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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 GPS145

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 GLONASS154

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 Galileo157

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 QZSS163

6.5.3 IRNSS164

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GNSS245

8.1.1 GNSS误差的空间与时间相关246

8.1.2 局域和区域DGNSS246

8.1.3 广域DGNSS247

8.1.4 精密单点定位248

8.1.5 相对GNSS248

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GNSS256

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TRN309

11.1.5 气压TRN309

11.1.6 声纳TRN310

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GNSS351

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 GNSS399

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RAIM407

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