服务与车载导航））。
组合导航内容包括组合导航的概念、过滤器、GPS / INS组合、组合导航中的应用。其中组合导航的概念包括GNSS/INS以及任两
种导航技术的组合（罗兰-C、手机信号/ WIFI / ZigBee的/ UWB、视觉导航、TERCOM（地形轮廓匹配）、地磁/重力匹配）；过滤器包括现在过滤器的问题、互补过滤装置、卡尔曼滤波；GPS / INS组合包括松耦合系统、紧耦合的系统、INS / GPS制导系统演进；组合导航中的应用包括军事应用、航空航天应用、测绘应用（POS（位置和定位系统））、电子消费产品的应用。
组合导航
在以上这么多的导航方法中组合导航最能够引起我的兴趣。因为在我眼里，组合导航就是多种导航方法和导航体系组合在一起成为一个整体来高效地完成与导航有关的操作需求。那么很明显其他一些比较好的导航方法或者是导航体系肯定就被包括在其中了。而且多种导航的组合使用可以起到弥补相互的不足并且进一步改善和提高精度和准确度，满足人类更高级的导航需求！
一、组合导航的概念：
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。（最基本的组合方法是以推测定位为主，定期用更高准确度的设备进行校正。)
二、组合导航的原理
1、GNSS / INS：
GNSS的全称是全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System），它是泛指所有的卫星导航系统，包括全球的、区域的和增
强的；INS全称Inertial Navigation System，即惯性导航系统，有时也简称为惯性系统或惯性导航。惯性导航系统的工作机理是建立在牛顿经典力学的基础上的。
2、任何两种导航技术的组合：
罗兰-C，罗兰C系统由设在地面的1个主台与2～3个副台合成的台链和飞机上的接收设备组成。测定主、副台发射的两个脉冲信号的时间差和两个脉冲信号中载频的相位差，即可获得飞机到主、副台的距离差。距离差保持不变的航迹是一条双曲线。再测定飞机对主台和另一副台的距离差，可得另一条双曲线。根据两条双曲线的交点可以定出飞机的位置。这一位置由显示装置以数据形式显示出来。
地磁/重力匹配，惯性导航一般存在误差，故与实际多少有些出入，通过惯性导航推算出来的位置精确度的不够会随着实践和距离传递误差从而积累误差，导致经过一段距离或时间后，惯性导航的结果会和实际有很大的出入，因此为了防止误差传播导致的误差累积，需要在议定时间或距离（这个时间或距离有惯性导航系统的精确范围决定）之后对导航结果数据和实际位置信息进行误差修正，地磁/重力匹配就是一种误差修正方法，地球上的地磁场和重力场都是基于位置和地磁以及重力对应的关系建立起来的，也就说一定地区的地磁特性的对应着一定地区的地形特性，可以同地磁场以及重力场的特性来确定地区位置地理信息。
3.过滤器：
组合导航至少是两种导航方法或系统组成的，一般来说我们需要一个地区或地点的地理位置地形地貌信息的时候，就会通过这两种导航手段去搜寻查找，得出的是至少是两个大范围的包含了所需信息的广泛信息，这些信息虽然包含我们所需的，但是由于它除了所需的信息以外，更多的是一些我们不需要的信息，而且两种大范围的区域信息也不相同，所以我们就要通过一定方法将我们所需要的信息提取出来，因此就用到了过滤器。过滤器的作用就是将不同的包含所需信息的区域过滤之后得到我们所求的区域的地理位置地形地貌等基本地理信息，然后通过过滤器一定的计算方法将提取的不同信息综合分析整理最终得到我们所求的区域的具体全面地理信息。
常用的过滤器有互补过滤器比如卡尔曼滤波器，卡尔曼滤波器是一种由卡尔曼（Kalman）提出的用于时变线性系统的递归滤波器。这个系统可用包含正交状态变量的微分方程模型来描述，这种滤波器是将过去的测量估计误差合并到新的测量误差中来估计将来的误差。
三、组合导航的系统组成：
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。
组合导航实际上是以计算机为中心，将各个导航传感器送来的信息加
以综合和最优化数学处理，然后进行综合显示。导航传感器包括各种导航设备和计算机外部设备等，而显示设备等都是输出设备。
海上组合导航系统大致可分为简易型和大型两类。简易型组合导航系统采用大规模集成电路、模块结构和微型计算机控制，其优点是结构紧凑、可靠、轻便、价廉。大型组合导航系统常以惯性导航为主，再由卫星导航、天文导航和各种无线电导航设备作为校准手段，也有以卫星导航为主，与奥米加、罗兰和其他高准确度近程定位系统组合的系统。大型组合导航系统常与自动舵和防撞设备结合而成自动航行系统。大型组合导航系统大量使用微型计算机，实行多机并行工作；采用模块结构和标准接口，可以任意组合和扩展；采用最小二乘法或卡尔曼滤波技术提高系统的准确度。
航空使用的组合导航系统种类很多。军用组合导航系统常以惯性导航为主，再与其他导航设备组合。民用组合导航系统常见的有伏尔导航系统、地美依导航系统、罗兰C导航系统、伏尔塔克导航系统、奥米加导航系统的组合。越洋飞行也用惯性导航与奥米加导航系统组合。
四、组合导航的应用以及发展前景
1、军事：巡航导弹（INS+地形匹配）；潜艇（INS+选配）；
2、航空航天：卫星姿态（陀螺仪+星敏感器）；
3、测绘：POS（位置和定位系统）；
4、电子消费品：PND（便携式导航设备），车载导航，手机wifi；
