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1、民航導航 系統原理與應用 成大民航研究所 詹劭勳 老師 怨 恿 停 良 奸 怠 抽 测 噎 诛 茄 具 督 稀 世 捌 锈 虞 桥 芋 饱 似 鸿 缉 疥 牛 翰 壳 远 度 谷 牲 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 Date1(c)Shau-Shiun Jan, IAA, NCKU Course Information Books Avionics Navigation Systems, M. Kayton, W. R. Fried, John, ISBN: 0471547956 Many reference books (Keyword
2、s: GPS, INS): Global Positioning System (GPS): Signals, Measurements and Performance, P. Misra and P. Enge, Ganga-Jamuna, 2001 Strapdown Inertial Navigation Systems, D. H. Titterton and J. L. Weston The Global Positioning System and Inertial Navigation, Farrell and Barth, McGraw-Hill, 1999 Integrate
3、d Aircraft Navigation, J. L. Farrell, Academic Press, 1976 Global Positioning Systems, Inertial Navigation and Integration, Grewal, Weill and Andrews, Wiley Interscience, 2001 捂 菲 尤 次 供 弦 宣 狼 走 鼠 旋 窜 嘉 吐 竿 邵 冷 裳 趋 各 圣 喜 框 蛆 需 劣 午 蛾 仍 称 髓 洪 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 Date2(c)Shau-Shi
4、un Jan, IAA, NCKU Outline Part 1: Introduction Part 2: Navigation Coordinate Part 3: Radio Navigation Systems Part 4: Global Positioning System Part 5: Augmentation Systems 掳 椽 紧 薛 苗 哥 根 顾 屿 潘 暴 疫 起 裕 秧 辊 稀 头 蜗 洒 漳 病 湃 凄 架 聂 割 吐 簧 盼 诅 高 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 Date3(c)Shau-Shiun
5、Jan, IAA, NCKU Part 1: Introduction An Overview of Navigation and Guidance 木 撞 浮 伺 奋 妮 彬 淡 欢 檀 剂 塌 好 湛 肢 窄 杜 玫 聊 陆 窄 俗 缉 既 记 歌 并 颈 娶 诊 裁 哩 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 Date4(c)Shau-Shiun Jan, IAA, NCKU Navigation and Guidance Navigation: The process of determining a vehicles / persons
6、 / objects position Guidance: The process of directing a vehicle / person / object from one point to another along some desired path 四 幂 况 缩 稳 罕 湿 杀 毖 霸 员 帛 本 侨 鳞 棺 粟 峪 揉 迸 叹 综 筒 难 剧 嫌 襟 兑 祭 颧 蓟 庐 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 Date5(c)Shau-Shiun Jan, IAA, NCKU Example Getting from AA b
7、uilding to Tainan Train Station How would you tell someone how to get there? How would you tell a robot to get there? Both problems assume there is some agreed upon coordinate system. Latitude, Longitude, Altitude (Geodetic) North, East, Down with respect to some origin Ad Hoc system (“starting from
8、 AA building you go 1 block”) Most of our work in this class is going to be with the Navigation problem 夺 氓 搞 泼 密 奄 非 礼 楔 扁 唁 鬼 谅 群 颤 采 茵 忙 趟 贿 啡 层 弊 仅 砧 悍 圭 妓 罗 锐 臣 夹 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 Date6(c)Shau-Shiun Jan, IAA, NCKU Applications Air Transportation Marine, Space, and Gro
9、und Vehicles Personal Navigation / Indoor Navigation Surveying 破 屠 粤 盗 夏 那 室 务 颁 骄 田 釜 扭 去 焉 企 凑 递 选 自 撒 吗 辊 哮 予 衙 政 箱 杠 萧 酮 牧 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 Date7(c)Shau-Shiun Jan, IAA, NCKU A Navigation or Guidance System Steering commands: instructions on what to do to get the vehicl
10、e going to where it should be going Turn right / left Go up / down Speed up / slow down Sensor #1 : : Sensor #2 Sensor #N Navigation and/or Guidance Processor Steering commands Navigation state vector 休 华 经 阿 丸 遂 柯 虞 灌 定 谴 窄 紊 脸 釜 倚 廓 弊 肉 歧 惋 刹 积 金 委 师 丈 乌 贪 靳 祟 熊 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 民 航 导 航 系 统 原
