《GNSS與慣性及多感測器組合導航系統原理（第二版）》是2015年國防工業出版社出版的圖書，作者是李濤、吳文起。
基本介紹
內容簡介,目錄,
內容簡介
《GNSS與慣性及多感測器組合導航系統原理(第二版)》介紹了慣性感測器原理；慣性導航；衛星導航系統（涵蓋GPS，GLONASS，GALILEO等）；衛星導航處理；先進衛星導航技術；陸地無線電導航；航跡推算、姿態高度測量；特徵匹配；組合導航系統原理及分析。主要內容包括：慣性/衛星組合（組合結構、建模）；慣性導航對準與零速修正；多感測器組合導航；故障檢測與完整性監測。
目錄
第1 章 緒 論 1
1.1 基本概念 1
1.2 航位推算 5
1.3 直接定位 6
1.3.1 直接定位方法 6
1.3.2 基於信號的
定位 10
1.3.3 環境特徵匹配 12
1.4 導航系統 14
1.4.1 需求 14
1.4.2 場景 15
1.4.3 組合 16
1.4.4 輔助 16
1.4.5 協助與協同 17
1.4.6 故障檢測 17
1.5 本書概要 18
參考文獻 20
第2 章 坐標系,運動學和地球 21
2.1 坐標系 21
2.1.1 地心慣性坐
標系 23
2.1.2 地心地固坐
標系 24
2.1.3 當地導航坐
標系 25
2.1.4 當地切平面坐
標系 26
2.1.5 載體坐標系 26
2.1.6 其他坐標系 27
2.2 姿態、旋轉和投影軸系
變換 28
2.2.1 歐拉角姿態
表示 30
2.2.2 坐標轉換矩陣 32
2.2.3 四元數姿態
表示 36
2.2.4 旋轉矢量 38
2.3 運動學 39
2.3.1 角速度 40
2.3.2 笛卡兒位置 42
2.3.3 速度 43
2.3.4 加速度 44
2.3.5 相對於旋轉參考坐標系的運動 45
2.4 地球表面形狀和重力模型 47
2.4.1 地球表面橢球模型 48
2.4.2 曲線坐標系位置表示 50
2.4.3 位置變換 54
2.4.4 大地水準面、
垂線高度和地球潮汐 56
2.4.5 投影坐標系 57
2.4.6 地球自轉 59
2.4.7 比力、地心引力和重力 59
2.5 坐標系變換 64
2.5.1 慣性系和地球系間轉換 64
2.5.2 地球系和當地導航坐標系間轉換 65
2.5.3 慣性系和當地導航坐標系間轉換 66
2.5.4 地球和當地切平面坐標系 66
2.5.5 導航結果的轉換 67
參考文獻 68
參考書目 69
第3 章 卡爾曼濾波 70
3.1 介紹 70
3.1.1 卡爾曼濾波的要素 71
3.1.2 卡爾曼濾波的流程 73
3.1.3 卡爾曼濾波的套用 74
3.2 算法和模型 75
3.2.1 定義 75
3.2.2 卡爾曼濾波算法 79
3.2.3 系統模型 83
3.2.4 觀測模型 86
3.2.5 卡爾曼濾波特性和
狀態可觀測性 89
3.2.6 閉環卡爾曼濾
波 91
3.2.7 序貫觀測更新 92
3.3 卡爾曼濾波實現中的問題 93
3.3.1 參數調整和算法穩定性 93
3.3.2 算法設計 95
3.3.3 數值計算問題 97
3.3.4 時間同步 98
3.3.5 卡爾曼濾波設計過程 101
3.4 卡爾曼濾波的擴展 101
3.4.1 擴展和線性化卡爾曼濾波 101
3.4.2 UKF 104
3.4.3 時間相關噪聲 106
3.4.4 自適應卡爾曼濾波 107
3.4.5 多假設濾波 108
3.4.6 卡爾曼平滑 111
3.5 粒子濾波 113
參考文獻 116
第4 章 慣性感測器 118
4.1 加速度計 120
4.1.1 擺式加速度計 121
4.1.2 振梁式加速度計 123
4.2 陀螺儀 124
4.2.1 光學陀螺 124
4.2.2 振動陀螺 128
4.3 慣性測量單元 129
4.4 誤差特性 132
4.4.1 零偏 133
4.4.2 比例因子和交叉
耦合誤差 135
4.4.3 隨機噪聲 137
4.4.4 深層誤差源 138
4.4.5 振動導致的誤差 140
4.4.6 誤差模型 141
參考文獻 142
第5 章 慣性導航 144
5.1 慣性導航介紹 145
5.2 慣性系導航方程 148
5.2.1 姿態更新 149
5.2.2 比力坐標轉換 150
5.2.3 速度更新 151
5.2.4 位置更新 151
5.3 地球系導航方程 152
5.3.1 姿態更新 153
5.3.2 比力坐標轉換 153
5.3.3 速度更新 154
5.3.4 位置更新 154
5.4 當地導航系導航方程 155
5.4.1 姿態更新 155
5.4.2 比力坐標轉換 157
5.4.3 速度更新 157