1．提高GPS系统的抗干扰性能，从而提高GPS/INS组合制导的可靠性；
2．研制新型INS系统，从而提高GPS/INS组合制导的精度；
3．数据融合技术将进一步提高GPS/INS组合制导的性能；
导航应用展望
导航应用在国内基本分为三大应用领域：大众应用、行业应用以及特殊应用。大众应用和行业应用就是通俗所说的北斗民用。大众应用就是指汽车导航、车辆信息服务、跟踪监控、紧急救援、移动位置服务等；行业应用一般是电力、水利等的网路系统中心、应用中心、数据服务中心等。特殊应用即军工类应用，不属于民用范畴。
对于未来的军事和民用应用中，期望的是，使用INS / GPS 系统将增殖，最终导致世界各地导航精度在1米的顺序，这将需要在所有条件下保持。可以预料的是，应用程序，例如个人导航系统，微型飞行器，炮弹，和汽车将是相当常见的。其他应用程序肯定会包括航天器，飞机，导弹，商用车和消费项目。
个人导航系统的未来发展：
在未来，由于人类的自我需求不断加重，个人导航系统也必将不断取得完善和突破。在将来，电子地图将更加普及，而且有望可以
装备上个人简易导航器来配合电子地图的实时导航，车载导航也将更加普及，甚至有望出现个人飞行器，这就更加需要导航仪的精确制导了，而且对于空中交通路线的开辟以及管理提供了很大的数据支持和帮助，与此同时，由于智能技术的不断更新完善，传统的电子地图导航也不仅仅是显示位置方向，还可以根据卫星的实时路况监测进行最优化路径选择，因此人们的出行也将更加的便利快捷。
行业导航技术的未来应用：
与我们生活息息相关的快递事业将得到很大的受益，在以后也许快递人员就不用那么辛苦了，他们可以简单地操纵着无人机，通过无人机的导航系统找到客户地址，这样避免了天气交通等因素的干扰既方便又快捷。
深海养殖产业也可以得到很大发展，深海给人们提供了很大的自然资源，通过深海导航可以实现对深海产业物种的管理以及追踪捕获，同时可以及时获取海下养殖物群的生活情况，方便及时合理调整产业规模使利益最大化。
航天航空事业也会进入蓬勃发展期；人类对太空探索的脚步未曾停止前行。随着人类对太空的不断深层次地探索，太空导航也渐渐变得越来越尤为重要，在神秘未知的外太空，导航系统不仅要为宇宙飞船定位定向开辟航道，更要为其保驾护航，预知未知隐藏的危险，提醒飞船做好抵御危险准备。
军事导航的应用前景展望：导航战
“导航战”是美国军方最近几年秘密进行的一项计划，它是针对GPS(全球定位系统)在未来军事应用中可能遭遇的测量与干扰相对
抗的局面而展开的有关战术及技术措施的研究。“导航战”计划是美国国防部“先期概念技术演示”的一部分，据透露，其研究内容主要是围绕GPS军用所需的干扰/反干扰技术、作战技术以及在接收机/卫星/卫星控制等方面的改进技术。针对敌方干扰，GPS用户可能采用的防御措施主要有以下两种：第一种是技术方法，通过采用专用的自适应天线阵列来为自已的GPS接收机提供电子保护；第二种方法是凭借战术上或操作上的程序，对人为或非人为的干扰进行探测、识别和定位，以用来对硬目标实施攻击。
导航概论教学建议
这学哦期有幸聆听了测绘学院几位著名教授主讲的《导航概论》课，至此，此课程也即将结束了。在此，就我个人感受来谈谈对此课教学的一些想法。
首先毫无疑问的是，老师和助教都十分负责，都在一心一意地传授知识。但是由于此课是多为教授主讲以及测绘学生只是选修此课的特殊性，每个老师对课程教学难度的把握不是很一致，有些教授讲的过于深奥令我们难以理解，有些老师则讲的简单明了通俗易懂，很是不错。对比这样的反差，因此我觉得老师们统一一下教学内容的深浅难易，效果则会更好。
其次，就是教材的问题。我觉得不管怎么样教材还是必不可少的，没有教材，我们就只能眼巴巴看着多媒体放映的文档听着老师讲，这样一来很是被动，对我们的学习也没有多大的好处，有了教材不仅能提高我们的学习效率，还能够提高教学效率。
再者，在教学模式上还可以创新。我们可以不仅仅拘束于传统的老师讲学生听的课堂教学模式，我们也可以改变一下，开一个近似的学术研讨会，探讨导航技术的相关知识。或者选择参观教授的研究所聆听他们的研究项目。也可以和老师们一起学习探讨国外有关导航的最新动态。这样一来避免了课堂有时候出现的枯燥乏味，给大家一个轻松有趣的课堂，将会事半功倍！
参考文献：
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【3】、J. Niemela, “Conclusions and Recommendations”& “Time/Space Positioning,”Vol. I, p. 15 & Vol. II, p. 17, AGARD Advisory Report 360,Aerospace 2020, September 1997.
【4】、T. King, “Precision Pointing and Tracking for Targeting/Fire Control,”Vol. III, pp. 66-67, AGARD Advisory Report 360, Aerospace 2020,September 1997.
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【7】、Basic Guide Of Advanced Navigation
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