《导航技术与导航元》课件

导航技术与导航元导航技术是现代科技发展的重要组成部分，它涉及卫星导航、惯性导航、组合导航等多种技术手段从古代的天文导航到现代的全球卫星导航系统，导航技术经历了翻天覆地的变化本课程将深入探讨各类导航系统的工作原理、技术特点和应用场景，重点介绍、北斗等卫星导航系统，以及惯性导航和组合导航技术通GPS过学习，您将全面了解导航技术的发展现状和未来趋势课程概述导航基本概念及发展历史1从天文导航到现代电子导航的历史演进过程，了解导航技术发展的里程碑事件各类导航系统工作原理2深入学习卫星导航、惯性导航、无线电导航等系统的基本原理和技术特点导航技术应用场景分析3探讨导航技术在航空、海洋、陆地、室内等不同环境下的具体应用导航系统的未来发展趋势4分析新兴导航技术和发展方向，预测导航系统的未来演进路径导航的基本概念要去哪里明确目标位置和导航目的地，这是导航过程的首要前提条件我在哪里确定航行体当前的准确位置，为路径规划提供起点基准怎样到达制定从起始点到目的地的最优行进路径和导航策略导航的定义是将航行体从起始点安全、准确地导引到目的地的技术或方法这个过程需要综合考虑环境因素、技术条件和应用需求，选择合适的导航手段和策略导航技术发展历史古代导航依靠天文观测、地标识别等自然现象进行导航，如北极星导航和地形地貌识别近代导航发明了磁罗盘、六分仪、陀螺仪等导航仪器，大大提高了导航的准确性现代导航发展了无线电导航、卫星导航、惯性导航等电子技术，实现了全天候高精度导航发展趋势向多源融合、智能化、高精度方向发展，融合人工智能和物联网技术导航系统分类按工作原理分类按应用场景分类按覆盖范围分类无线电导航系统航空导航系统全球导航系统•••卫星导航系统海洋导航系统区域导航系统•••惯性导航系统陆地导航系统局部导航系统•••天文导航系统太空导航系统个人导航系统•••地形匹配导航室内导航系统精密导航系统•••导航技术基础模块数据处理系统定位系统对导航信号进行接收、解算和处理，提供确定导航载体的精确位置坐标，是导航系可靠的导航信息统的核心功能模块导航路径规划根据起点和终点规划最优路径，考虑各种约束条件和优化目标人机交互界面误差校正系统为用户提供直观的导航信息显示和操作控制界面识别和补偿各种误差源，提高导航系统的精度和可靠性卫星导航系统概述基本定义系统构成卫星导航系统是利用人造地球由空间段（卫星星座）、地面卫星发射的导航信号，为地面、控制段（监测站和控制中心）、海洋、空中和太空用户提供全用户段（接收设备）三部分组天候三维坐标、速度和时间信成，形成完整的导航服务体系息的无线电导航系统工作原理基于三维空间几何定位原理，通过测量用户接收机到多颗卫星的距离，利用三角测量方法确定用户的三维位置坐标全球卫星导航系统GNSS美国系统中国北斗系统俄罗斯GPS GLONASS全球覆盖，颗工作全球覆盖，颗卫星，全球覆盖，颗工作卫24+3524卫星，军民两用信号，具备短报文通信功能，星，抗干扰能力强，极定位精度约米亚太地区精度更优地覆盖性能优异3-5欧盟系统Galileo民用为主的高精度系统，颗卫星，提供多种服30务等级和增强功能北斗卫星导航系统秒3510m3卫星数量全球精度定位速度北斗三号全球系统总共部署颗卫星，实现全球服务定位精度优于米，亚太地区精度首次定位时间仅需几秒钟，远快于其他导航3510全球覆盖服务更优系统北斗卫星导航系统是中国自主研发、独立运行的全球卫星导航系统该系统具备独特的短报文