GNSS与惯性及多传感器组合导航系统原理PDF电子书下载

第1部分 绪论 1

第1章 绪论 1

1.1 什么是导航 1

1.1.1 定位 2

1.1.2 航位推算 3

1.2 惯性导航 5

1.3 无线电和卫星导航 6

1.3.1 地面无线电导航 7

1.3.2 卫星导航 8

1.4 特征匹配 9

1.5 完整的导航系统 10

参考文献 11

第2部分 导航数学基础第2章 坐标系、运动学和地球 12

2.1 坐标系 12

2.1.1 地心惯性坐标系 13

2.1.2 地心地固坐标系 14

2.1.3 当地导航坐标系 15

2.1.4 载体坐标系 16

2.1.5 其他坐标系 16

2.2 运动学 17

2.2.1 欧拉角姿态表示 18

2.2.2 坐标转换矩阵 20

2.2.3 四元数姿态表示 22

2.2.4 旋转矢量 23

2.2.5 角速度 23

2.2.6 笛卡儿位置 24

2.2.7 速度 25

2.2.8 加速度 26

2.3 地球表面形状和重力模型 27

2.3.1 地球表面的椭球模型 27

2.3.2 曲线坐标系位置表示 30

2.3.3 大地水准面和垂线高度 33

2.3.4 地球自转 34

2.3.5 比力、地心引力和重力 35

2.4 坐标系变换 38

2.4.1 惯性系和地球系间转换 39

2.4.2 地球系和当地导航坐标系间转换 40

2.4.3 惯性系和当地导航坐标系间转换 40

2.4.4 导航结果的转换 41

参考文献 42

参考书目 43

尾注 43

第3章 卡尔曼滤波 44

3.1 绪论 44

3.1.1 卡尔曼滤波的要素和流程 45

3.1.2 卡尔曼滤波的应用 47

3.2 卡尔曼滤波算法和模型 47

3.2.1 定义 48

3.2.2 卡尔曼滤波算法 50

3.2.3 滤波特性 53

3.2.4 系统模型 54

3.2.5 观测模型 57

3.2.6 闭环卡尔曼滤波器 59

3.3 卡尔曼滤波实现中的问题 60

3.3.1 算法调整和算法稳定性 60

3.3.2 算法设计 62

3.3.3 数值计算问题 63

3.3.4 滞后数据处理 64

3.3.5 卡尔曼滤波设计过程 66

3.4 卡尔曼滤波的扩展 66

3.4.1 扩展和线性化卡尔曼滤波 66

3.4.2 时间相关噪声和施密特卡尔曼滤波 68

3.4.3 自适应卡尔曼滤波 70

3.4.4 多假设滤波 71

3.4.5 卡尔曼平滑 74

参考文献 75

参考书目 77

尾注 77

第3部分 导航系统第4章 惯性传感器 78

4.1 加速度计 80

4.1.1 摆式加速度计 81

4.1.2 振梁式加速度计 83

4.2 陀螺仪 83

4.2.1 转子陀螺 84

4.2.2 光学陀螺 86

4.2.3 振动陀螺 89

4.3 惯性测量单元 91

4.4 误差特性 93

4.4.1 零偏 94

4.4.2 标度因数和交叉耦合误差 95

4.4.3 随机噪声 96

4.4.4 深层次误差源 97

4.4.5 误差模型 98

参考文献 99

第5章 惯性导航 100

5.1 惯性系导航方程 101

5.1.1 姿态更新 102

5.1.2 比力坐标转换 103

5.1.3 速度更新 104

5.1.4 位置更新 104

5.2 地球系导航方程 105

5.2.1 姿态更新 105

5.2.2 比力坐标转换 106

5.2.3 速度更新 106

5.2.4 位置更新 107

5.3 当地导航系导航方程 107

5.3.1 姿态更新 108

5.3.2 比力坐标转换 109

5.3.3 速度更新 110

5.3.4 位置更新 111

5.3.5 游动方位导航实现 111

5.4 导航方程的精确计算 112

5.4.1 迭代频率 113

5.4.2 姿态更新 114

5.4.3 比力坐标转换 118

5.4.4 速度和位置更新 119

5.4.5 振动的影响 120

5.5 初始化和对准 122

5.5.1 位置和速度初始化 122

5.5.2 姿态初始化 123

5.5.3 精对准 126

5.6 惯性导航系统误差传播 127

5.6.1 短时间直线运动误差传播 128

5.6.2 中、长时间导航误差传播 130

5.6.3 绕圈航行导致的误差 132

5.7 平台式惯性导航系统 133

5.8 平面惯性导航系统 134

参考文献 134

参考书目 135

尾注 135

第6章 卫星导航系统 136

6.1 卫星导航的基础 136

6.1.1 GNSS的构成 137

6.1.2 定位 138

6.1.3 信号和测距 141

