导航原理课程教学大纲
一、课程基本信息
课程编号： AS33101
课程名称： 导航原理
英文名称： Principles of Navigation
课程学时： 32 讲课学时：28 实验学时：4 上机学时：0 习题学时：0
课程学分：2
开课单位：航天学院控制科学与工程系
授课对象：自动化、探测制导与控制技术
开课学期：3春
先修课程：高等数学，大学物理，自动控制原理
二、课程目标
导航原理是航天与国防特色高校的自动化类专业的一门重要专业课，是学习后续专业课如飞行器控制与制导、航天器控制、最优导航与滤波等课程的基础，在培养学生导航系统综合分析能力、综合设计能力等方面占有重要的地位。
本课程主要讲授惯性导航、卫星导航以及组合导航的基本原理，使学生较深入地了解惯性导航要解决的基本问题和基本分析方法。通过本课程的课堂教学、平时作业、后续的实验教学、案例分析、和计算机仿真等环节，培养学生运用工程基础知识和专业知识的分析和设计导航系统的能力，支撑专业毕业要求中相应指标点的达成。
在学生能力培养方面，课程致力于达成以下目标：
课程目标1. 理解惯性导航系统和惯性器件、卫星导航系统和组合导航系统的基本原理、优缺点,具备导航问题分析的知识基础，了解导航的理论基础、研究热点、发展趋势及前沿方向。
课程目标2. 了解和掌握惯性导航系统和惯性器件、卫星导航系统和组合导航系统的主要分析方法，具备分析和解决工程实践中导航系统问题的能力。
课程目标3. 熟悉和掌握导航系统及器件的基本实验设计能力和计算机仿真方法，获得实验技能，逐步具有应用先进工具解决工程实际问题的能力。
三、课程目标与毕业要求对应关系
毕业要求 | 毕业要求指标点 | 课程目标 |
1.工程知识 2.问题分析 12.终身学习 | 1-2 能运用数学和专业知识对自动化系统及其单元进行分析、设计和优化； 2-3能通过文献研究了解国内外在自动化领域的发展现状，归纳发展趋势，吸取相关的研究成果并分析可能存在的局限； 12-1能够通过自学从指定或推荐的文献中掌握所需的知识和技能； | 课程目标1 |
2.问题分析 3.设计/开发 | 2-1能应用数学和自然科学的基本原理，建立自动化系统及其单元的模型，并能检验模型的合理性； 3-4能够结合具体工程对象及环境，对自动化系统及其单元的多种设计方案进行比较、选择、改进和优化，在设计环节中体现创新意识； | 课程目标2 |
4.研究 5.使用现代工具 10.沟通 | 4-3能够分析与解释实验或仿真结果，并为自动化系统设计方案的改进及优化提供合理有效的建议； 5-2能够运用现代软硬件、开发、测试与分析工具对自动化系统进行分析、设计与实现； 5-3能够利用信息技术工具获取公开的文献、代码或数据库等资源，用以解决自动化工程问题； 5-5能够理解所使用的技术、工具或资源的局限性； 10-1能够通过规范撰写的报告和设计文稿，以及清晰的陈述发言、表达或回应指令，与业界同行进行有效沟通和交流； | 课程目标3 |
四、课程目标与课程内容对应关系
序号 | 教学内容 | 教学要求 | 学时 | 教学方式 | 对应课程 目标 |
1 | 绪论及数学和力学基础 1.导航的任务和需求：定位定姿；精度、成本、小型化、自主性、连续性 2.运动描述需求：地球信息, 坐标系及变换 3.运动描述需求：科氏分析和动量矩定理 | 1.理解导航的内涵及其与控制与制导的关系；了解不同类型的导航在满足导航的各种需求方面的优缺点 2.了解基本的地球几何和运动信息；能根据导航需要选取适当的坐标系并进行坐标变换 3.能用科式定理及科氏加速度分析导航问题中的运动、力学关系 | 2 | 讲授 | 课程目标1 |