通信功能，可以在偏远地区实现双向信息传输，在应急救援和特殊应用场景中发挥重要作用北斗系统发展历史北斗一号（年）2000区域试验系统，采用主动定位体制，覆盖中国及周边地区，验证卫星导航技术可行性服务精度约米，主要用于技术验证和试验100应用北斗二号（年）2012区域业务系统，覆盖亚太地区，采用无源定位体制定位精度提升至米级，增加了导航、定位、授时等基本服务功能10北斗三号（年）2020全球业务系统，实现全球覆盖服务能力提供高精度定位、导航、授时服务，具备短报文通信、国际搜救等特色功能北斗系统的技术特性定位精度全球服务精度优于米，区域服务精度可达米，配合地基增强系统可实现105厘米级精度定位速度首次定位时间仅需几秒钟，热启动时间少于秒，冷启动时间小于秒230安全性具备强大的抗干扰能力，采用多频信号设计，提供授权用户高安全性服务短报文通信独有的双向通信功能，可发送个中文字符，在应急救援中发挥重要作用120系统介绍GPS系统构成信号特点现代化进程系统由颗工作卫星组成，分提供两种主要信号频段的正在进行现代化升级，增加新的GPS24+GPS L1GPS布在个轨道面上，轨道高度约码（民用）和码（军用）民用民用信号和，提高精度和抗干620200C/A PL2C L5公里每个轨道面有颗卫星，确保全信号定位精度约米，军用信号精度扰能力新一代卫星具备更强43-5GPS III球任何地点任何时间都能接收到至少更高但受加密保护的信号功率和更好的原子钟性能4颗卫星信号卫星导航定位原理伪距测量测量卫星到接收机的距离三球定位利用三颗卫星确定二维位置四星解算第四颗卫星解决时钟同步问题卫星导航定位基于空间几何定位原理，通过测量用户接收机到多颗已知位置卫星的距离，利用三角测量法确定用户位置由于接收机时钟与卫星时钟存在偏差，实际测量的是伪距，需要至少颗卫星才能解算出三维位置和时钟偏差4卫星导航信号结构载波信号伪随机码高频正弦波信号，承载导航信息，通用于测距和卫星识别的数字编码序列，常为频段的微波信号具有良好的自相关和互相关特性L调制发射导航电文将码和电文调制到载波上，通过卫星包含卫星轨道参数、时钟改正数、电天线向地面广播发射离层模型等导航解算必需信息静态测量原理GPS基准站设置流动站观测差分处理精度提升在已知坐标点设置基准站，连在待测点设置流动站，同步观利用基准站和流动站数据进行消除公共误差，获得高精度相续观测卫星信号测相同卫星差分解算对定位结果静态测量是通过在基准站和流动站同步观测卫星信号，利用载波相位差分技术获得高精度相对定位结果的测量方法这种方法可以达到厘GPS米级甚至毫米级的定位精度静态测量流程GPS观测规划制定测量方案，选择合适的观测站点，规划观测时间和卫星几何条件设备架设架设接收机和天线，进行仪器检查和参数设置，确保设备GPS正常工作数据采集3同步观测卫星信号，记录载波相位和伪距数据，监控数据质量数据处理进行基线解算、网平差和坐标转换，输出最终测量成果接收机与天线GPS手持式接收机测量型接收机天线系统便携小巧，适用于普通导航和简单测量，高精度专业设备，支持载波相位观测，天线类型包括内置天线、外置天线和测定位精度一般为米，电池续航能力强可实现厘米级定位精度，广泛用于测绘量天线，需要考虑增益、相位中心稳定3-5工程性等技术指标数据处理GPS数据预处理周跳探测与修复，粗差剔除基线解算载波相位差分解算，获得基线向量网平差控制网整体平差，优化坐标精度坐标转换大地坐标系转换，输出工程坐标数据处理是一个复杂的计算过程，需要专业软件如、等处理过程中要注意数据质量控制，确保最终GPS