6.2 GPS 145

6.2.1 空间和控制段 146

6.2.2 信号 148

6.2.3 导航电文 151

6.2.4 增强系统 152

6.3 GLONASS 154

6.3.1 空间和控制段 154

6.3.2 信号 155

6.3.3 导航电文 156

6.4 Galileo 157

6.4.1 空间和地面段 158

6.4.2 信号 159

6.4.3 导航电文 161

6.5 区域导航系统 162

6.5.1 “北斗Ⅰ”和“北斗Ⅱ”卫星导航系统 162

6.5.2 QZSS 163

6.5.3 IRNSS 164

6.6 GNSS的互操作性 164

6.6.1 频率的兼容性 165

6.6.2 用户设备的竞争 165

6.6.3 多系统兼容型的用户设备 166

参考文献 167

参考书目 169

第7章 卫星导航信号处理、误差及空间几何分布 170

7.1 卫星导航几何分布 171

7.1.1 卫星位置和速度 171

7.1.2 距离、距离率及视线矢量 177

7.1.3 仰角和方位角 180

7.1.4 信号几何分布及导航解算精度 181

7.2 接收机硬件及天线 184

7.2.1 天线 185

7.2.2 参考晶振及接收机时钟 185

7.2.3 接收机的前端 186

7.2.4 基带信号处理 189

7.3 测距处理器 198

7.3.1 捕获 198

7.3.2 码跟踪 201

7.3.3 载波跟踪 205

7.3.4 跟踪锁定检测 211

7.3.5 导航电文解调 212

7.3.6 载波功率噪声密度比测量值 213

7.3.7 伪距、伪距率及载波相位测量值 214

7.4 测距误差源 215

7.4.1 卫星时钟和星历预测误差 216

7.4.2 电离层和对流层传播误差 217

7.4.3 跟踪误差 219

7.4.4 多路径效应 222

7.5 导航处理器 225

7.5.1 单点导航解算 227

7.5.2 滤波导航解算 229

7.5.3 导航和跟踪的合并 236

7.5.4 定位误差预算 239

参考文献 241

参考书目 243

尾注 244

第8章 卫星导航高级应用 245

8.1 差分GNSS 245

8.1.1 GNSS误差的空间与时间相关 246

8.1.2 局域和区域DGNSS 246

8.1.3 广域DGNSS 247

8.1.4 精密单点定位 248

8.1.5 相对GNSS 248

8.2 载波相位定位与定姿 249

8.2.1 整周模糊度解算 251

8.2.2 GNSS姿态确定 253

8.3 低信噪比环境 254

8.3.1 天线系统 254

8.3.2 接收机前端滤波 255

8.3.3 辅助的GNSS 256

8.3.4 捕获 256

8.3.5 跟踪 257

8.3.6 扩展相干积分 258

8.4 多路径抑制 259

8.4.1 天线系统 259

8.4.2 接收机技术 259

8.4.3 多路径映射图 260

8.4.4 导航处理器滤波 260

8.5 信号监测 261

8.6 半无码跟踪 262

参考文献 262

第9章 陆基无线电导航 266

9.1 点源系统 266

9.2 罗兰 268

9.2.1 罗兰系统 269

9.2.2 信号与用户终端处理 270

9.2.3 定位 271

9.2.4 误差源 272

9.2.5 差分罗兰 273

9.3 仪表着陆系统 274

9.4 城市与室内定位 275

9.4.1 移动电话 275

9.4.2 泛无线信号 276

9.4.3 GNSS转发器 276

9.4.4 WLAN定位 276

9.4.5 UWB定位 277

9.4.6 短距离信标 278

9.5 相对导航 278

9.6 跟踪 280

9.7 声纳收发器 280

参考文献 281

第10章 航位推算，姿态和高度测量 283

10.1 姿态测量 283

10.1.1 调平 283

10.1.2 地磁定向 284

10.1.3 组合航向测量 287

10.1.4 姿态航向参考系统 288

10.2 高度和深度测量 288

10.2.1 气压高度计 288

10.2.2 深度压力传感器 290

10.2.3 雷达高度计 290

10.3 里程计 291

10.4 步行航位推算 295

10.5 多普勒雷达和声纳 297

10.6 其他航位推算技术 299

10.6.1 图像处理 299

10.6.2 地标跟踪 300

10.6.3 相关测速仪 300

10.6.4 大气数据 300

10.6.5 船速仪 301

参考文献 301

第11章 特征匹配 304

