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《导航概论》主要介绍导航专业知识体系、核心概念、主要原理、导航技术及其军事应用等内容。《导航概论》共十二章，分别介绍导航基本概念、导航坐标系、定位导航时间参数、直接定位、直接航姿测量、速度测量、推算导航、时间统一、组合导航等原理、主要导航技术以及综合导航与综合舰桥系统等。通过对导航知识的系统性阐述，便于读者快速理解和掌握导航专业的主要知识。

《导航概论》是在海军重点教材《导航概论》的基础上，为了更好地适应读者需求，根据近年来导航技术的**发展，进一步优化编著而成。

目录

**章 绪论 (1)

**节 导航的历史 (1)

一、生物导航 (1)

二、古代导航技术 (2)

三、现代导航技术 (5)

第二节 导航的概念及相关技术领域 (6)

一、导航的概念 (6)

二、导航相关技术领域 (8)

第三节 导航的作用 (11)

一、导航对于航行安全的重要作用 (11)

二、导航对于制导武器的重要作用 (11)

三、导航对武器系统平台的重要作用 (12)

四、导航对网络中心战的重要作用 (12)

第二章 导航坐标系 (14)

**节 主要坐标系 (14)

一、坐标系的类型 (14)

二、常用导航坐标系 (15)

第二节 坐标系变换 (20)

一、坐标系的表示 (20)

二、坐标系位置参数变换 (21)

三、坐标系间角度关系表示 (22)

四、常用坐标系变换 (25)

第三节 大地坐标系 (28)

一、地球形体数学描述 (28)

二、常用大地坐标系 (30)

第三章 定位导航时间参数 (35)

**节 定位参数 (35)

一、纬度 (35)

二、经度 (37)

二、高度 (38)

第二节 导航参数 (40)

一、速度 (40)

二、距离 (42)

三、航向方位参数 (43)

四、姿态参数 (15)

五、航行参数 (46)

第三节 时问参数 (47)

一、时间 (47)

二、频率 (51)

第四章 直接定位 (53)

**节 直接定位基本原理 (53)

一、引例 (53)

二、直接定位通用公式 (54)

三、位置函数 (54)

四、直接定位的特点 (55)

第二节 地文定位原理 (56)

一、基于角度测量的多点定位 (56)

二、基于距离测量的多点定位 (57)

三、三角定位 (58)

四、单点移线定位 (58)

第三节 天文定位原理 (59)

一、天文定位基本原理 (59)

二、基于高度角的位置函数 (60)

三、基于高度差的航海天文定位 (60)

第四节 卫星定位原理 (62)

一、基于距离测量的GNSS卫星定位原理 (62)

二、基于距离增量的子午仪卫星定位原理 (65)

三、基于圆锥交汇的铱星卫星定位原理 (67)

第五节 无线电定位原理 (68)

一、基于测距差的双曲线定位系统 (68)

二、单点方位距离定位系统 (70)

三、基于邻近定位的室内无线电定位系统 (70)

第六节 测角与测距方法 (71)

一、测角方法 (71)

二、测距方法 (73)

第五章 基于矢量观测的直接航姿测量 (76)

**节 矢量测姿原理 (76)

一、双矢量直接定姿原理 (76)

二、多矢量直接定姿原理 (77)

三、直接航姿测量的特点 (78)

第二节 地磁航姿测量原理 (78)

一、地磁测向测姿的基本原理 (79)

二、地磁测向的环境磁场影响 (80)

三、磁罗经 (80)

第三节 灭文航姿测量原理 (83)

一、星敏感器测量原理 (83)

二、多矢量天文测姿原理 (81)

三、天文定位原理 (85)

第四节 卫星航姿测量原理 (85)

一、基本情况 (85)

二、载波相位测量原理 (85)

三、卫星导航测姿基本原理 (86)

四、卫星测姿精度分析 (87)

第五节 惯性航姿测量原理 (87)

第六章 基于平台的直接航姿测量 (90)

**节 惯性稳定平台 (90)

一、陀螺基本特性 (90)

二、陀螺稳定系统的种类 (91)

三、单轴陀螺稳定平台 (92)

第二节 水平仪与陀螺罗经 (93)

一、陀螺地平仪 (91)

二、陀螺罗经 (95)

第三节 平台罗经 (99)

一、三轴稳定平台 (99)

二、工作原理 (101)

三、航姿角度直接测量 (102)

