光纤陀螺与高科技战争教学概述教学PPT.ppt
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1、光纤陀螺与高科技战争,哈尔滨工程大学自动化学院海洋运载器导航设备研究所,课程性质:专业拓展,学 时:24学时,光纤陀螺与高科技战争,授课教师:陈世同,学 分:1,考核方式:开卷(课堂20%,试卷80%),光纤陀螺与高科技战争,本课开设目的 了解导航技术的重要意义;了解和掌握目前导航技术及方法的种类;了解陀螺的起源、种类;了解和掌握光纤陀螺工作原理,了解光纤陀螺捷联惯性导航系统在军事上的应用,了解惯性导航技术在现代高科技战争中的重要意义。,光纤陀螺与高科技战争,本课主要内容 一、现代导航手段 二、现代高科技战争中导航技术的应用 三、光纤陀螺捷联惯性导航系统的具体应用 四、光纤陀螺及其捷联惯性导航
2、系统的工作原理,第1章:概述,1.1 导航概述1.2 现代导航系统1.3 导航系统应用1.4 陀螺的起源1.5 陀螺的种类及应用,什么是导航?,导航就是安全有效的从一个地点到达另一个地点.,1.1 导航概述,但是这里是哪里?,1.1 我们为什么需要导航?,你就在这里.,我在哪?,1.1 导航概述,你在哪?,你能在地图上找到你现在的位置吗?你能在黑夜里返回你现在的位置吗?,1.1 导航概述,导航历史,早在公元前3500年前,人类就有历史记载用大船装在货物进行商业贸易的历史。这标志了人类导航艺术的诞生。早期的导航家都是在靠近海岸线用肉眼观察陆地标记或者大地特性来辨别方向的。他们通常白天行驶,晚上找
3、个平静的港口抛锚。他们没有航海图,但他们列出了所需的方向,类似于今天的巡航向导.,1.1 导航概述,导航历史,当他们在看不到大陆的时候,他们通过在白天观察太阳的位置,晚上观察北极星的位置来辨别南北方向。,1.1 导航概述,早期的航海家们总是在靠近海岸线的附近白天活动,当天气不好或者晚上的时候不出海活动。在中世纪,欧洲的航海家们在整个冬季都不出海活动。这样就自然的限制的他们的活动范围。大范围的航海活动必然会带来风险。,导航历史,1.1 导航概述,古代导航工具,直角器(Cross-staff),标尺(Back-staff),1.1 导航概述,四分仪(Quadrant),航海员星盘(Mariners
4、 Astrolabe),星盘(Astrolabe),夜间记时仪器(Nocturnal),古代导航工具,1.1 导航概述,指南针-中国古代导航工具,汉朝(BC.206AD.220),南宋(AD.1127-1279),北宋(AD.960-1127),北宋(AD.960-1127),1.1 导航概述,导航的两个关键因素,确定地球上的位置 现在时间是几点?,1.1 导航概述,航海过程,在 James Cook(17281779)以前,船的安全行驶依靠原始的导航技术,这些技术能够粗略的给出船的位置。在航海的过程中,船员们需要知道两条信息:他们在地球上的经度和纬度的位置坐标,以及精确的将坐标值映射到地图上
5、。,1.1 导航概述,纬度和经度,1.1 导航概述,航海过程,纬度可以通过观察太阳、月亮和星星的运动来判断。经度的判断比较困难,必须计算出地球上不同地点的时差。,1.1 导航概述,纬度和经度,1.1 导航概述,0 位于赤道90N 在北极点北京市的纬度是多少?南极的纬度是多少?,纬度,1.1 导航概述,经度,经线位于南北几点之间的连线。0 经过英国的格林威治。负的经度为西经,正的为东经北京市的经度是多少?,1.1 导航概述,地图,18世纪的“精度”地图能够给我们提供很多信息,告诉我们当时的导航精度有多高。人民曾经很长一段时间用来测量大地经度和纬度的值,并且取得了很大成功。,1.1 导航概述,专业