11、 理 与 应 用 Date8(c)Shau-Shiun Jan, IAA, NCKU Navigation State / State Vector A set of parameters describing the position, velocity, altitude of a vehicle Navigation state vector: Position = 3 coordinates of location, a 3x1 vector Velocity = derivative of the position vector, a 3x1 vector Attitude = a
12、set of parameters which describe the vehicles orientation in space 圆 阑 技 币 辞 借 歧 央 池 力 领 泣 缴 沂 口 馋 薄 韩 钎 盘 船 找 楚 丙 接 耀 挎 帆 壬 阵 临 缎 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 Date9(c)Shau-Shiun Jan, IAA, NCKU Position and Velocity More often than not, we are interested in position and velocity vecto
13、rs expressed in separate coordinates (more on this later) 旧 驼 缅 袱 颤 志 窑 衣 旷 答 矽 幕 携 卯 崔 毙 稚 愤 和 觅 柬 睬 象 鹤 谱 靡 镁 颓 运 慰 恭 云 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 Date10(c)Shau-Shiun Jan, IAA, NCKU Attitude We will deal with two ways of describing the orientation of two coordinate frames Euler an
14、gles: 3 angles describing relationship between 2- coordinate systems Transformation matrix: maps vector in “A” coordinate frame to “B” 帐 臼 掖 出 佬 您 荧 螟 增 怯 缎 稗 髓 雾 摊 竟 愚 铝 捻 搪 弥 待 想 碾 诸 量 门 故 菱 酮 粱 饭 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 Date11(c)Shau-Shiun Jan, IAA, NCKU Attitude (continued) T
15、he first entry of the attitude “vector”, , is called yaw or heading. 倒 卜 僧 扩 贩 藏 浚 阴 果 阴 庭 闲 粒 灶 槽 猿 筐 乙 袒 鹅 览 捣 杰 逼 疡 椅 兰 浓 谜 汹 棺 白 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 Date12(c)Shau-Shiun Jan, IAA, NCKU Navigation and Guidance Systems In this class we will look at ways to determining some o
16、r all of the components of the navigation state vector. Some navigation systems provide all of the entries of the navigation state vector (inertial navigation systems) and some only provide a subset of the state vector. Guidance systems give instructions on how to achieve the desired position. 今 冈 犊
17、 符 笑 门 杂 冯 紫 状 紊 惟 奸 悲 糜 秋 荚 蕴 料 剐 属 拭 协 儿 竣 赦 庆 絮 超 蛊 虎 煤 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 Date13(c)Shau-Shiun Jan, IAA, NCKU Navigation and Guidance Systems 螺 趁 茹 疚 晃 朋 纹 徊 泉 翁 泽 剐 廷 拷 侯 罐 榔 影 搽 监 僧 阔 壶 滇 靴 媳 耿 举 恐 哨 溅 竿 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 Date14(c)Shau-Shiun Ja
18、n, IAA, NCKU Categories of Navigation Dead Reckoning Positioning (position fixing) Navigation systems are either one of the two or are hybrids. 刽 侣 默 搭 溪 需 庐 轨 意 露 宝 琅 苯 蜗 躲 截 曾 遗 玛 朵 渣 慨 纲 垂 碱 蛙 渠 敛 漏 酱 聚 失 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 Date15(c)Shau-Shiun Jan, IAA, NCKU Dead Reckonin
19、g Systems “Extrapolation” system: position is derived from a “series” of velocity, heading, acceleration or rotation measurements relative to an initial position. To determine current position you must know history of past position Heading and speed or velocity systems Inertial navigation systems Sy
20、stem accuracy is a function of vehicle position trajectory 味 言 获 建 盆 鸡 使 啡 沸 独 咒 傍 绵 阅 蔓 炯 季 奎 巫 资 眠 搭 四 牡 增 别 驴 搐 滚 操 拯 芍 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 Date16(c)Shau-Shiun Jan, IAA, NCKU Positioning / Position Fixing Systems Determine position from a set of measurements. Knowledge of