TrimbleBusiness CenterLeica Infinity成果的可靠性和精度要求测量误差源GPS卫星相关误差传播路径误差接收机误差卫星轨道误差电离层延迟接收机噪声•••卫星钟差对流层延迟天线相位中心变化•••卫星信号偏差多路径效应时钟偏差•••测量误差来源众多，通过差分技术可以有效消除或减弱大部分公共误差对于高精度应用，需要建立精确的误差模型和改正方法GPS差分技术GPS单基站差分网络RTK基于单个基准站的差分改正，覆盖范多基站网络差分，扩大服务范围，提围有限但精度较高供实时高精度定位星基增强广域差分通过地球同步卫星播发差分改正信息4覆盖大范围区域的差分系统，如的增强系统、等WAAS EGNOS惯性导航系统概述陀螺仪加速度计导航计算机测量载体角速度变化，测量载体的线加速度，处理惯性传感器数据，维持导航坐标系的方向通过积分计算速度和位实时解算位置、速度、稳定性移信息姿态信息惯性平台机械或数学平台，为传感器提供稳定的参考坐标系惯性导航系统是一种自主式导航系统，不依赖外部信号，具有隐蔽性好、抗干扰能力强等优点，但存在误差累积问题惯性传感器技术机械陀螺仪光学陀螺仪传感器MEMS基于角动量守恒原理的传统陀螺仪，利用光学效应测量角速度，包括激光微机电系统传感器，体积小、成本低、精度高但体积大、功耗高主要用于陀螺和光纤陀螺，具有高精度、长寿功耗低，广泛应用于消费电子和低成高精度导航系统和惯性平台稳定命、可靠性高等特点本导航系统转子陀螺仪环形激光陀螺振动陀螺仪•••静电陀螺仪光纤陀螺电容式加速度计•••浮子陀螺仪原子陀螺压阻式传感器•••惯导系统误差分析初始对准误差影响整个导航过程的基础误差陀螺漂移误差随时间累积的角度误差源加速度计零偏导致速度和位置误差积累积分误差累积数值积分过程中的误差放大惯性导航系统的误差特点是随时间不断累积，初始对准精度直接影响导航性能陀螺漂移会导致方位角误差，进而影响速度和位置解算加速度计零偏通过二次积分产生位置误差需要通过外部信息进行周期性校正组合导航系统提供绝对位置GPS提供全球范围内的绝对位置基准，但信号易受干扰，更新频率较低惯导提供连续信息提供高频率的位置、速度、姿态信息，自主性强但误差累积信息融合处理通过卡尔曼滤波等算法实现优势互补，获得最优导航解高精度导航输出输出连续、高精度、高可靠性的导航信息，满足各种应用需求组合导航系统优势提高定位精度与可靠性通过多系统信息融合，有效抑制单一系统的误差，显著提升导航精度和系统可靠性增强抗干扰能力当信号受到干扰或遮挡时，惯导系统继续提供导航信息，保证系统连续GPS工作提供完整导航参数不仅提供位置和速度信息，还能输出姿态角等完整的导航参数，满足复杂应用需求实现无缝导航服务在各种环境条件下都能提供连续稳定的导航服务，适应室内外、地下等复杂场景无线电导航系统短波导航甚高频导航利用短波信号的远距离传播特性，适用于和系统，提供方位角和距离信VOR DME远程导航，但精度相对较低息，广泛用于航空导航信标导航雷达导航地面信标台提供导航信号，覆盖范围有限利用雷达回波测距测向，具有主动探测能但精度较高力，不受天气影响无线电导航系统是现代导航的重要组成部分，特别在航空和海洋导航中发挥关键作用这些系统具有技术成熟、可靠性高的特点导航系统在航空领域应用飞行导航设备空中交通管制精密进近系统现代飞机配备综合导航系统，包括地面管制系统通过雷达和技术仪表着陆系统、微波着陆系统ADS-B