6、工具,航海家们早期使用的工具只能粗略的定位 六分仪六分仪能够测量位于水平面以上物体的仰角(北极星、太阳等),经常用于寻找纬度,1.1 导航概述,指南针 用于指引方向,通过记录通过 的步伐来测量距离或者速度、经历过的时间等,1.1 导航概述,航位推测法,航位推测法在长距离的航行中会带来很大误差如果从纽约到伦敦,当旅行结束时,在95的定位精度下,将会累积175英里的误差,1.1 导航概述,早期导航工具的弱点,早期的导航工具有着众多的不确定性因素,以至于绘制的世界地图不够精确指南针依赖于北地磁极点与北地球自传轴点重合(事实不是这样!)陆地导航依靠地面地标的辅助,然后将这些地名映射到地图上来对行车进行
7、校准这些技术不适于海上应用,1.1 导航概述,海上导航,文艺复兴时期,海上航线遇到的最大困难就是怎么确定经度问题。六分仪能够为海上航线提供纬度位置指南针能够为航海提供方向信息但是你却不知道向东或者向西行驶了多少,1.1 导航概述,经度,1707年,10月22号,由于航位推测法的错误,导致2000多人死亡的海难。1717年,anne 女皇宣称,如果谁能够将航海的经度准确度保持到1/2度(相当于在平行于赤道行驶30英里),将对他悬赏20000英镑。,1.3,1.1 导航概述,主要导航系统,INS:惯性导航系统 CNS:天文导航系统 TAN:地形辅助导航 RNS:无线电导航系统 GNSS:全球导航系
8、统,1.2 现代导航系统,惯性导航原理,1.2 现代导航系统,惯性导航原理,1.2 现代导航系统,按照惯性测量装置在载体上的安装方式,可分为:平台式惯性导航系统捷联式惯性导航系统,1.2 现代导航系统,平台方式:保持传感器的姿态,这种方法将IMU相对于周边环境的姿态保持不变。,1.2 现代导航系统,捷联方式:固定惯性测量单元(IMU),这种方法适用于安装小的和高精度的惯性测量单元。这比平台方法先进的多,适用于重量轻、体积小、功率低和高精度的场合。底侧必须安装一个带有范围大的角度计的陀螺仪来感知机身的运动,以及一台高速的计算机来进行坐标转换运算。,1.2 现代导航系统,惯性导航系统(INS),1
9、.2 现代导航系统,惯性导航系统的结构图,1.2 现代导航系统,捷联惯性导航单元结构图,1.2 现代导航系统,环行激光陀螺仪,1.2 现代导航系统,1.2 现代导航系统,1.2 现代导航系统,1.2 现代导航系统,CNS-天球导航系统,天球导航是人类利用太阳、星星、月亮和行星来定位的一门艺术和科学。,1.2 现代导航系统,CNS-天球导航系统,1.2 现代导航系统,地形辅助导航系统(TANS),1.2 现代导航系统,远程无线电导航系统,罗兰(Loran是long range navigation)罗兰-A 罗兰-B 罗兰-C 奥米加系统 超远程无线电导航系统,8个台站就可覆盖全球,还可用于水下
10、导航定位,光纤陀螺与高科技战争,20世纪30年代无线电导航技术问世,典型的无线电导航系统,罗兰C导航系统 远程双曲线无线电导航系统,简称远程导航,作用距离为2000km。采用几何定位法。它由设在地面的一个主台与23个副台合成的台链和飞机上的接收设备组成。测定主、副台脉冲信号的时间差和相位差即获得飞机到两台的距离差不变的的航迹是一条双曲线。再测定主台与另一副台的距离差又得到一条双曲线,两条双曲线的交点是飞机在空中的位置。,1.2 现代导航系统,罗兰-C,罗兰-C 是由美国的海岸警卫队在 50 年代末研制成功的。导航方式跟罗兰-A 基本相同,但作用距离可以达到 1000 海里,可以用作远程导航系统