2 | 惯性导航的基本原理和需求 1.惯性导航的基本原理（加速度积分） 2.导航基准建立的需求：平台式或捷联式 3.测量元件的需求：陀螺仪和加速度计 4.相对加速度提取的需求：当选取非惯性导航坐标系 5.初始条件的需求：初始对准基本思路 | 1.理解惯性导航的基本原理 2.理解建立导航坐标系的重要性 3.理解平台式和捷联式惯性导航的基本思想 4.理解陀螺仪和加速度计在惯性导航中的作用，理解陀螺仪转动测量的绝对性和加速度计测量的比力实质。 5.理解选取非惯性导航坐标系时，相对加速度提取的必要性和方法 6.理解初始对准对于惯性导航的必要性及其基本思路 | 2 | 讲授 | 课程目标1 |
3 | 器件篇：加速度计 1.加速度计的公共原理 2.比力 3.加速度计指标解读 | 1.理解所有类型的加速度计都以牛顿第二定律为基础 2.能够运用比力的概念，从加速度计的测量结果中提取出被测对象的真实加速度 3.能根据一款加速度计的指标参数判断其精度是否满足某种特定应用 | 1 | 讲授 | 课程目标1 课程目标2 |
4 | 器件篇：机械自旋陀螺（针对平台惯导需求） 1.二自由度陀螺：基本特性及应用 2.单自由度陀螺：基本特性及应用 3.静电陀螺：支撑及测量原理 | 1.理解二自由度陀螺仪的基本特性和功能 2.理解单自由度速率陀螺和单自由度积分陀螺的功能和传递函数 3.了解二自由度和单自由度陀螺在平台式惯导系统中的应用方式 4.了解静电陀螺的支撑和测量原理 | 1 | 讲授 | 课程目标1 |
5 | 器件篇：光学陀螺（针对捷联惯导的需求） 1.激光陀螺仪：Sagnac效应，谐振和频差读取机制，误差抑制 2.光纤陀螺仪：灵敏度增强，开、闭环 3.误差模型，指标解读，Allan方差 | 1.了解激光和光纤陀螺的工作原理 2.了解激光和光纤陀螺误差抑制措施 3.能够通过Allan方差分析确定激光或光纤陀螺的典型性能参数 4.能够根据说明书参数评价某型激光或光纤陀螺的精度级别 | 2 | 讲授 | 课程目标1课程目标2 |
6 | 器件篇：振动陀螺（针对捷联惯导及移动应用需求） 1.科式效应：所有振动陀螺的原理基础 2.低成本小型化的极致：MEMS 陀螺 3.高精度的振动陀螺：半球谐振陀螺 | 1.能够通过科式加速度分析振动陀螺的测量和读取机理 2.了解常用的激振和输出测量手段 3.理解半球谐振陀螺的振型偏转原理 | 2 | 讲授 | 课程目标1 课程目标2 |
7 | 器件篇：原子陀螺（针对未来高精度和小型化的双重需求） 干涉原子陀螺、 自旋原子陀螺 | 了解干涉和自旋原子陀螺的基本原理，国内外研制现状和前景 | 1 | 讲授 | 课程目标1 |
8 | 系统篇：平台式惯导系统（高精度需求） 1.平台支撑的需求：框架或浮球支撑 2.平台稳定、修正的需求：稳定回路（干扰及控制影响方式）和修正回路（舒勒调谐） 3.平台惯导系统航姿确定方法 | 1.理解惯导平台的稳定和修正机制 2.理解外部干扰、陀螺漂移和陀螺指令力矩对惯导平台的影响 3.理解舒拉调谐的物理意义，能利用通道匹配法实现舒勒调谐 | 2 | 讲授 | 课程目标1 课程目标2 |
9 | 系统篇：捷联式惯导系统（低成本小型化需求） 1.捷联惯导的基本机制 2.核心问题：姿态解算（DCM、四元数） 3.解算精度需求：基于旋转矢量的多子样改进姿态算法 4.初始条件及器件误差的补偿需求：捷联惯导系统误差传播方程和初始对准 | 1.理解捷联与平台惯导的异同 2.能将捷联惯导的基本机制通过软件流程来实现或模拟 3.能够利用陀螺仪的测量数据和基于四元数的捷联算法求解载体的姿态 4.理解角增量算法的优点和缺陷 5.能够运用旋转矢量和多子样算法提高捷联惯导系统的姿态计算精度 6.理解误差传播方程的物理意义及其在捷联惯导系统初始对准中的作用 | 7 | 讲授 | 课程目标1 课程目标2 |
