无线电导航原理及系统3-11

《无线电导航系统（第2版）》教学大纲一、课程信息课程名称：无线电导航系统（第2版）课程类别：素质选修课/专业基础课课程性质：选修/必修计划学时：64计划学分，4先修课程：无选用教材：《无线电导航系统（第2版）》，吴德伟主编，2023年，电子工业出版社教材。

适用专业：本课程可作为导航专业课程教学的课程，也可供其他相关专业学生和工程技术人员阅读参考，还可作为导航理论的培训课程。

课程负责人：二、课程简介无线电导航是在20世纪初发展起来的导航门类口第二次世界大战以后，尤其是进入21世纪后，由于军、民用航空导航的需求日益增多和电子技术的飞速发展，无线电导航成为各种导航手段中应用最广、发展最快的种7成为导航中的支柱门类。

本课程从系统的角度完整地介绍了军、民用现代无线电导航系统，内容包括导航的基本概念、相关知识，无线电导航系统的任务、构成、性能和发展；用于近程航空导航的中波导航系统、超短波定向系统、伏尔系统、地美仪系统、塔康系统、俄制近程导航系统，用于远程航空导航的罗兰-C系统、卫星导航系统和自主无线电导航系统：用于飞机着陆引导的米波仪表着陆系统、分米波仪表着陆系统、微波着陆系统和精密进场霄达系统。

三、课程教学要求求与相关教学要求的具体描述。

“关联程度”栏中字母表示二者关联程度。

关联程度按高关联、中关联、低关联三档分别表示为“H”“U”或"1”。

”课程教学要求”及“关联程度”中的空白栏表示该课程与所对应的专业毕业要求条目不相关。

四、课程教学内容五、考核要求及成绩评定六、学生学习建议(-)学习方法建议1.依据专业教学标准，结合岗位技能职业标准，通过案例展开学习，将每个项目分成多个任务，系统化地学习。

2.通过每个项目最后搭配的习题，巩固知识点。

3.了解行业企业技术标准，注重学习新技术、新工艺和新方法，根据教材中穿插设置的智能终端产品应用相关实例，对己有技术持续进行更新。

4.通过开展课堂讨论、实践活动，增强的团队协作能力，学会如何与他人合作、沟通、协调等等。

测绘工程导论之GPS的原理及应用教学班级：4（土木088班）学生：王海龙学号：200802524指导教师：魏冠军GPS的工作原理和运用摘要1973年美国国防部开始GPS实验计划，由于GPS可向全球用户提供连续、快速定时的、高精度的三维坐标、三维速度和时间信息，所以得到美国政府和三军的高度重视，并列为美国重点空间计划之一，成为继阿波罗登月计划、航天飞机计划之后的第三项庞大空间计划。

整个计划耗资300亿美元以上，目前已基本完成。

本文将简单介绍关于GPS的基本组成原理和在社会科学各个领域的应用，以及GPS在未来发展中的前景。

1.GPS的组成及原理GPS是由三个部分组成，分别是：空间段（空间卫星），控制段（地面监控系统）和用户段（用户设备）。

1.1卫星空间GPS布放在空间的卫星是由24颗组成，工作卫星21颗，备用卫星3颗，其运行轨道参数如下：（a）分布在六条近似圆形轨道上（b）各轨道面在赤道面上相互间隔60度（c）相对赤道面倾角均为55度（d）轨道平均高度20200千米（e）卫星运行周期11小时58分钟（f）每个轨道原则上布放4颗卫星这种轨道参数及配置，可以保证在地球上和地球上空任一处，一天24小时任何时候都可以看到4颗以上的GPS卫星，这有利于全球范围内进行实时定位，有利于提高定位精度。

1.2地面监控系统地面监控系统是由1个主控站，3个注入站及5个检测站组成。

1.3用户设备GPS的接受设备用于卫星信号的捕获，信号处理，数据调节，坐标转换，导航计算，人/机接口等工作。

用户设备一般包括GPS接收天线，用户接收处理机和控制显示设备三部分，核心是接收处理机，简称GPS接收机。

由于卫星的位置精确可知，在GPS观测中，我们可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置(X,Y,Z)。

考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和钟差，因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度和高程。