第七章 速度测量 (106)

**节 主要测速原理 (106)

一、基于运动学原理的速度解算 (106)

二、基于动力系统的速度测量 (108)

三、基于物理效应的速度测量 (108)

第二节 伯努利测速 (109)

一、伯努利水压测速原理 (109)

二、水压式计程仪 (110)

三、空速管 (111)

第三节 法拉第测速 (111)

一、法拉第原理 (111)

二、电磁计程仪 (111)

第四节 多普勒测速 (112)

一、多普勒效应 (112)

二、多普勒计程仪的工作原理 (114)

第五节 声相关测速 (116)

第八章 推算导航 (118)

**节 推算定位 (119)

一、航迹推算的基本情况 (119)

二、航迹推算的基本方法 (119)

三、航迹推算的特点 (121)

第二节 惯性导航原理 (121)

一、惯性导航的基本原理 (121)

二、平台式惯性导航 (124)

第三节 捷联惯性导航原理 (127)

一、捷联惯性导航的基本情况 (127)

二、捷联惯性导航基本原理 (128)

三、捷联惯性导航系统初始对准 (133)

四、捷联惯性导航系统的特点 (136)

第九章 时间统 (138)

**节 时间频率基准 (138)

一、天文钟 (138)

二、石英晶体谐振器 (139)

三、原子钟 (141)

第二节 授时系统 (113)

一、有线直连同步 (143)

二、无线时间同步 (146)

三、时间同步方法比较 (149)

第三节 时间统一系统 (149)

一、守时系统 (150)

二、授时监测发播系统 (150)

三、时频终端设备 (151)

四、时间统一保障系统 (152)

五、时间统一技术的发展 (152)

第十章 组合导航 (155)

**节 组合导航基本情况 (155)

一、组合导航的概念 (155)

二、组合导航的种类 (156)

第二节 组合导航原理 (158)

一、卡尔曼滤波的基本原理 (159)

二、递推贝叶斯估计基本原理 (161)

三、常用组合导航算法 (163)

第三节 地球物理场 (166)

一、基本情况 (167)

二、地形数据库 (168)

三、重力场基础知识 (169)

四、地磁场基础知识 (174)

第四节 匹配组合导航 (176)

一、匹配定位原理 (176)

二、地形参考导航 (179)

三、重力辅助导航 (183)

四、地磁辅助导航 (185)

第十一章 主要导航技术 (187)

**节 无线电导航技术 (187)

一、无线电导航基础知识 (187)

二、无线电导航的种类和特点 (193)

三、典型的无线电导航系统 (195)

四、典型的卫星导航系统 (202)

第二节 声学导航技术 (205)

一、水声导航基础知识 (205)

二、水声测深仪系统 (210)

三、水声基线定位系统 (212)

第三节 光学导航技术 (216)

一、天文导航基础知识 (216)

二、舰艇天文导航装备 (219)

三、其他光学导航装置 (220)

第四节 惯性导航技术 ( 221)

一、惯性元件的基础知识 (224)

二、惯性导航系统 (229)

三、惯性装备体系 (231)

第十二章 综合导航系统与综合舰桥系统 (233)

**节 舰艇综合导航系统 (233)

一、综合导航系统的概念 (233)

二、舰艇综合导航系统的特点 (233)

三、NAVSSI舰艇综合导航信息系统结构 (231)

第二节 电子海图 (236)

一、海图投影基础知识 (236)

二、电子海图基础知识 (237)

三、电子海图系统 (238)

第三节 船舶常用组导设备 (239)

一、无线电助航设备 (239)

二、航迹自动标绘仪 (242)

三、航行数据记录仪 (212)

第四节 海洋环境测量设备 (242)

一、气象导航的基本概念 (243)

二、海洋水文气象要素观测设备 (244)

第五节 自动操舵仪 (218)

一、自动舵的基本概念 (248)

二、自动舵的基本原理 (250)

第六节 综合舰桥系统 (254)

一、综合舰桥系统的概念 (251)

二、综合舰桥的发展 (255)

参考文献 (259)

附录 重要符号列表 (262)

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**章 绪论

　　在陌生的地方，人们需要知道自己的位置。我在哪里？去哪里？该往哪里走？这些都是导航(navigation)问题。导航技术的发展来源于人类的本能需要，是人类社会的基本需求。

