惯性导航、卫星定位及其组合的基本原理PDF电子书下载

第1章 绪论 1

1.1常用的定位技术分类 1

1.1.1相对测量技术（航迹推算法） 1

1.1.2绝对测量技术（参考基准法） 2

1.1.3组合系统 3

1.2全球导航卫星系统技术 3

1.2.1全球定位系统 4

1.3 GPS与其他系统的组合 6

1.3.1 GPS增强系统 6

1.3.2当地无线定位系统 7

1.3.3运载体运动器件 8

1.3.4其他辅助器件 9

1.3.5电子地图 10

1.4惯性导航 10

1.5 INS/GPS组合导航 11

1.6 INS/GPS组合类型 12

1.6.1松组合 12

1.6.2紧组合 12

1.6.3超紧（深）组合 12

1.7 INS/GPS融合算法 13

1.8本书章节概览 14

参考文献 14

第2章 导航数学基础、坐标系和地球几何学 17

2.1导航基本数学基础 17

2.1.1矢量记法 17

2.1.2矢量坐标变换 17

2.1.3角速度矢量 18

2.1.4反对称矩阵 19

2.1.5反对称矩阵的基本性质 19

2.1.6角速度的坐标变换 19

2.1.7最小二乘法 19

2.1.8非线性函数的线性化 20

2.2坐标系 21

2.2.1地心惯性坐标系 21

2.2.2地心地固坐标系 22

2.2.3当地水平坐标系 23

2.2.4游动坐标系 23

2.2.5计算坐标系 24

2.2.6载体坐标系 24

2.2.7轨道坐标系 26

2.3坐标变换 26

2.3.1欧拉角和基本变换矩阵 27

2.3.2 ECI坐标系与ECEF坐标系的变换 30

2.3.3 LLF坐标系与ECEF坐标系的变换 30

2.3.4 LLF坐标系与游动坐标系的变换 31

2.3.5 ECEF坐标系与游动坐标系的变换 32

2.3.6载体坐标系与LLF坐标系的变换 33

2.3.7载体坐标系到ECI坐标系及ECEF的变换 33

2.3.8变换矩阵的微分计算 34

2.3.9惯性坐标系中位置矢量的微分 35

2.3.10惯性坐标系速度矢量的微分 35

2.4地球几何学 36

2.4.1基本概念 36

2.4.2卯酉半径与子午半径 37

2.5 ECEF坐标系的类型 38

2.5.1 ECEF坐标系中的笛卡儿坐标系 38

2.5.2 ECEF坐标系中的大地坐标系 39

2.5.3 ECEF坐标系中，大地坐标系到笛卡儿坐标系的变换 39

2.5.4 ECEF坐标系中，笛卡儿坐标系到大地坐标系的变换 39

2.6地球引力场 40

参考文献 49

第3章 全球定位系统 50

3.1 GPS观测量 50

3.1.1伪距观测量 51

3.1.2载波相位观测量 51

3.1.3多普勒频移观测量 52

3.2 GPS体系结构 52

3.2.1空间星座部分 53

3.2.2地面监控部分 53

3.2.3用户设备部分 54

3.3 GPS信号 54

3.3.1传统的GPS信号 54

3.3.2 GPS现代化 55

3.4 GPS误差源 56

3.4.1卫星时钟钟差 56

3.4.2接收机时钟钟差 56

3.4.3电离层延时 57

3.4.4对流层延时 58

3.4.5多径误差 58

3.4.6卫星轨道误差 59

3.4.7接收机噪声 59

3.4.8用户等距误差 59

3.5 GPS增强系统 59

3.5.1差分GPS 60

3.5.2局域差分GPS 60

3.5.3广域差分GPS 61

3.5.4辅助GPS 62

3.6 GPS卫星轨道 64

3.6.1开普勒定律 64

3.6.2开普勒轨道参数 64

3.6.3 GPS轨道参数 66

3.7星历数据处理 67

3.7.1卫星时钟修正值的计算 68

3.7.2大气层误差修正 68

3.7.3卫星位置的计算 72

3.7.4卫星速度的计算 74

3.8接收机的位置与速度估计 74

3.8.1伪距测量 74

3.8.2位置估算 75

3.8.3卫星几何精度因子 77

3.8.4多普勒测量 80

3.8.5基于多普勒的速度测量 81

3.8.6位置与速度估计 82

3.9载波相位定位 84

3.9.1相对定位和GPS观测量的线性组合 84

3.9.2相对定位 85

3.9.3 GPS观测量的线性组合 86

3.9.4载波相位观测量的位置估算 89

3.10整周模糊度 91

3.10.1整周模糊度解算 92

3.10.2模糊度精度因子 92

参考文献 93

第4章 惯性导航系统 95

4.1惯性导航原理 95

4.2 INS的物理实现 96

4.3惯性测量单元 97

4.4惯性传感器 98

4.4.1加速度计 98

4.4.2陀螺仪 99

4.5惯性导航的基本知识 100

4.5.1一维惯性导航 100

4.5.2二维惯性导航 101

4.6三维惯性导航 103

4.7三维INS概述 103

4.8惯性传感器的理论测量 104

4.8.1静态三轴加速度的理论测量 104

4.8.2静态三轴陀螺仪的测量原理 105

4.8.3运动三轴陀螺仪的测量原理 107