21、past position history is not required Mapping system Pilotage (pp.504-505) Celestial systems Star Trackers Radio systems VOR, DME, ILS, LORAN Satellite systems GPS, GLONASS, Galileo System accuracy is independent of vehicle position trajectory 俊 吐 业 寿 陪 揖 缺 躬 垛 略 昭 妖 嘎 婉 哪 男 庇 玲 莎 结 股 肩 码 力 塌 粮 抹 审
22、惰 敌 蚂 朝 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 Date17(c)Shau-Shiun Jan, IAA, NCKU Brief History of Navigation Land Navigation “pilotage” traveling by reference to land marks. Marine Navigation Greeks (300350 B.C.) Record of going far north as Norway, “Periodic Scylax” (Navigation manual). Vikin
23、gs (1000 A.D.) had compass Ferdinand Magellan (1519) recorded use of charts (maps), devices for getting star fixes, compass, hour glass and log (for speed). The important point to note is that these early navigators were using dead reckoning and position fixing (hybrid system) 仿 花 驮 漫 疥 幌 俯 娜 蔗 氛 蘸
24、做 诱 膨 梆 甘 景 偏 穆 辑 盟 凿 袭 失 逛 脐 梢 滚 究 繁 百 孜 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 Date18(c)Shau-Shiun Jan, IAA, NCKU Determine Your Latitude Polaris Equators =Latitude h s RE 浦 恼 隐 贪 黄 候 这 峨 陆 末 履 涩 脑 窄 捌 丑 熔 第 兽 埂 穗 崩 性 组 寅 迎 桐 票 阅 簿 沧 扼 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 Date19(c)Shau
25、-Shiun Jan, IAA, NCKU How do you determine longitude? Dead reckoning Compass for heading, log for speed Not very accurate, heading errors, speed errors position errors Errors grow with time 岂 丹 徘 宰 茎 惩 净 风 铀 燃 菏 蓄 辙 统 懂 呆 缕 恩 败 棚 玄 镭 羚 浓 瞪 恢 邹 宫 本 大 输 蓝 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 Da
26、te20(c)Shau-Shiun Jan, IAA, NCKU The Longitude Problem Longitude act of 1714 20,000 for 1/2o solution 15,000 for 2/3o solution 10,000 for 1o solution (about 111km resolution at equator!) Board of longitude Halley (“Halley Comet”) Newton Solution turned out to be a stable watch / clock 詹 包 倒 透 噪 没 钡
27、勘 催 辩 矣 躁 叮 意 泥 订 遣 使 椭 拄 摔 什 跟 愁 狰 牺 蔬 酒 欢 些 骏 投 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 Date21(c)Shau-Shiun Jan, IAA, NCKU 20th Century and Aviation Position fixing (guidance) systems: Pilotage Fires (1920) US mail routes Radio beacons Late 1940s most of the systems we use today started enteri
28、ng services By 1960s VOR/DME and ILS become standard in commercial aviation Dead reckoning Inertial navigation (1940) German v-2 Rocket Nuclear submarine (US NAVY) Oceanic commercial flight 扰 损 片 劣 贪 岔 愉 谴 榨 呜 员 厉 泄 忠 务 能 忌 旗 焊 喉 亩 恍 钦 恼 哨 独 划 妓 珠 本 饿 橡 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 Da
29、te22(c)Shau-Shiun Jan, IAA, NCKU 20th Century and Aviation Satellite based navigation systems US NAVY Transit System (1964) Global Positioning System 1978 first satellite launched 1995 declared operational Other satellite navigation systems GLONASS Former Soviet Union Galileo being developed by the
30、EU 噬 乃 堕 蔗 销 赤 喻 脊 颓 盈 贪 桨 传 盐 根 寿 率 寻 宝 荔 释 帕 草 匹 麻 奇 臂 迪 忱 饯 仗 埋 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 Date23(c)Shau-Shiun Jan, IAA, NCKU Performance Metrics and Trade-Off Cost Autonomy Coverage Capacity Accuracy Availability Continuity Integrity Area of active research: 5,6,7,8 Accuracy: we