　　导航是人类*古老的科学技术之一。早在远古时期，人类便需要在丛林、山峦、沙漠和海洋之间穿梭，完成生存所必要的各种活动，必须创造并使用各种古老的导航方法。他们或采取特征明显的山峰和大河作为标志，或标记各种神秘奇异的人工符号作为参照，或利用周而复始运行的日月和有着神话色彩的星斗，或发明地磁罗盘和指南车等古代机械，等等。随着人类的发展、生存空间的拓展以及运输方式的改变，不仅人自身需要导航，人类发明的各种运载体也需要导航。导航技术的发展从古至今都有着持续不断的社会需求发展的原动力。如果人们细心观察，就会发现近年来身边出现了移动终端的测向定位技术、迅速发展的打车软件、手机导航地图以及共享单车定位等各种导航技术的应用服务，就会真切感觉到导航技术的进步不仅决定着人类精确控制自身活动的能力，而且还深刻影响着人类的社会生活。

　　随着科学技术的发展和军民用领域不断产生的大量需求，导航技术创新层出不穷，发展空间十分广阔。导航渐渐发展成为一门专门研究导航原理方法和导航技术装置的学科。在当今军用技术领域，导航技术业已成为军事指挥(command)、控制(control)、通信(communication)、计算(compute)、情报(intelligence)、监视(surveillance)、侦察(reconnaissance)和杀伤(kill)C4ISRK系统重要的组成部分。在舰船、飞机、导弹、宇宙飞行器、战车等运载体上，导航系统都是必不可少的重要设备。

　　**节 导航的历史

　　初接触导航，需要简要了解导航的基本情况。本节从生物导航入手，进而介绍古今中外导航技术的发展历史，以讲解导航技术的梗概和重要作用。

　　一、生物导航

　　实际上，与人类相同，绝大部分生物都需要解决导航问题。在漫长的进化过程中，几乎所有动物都进化出必要的导航能力，所以生物大都具有神秘的经过长距离回到原先位置，或者能按照某个规律多次回到同一地点的导航能力。

　　关于鸟类、哺乳类、鱼类、昆虫等各种动物导航能力的报道非常之多，例如，北极狐可以在数月时间内从太平洋沿岸长途迁徙到大西洋沿岸，这个行程约等同于横跨了加拿大东西侧。有一种叫斑尾塍鹬的滨鸟能够从其繁殖地阿拉斯加飞越近半个地球到达新西兰。还有一种北美黑顶白颊林莺能以极快的速度借助信风，经过100个小时的海上飞行从美国东北部飞至南美过冬。鱼类也具备出色的导航能力。体形修长的欧洲鳗鲡成熟后从生活的欧洲河流顺流而下，经过数千英里（1英里=1.6093公里）直达马尾藻海产卵。鳗鱼幼苗出生后，又重新向欧洲迁徙。导航能力不仅可以帮助生物完成不可思议的长距离迁徙壮举，也可以帮助生物实现日常捕食活动。例如，美国得克萨斯州的犬吻蝠，能离开洞穴飞行超过70公里寻找食物。相对其体形而言，撒哈拉沙漠蚂蚁从其巢穴出去觅食*远可达500米。它们能依靠步数计算，并根据阳光的不同照射模式和气味线索，准确地找到回家路径。这种能力对它们十分关键，因为暴露在阳光下时间过长，它们将可能因曝晒而丧命。

　　为什么生物会具有这些令人惊异的导航能力？人们对生物导航(bionavigation)进行了长年的研究。大量的实例表明，在生物体内有着尚不为人所知的复杂的导航机制。生物导航的方法包括以下几种：一是靠感觉器官综合分析识别路线。许多动物会综合运用多种导航手段，从空气、水流、温度变化、可视标记、气味等多种途径获得有关的环境导航信息，综合判断而不致迷路。例如，夜间迁徙的鸟类，会利用落日余晖判定西向；夜晚通过辨别星空进行导航。信鸽利用太阳作为罗盘确定自己飞往何处；依靠太阳每日的运行规律和体内的生物钟，计算出飞行距离。二是拥有头部独特的地磁感应罗盘。许多动物都拥有人类所没有的地磁感应系统。动物体内的地球磁场感应系统其实只是动物体内庞大、复杂导航系统中的一部分。研究发现，诸如海龟、鲸、某些鸟类、某些鱼类和鼹鼠等动物的头部都有含有磁性物质的特殊细胞，这些磁性物质受磁场的影响会按磁力线的方向排列，并将排列信息传到大脑进行分析和处理，发出控制动物行进方向的指令。三是动物具有可视化地球磁场的视觉感应能力。除依靠磁性细胞感应地磁场外，某些鸟类还能用特有的X线视觉系统将磁场可视化。一些鸟类的眼中含有能检测磁场的光感接收器，也许在它们眼中，南方和北方会呈现出不同的色彩。四是通过敏感光的偏振实现定位测向。天空中任何一点偏振光的方向都垂直于由太阳、观察者和这一点所组成的平面。因此，根据天空偏振光的图形，就可以确定太阳的位置。蜜蜂的复眼对偏振光很敏感，能够测出天空中不同方位的亮度，具有特殊的定向功能，即使是乌云蔽日，也能根据太阳的方位变化，进行时间校正。蜣螂等许多夜行动物则能够利用月光来进行导航和定位。所以，生物能够靠山脉、河流、海岸或其他一些可见的路标识别路线，也能够采用嗅觉、磁场、星光等多种方法判断方位。