10 | 非自主篇：GPS导航 1.时间系统、系统组成、 信号结构 2.定位和测速 3.差分技术 4.性能指标 | 1.了解GPS的时间系统、系统组成和信号结构 2.理解利用GPS卫星信号实现定位和测速的原理 3.理解利用差分技术提高GPS导航精度的机理 4.了解GPS的性能指标，优势和局限 | 3 | 讲授 | 课程目标1 |
11 | 非自主篇：其它导航方式 1.北斗、GLONASS、Galileo 2.天文、多普勒、地磁、视觉、Wifi和基站定位 | 1.了解其它卫星导航系统与GPS的异同 2.了解其它导航方式的基本原理和适用范围 | 2 | 讲授 | 课程目标1 |
12 | 组合导航 1.自主连续与精度需求矛盾的解决方案：组合导航 2.Kalman滤波及其在组合导航中的应用 | 1.理解组合导航的基本思想 2.了解基于Kalman滤波的SINS /GPS组合导航的实现方式 | 1 | 讲授 | 课程目标1 |
13 | 案例分析与设计 1.以某次飞行任务为例，介绍所搭载的捷联惯导系统从初始对准到航姿解算的整套实现流程 2.考虑初始条件和器件误差，纯惯性导航和惯导/GPS组合导航的对比 | 1.理解捷联惯导系统的总体实现流程 2.理解捷联惯导系统总体流程的各个环节之间的衔接关系。 3.能自主学习算法实现所需的软件编程，运用编程和仿真工具 4.能在报告中清晰地表达自己的设计和分析过程 | 2 | 讨论 与大作业 | 课程目标2 课程目标3 |
14 | 实验 1.自旋式陀螺仪 （特性验证，方案设计） 2.激光陀螺和光纤陀螺（数据采集及分析） 3.GPS导航 （数据采集及分析） | 1.能够解释自旋式陀螺的运动特性，并通过设计实验确定其关键参数 2.能够进行激光陀螺和光纤陀螺的数据采集和分析 3.能够利用GPS接收机进行数据采集与分析 4.能正确、有效地使用实验和设计所需的软硬件工具 | 4 | 实验 | 课程目标2 课程目标3 |
五、课程教学方法
1、 课堂讲授
1.1 采用启发式教学，诱导学生提出问题，调动学生的胃口，培养学生的独立思考精神和自主分析与解决问题的能力，引导学生主动通过自学和实践获得所需的知识。
1.2 采用电子教案和计算机辅助课件，和传统板书、教具相结合，提高课堂教学信息量，增强教学的直观性。
1.3 采用案例教学：理论教学与工程实践相结合，引导学生应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，采用现代设计方法和手段，进行导航系统分析、综合与仿真，培养起识别、表达和解决导航领域相关工程问题的思维方法和实践能力。
1.4 采用互动式教学：课内讨论和课外答疑相结合，网上交流和线下互动相结合。
2、 计算机仿真
围绕各章教学重点内容，设置综合性的计算机仿真环节。
（1）以某飞行器三维模型的旋转和平移运动的动画实现为例，训练学生的坐标变换应用能力。
（2）以某次飞行任务中的捷联惯性导航系统为载体，将系统建模、方案设计、系统仿真和性能分析等内容有机融合，提高学生综合应用所学知识与方法的能力，工具使用能力，研究和设计报告撰写能力。
组织形式及要求如下：
教师给出任务书，含对飞行任务的基本描述和仿真要求。学生根据要求（1）完善动画演示程序，阐述程序编写思路；（2）设计导航解算的总体构架，选择适当的算法，画出流程图，编制程序对飞行器的姿态和位置进行求解，分析航姿解算的结果，进行可视化呈现，并撰写设计报告。
3、 实验教学
导航原理含3个课程实验，有验证类的，有设计类的。实验教学的主要目的是培养学生运用实验方法研究解决导航领域复杂工程的能力。各实验按照实验指导书的要求学生独立或分组完成，并提交实验报告。
六、课程考核方法
考核环节 | 所占分值 | 考核与评价细则 | 对应课程目标 |