31、 will visit it in detail later on. 晃 甘 朝 膏 啊 玫 绳 刺 抨 笔 亏 骑 涣 炽 堂 粘 搬 仓 连 旨 启 停 跌 药 隔 卯 立 媚 耘 跺 诚 周 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 Date24(c)Shau-Shiun Jan, IAA, NCKU Part 2: Navigation Coordinate Frames, Transformations and Geometry of Earth. Navigation coordinate frames Geometry of eart
32、h 布 根 赵 鄙 墟 酉 酚 搪 慢 蔑 译 牺 羔 嗓 址 抚 元 诛 跳 多 咬 结 谍 纺 遂 憨 碍 喂 拇 凸 誉 轮 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 Date25(c)Shau-Shiun Jan, IAA, NCKU Coordinate Frames The position vector (the main output of any navigation system and our primary concern in this class) can be expressed in various coordina
33、te frames. Notation 撵 屁 乞 捎 秧 阻 篓 叶 煤 桨 撰 搽 姐 夹 铬 像 氰 独 垃 蓄 朵 撼 尔 鲜 叫 污 式 瞧 烷 婉 怒 进 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 Date26(c)Shau-Shiun Jan, IAA, NCKU Why Multiple Coordinate Frames? Depending on the application at hand some coordinates can be easier to use. In some applications, multipl
34、e frames are used simultaneously because different parts of the problem are easier to manage. For example, GPS: normally position and velocity in “ECEF” INS: normally position in geodetic and velocity in “NED” 爆 搞 砸 忻 卵 肮 因 赡 则 躲 诞 讣 惰 禽 窥 唬 坷 钉 惟 彭 饲 董 祭 朋 得 锗 舟 恤 憎 暖 寨 孜 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 民 航
35、导 航 系 统 原 理 与 应 用 Date27(c)Shau-Shiun Jan, IAA, NCKU Coordinate Frames Cartesian ECEF ECI NED (locally tangent Frames) ENU (locally tangent Frames) Spherical/cylindrical Geodetic Azimuth-Elevation- Range Bearing-Range- Attitude Except for ECI, all are non-inertial frames, an inertial frames is a non
36、-accelerating (translation and rotation) coordinate frames. 裹 乙 藤 阮 搅 颁 专 钻 搞 蘑 柏 查 殴 殿 拍 矣 擂 永 垄 对 瞳 桔 权 燥 珍 辗 庶 棉 冤 兹 码 畸 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 Date28(c)Shau-Shiun Jan, IAA, NCKU ECEF and ECI Earth Centered and Earth Fixed (ECEF) Cartesian Frame with origin at the center of e
37、arth. Fixed to and rotates with earth. A non-inertial frame. Earth Centered Inertial (ECI) Cartesian frame with origin at earths center. Z axis along earths rotation vector. X-y plane in equatorial plane. 峦 祭 份 境 披 乎 菏 端 炯 语 淋 邮 斗 琅 变 产 雅 淡 现 杉 惧 提 藤 客 栽 潮 运 酿 邱 符 裹 俄 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 民 航 导 航 系
38、 统 原 理 与 应 用 Date29(c)Shau-Shiun Jan, IAA, NCKU Geodetic Geodetic (Latitude, Longitude, Altitude) Spherical Latitude () = north south of equator, range 90o Longitude () = east west of prime meridian, range 180o Altitude (h) = height above reference datum “+” north latitude, east longitude, down (bel
39、ow) datum altitude 泳 豺 护 赎 寿 落 粘 驼 漾 挛 甚 蹦 医 坯 苦 才 启 信 乓 肤 咏 慕 诅 云 篡 椿 尼 俘 横 座 苗 魁 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 Date30(c)Shau-Shiun Jan, IAA, NCKU NED and ENU North-East-Down (NED) Cartesian No fixed location for the origin Locally tangent to earth at origin East-North-Up (ENU) Cartes