　　事实上，导航能力是生物的基本生存能力之一。没有导航能力的生物难以生存。这可以帮助我们比较直观地理解导航能力的重要性。另外，不断深入地研究并揭示生物导航的内在机制，可以帮助人们研究、改进新的导航技术，如偏振光天文罗盘就是从蜜蜂等动物利用偏振光定向的本领中得到启发的。特别是人工智能技术不断发展的今天，生物导航研究的重要性更加凸显，也成为导航技术研究的热点。

　　二、古代导航技术

　　现代人类是七万年前智人进化而来的。作为高等生物的人类，导航技术是一种基本需求。所以探索人类导航的历史可以追溯到早期人类历史，导航的方法和技术的悠久也就十分易于理解。实际上，世界各古老文明都有导航技术的记载。在这里主要对中西方古代导航技术的发展以及对于人类历史发展的影响作简单介绍。

　　(一) 中国古代导航技术

　　我国对导航技术的研究有着悠久的历史。史书记载，我国*早的导航器械是4000多年前的指南车(southward pointing cart)(图1-1)。从今天的技术角度来看，指南车是一种方位精度保持的导航装置，也是中国古代机械的代表性发明之一。相传它是由黄帝发明的，黄帝在与蚩尤作战于涿鹿时，遇到大雾，正是采用指南车辨别方向，得以重创蚩尤。从这个传说中还可以看到，作为导航器械的指南车在古时发明之初，就与军事应用密切相连。实际上，这也反映出导航技术的内在军事属性。

　　4000多年前的夏朝，我国先民就已经懂得利用天然目标指引航行的地文导航，驶抵预定地点。《尚书 禹贡》篇记载：“ 岛夷皮服，夹右碣石入于河。”这指的便是夏朝辽东一带少数民族，泛舟渤海，将碣石山置于右方通过，进入黄河口到中原都城去敬献贡物。史料记载，公元前4世纪时，我们的祖先就已经能够在所有周边邻海自由航行。

　　我国关于指南针(compass)*初的记载见于春秋战国时期。大约在公元前1世纪，中国巫师用一个北斗七星形状的磁铁矿做成的勺子，置于光滑的铜天盘上指示北极(图1-2)。至少在1500年前，指南针已用于航海，使人们能够远离海岸涉足大洋。北宋时期的宋括在《梦溪笔谈》中首次描述了磁偏角的发现。到约公元1090年，中国的领航员，已采用漂在水上的指南针在阴天指示方向。宣和年间已有记载“舟师识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦则观指南针”等各种使用指南针的方法。宋元两代，我国航海事业已十分发达，海上交通极其繁荣。后来指南针传到了阿拉伯和欧洲，对人类有巨大贡献。所以，李约瑟将中世纪中国人发明的磁罗盘称为伟大发明。

　　图1-1 指南车

　　图1-2 汉代发明的司南

　　我国是世界上天文学发展*早、贡献**的国家之一。古代的中国人很早就认识了北极星，也称北辰，并用以辨别方向。早在2000多年前，就有船舶载运各种货物漂洋过海，与日本、东南亚等地进行贸易。当时航渡海洋已使用了天文方法。东晋僧人法显在访问印度乘船回国时曾记述：“大海弥漫无边，不识东西，唯望日、月、星宿而进。”到宋代，天文方法导航又有了进一步的发展。元、明时期天文定位技术有很大发展。不过，如果在海上航行只知道南、北方向，而不知道具体位置，仍会迷失航向，难以顺利抵达目的地。随着航海事业的发展，我国创造出一种称为“牵星术”的天文航海导航技术，利用牵星板测定船舶在海中的方位。它是根据牵星板测定的垂向高度和牵绳的长度，换算北极星高度角，近似确定当地地理纬度。