11、。目前,北大西洋、北太平洋、地中海、中国沿海、美国本土和苏联(现在的俄罗斯)总共建设了 60 多个台站。1975 年,罗兰-C 被美国宣布为标准航海导航系统。,1.2 现代导航系统,罗兰C导航系统,一种远程、低频、脉冲相位双曲线导航系统,罗兰C导航系统特点:,光纤陀螺与高科技战争,罗兰C导航系统的设置,台链的组成:,一个台链=1个主台+2 5个副台,基线,5001 200 n mile,光纤陀螺与高科技战争,远程无线电导航系统,测定航行体到两个导航台的距离之差,可得到距离差位置线,用距离差位置线来确定航行体位置的方法,称作测距差导航。因为距离差位置线为双曲线,所以又称作双曲线导航。,双曲线导航
12、原理,罗兰C定位原理,主副:主台副台电波传播时间:副台编码延时,副台延时:ts主副,到两定点距离差为一常数:双曲线(具有双值性),主副:消除双值性;:识别各副台,船台测时间差:t主副t副t主,远程无线电导航系统,测量距离差的方法,脉冲法,相位法,罗兰-C 接收机,T.I.9000,1.2 现代导航系统,罗兰-C 范围,1.2 现代导航系统,GPS导航系统,第一阶段(19731978)方案论证、理论研究、总体设计第二阶段(19781988)工程研制,发射了11颗BLOCK I试验卫星第三阶段(19891993)组网阶段,发射了13颗工作卫星,光纤陀螺与高科技战争,GPS导航系统组成,卫星星座24
13、颗卫星(21+3)6个轨道平面55轨道倾角20200km轨道高度(地面高度)12小时(恒星时)轨道周期5个多小时出现在地平线以上(每颗星),光纤陀螺与高科技战争,光纤陀螺与高科技战争,地面监控部分 一个主控站、三个注入站、五个监测站 中心控制系统、实现时间同步、跟踪卫星进行定轨。GPS接收机 接收并测卫星信号、记录处理数据、提供导航定位信息。,GPS定位原理,光纤陀螺与高科技战争,卫星定位技术是通过GNSS 接收机同时接收 4 颗以上的GNSS 卫星发出的信号来测定接收机在地球上的位置。,四颗卫星可以确定一个点坐标。,为什么必须是4 颗星才能定位?,用户的三维坐标(X、Y、Z)和接收机钟差(t
14、)一共四个未知数,所以需要四个联立方程才能求解。只有跟踪到 4 颗卫星,才能建立四个联立方程求解。,当接收机捕获到多于4颗星时,接收机会自动从卫星组中选择几何分别最合理、信号强度最好的 4 颗卫星进行定位求解。,光纤陀螺与高科技战争,x,y,z,t,光纤陀螺与高科技战争,卫星充当轨道上运动的已知控制点,观测值为测站至卫星的伪距(由时延值推算得到)由于接收机时钟与卫星钟存在同步误差,所以要同步观测4颗卫星,解算四个未知数:经度,纬度,高程,接收机钟差,光纤陀螺与高科技战争,1 二战德国V2火箭,韦纳冯布劳恩(1912年-1977年),德国工程师,在火箭技术和太空探测等方面都有光辉的成就。他先后为
15、著名的V-1、V-2火箭的诞生,美国第一颗卫星的发射成功,以及第一艘载人飞船“阿波罗11号”登上月球作出突出贡献,而美国航天飞机的研制也是自他手中发端。,光纤陀螺与高科技战争,1.3 导航系统应用,2 两伊战争,两伊战争(Iran-Iraq War),在伊朗被称为伊拉克入侵战争,又称第一次海湾战争或第一次波斯湾战争,是发生在伊朗和伊拉克之间的一场从1980年至1988年,长达8年的边境战争。伊朗和伊拉克在地理位置上都属于西亚。历史上,两国为边境交界处的夏特阿拉伯河的主权而产生争议。1980年9月22日,伊拉克为这块有争议的河流,借口为抵御“伊斯兰革命”,悍然向伊朗发动军事进攻,不久,战局发生转
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