11.1 地形参考导航 304

11.1.1 序贯处理 305

11.1.2 批处理 306

11.1.3 性能 308

11.1.4 激光TRN 309

11.1.5 气压TRN 309

11.1.6 声纳TRN 310

11.2 图像匹配 310

11.2.1 区域相关景象匹配 311

11.2.2 连续视觉导航 311

11.3 地图匹配 312

11.4 其他特征匹配技术 314

11.4.1 恒星导航 314

11.4.2 重力梯度测量 315

11.4.3 地磁场异常 315

参考文献 316

参考书目 318

第4部分 组合导航第12章 INS/GNSS组合导航 319

12.1 组合结构 320

12.1.1 惯性导航参数校正 321

12.1.2 松耦合组合导航 324

12.1.3 紧耦合 325

12.1.4 GNSS辅助 326

12.1.5 深组合 328

12.2 系统模型与状态选择 330

12.2.1 状态选择与可观性 330

12.2.2 惯性系中的INS误差状态传播 332

12.2.3 地球系中的INS误差状态传播 336

12.2.4 当地导航坐标系下的INS误差状态传播 337

12.2.5 INS系统噪声 341

12.2.6 GNSS状态传播与系统噪声 342

12.3 测量模型 342

12.3.1 松耦合组合导航 343

12.3.2 紧耦合组合导航 346

12.3.3 深组合 348

12.3.4 姿态与仪表误差的估计 351

12.4 关于INS/GNSS组合的进一步讨论 351

12.4.1 差分GNSS 351

12.4.2 载波相位定位与GNSS姿态 352

12.4.3 大航向角误差 353

12.4.4 IMU高级误差建模 354

12.4.5 平滑 354

参考文献 355

参考书目 357

尾注 358

第13章 INS对准与零速修正 359

13.1 传递对准 359

13.1.1 传统测量匹配 360

13.1.2 快速传递对准 362

13.1.3 参考导航系统 363

13.2 未知航向时的准静态对准 364

13.3 伪静基座精对准与零速修正 366

参考文献 368

参考书目 369

第14章 多传感器组合导航 370

14.1 组合结构 371

14.1.1 最小二乘组合 371

14.1.2 级联式组合 373

14.1.3 集中式组合 375

14.1.4 联邦式结构 376

14.1.5 混合组合结构 379

14.1.6 用于预测的全状态卡尔曼滤波器 380

14.1.7 误差状态卡尔曼滤波 382

14.2 陆基无线电导航 383

14.2.1 松耦合组合导航 383

14.2.2 紧耦合组合导航 384

14.3 航迹推算、姿态和高度测量 386

14.3.1 姿态 387

14.3.2 高度和深度 389

14.3.3 里程计 390

14.3.4 步行航位推算 392

14.3.5 多普勒雷达和声纳 393

14.4 特征匹配 394

14.4.1 定位 394

14.4.2 轨迹确定 395

14.4.3 多义测量 396

参考文献 397

第15章 故障检测与完好性监测 398

15.1 故障模式 398

15.1.1 惯性导航 398

15.1.2 GNSS 399

15.1.3 陆基无线电导航 399

15.1.4 航迹推算、姿态和高度测量 400

15.1.5 特征匹配 400

15.1.6 组合算法 400

15.2 范围检查 401

15.2.1 传感器输出 401

15.2.2 导航参数 401

15.2.3 卡尔曼滤波器估计 401

15.3 卡尔曼滤波器测量新息 402

15.3.1 新息滤波 403

15.3.2 新息序列监测 404

15.3.3 对有偏状态估计的补救 405

15.4 直接一致性检查 406

15.4.1 测量一致性检查与RAIM 407

15.4.2 并行结果 408

15.5 完好性监测的检定 412

参考文献 415

附录A 向量和矩阵 417

A.1 向量介绍 417

A.2 矩阵介绍 419

A.3 特殊矩阵类型 421

A.4 逆矩阵 422

A.5 向量和矩阵的微分 423

参考文献 424

附录B 统计方法 425

B.1 均值、方差和标准偏差 425

B.2 概率密度函数 425

B.3 高斯分布 426

B.4 X2分布 427

参考文献 428

符号表 429

矩阵 429

向量 429

标量 430

上、下标 433

限定词 436

缩略语表 437