　　早在公元13世纪初，我国已有*早的南海诸岛海图。但流传至今的*早海图是公元1430年明朝郑和的航海图(图1-3)。中国明代著名航海家郑和率船队七下西洋，其采用的航海技术以海洋科学知识和航海图为依据，运用了航海罗盘、计程仪、测深仪等航海仪器，按照海图、针路簿记载来保证船舶的航行路线，是当时***的航海导航技术。根据记载，郑和船队已越过赤道，前后共经过、到达30多个国家和地区。白天用24/48方位指南针导航，夜间则用天文导航的牵星术观看星斗和水罗盘相结合的方法进行测向。这些综合应用的航海技术使中国古代航海技术领先世界。

　　图1-3 古代中国海图

　　(二) 西方古近代导航技术

　　西方古代导航技术的记载*早可以追溯到公元前的腓尼基、希腊时期。他们很早就掌握了通过观测北极星高度角在地中海实现东西等纬度航行的方法。古代的欧洲航海者曾经将“风向”认作“方向”。早期的北欧海盗在欧洲北部的北海和波罗的海水域航行时，更多地利用地文导航。当时的船长十分熟悉海面和海中自然物，也会借助如鸟类、鱼类、水流、浮木、海草、水色、冰原反光、云层、风势等各类信息进行导航。公元9世纪时，北欧著名航海家弗勒基，甚至通过在船上放出一头渡鸦来引导抵达冰岛。

　　海图与航海需要密切相关。古埃及、古希腊和阿拉伯人都对海图的发展做出了贡献，提出了一些基本理论和绘制方法，并绘制了相应的早期海图，其中著名的代表人物是古希腊的克罗狄斯 托勒密(公元90～168年)，他在1800多年前的天文测量和大地测量的研究基础上，发表了重要著作《地理学指南》。采用喜帕恰斯所建立的纬度和经度网，把圆周分为360等份，每个地点都注明经纬度坐标，并列有欧、亚、非三大洲8100处地点位置的一览表，所绘制的27幅世界地图和26幅局部区域图，统称为《托勒密地图》。公元13世纪，随着波特兰海图的出现，海图从地图中分离出来，形成了地图的一个重要独立分支，为航海大发展和地理大发现准备了条件，并促进了文艺复兴，开创了中世纪后期整个地图学复兴的道路。这种海图将海洋作为主要表示对象，而对陆地只表示沿海狭长地区，所有对航海有作用的地物都显著表示，港湾图上保持着目标的正确相互位置和方位，海岸和岛屿轮廓类似于那些相应比例尺的现代海图，在符号和色彩的设计和应用上，具有开创性意义。公元15~16世纪，文艺复兴运动催生了地理大发现，为满足航海探险事业的需要，频繁的航海活动要求航海图包含更多内容，覆盖更广区域，具有更高精度和更便于航海使用，墨卡托海图产生了，这是海图学史上继波特兰海图之后的又一个里程碑，并且它一直沿用至今。

　　地磁导航方面，阿拉伯帝国在其鼎盛时代从中国唐朝学会使用指南针，极大地刺激了阿拉伯航海业的巨大发展。公元12世纪，磁针由阿拉伯传入欧洲。公元1190年，意大利领航员已开始用一碗水漂起铁针，用磁铁矿或天然磁石使铁针磁化，根据铁针偏转的方向来检查方向估计是否正确。到约公元1250年，在此基础上磁针已发展成为航海磁罗盘(magnetic compass)。公元14世纪初，意大利人乔亚用纸做成方向刻度盘和磁针连接在一起转动。这是磁罗经发展过程中的一次飞跃。公元16世纪，意大利人卡尔登设计了平衡环，这一框架架构早在汉朝时期已被中国人发明和使用，但卡尔登将其用于控制磁罗经在船舶摇晃中保持水平。随后欧洲人将原始的指南针改制成简单的船用罗经，并绘制出地中海的地图。航海磁罗盘被普遍应用到航

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