4.9惯性传感器测量的注意事项 110

4.10惯性传感器的性能特点 110

4.11惯性传感器误差 111

4.11.1系统误差 111

4.11.2随机误差 114

4.11.3随机误差要点 114

4.11.4传感器误差的数学模型 115

4.12惯性传感器分类 116

4.12.1陀螺仪技术及其应用 117

4.12.2加速度计技术及其应用 117

4.13惯性传感器校准 117

4.13.1六位置静态测试 118

4.13.2角速率测试 120

4.14惯性传感器校准的重要性 120

4.14.1情况Ⅰ：加速度计零偏 121

4.14.2情况Ⅱ：陀螺仪漂移 121

4.15 惯性传感器的初始化及其对准 122

4.15.1位置速度初始化 122

4.15.2姿态对准 123

参考文献 125

第5章 惯性导航系统建模 126

5.1动力学建模 126

5.2运动学建模 126

5.2.1刚体运动建模 127

5.2.2可观测量 128

5.3惯导机械编排 128

5.3.1惯性参考系中的惯导机械编排 128

5.3.2 ECEF系中的惯导机械编排 130

5.3.3当地水平坐标系中的惯导机械编排 131

5.3.4游动坐标系中的惯导机械编排 136

5.4旋转矩阵的参数化 138

5.4.1求解转换矩阵 138

5.4.2四元数法 140

5.4.3四元数方程求解 142

5.4.4四元数的优势 143

5.5 l系中导航参数的解算步骤 144

5.5.1原始测量数据 145

5.5.2测量数据的修正 145

5.5.3旋转矩阵的计算与更新 146

5.5.4姿态解算 148

5.5.5速度解算 148

5.5.6位置解算 149

附录A 149

参考文献 150

第6章 线性状态方程的误差模型 151

6.1地理坐标系误差状态方程 152

6.1.1地理坐标系的位置误差 152

6.1.2地理坐标系的速度误差 155

6.1.3地理坐标系的姿态误差 161

6.1.4惯性传感器误差 165

6.1.5地理坐标系误差状态方程总结 166

6.2舒拉效应 168

6.2.1东向通道误差模型 168

6.2.2北向通道误差模型 169

6.2.3 INS误差分析 170

参考文献 171

第7章 卡尔曼滤波 172

7.1离散卡尔曼滤波 173

7.1.1 KF假设 174

7.2 KF过程 175

7.2.1预报或时间更新 175

7.2.2量测更新或修正 176

7.3 KF算法步骤 178

7.4非线性卡尔曼滤波 179

7.4.1线性卡尔曼滤波 180

7.4.2扩展卡尔曼滤波 180

7.5 KF奇异值控制 181

7.5.1KF过程模型引入虚拟噪声 181

7.5.2 Schmidt Epsilon技术 181

7.5.3有限记忆滤波 181

7.5.4衰减记忆滤波 182

7.6实例说明 182

7.6.1简单导航实例 182

7.6.2零速度更新 183

7.6.3坐标更新 185

参考文献 186

第8章 INS/GPS组合 188

8.1误差反馈方案 189

8.1.1开环INS/GPS结构 189

8.1.2闭环INS/GPS结构 189

8.2组合的类型 190

8.2.1 INS/GPS松组合 190

8.2.2 INS/GPS紧组合 191

8.2.3 INS/GPS超紧组合 191

8.3 INS方程的误差模型 192

8.4 INS/GPS松组合模型 194

8.4.1系统模型 194

8.4.2测量模型 195

8.5 INS/GPS紧组合模型 197

8.5.1系统模型 197

8.5.2量测模型 200

8.5.3整体量测模型 206

参考文献 207

第9章 陆用载体三维简化INS/GPS组合 209

9.1采用MEMS级全惯性测量单元的三维定位性能分析 209

9.2基于陆用载体MEMS惯性测量部件缺点的改进技术 210

9.3三维简化惯性传感系统（RISS） 211

9.3.1三维RISS的概述 211

9.3.2三维RISS用于轮式陆基运载体的优势 212

9.3.3三维RISS运动方程的推导 214

9.3.4三维RISS运动模型的概述 218

9.4三维RISS/GPS的KF松组合 219

9.4.1三维RISS的线性误差模型 220

9.4.2更新三维RISS的量测模型 221

9.5三维RISS/GPS的KF紧组合 222

9.5.1组合型系统模型 223

9.5.2更新三维RISS的GPS量测模型 223

参考文献 227

第10章 两个案例：全IMU/GPS和三维RISS/GPS组合 228

10.1用于实验的导航设备 228

10.1.1 GPS信号部分中断选定 230

10.2全IMU/GPS紧组合算法的性能分析 230

10.2.1所选的GPS信号中断分析 233

10.3三维RISS/GPS紧组合的性能 236

10.3.1所选的GPS信号中断分析 238

参考文献 242

附录 英语缩略语 243