本課程介紹導航系統背后的工程原理和當前技術。該課程大致分為兩個部分，第一部分涵蓋導航方程和慣性方法，第二部分涵蓋衛星導航和 組合導航方法。本文將介紹兩種主要的導航系統，并且詳細闡述卡爾曼濾波算法。

一、課程成果

完成本課程后，學生將能夠;

a.用緯度、經度和高度定義位置，并能利用變換推導出兩點之間的大圓距離;

b.解釋用于實施實用慣性導航系統的各種慣性導航方法和傳感器;

c.推導出適當坐標軸上的導航方程;

d.描述全球導航衛星系統的基本操作;

e.評估偽距計算的誤差來源;

f.求解用于計算特定衛星星座位置估計值的方程。

g.了解組合導航系統的原理和卡爾曼濾波器的重要性。

二、導航系統的類型

1.PMM

代表性的PMM包括航位推算導航(DR)和慣性導航系統(INS)。除了初始位置數據之外，它們還通過測量車輛自身的速度和加速度來確定當前位置。由于 PMM 的性質，誤差隨著時間的推移而增加。

a.航位推算導航 (DR)

航位推算導航是一種利用航向、速度和時間估算當前位置的方法。它考慮了真北和磁北的誤差。地面車輛只需考慮自身速度，而飛機和船舶則需要考慮水流、風力等因素來計算位置。由于這種方法的精確度會隨著時間和距離的增加而降低，因此需要使用天體導航來確定準確位置，然后從這一點開始使用航位推算導航。傳統的慣性推算法使用繪圖儀(連接到直尺上的量角器)或飛機計算機來確定位置。如今使用飛行計算機自動計算位置。

b.慣性導航系統(INS)

慣性導航系統是一種自主導航系統，它利用自身的加速度計、旋轉傳感器和運算單元連續計算主體的位置、航向和速度，而無需接收外部信息。雖然全球定位系統能提供精確的導航系統，但在太空、深海、隧道和類似場所有其局限性，因為全球定位系統只有在能接收到衛星信號時才能工作。此外，INS 可以避免 GPS 干擾問題。由于 INS 是一種 PMM，誤差會隨著時間的推移而增加。而且，隨著精度的提高，誤差值呈指數增長。INS 的一個關鍵因素是初始位置和速度的精確輸入。然后將加速度傳感器和旋轉傳感器測量到的數據逐一整合。加速度傳感器提供位置數據，旋轉傳感器(陀螺儀)提供姿態數據。

2.EDM

利用極星或太陽確定經度和緯度的方法被認為是 EDM,EDM 包括以GNSS 為代表的全球導航衛星系統。全球導航衛星系統(GNSS)利用繞地球軌道運行的專門 GNSS 衛星確定位置。全球定位系統(GPS)可公開獲取并廣泛使用。衛星精確同步，每天每小時發送位置和時間信息。如果只有一顆衛星，則通過一個直徑為衛星距離的球體確定位置;如果有兩顆衛星，則通過空間中的一個圓確定位置;如果有三顆衛星，則通過一個點確定位置。這種軌道確定算法可由安裝在地面站或衛星上的計算機實現，具體取決于衛星的運行情況。

三、什么是卡爾曼濾波算法?

卡爾曼濾波器通常作為連續方法使用。卡爾曼濾波算法通過將數學模型的預測值與傳感器的測量值適當混合，實時估算出最佳預測值。卡爾曼濾波器的更新程度根據測量的可靠性自動調整。如果測量的可靠性良好且X非常小，則卡爾曼增益增加并且給予測量比數學預測更多的權重;否則，首選數學預測。這樣實時重復使用卡爾曼增益(加權因子)隨機尋找最佳估計的過程。

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