2.测量与传感器-5(位置确定-2课时)

控制元件与伺服系统,Control Elements and Servo Systems,单击此处编辑母版标题样式,*,*,Control Elements and Servo Systems,控制元件与伺服系统,二.测量与传感器,位置的确定：,航向测量系统给出飞机在大气空间相对于某一基准线的方位角，也就是指明了其,飞行的方向,，现在面临的是,如何给出其在地球坐标系中的位置,？,在,GPS,卫星定位导航系统发明之前，飞机是如何进行飞行位置的确定呢？,飞机航向,+,导航地图,+,地标；,无线电；,地面引导；,雷达。,10/6/2024,2,位置的确定：,时间：,1988,年,7,月,11,日；,机型：,Tupolev-154M/B2603,；,公司：中国新疆航空公司；,航线：乌鲁木齐广州上海。,飞机进入湖北、安徽、江西三省交界区域，由于遇雷雨区，飞机作机动飞行，离开正常航路，进行绕飞。之后由于航向仪故障，无法确定飞机飞行方向，导致无法进入正确航道，途中遇飞机燃油报警。再因,地面雷达设备的落后，无法给出飞机准确位置,。飞行员只能降低飞机高度,寻找地标,，但天气条件不好，风险极大！这时，地面导航人员终于报告飞机较为准确位置，并引导飞机改变航向飞向南昌机场。同时，飞行员发现附近有一简易机场，考虑到,备降燃油不足,，飞行员决定就地降落。,此机场为一军用机场，,1972,年废弃，跑道长,1250,米，宽,50,米，砂石土质结构，现扩建为民航庐山机场。,虽然空中能迷路，不过开战机出身的飞行员技术上确实不含糊，在如此复杂环境、天气状况、能见度差的情况下，完全没有地面设备辅助，成功迫降十里堡机场，,162,名中外旅客及,11,名机组人员全部安全。,2603空中迷航事件,10/6/2024,3,位置的确定：,定位：,所谓定位就是通过,测定飞机到地面上的两个已知其精确位置的导航台的距离,，或,利用测定到一个导航台的距离和方位角,，来确定飞机的位置。,10/6/2024,4,位置的确定：,定位：,无线电导航是利用无线电保障运载工具安全、准时地从一地航行到另一地的技术和方法。,导航和定位密切相关,，,连续定位实质上就是导航,。,发展历史,：,20,世纪,20,30,年代，无线电测向是航海和航空仅有的一种导航手段，而且一直沿用至今，,不过它后来已成为一种辅助手段,。第二次世界大战期间，无线电导航技术迅速发展，出现了各种导航系统。,雷达,也开始在舰船和飞机上用作导航手段。飞机着陆开始使用,雷达和仪表着陆系统,。,60,年代出现,子午仪卫星导航系统,。,70,年代,微波着陆引导系统,研制成功。,80,年代，同步测距全球定位系统研制成功。,无线电导航,(Radio Navigation),10/6/2024,5,位置的确定：,定位：,基本特性,：,无线电导航主要利用电磁波传播的,基本特性,：电磁波在在均匀理想媒质中，,沿直线（或最短路径）传播,；电磁波在自由空间的,传播速度是恒定的,；电磁波在传播路线上遇到障碍物或在不连续媒质的界面上时,会发生反射,。,无线电导航就是利用上述特性：,通过无线电波的接收、发射和处理，导航设备能测量出所在载体相对于导航台的,方向、距离、距离差、速度,等导航参量（几何参量）；,通过测量无线电导航台发射信号,(,无线电电磁波,),的时间、相位、幅度、频率参量，可确定运动载体相对于导航台的,方位、距离和距离差等,几何参量，从而确定运动载体与导航台之间的相对位置关系，据此实现对运动载体的定位和导航。,无线电导航,(Radio Navigation),10/6/2024,6,位置的确定：,无线电测高和雷达测高：,飞行高度是飞机的重要飞行参数，前面介绍的是利用,大气静压,随高度升高而减小的规律进行飞行高度测量的方法，这一方法具有普遍性。但对于精度要求较高的场合，该方法是不能保证的。,无线电测高和雷达测高是利用无线电波的,反射特性,进行飞行高度测量的方法。,10/6/2024,7,位置的确定：,无线电测距：,无线电测距，即用无线电的方法测量距离，基本原理是利用无线电的,恒速直线传播特性,。,分类,：,脉冲测距,（直接测量方法）：,相位测距（间接测量方法）；,频率测距（间接测量方法）。,10/6/2024,8,位置的确定：,无线电测距：,无线电测距，即用无线电的方法测量距离，基本原理是利用无线电的,恒速直线传播特性,。,分类,：,脉冲测距,：,A,B,D,直接测时一类测距仪称为脉冲式测距仪，该仪器因其精度较低,通常只用于精度较低的远距离测量、地形测量和炮瞄雷达测距,10/6/2024,9,位置的确定：,无线电测距：,无线电测距，即用无线电的方法测量距离，基本原理是利用无线电的,恒速直线传播特性,。,分类,：,相位和频率测距,:,用一种连续波（无线电波，精密光波测距仪采用光波）作为“运输工具”（称为载波），通过一个调制器使载波的振幅或频率按照调制波的变化做周期性变化。测距时，通过测量调制波在待测距离上往返传播所产生的相位变化，间接地确定传播时间,t,，进而求得待测距离,D,。,10/6/2024,10,位置的确定：,无线电测距：,无线电测距，即用无线电的方法测量距离，基本原理是利用无线电的,恒速直线传播特性,。,脉冲测距之,独立定时器,测距,：,要求,t10=t20,；,脉冲频率要精确相等；,要求回报！,精度差！只能适用于远距离导航参数测量！,10/6/2024,11,位置的确定：,无线电测距：,无线电测距，即用无线电的方法测量距离，基本原理是利用无线电的,恒速直线传播特性,。,脉冲测距之,无源反射式,测距,：,发射机功率要大；,接收机灵敏度要高；,雷达运行的基本方式。