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