第一章绪论1.1.1导航与导航系统的基本概念1.导航导航的基本含义是引导运行体从一地到另一地安全航行的过程。

导航强调的是“身在何处，去向哪里”是对继续运动的指示。

导航之所以定义为一个过程，是因为它贯穿于运动体行动的始终，遍历各个阶段，直至确保运行达成目的。

应当说大部分运行体都是由人来操纵的，而对那些无人驾驶的的运行体来说，控制是由仪器或设备来完成的，这时的导航就成为了制导。

近年来人们将定位于导航并列提出。

事实上定位提供的位置参量是一个标量，只有将其与方向数据联合起来成为矢量，才能服务于运行体的航行。

因此定位与测角、测距一样是导航的技术之一，通过定位可以实现导航。

也可以说定位是静态用户要求的；但对动态用户而言要求的是导航。

2.导航系统导航系统是用于对运行体实施导航的专用设备组合或设备的统称。

导航系统是侧重于实现特定导航功能的设备组合体，组合体内的各部分必须按约定的协调方式工作才能实现系统功能，而导航设备一般是指导航系统中某一相对独立部分或产品，或实现某一导航功能的单机。

1.1.3 导航及无线电导航系统的分类导航是一门基于“声、光、电、磁、力”的综合性的应用科学，实现导航的技术手段很多，按其工作原理或主要应用技术可分为下述类别：（1）天文导航——利用观测自然天体（空中的星体）相对于运行体所在坐标系中的某些参量实现的导航称为天文导航。

（2）惯性导航——利用牛顿力学中的惯性原理及相应技术实现的导航称为惯性导航。

（3）无线电导航——利用无线电技术实现的导航称为无线电导航。

（4）地磁导航——利用地球磁场的特性和磁敏器件实现的导航称为地磁导航。

（5）红外线导航——利用红外线技术实现的导航称为红外线导航。

（6）激光导航——利用激光技术实现的导航称为激光导航。

（7）声纳导航——利用声波或超声波在水中的传播特性和水声技术实现的导航（用于对水下运行体的导航）称为声纳导航。

（8）地标或灯标导航——利用观测（借助光学仪器或目视）已知位置的地标或灯标实现的导航称为地标或灯标导航。

第1章绪论1.1导航的发展简史1.1.1导航的基本概念导航是一门研究导航原理和导航技术装置的学科。

导航系统是确定航行体的位置方向，并引导其按预定航线航行的整套设备（包括航行体上的、空间的、地面上的设备）。

一架飞机从一个机场起飞，希望准确的飞到另外一个机场就必须依靠导航、制导技术。

导航，即引导航行的意思，也就是正确的引导航行体沿预定的航线，以要求的精度，在指定的时间内将航行体引导至目的地。

由此可知除了知道起始点和目标位置之外，还要知道航向体的位置、速度、姿态等导航参数。

其中最主要的是知道航行体的位置。

1.1.2导航系统的发展在古代，我们的祖先一直利用天上的星星进行导航，在古石器时代，为了狩猎方便，人们利用简单的恒星导航方法，这就是最早的天文导航方法。

后来，随着技术的不断发展和人们对事物认知的发展，人们利用导航传感器来导航，最早是我们祖先发明的指南针。

现有的导航传感器包括六分仪、磁罗盘、无线电罗盘、空速表、气压高度表、惯性传感器、雷达、星体跟踪器、信号接收机等。

以航空领域为例，从20世纪20年代开始飞机出现了仪表导航系统。

30年代出现了无线电导航系统，即依靠飞机上的信标接收机和无线电罗盘来获得地面导航台的信息已进行导航。

40年代开始研制甚高频导航系统。

1954年，惯性导航系统在飞机上试飞成功，从而开创了惯导时代。

50年代出现了天文导航系统和多普勒导航系统。

1957年世界上第一颗卫星发射成功以后，利用卫星进行导航、定位的研究工作被提上了议事日程，并着手建立海事卫星系统用于导航定位。

随着1967年海事卫星系统经美国政府批准对其广播星历解密并提供民用，由此显示出卫星定位的巨大潜力。

60年代开始使用远程无线电罗兰-C导航系统，同时还有塔康导航系统、远程奥米伽导航系统以及自动天文导航系统。

60年代后，无线电导航得到进一步发展，并与人造卫星导航相结合。

70年代以后，全球定位导航系统得到进一步发展和应用。

在此过程中，为了发挥不同导航系统的优点，互为补充，出现了各种组合导航系统，它们主要以惯性导航系统为基准。

无线电导航原理和机载设备简介导航概述早期的飞行器在空中飞行仅依靠地标导航--飞行中盯着公路、铁路、河流等线状地标；山峰、灯塔、公路交汇点等点状地标；湖泊、城镇等面状地标。