,10/6/2024,12,位置的确定：,无线电测距：,无线电测距，即用无线电的方法测量距离，基本原理是利用无线电的,恒速直线传播特性,。,脉冲测距之,询问问答式,测距,：,应用范围较广；,雷达监测回馈系统常用的方式。,10/6/2024,13,位置的确定：,卫星定位：,卫星定位系统是借助于在预订空间轨道上运行的人造地球卫星进行定位的一种导航技术，基本模式还是采用,无线电波,。,工作原理,：,导航卫星位于高空轨道，作有规律运动，其位置在每时每刻都是,精确确定,的。当具有无线电接收机时，可接收卫星发出的无线电导航信号，通过,时间测距,或者,多普勒测速,便可分别获得接收机相对于卫星的,距离及速度,等导航参数；并根据卫星发送的时间、轨道等参数便可直到是哪一颗卫星是信号源，从而解算出,接收机的坐标,。,一般来说，卫星的位置精确可知，在观测中，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,。,事实上，接收机往往可以锁住,4,颗以上的卫星，这时，接收机可按卫星的星座分布分成若干组，每组,4,颗，然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位，从而提高精度。,10/6/2024,14,位置的确定：,卫星定位：,卫星定位系统是借助于在预订空间轨道上运行的人造地球卫星进行定位的一种导航技术，基本模式还是采用,无线电波,。,主要卫星定位系统,：,中国北斗卫星导航系统；,美国,GPS(Global,Positioning System),全球定位系统；,俄罗斯,GLONASS(Global,Navigation Satellite System),卫星导航系统；,欧盟伽利略卫星导航系统,。,10/6/2024,15,位置的确定：,卫星定位：,卫星定位系统是借助于在预订空间轨道上运行的人造地球卫星进行定位的一种导航技术，基本模式还是采用,无线电波,。,GPS,全球定位系统,：,是,20,世纪,70,年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成。经过,20,余年的研究实验，耗资,300,亿美元，到,1994,年,3,月，全球覆盖率高达,98%,的,24,颗,GPS,卫星星座己布设完成。,全球定位系统,由三部分构成：,地面控制部分,，由主控站,(,负责管理、协调整个地面控制系统的 工作,),、地面天线,(,在主控站的控制下，向卫星注入寻电文,),、监测站,(,数据自动收集中心,),和通讯辅助系统,(,数据传输,),组成；,空间部分,，由,24,颗卫星组成，分布在,6,个道平面上；,用户装置部分,，主要由,GPS,接收机,和,卫星天线,组成。,10/6/2024,16,位置的确定：,卫星定位：,卫星定位系统是借助于在预订空间轨道上运行的人造地球卫星进行定位的一种导航技术，基本模式还是采用,无线电波,。,GPS,全球定位系统,：,全球定位系统的主要特点：,全天候；全球覆盖；三维定速定时高精度；快速省时高效率；应用广泛,等。,定位精度高,：,定位精度优于,10m,，采用,差分定位,，精度可达厘米级和毫米级。应用实践已经证明，,GPS,相对定位精度在,50KM,以内可达,10,-6,，,100-500KM,可达,10,-7,，,1000KM,可达,10,-9,。在,300-1500M,工程精密定位中，,1,小时以上观测的解其平面其平面位置误差小于,1mm,，与,ME-5000,电磁波测距仪,测定得边长比较，其边长较差最大为,0.5mm,校差中误差为,0.3mm,。,观测时间短,：,随着,GPS,系统的不断完善，,软件,的不断更新，目前，,20KM,以内相对,静态定位,，仅需,15-20,分钟；快速,静态相对定位,测量时，当每个流动站与基准站相距在,15KM,以内时，流动站观测时间只需,1-2,分钟，然后可随时定位，每站观测只需几秒钟。,10/6/2024,17,位置的确定：,卫星定位：,卫星定位系统是借助于在预订空间轨道上运行的人造地球卫星进行定位的一种导航技术，基本模式还是采用,无线电波,。,GPS,全球定位系统,：,全球定位系统的主要用途：,陆地应用，主要包括车辆导航、应急反应、大气物理观测、地球物理资源勘探、工程测量、变形监测、,地壳运动监测,、市政规划控制等；,海洋应用，包括远洋船最佳航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝、水文地质测量以及海洋平台定位、海平面升降监测等；,航空航天应用，包括飞机导航、航空遥 感姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等。,10/6/2024,18,位置的确定：,卫星定位：,卫星定位系统是借助于在预订空间轨道上运行的人造地球卫星进行定位的一种导航技术，基本模式还是采用,无线电波,。,GPS,全球定位系统,：,GPS,卫星接收机：,种类很多，根据型号分为测地型、全站型、定时型、手持型、集成型；根据用途分为车载式、船载式、机载式、星载式、弹载式。,经过,20,余年的实践证明，,GPS,系统,是一个高精度、全天候和全球性的无线电导航、定位和定时的多功能系统。,GPS,技术已经发展成为多领域、多模式、多用途、多机型的国际性,高新技术产业,。,芯片级生产厂家,：,SiRF,、,Nemerix,、,TI,、,Atmel,、意法半导体、,Maxim,等；,模块级生产厂家,：,NovaTel,、,Trimble,、,北斗星通,、,合纵斯壮,等。,10/6/2024,19,