導(dǎo)航原理組合導(dǎo)航原理.doc

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1、3．組合式慣性導(dǎo)航/制導(dǎo)系統(tǒng)現(xiàn)代組合導(dǎo)航系統(tǒng)是本世紀(jì)70年代在航海、航空與航天等領(lǐng)域隨著現(xiàn)代高科技的發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生的。截止20世紀(jì)末，國內(nèi)外已先后推出200多種不同系列的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，裝備在各種不同類型的艦船上。組合導(dǎo)航已成為當(dāng)今船舶導(dǎo)航最重要的導(dǎo)航設(shè)備之一。預(yù)計(jì)在21世紀(jì)初的第10—30年間，將會推出更多的智能型、多功能、多模式、高精度、高可靠性的組合導(dǎo)航系統(tǒng)。3.1組合導(dǎo)航的概念3.1.1艦船組合導(dǎo)航系統(tǒng)的產(chǎn)生導(dǎo)航技術(shù)對于艦船航行來說是非常重要的。自古以來，人們就尋覓著各種方法來提高導(dǎo)航的精度。每一種新技術(shù)的產(chǎn)生都被迅速應(yīng)用到了導(dǎo)航領(lǐng)域。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展

2、，導(dǎo)航技術(shù)也有了長足的進(jìn)步，各種適應(yīng)于不同的航行載體的導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，如慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、無線電導(dǎo)航系統(tǒng)、多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、天文導(dǎo)航系統(tǒng)等。它們各自都有其優(yōu)點(diǎn)，但也有固有的不足之處。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)具有自主性，它不受外界干擾，相對精度比較高，能輸出多種較高精度的導(dǎo)航參數(shù)（位置、航向、姿態(tài)等），但誤差（尤其是位置誤差）隨時(shí)間積累；無線電導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度不受時(shí)間的影響，但卻受外界干擾影響較大，工作范圍受地面臺站覆蓋區(qū)域的限制；多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)一樣，同屬航位推算類，誤差也是積累的，且多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)必須采用外部航向信息；70年代發(fā)展起來的GPS系

3、統(tǒng)，雖然具有定位和測速精度高，不受時(shí)間與地區(qū)的限制等諸多優(yōu)點(diǎn)，但受制于人，戰(zhàn)時(shí)很難保證正常使用，因此在航行載體上單獨(dú)使用GPS作為導(dǎo)航設(shè)備也是不可取的。由此看來，單一導(dǎo)航系統(tǒng)很難滿足現(xiàn)代航行和戰(zhàn)爭的需要，所以要求有一種準(zhǔn)確、迅速、穩(wěn)定、可靠的導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)生，這就是組合導(dǎo)航系統(tǒng)。早在幾個(gè)世紀(jì)以前，我國古老的航海術(shù)中就已經(jīng)體現(xiàn)出組合導(dǎo)航的技術(shù)思想“舟師試地理，夜則觀星，晝則觀日，隱晦觀指南針”。這是北宋宣和元年朱或著的“萍洲可談”一書中記載的。就是說，當(dāng)時(shí)的航海家用地文航海術(shù)、天文航海術(shù)和磁羅盤進(jìn)行導(dǎo)航，這就是一種組合導(dǎo)航思想的體現(xiàn)?，F(xiàn)代組合導(dǎo)航系統(tǒng)是本世紀(jì)70年代，

4、在航海、航空與航天等領(lǐng)域隨著現(xiàn)代高科技的發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生的。它的發(fā)展是一個(gè)從簡單到復(fù)雜、從用處較少到多用途、從靈活性較小到靈活性較大的過程。從上世紀(jì)50年代起，人們?yōu)榱藵M足航天領(lǐng)域的導(dǎo)航定位要求，就開始了組合導(dǎo)航系統(tǒng)的研究。但由于缺乏必要的導(dǎo)航數(shù)據(jù)組合處理算法，早期的組合系統(tǒng)多采用簡單的功能組合，各導(dǎo)航傳感器之間完全獨(dú)立，組合的潛力遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有發(fā)揮出來。60年代出現(xiàn)的卡爾曼濾波技術(shù)，使組合導(dǎo)航系統(tǒng)向深層次發(fā)展成為可能，即在兩個(gè)（或兩個(gè)以上）導(dǎo)航系統(tǒng)輸出的基礎(chǔ)上，利用卡爾曼濾波去估計(jì)系統(tǒng)的各種誤差（誤差狀態(tài)），再用誤差狀態(tài)的估值去校正系統(tǒng)，達(dá)到綜合的目的，克服了組合設(shè)備各