ILS、惯导、、等多种实时监控飞机位置，确保飞行安全和着陆系统为飞机GPS VOR/DME ILSMLS GNSSGLS导航手段飞行管理系统集成现代空管系统正向基于性能的导航提供精密进近导引，确保在恶劣天气FMS各种导航信息，提供自动导航功能发展条件下安全着陆PBN主惯导系统二次雷达系统航向台•••ILS导航单元监视下滑道设备•GPS•ADS-B•无线电导航设备航路规划系统测距设备•••导航系统在海洋领域应用电子海图系统ECDIS系统将GPS定位与数字海图相结合，提供实时船位显示、航线规划、避碰警告等功能，是现代船舶导航的核心设备船舶自动识别系统AIS系统通过VHF无线电自动广播船舶身份、位置、航向、航速等信息，实现船舶间信息共享，提高海上交通安全海用雷达系统船用雷达提供360度全方位探测，可探测其他船舶、陆地、浮标等目标，在恶劣天气和夜间航行中发挥重要作用导航系统在陆地领域应用车载导航系统集成定位、数字地图、路径规划算法的车载系统，提供语音导GPS航、实时路况、兴趣点查询等服务现代系统还融合了车联网和云端服务智能交通应用基于导航定位的智能交通系统，包括车辆调度、公交优先、动态路径诱导等应用结合通信实现车路协同和自动驾驶支持5G高精度地图服务厘米级精度的高精度地图配合定位，为自动驾驶汽车提RTK供车道级导航服务包含道路几何、交通标志、信号灯等详细信息导航系统在移动设备中应用在地质测量中的应用GPS地质构造测绘矿产资源勘探利用高精度技术精确测定为矿产勘探提供精确的坐GPS GPS地质构造要素的空间位置，建标基准，确保钻孔、样品采集立数字化地质图件可以快速点位置的准确性结合技GIS获取断层、褶皱、岩层产状等术建立矿产资源数据库，为资构造信息，提高地质调查效率源评价和开发提供科学依据和精度地质灾害监测建立监测网对滑坡、泥石流、地面沉降等地质灾害进行实时监GPS测通过连续观测地表变形，及时发现异常变化，为灾害预警提供重要数据支撑在地面变形监测中的应用GPS工程变形监测大坝、桥梁、高层建筑等重要工程的变形监测，确保结构安全滑坡监测预警对潜在滑坡区域进行连续监测，及时发现变形征兆，预防地质灾害地面沉降监测监测城市地面沉降，为城市规划和地下空间开发提供科学依据地震形变监测监测地壳运动和地震前后的地表变形，为地震研究提供观测数据在交通运输中的应用GPS车辆调度与监控路径规划与优化交通流量分析精确计费服务实时跟踪车队位置，基于实时路况信息进收集车辆轨迹数基于定位的精确GPS GPS优化调度方案，提高行动态路径规划，避据，分析交通流量分里程计费，应用于出运输效率监控驾驶开拥堵路段，缩短行布，为交通规划和基租车、网约车、共享行为，确保行车安全，驶时间，节约燃油消础设施建设提供决策汽车等服务，确保计降低运营成本耗支持费公平透明北斗系统应用案例分析北斗系统凭借其独特的短报文通信功能和高精度定位能力，在多个行业领域展现出广泛的应用前景从精准农业的自动化作业到电力巡检的无人机导航，从应急救灾的生命线通信到物流运输的精准跟踪，北斗系统正在深度融入国民经济各个领域，为社会发展提供重要的时空信息服务保障导航技术在精准农业中的应用农机自动导航变量施肥喷洒拖拉机、收割机等农业机械配备根据定位和土壤信息，精确控制GPS GPS导航系统，实现自动驾驶和精确作业化肥、农药的施用量和位置，提高效路径控制率降低污染产量监测估算农田信息采集结合定位的产量监测系统，实时利用技术采集土壤养分、作物生GPS