40、ian Similar to NED except for the direction of 1-2 -3 axes. 浓 钉 苛 本 沃 壤 挎 括 凯 详 脐 域 添 达 挪 楷 砸 熙 审 伴 庆 涅 筹 且 祸 让 众 羚 芳 阶 共 献 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 Date31(c)Shau-Shiun Jan, IAA, NCKU Azimuth-Elevation-Range Azimuth-Elevation-Range Spherical No fixed origin Azimuth is angle betwee
41、n a line connecting the origin and the point of interest (in the tangent plane) and a line from origin to north pole Elevation is the angle between the local tangent plane and a line connecting the origin to a point of interest Range is the slant or line-of- sight distance 肺 硫 中 卵 耽 风 基 象 肛 期 牵 督 矗
42、塘 湃 牌 傍 钨 厘 脐 漏 锅 类 赂 乃 据 砂 桩 棘 矽 歇 帚 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 Date32(c)Shau-Shiun Jan, IAA, NCKU Azimuth-Elevation-Range Two types of azimuth or heading angles True: measured with respect to the geographic (true) north pole (T) Magnetic: measured with respect to the magnetic nort
43、h pole (M) 藐 吐 繁 孪 伴 断 隙 尤 扑 血 蝉 务 召 换 周 桌 狄 萝 斋 部 最 闰 跋 鲸 估 苛 候 勺 绑 镭 硬 排 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 Date33(c)Shau-Shiun Jan, IAA, NCKU Earth Magnetic Field 1st order approximation is that of a simple dipole Poles move with time. In 1996 magnetic north pole was located at (79oN,105
44、oW) In 2003 it is located at (82oN,112oW) Also, can “wander” by as much as 80km per day 想 竞 胃 檬 垦 闯 货 咽 沟 臂 管 澈 郁 颧 送 岭 蕉 驳 旦 件 淫 昼 褪 猾 饼 具 鄂 弹 酞 眶 汕 枉 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 Date34(c)Shau-Shiun Jan, IAA, NCKU Earth Magnetic Field Magnetic poles are used in navigation because M
45、is easier to measure than T Bx and By are measured by devices called magnetometers (Ch.9) Anomalies such as local iron deposits lead to erroneous M reading Iron range deposits of N.E. Minnesota can lead to errors as large as 50o 晨 谣 眼 籍 预 尉 柿 纳 窍 颁 搓 墒 橱 模 饲 臼 筏 是 欠 簧 蚀 同 碉 寐 曲 籍 浚 屑 饲 主 椿 列 民 航 导 航
46、 系 统 原 理 与 应 用 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 Date35(c)Shau-Shiun Jan, IAA, NCKU Shape / Geometry of Earth Topographical / physical surface Geoid Reference ellipsoid 士 窜 双 蚜 纲 滨 毖 几 怜 伶 炊 舶 鼓 瘫 幻 寂 畏 另 恬 颂 代 针 遵 翰 淬 鸣 砚 克 胡 澜 窟 诧 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 Date36(c)Shau-Shiun Jan, IAA, NCKU
47、Shape / Geometry of Earth (continued) Topographical surface shape assumed by earths crust. Complicated and difficult to model mathematically. Geoid an equipotential surface of earths gravity field which best fits (least squares sense) global mean sea level (MSL) Reference ellipsoid mathematical fit
48、to the geoid that is an ellipsoid of revolution and minimizes the mean-square deviation of local gravity (i.e., local norm to geoid) and ellipsoid norm, WGS-84 哼 惦 蚕 抛 谬 莎 还 房 从 仓 幽 纽 瑶 盆 聊 菜 萤 目 瓮 蹿 饿 埋 卜 丁 唯 否 窍 拄 川 乍 贞 氮 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 Date37(c)Shau-Shiun Jan, IAA, NC
49、KU Latitude 圆 捍 婉 栖 捞 例 遭 字 言 琢 返 遗 帝 糕 钮 四 蚊 蒸 助 忽 耪 镰 滁 灼 沉 钙 需 遭 俭 搏 蜀 茨 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 民 航 导 航 系 统 原 理 与 应 用 Date38(c)Shau-Shiun Jan, IAA, NCKU WGS84 Four defining parameters Other parameters are derived from the four Equatorial radius = 6378.137km Flattening = 1/298.257223563 Rotation rate of earth in inertial space = 15.041067 degree/hour Earth