后来，空勤人员利用航空地图、磁罗盘、计算尺、时钟等工具和他们的天文、地理、数学知识，根据风速、风向计算航线角，结合地标修正航线偏差，这种工作叫做“空中领航”。

这种方法虽然“原始”，但航空先驱林伯当年就是依靠这些东西驾驶一架活塞式单发动机飞机“圣路易斯精神号”独自由美国西海岸起程，直接飞越大西洋到达巴黎的，他飞越茫茫大西洋时还通过观察海上的洋流、夜空中的星座来辨别方向、确定位置。

空中领航学是飞行员的一门必修课，其核心是用矢量合成原理修正风对飞行航迹的影响。

随着无线电技术的发展，各式各样的电子设备为飞行器提供精确的导航信息：有用于洲际导航的奥米加导航系统（OMEGA）、适用于广阔海面的罗兰系统（LORAN-A，LORAN-C）、用于近距导航的甚高频全向无线电信标导航系统（VORTAC），另外还有一些专为军事用途开发的导航信标和雷达系统。

现在，利用同步卫星工作的全球定位系统（GPS）已开始广泛使用。

但VORTAC 仍是近距导航的主流，绝大多数现代军民用飞机，包括民航客机、小型通用飞机都配备有VOR接收机（VOR，very high frequency ommi-directional range）。

VORTAC是VOR/DME和TACAN的统称。

VOR/DME是民用系统，TACAN是为适应舰载、移动台站而开发的军用战术空中导航系统（即塔康导航系统）。

两者的工作原理和技术规范都不同，但使用上它们是完全一样的。

事实上，有的VOR/DME和TACAN发射台站是建在一起、使用同一个频率的，对空勤人员来说，只是一个VOR信标。

VOR信标是世界上最多、最主要的无线电导航点。

许许多多的VOR台站相隔一定距离成网络状散点分布，当飞机上的接收机收到VOR信标的信号，飞行人员就可通过专用仪表判断飞机与该发射台站的相对位置，如果台站信号是带测距的（DME，distance measuring equitment），还可知道飞机与台站的距离，从而确定飞机当前的位置，并知道应以多少度的航线角飞抵目的地。

第三章无线电导航理论基础3．1 空间坐标系无线电导航的基本任务就是确定被引导的航行体在运动过程中的状态参数，包括位置、速度、加速度、姿态等，从而完成对航行体的引导功能。

而这些参数是在一定的空间坐标系内定义的，因此要进行导航首先必须建立适当的参考坐标系。

参考坐标系的建立或选择应主要考虑以下两方面的因素：（1）能否直观且完整全面的描述航行体的运动状态；（2）是否便于导航参量的数学描述和导航解算。

由于地球是人类的活动中心，在选择导航空间坐标系的时候，总是以地球为考虑的出发点。

因此在给出导航常用空间坐标系之前，本文首先介绍一下地球的几何形状及其参数, 以便于认识和理解下面介绍的各种空间坐标系。

3．1．1 地球的几何形状及其参数人们对地球形状和大小的认识经历了一个相当长的历史过程。

由于地球围绕太阳公转的同时也在绕其本身的地轴自转，按照自旋的物理特性，地球应该是一个旋转椭球；但是地球又不是一个理想的旋转椭球体，其表面起伏不平，很不规则，有高山、陆地、大海等。

地球的形状通常可由物理表面和数学表面来表示。

物理表面指的是客观存在的地球与外层大气之间的分界面；数学表面则是地球表面重力的等位面，也叫大地水准面（Geoids）。

大地水准面能更好地描述地球几何特性，并且可以通过大地测量来确定。

但是，由于地球形状的不规则和质量分布的不均匀，地球重力场的变化并不规则，造成真实的大地水准面是一个不规则的球面，无法用一个简单的数学方程来表达。

为了描述的方便，通常将大地水准面假想成理想海面，这种海面无潮汐、无温差、无盐分，密度均匀，并且延伸形成闭合曲面。

在实际应用中，人们采用一个旋转椭球面按照一定的期望指标（如椭球面和真实大地水准面之间的高度差的平方和为最小）来近似大地水准面，并称之为参考椭球面。

参考椭球面的大小和形状可以用两个几何参数来描述，即长半轴a和扁率f，其具体数值由大地测量确定。

由于测量方法和手段的不断改进与完善，其几何参数的精度也在不断提高，目前应用中两个比较重要的参考椭球系是克拉索夫斯基椭球和WGS-84椭球，其参考椭球参数如表3.1-1所示。