GPS记录作物产量分布，为来年种植决策长状况等空间信息，建立精准农业数提供依据据库高精度定位技术与应用1cm2mm精度精度RTK PPP实时动态差分技术可达厘米级定位精度精密单点定位技术最高可达毫米级精度24h连续服务高精度定位网络提供全天候不间断服务高精度定位技术通过差分改正、载波相位测量、精密轨道钟差产品等手段，将定位精度从米级提升到厘米甚至毫米级技术广泛应用于测绘工程、精准农业、机RTK械控制等领域技术则在大范围高精度应用中展现优势，如地壳形变监测、气PPP象探测等科学研究领域室内导航技术定位技术蓝牙信标定位融合定位技术WiFi利用信号强度指纹识别用户位置，通过部署蓝牙信标构建室内结合惯性导航、视觉定位、磁场定位WiFi iBeacon定位精度可达米需要建立信号强定位网络，定位精度可达米成本等多种技术，提供连续稳定的室内定3-51-3度数据库，适用于商场、机场等低、功耗小，广泛用于商业导航和位位服务通过传感器融合提高定位精WiFi覆盖密集的场所置服务度和鲁棒性信号强度指纹低功耗蓝牙惯性导航辅助•••三角定位算法信标网络部署视觉技术•••SLAM机器学习优化手机端接收磁场指纹识别•••导航系统安全与反欺骗安全认证机制加密信号和数字签名验证欺骗信号识别信号特征分析和异常检测抗干扰天线技术自适应天线和空域滤波系统漏洞防护软硬件安全设计和更新随着导航系统在关键基础设施中的广泛应用，安全问题日益突出干扰和欺骗攻击可能导致严重后果，需要从技术和管理两个层面建立完善的安全保障体系多频段接收、信号认证、惯性导航备份等措施可有效提高系统安全性导航数据处理技术数据预处理信号去噪、粗差剔除、数据质量检查卡尔曼滤波最优估计算法，融合多源导航信息粒子滤波处理非线性、非高斯系统的滤波算法深度学习神经网络在导航信号处理中的应用现代导航系统需要处理海量的观测数据，要求数据处理算法具有高精度、实时性和鲁棒性卡尔曼滤波是组合导航的核心算法，能够最优融合多传感器信息人工智能技术为导航数据处理带来新的发展机遇地图匹配技术地图数据库高精度数字地图，包含道路几何和属性信息匹配算法几何匹配、拓扑匹配、概率匹配等算法轨迹优化连续轨迹的全局优化和平滑处理实时更新动态地图更新和众包数据集成地图匹配技术将轨迹点匹配到正确的道路上，是车载导航系统的关键技术通过考虑道路连通性、行驶方向、速度限制等约束条件，可以GPS显著提高定位精度和导航可靠性导航用户界面设计增强现实导航语音交互设计无障碍设计将导航信息叠加在真实场景上，提供直通过语音指令和语音播报实现免手操作，为视障、听障等特殊人群设计专用导航观的方向指引导航减少了用户对地提高驾驶安全性智能语音助手可以理界面，包括触觉反馈、高对比度显示、AR图的依赖，特别适用于复杂路口和陌生解自然语言，提供个性化的导航服务手语翻译等功能，确保所有用户都能享环境受导航服务导航系统测试与评估性能指标测试方法评估标准定位精度静态测试、动态测试95%置信度下的误差范围首次定位时间冷启动、热启动测试获得有效定位的时间可用性连续观测测试系统正常工作时间比例完整性故障检测测试异常信号警告时间连续性信号中断测试服务不中断的概率导航系统的测试评估需要综合考虑精度、可靠性、可用性等多个维度国际民航组织ICAO、国际海事组织IMO等制定了相应的性能标准测试环境包括开阔地、城市峡谷、高速公路等典型场景。