5、自的缺點(diǎn)，發(fā)揮了各自的長處，使組合系統(tǒng)的精度優(yōu)于任一系統(tǒng)單獨(dú)使用時(shí)的精度。自70年代以來，隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)特別是微機(jī)技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代控制系統(tǒng)理論的進(jìn)步，組合導(dǎo)航技術(shù)開始迅猛發(fā)展起來。美、英、日、俄、德等國家，在微型計(jì)算機(jī)、電子集成技術(shù)及信息濾波融合技術(shù)的推動下，競相發(fā)展了多功能多用途的組合導(dǎo)航系統(tǒng)。廣泛應(yīng)用在飛機(jī)、船舶、潛艇和導(dǎo)彈上。過去單獨(dú)使用的各種導(dǎo)航設(shè)備，通過微型電子計(jì)算機(jī)有機(jī)地組合到一起，發(fā)揮各自特點(diǎn)、揚(yáng)長避短，加之使用卡爾曼濾波技術(shù)等數(shù)據(jù)處理方法，使系統(tǒng)導(dǎo)航能力、精度、可靠性和自動化程度大為提高。其中比較典型的有美國的DD-963型組合導(dǎo)航系統(tǒng)，法國

6、海軍用的以慣性導(dǎo)航為主的SAGEM組合導(dǎo)航系統(tǒng)，德國的NACDS25組合導(dǎo)航系統(tǒng)和F-122護(hù)衛(wèi)艦用的INA組合導(dǎo)航系統(tǒng)，以及加拿大國防研究院為加拿大海軍研制的17維狀態(tài)擴(kuò)展Kalman濾波的組合導(dǎo)航系統(tǒng)等。我國艦船組合導(dǎo)航系統(tǒng)的研究起步于70年代末，經(jīng)過30多年的努力，發(fā)展也很快，已廣泛用于多種型號艦艇、測量船及其它船舶。3.1.2艦船組合導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展趨勢艦船組合導(dǎo)航是一門涉及控制理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、最優(yōu)估計(jì)理論等多學(xué)科于一體的綜合性的科學(xué)技術(shù)。每一項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展都會帶來組合導(dǎo)航技術(shù)的進(jìn)步。目前，現(xiàn)代組合導(dǎo)航系統(tǒng)的研究正向著信息多元化、數(shù)字化、智能

7、化、小型化，向著導(dǎo)航、通訊及主機(jī)控制的集成化方向發(fā)展。主要發(fā)展趨勢可歸納如下：（1）組合導(dǎo)航系統(tǒng)的微型化、自動化要求繼續(xù)升級。隨著微處理機(jī)性能的提高，組合導(dǎo)航系統(tǒng)將優(yōu)先采用多微機(jī)分布式結(jié)構(gòu)或局域網(wǎng)連接，使數(shù)據(jù)交換、處理能力、數(shù)據(jù)利用率大大增加，提高系統(tǒng)的自動化程度。（2）對組合導(dǎo)航系統(tǒng)高可靠性、高精度的要求將是重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)。為此可采用兩套并行獨(dú)立系統(tǒng)互為備份的方案，以提高設(shè)備的可靠性和冗余性，對系統(tǒng)管理軟件應(yīng)增添自檢、報(bào)警、容錯(cuò)等功能。為提高系統(tǒng)的精度，新型導(dǎo)航傳感器將擴(kuò)充到組合導(dǎo)航系統(tǒng)中，同時(shí)將研制和使用高效能的濾波器。（3）組合導(dǎo)航系統(tǒng)的功能更需完善。組合

8、導(dǎo)航系統(tǒng)除有定位、導(dǎo)航、