5.4.4 位置更新 158
5.4.5 遊動方位導航實現 159
5.5 導航方程的最佳化 161
5.5.1 精確姿態更新 162
5.5.2 精確比力坐標轉換 165
5.5.3 精確速度和位置更新 166
5.5.4 感測器採樣周期和振動的影響 167
5.5.5 折中設計 172
5.6 初始化和對準 173
5.6.1 位置和速度初始化 174
5.6.2 姿態初始化 174
5.6.3 精對準 179
5.7 慣性導航系統誤差傳播 180
5.7.1 短時間直線運動誤差傳播 182
5.7.2 中、長時間導航誤差傳播 186
5.7.3 與機動相關的誤差 190
5.8 旋轉調製IMU 192
5.9 非完整IMU 193
參考文獻 193
第6 章 航位推算,姿態和高度測量 195
6.1 姿態測量 195
6.1.1 地磁定向 195
6.1.2 航海陀螺羅經 199
6.1.3 捷聯偏航軸陀螺 200
6.1.4 由軌跡確定航向 201
6.1.5 組合航向確定 202
6.1.6 加速度計調平和傾斜感測器 203
6.1.7 地平線敏感欲法 204
6.1.8 姿態航向參考
系統 2056.2 高度和深度測量 206
6.2.1 氣壓高度計 206
6.2.2 深度壓力感測器 207
6.2.3 雷達高度計 208
6.3 里程計 209
6.3.1 線性里程計 210
6.3.2 差分里程計 213
6.3.3 里程計和非完
整IMU 組合 214
6.4 步行航位推算 215
6.5 都卜勒雷達和聲納 219
6.6 其他航位推算技術 223
6.6.1 基於相關的速度測量 223
6.6.2 大氣數據 223
6.6.3 船速儀 223
參考文獻 224
第7 章 無線電定位原理 228
7.1 無線電定位的結構和方法 228
7.1.1 自身定位和遙測定位 228
7.1.2 相對定位 230
7.1.3 鄰近定位 231
7.1.4 測距定位 232
7.1.5 測角定位 241
7.1.6 模式匹配 243
7.1.7 都卜勒定位 246
7.2 定位信號 247
7.2.1 調製類型 248
7.2.2 無線電頻譜 249
7.3 用戶設備 250
7.3.1 結構 250
7.3.2 信號的同步測量 251
7.3.3 基於測距信息的定位計算 253
7.4 傳播、誤差源和定位精度 257
7.4.1 對流層、電離層和地面傳播影響 257
7.4.2 衰減、反射、多路徑和散射 259
7.4.3 解析度、噪聲和跟蹤誤差 260
7.4.4 發射機位置和時間誤差 262
7.4.5 信號幾何分布的影響 262
參考文獻 267
第8 章 GNSS 基本原理、信號及星座 269
8.1 衛星導航的基礎 269
8.1.1 GNSS 的結構 270
8.1.2 信號與測距 272
8.1.3 定位 276
8.1.4 誤差源和性能
的限制 278
8.2 系統 280
8.2.1 全球定位系統GPS 281
8.2.2 GLONASS 282
8.2.3 Galileo 282
8.2.4 “北斗冶導航系統(Beidou) 283
8.2.5 區域導航系獄統 283
8.2.6 增強系統 283
8.2.7 系統的兼容性 285
8.3 GNSS 信號 286
8.3.1 信號類型 287
8.3.2 全球定位系統GPS 289
8.3.3 GLONASS 292
8. 3. 4 Galileo 293
8.3.5 北斗 296
8.3.6 區域導航系統 296
8.3.7 增強系統 297
8.4 導航電文信息 297
8.4.1 GPS 298
8.4.2 GLONASS 299
8.4.3 Galileo 299
8.4.4 SBAS 300
8.4.5 時間基準同
步 300
8.5 衛星軌道和幾何分布 300
8.5.1 衛星的軌道 301
8.5.2 衛星位置和速
度 303
8.5.3 距離、距離率
及視線矢量 309
8.5.4 仰角和方位
角 313
參考文獻 314
第9 章 GNSS:用戶設備信號處理和
誤差 317
9.1 接收機硬體及天線 318
9.1.1 天線 318
9.1.2 參考晶振 319
9.1.3 接收機的前
端 320
9.1.4 基帶信號處
理 323
9.2 測距處理器 334
9.2.1 捕獲 334
9.2.2 碼跟蹤 339
9.2.3 載波跟蹤 344
9.2.4 跟蹤鎖定檢
測 350
9.2.5 導航電文解
調 351
9.2.6 載波功率噪聲密
度比測量值 352
9.2.7 偽距、偽距率及載波
相位測量值 352