平时和作业 | 20 | (1)考核学生们上课表现，对提问的回答等； (2)作业交3次；以上两项最后合计，给出成绩。 | 课程目标2 |
实验 | 10 | (1)按要求完成3个实验； (2)上交实验报告，由实验指导教师给出成绩。 | 课程目标3 |
仿真 | 30 | (1)按要求完成2个仿真题目； (2)上交仿真设计和结果分析报告，由任课教师或助教给出成绩。 | 课程目标2 课程目标3 |
期末考试 | 40 | (1)卷面成绩40分，直接计入课程总评成绩。 (2)考试命题以大纲中应知应会内容为主，提醒有判断、填空、选择、简答和计算，并逐年有所变化。 | 课程目标1 |
七、主要教材与参考书
1. Zhenxian Fu, Inertial Navigation. (自编英文讲义)
2. Titterton et al, Strapdown Inertial Navigation Technology, AIAA, 2004
3.秦永元,惯性导航,科学出版社, 2006年
4. GPS原理与应用. Elliott D. Kaplan著,邱致和,王万义 译.电子工业出版社, 2002年8月第一版.
5. M. S. Grewal, et al, Global Positioning System, Inertial Navigation, and Integration, Second Edition. John Wiley, 2007.
大纲撰写人： 付振宪、卢鸿谦 大纲审核人：
附件：
毕业要求
（摘自工程教育认证通用标准）
专业必须有明确、公开的毕业要求，毕业要求应能支撑培养目标的达成。专业应通过评价证明毕业要求的达成。专业制定的毕业要求应完全覆盖以下内容：
1.工程知识：能够将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于解决复杂工程问题。
2.问题分析：能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂工程问题，以获得有效结论。
3.设计/开发解决方案：能够设计针对复杂工程问题的解决方案，设计满足特定需求的系统、单元（部件）或工艺流程，并能够在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素。
4.研究：能够基于科学原理并采用科学方法对复杂工程问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据、并通过信息综合得到合理有效的结论。
5.使用现代工具：能够针对复杂工程问题，开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，包括对复杂工程问题的预测与模拟，并能够理解其局限性。
6.工程与社会：能够基于工程相关背景知识进行合理分析，评价专业工程实践和复杂工程问题解决方案对社会、健康、安全、法律以及文化的影响，并理解应承担的责任。
7.环境和可持续发展：能够理解和评价针对复杂工程问题的专业工程实践对环境、社会可持续发展的影响。
8.职业规范：具有人文社会科学素养、社会责任感，能够在工程实践中理解并遵守工程职业道德和规范，履行责任。
9.个人和团队：能够在多学科背景下的团队中承担个体、团队成员以及负责人的角色。
10.沟通：能够就复杂工程问题与业界同行及社会公众进行有效沟通和交流，包括撰写报告和设计文稿、陈述发言、清晰表达或回应指令。并具备一定的国际视野，能够在跨文化背景下进行沟通和交流。
11.项目管理：理解并掌握工程管理原理与经济决策方法，并能在多学科环境中应用。
12.终身学习：具有自主学习和终身学习的意识，有不断学习和适应发展的能力。
