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GPS导航系统毕业论文

第 1 章 绪论 1.1 导航的基本概念 导航是引导运载体到达预定目的地的过程。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,导航还要配合完成武器投射、侦 察、巡逻、反潜和援救等任务。高效、高精度的导航系统更是我国这种发展中国 家赶超发达国家的战略性资源和倍能器。在军用方面,随着新时期军事战略方针 的转变及高新技术武器装备的发展, 导航定位定向系统已经成为我军现代化建设 中一项不可缺少的重要军事技术装备,其重要性表现在:它是信息战必不可少的 基础设备,是建立战场统一坐标的前提,是快速、准确火力部署的保障,同时又 是实现武器精确打击能力的必要条件。所以,导航定位定向系统对迅速提高我军 的综合作战能力,加快数字化部队建设至关重要;在民用方面,国外的导航定位 定向系统己在大地测量、定向钻并、隧道掘进、地面车辆导航、飞机进场着陆、 航天航空遥感、机载重力测量、公路监测、地下油气管道监测、矿井监测、激光 断面监测等方面得到广泛地的应用,并取得了巨大的经济效益。 在日常生活中我们经常接触到的导航是车载导航, 车载导航属于非自主式导 航,车载导航是利用车载 GPS(全球定位系统)配合电子地图来进行的,汽车 GPS 导航系统由两部分组成: 一部分由安装在汽车上的 GPS 接收机和显示设备 组成;另一部分由计算机控制中心组成,两部分通过定位卫星进行联系。 1.2 惯性导航(INS)概述 通常说的惯性技术,是惯性器件、惯性测量、惯性导航、惯性制导和惯性稳 定等技术的统称。惯性技术既是一门学科,也是一门工程技术,在陆、海、空、 天各个领域有着广泛应用。惯性器件(陀螺仪和加速度计) 、惯性仪表、惯性导 航系统都是以牛顿力学定律为基础的。 惯性导航系统通过加速度计实时测量载体 运动的加速度,经积分运算得到载体的实时速度和位置信息。 惯性技术是对载体进行导航的关键技术之一, 惯性技术是利用惯性原理或其 它有关原理, 自主测量和控制运载体运动过程的技术, 惯性测量和惯性敏感器技。 现代惯性技术在各国政府雄厚资金的支持下, 己经从最初的军事应用渗透到民用 领域。 惯性技术在国防装备技术中占有非常重要的地位。对于惯性制导的中远程 导弹,一般说来命中精度 70%取决于制导系统的精度。对于导弹核潜艇,由于 潜航时间长,其位置和速度是变化的,而这些数据是发射导弹的初始参数,直接 影响导弹的命中精度,因而需要提供高精度位置、 速度和垂直对准信号。目前 适用于潜艇的唯一导航设备就是惯性导航系统。 1.3 卫星导航概述 卫星导航是采用导航卫星对地面、海洋、空中和空间用户进行导航定位的技 术。卫星导航系统通过测定的载体到导航卫星的距离、距离差等参数,并结合获 取的或计算机得到的导航卫星瞬时位置来确定载体位置。目前主要有美国的 GPS、俄罗斯的 GLONASS、欧洲的 GALILEO 和我国的北斗导航卫星系统。这里主 要介绍 GPS 导航定位。 GPS 系统主要由空间部分、地面部分及用户设备组成,GPS 的空间部分由 24 颗卫星组成,包括 21 颗工作星和三颗备份卫星,位于距地面 20200km 高度的近 圆轨道上,24 颗卫星均匀分布在 6 个轨道面上,轨道倾角为 55 度,这样可以确 保地球上的任何一个地方都可以同时观测到 6~11 颗卫星。 布置在轨道上的备份 星,可随时进入工作状态。GPS 卫星导航系统具有全球覆盖、全天候工作、定位 精度高和用途广的优点。 地面控制部分由一个主控站、三个注入站和若干监测站 组成, 主控站通过注入站向所有 GPS 卫星注入新的导航信息,确保卫星的导航数 据和时钟信息的精确性。 用户设备部分包括接收机硬件和机内软件以及 GPS 数据 的后处理软件包, 其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的的待测卫 星,并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后,就可测量出接 收天线至卫星的伪距和伪距率,解调出卫星轨道参数等数据。 1.4 组合导航概述 组合导航是现代导航理论和技术发展的必然结果。 每种单一的导航系统都存 在着各自的独特性能和局限性, 几种不同的单一系统组合在一起,利用多种信息 源互相补充, 构成一种具有更多余度和更高导航精度的多功能系统即为组合导航 系统。根据不同的应用要求与目的,可以构成不同的组合导航系统,由于惯性导 航系统的自主性,目前多以惯性导航系统作为主导航系统构成组合导航系统。 1.5 组合导航系统平台开发的现状及发展趋势 鉴于各种单一的各种导航系统有这样那样的缺点,上世纪 70 年代,现代组 合导航系统在航海、 航空与航天等领域随着现代高科技的发展应运而生。随着电 子计算机技术特别是微机技术的迅猛发展和现代控制系统理论的进步, 组合导航 技术开始迅猛发展起来。 过去单独使用的各种导航设备,通过微型电子计算机有 机的组合到一起,发展各自的特点、扬长避短,组合导航成为目前导航技术发展 的重要方向之一。 从上个世纪80年代开始, 英、 美、 法等国的军方和民用部门开始了对GPS/INS 组合导航平台的研究。80年代后期欧美各国在MS Visual Studio C++6.0仿真软 件平台上,实现了INS/GPS组合导航的解算,同时在Windows2000 操作界面上实 现了曲线和数据的同步显示。 近年来我国各大高校采用Visual C++6.0编程,在Windows操作系统下实现了 人机界面和直观的数据显示。该平台将组合导航的理论方案与导航设备相结合, 可以进行室内试验系统的调试和研究, 还可以提供直观的界面显示、 数据图表等。 1.6 课题研究的意义 惯性导航系统( INS) 通过加速度计实时测量载体运动的加速度,经积分运 算得到载体的实时速度和位置信息,是一种完全自主的导航系统,具

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