9.3 測距誤差源 354
9.3.1 星曆預測和衛星
時鐘誤差 355
9.3.2 電離層和對流層
傳播誤差 356
9.3.3 跟蹤誤差 360
9.3.4 多路徑、非視線
和衍射 365
9.4 導航處理器 370
9.4.1 單點導航定位
解算 372
9.4.2 濾波的導航定
位解算 376
9.4.3 信號的幾何分
布和導航定位
解精度 387
9.4.4 定位誤差預
算 392
參考文獻 394
第10 章 衛星導航先進技術 398
10.1 差分GNSS 398
育
10.1.1 GNSS 誤差的空間
與時間相關 399
10.1.2 局域和區域
DGNSS 399
10.1.3 廣域DGNSS 與精
密單點定位 401
10.1.4 相對GNSS 401
10.2 動態實時載波相位
定位與定姿 402
10.2.1 距離增量累積觀測
定位原理 403
10.2.2 利用雙差ADR
進行單曆元導
航解算 406
10.2.3 基於幾何的整周
模糊度解算 407
10.2.4 多頻整周模糊
度解算 408
10.2.5 GNSS 姿態確
定 409
10.3 干擾抑制與弱信號
處理 411
10.3.1 干擾源、干擾
與衰減 411
10.3.2 天線系統 412
10.3.3 接收機前端濾
波 413
10.3.4 擴展距離跟
蹤 413
10.3.5 接收機敏感
性 414
10.3.6 聯合捕獲與跟
蹤 415
10.3.7 矢量跟蹤 415
10.4 多徑干擾抑制與非視
線接收 417
10.4.1 天線技術 418
10.4.2 接收機技術 418
10.4.3 導航處理器技
術 419
10.5 輔助、協助與軌道預
測 420
10.5.1 捕獲輔助與速度
輔助 421
10.5.2 輔助的
GNSS 422
10.5.3 軌道預報 422
10.6 陰影匹配 423
參考文獻 424
第11 章 中遠程無線電導航 431
11.1 航空導航系統 431
11.1.1 距離測量設
備 431
11.1.2 距離- 方位系
統 436
11.1.3 全向信標 438
11.1.4 JTIDS/ MIDS 相
對導航 438
11.1.5 未來航空導航
系統 438
11.2 增強型羅蘭 439
11.2.1 信號 439
11.2.2 用戶設備與定
位 441
11.2.3 誤差源 443
11.2.4 差分羅蘭 444
11.3 手機定位 445
11.3.1 鄰近與模式匹
配 446
11.3.2 測距 446
11.4 其他系統 447
11.4.1 銥星定位 447
譽
11.4.2 航海無線電信
標 448
11.4.3 AM(調幅)無
線電廣播 448
11.4.4 FM(調頻)無
線電廣播 449
11.4.5 數位電視與廣
播 449
11.4.6 通用無線電定
位 450
參考文獻 450
第12 章 近距離定位 454
12.1 偽衛星 454
12.1.1 帶內偽衛星 454
12.1.2 Locata 與Terralite
XPS 455
12.1.3 室內訊息系
統 455
12.2 超寬頻 455
12.2.1 調製方案 457
12.2.2 信號對時 458
12.2.3 定位 459
12.3 近距離通信系統 460
12.3.1 無線區域網路
(Wi - Fi) 460
12.3.2 無線私人區域
網路 461
12.3.3 射頻識別 462
12.3.4 低功耗藍牙 462
12.3.5 專用近距離通
信 463
12.4 水下聲學定位 463
12.5 其他定位技術 465
12.5.1 無線電 465
12.5.2 超聲 466
12.5.3 紅外 466
12.5.4 光學 466
12.5.5 磁 466
參考文獻 467
第13 章 環境特徵匹配 470
13.1 地圖匹配 472
13.1.1 數字公路地
圖 473
13.1.2 道路路段識
別 473
13.1.3 道路定位 478
13.1.4 鐵路地圖匹
配 479
13.1.5 行人地圖匹
配 479
13.2 地形參考導航 481
13.2.1 序貫處理 482
13.2.2 批處理 483
13.2.3 性能 485
13.2.4 雷射TRN 486
13.2.5 聲納TRN 487
13.2.6 氣壓TRN 487
13.2.7 地形資料庫高
度輔助 487
13.3 基於圖像的導航 488
13.3.1 圖像感測器 489
13.3.2 圖像特徵比
較 491
13.3.3 用單個特徵的
位置修正 493
13.3.4 整體圖像匹配的
位置修正 495
13.3.5 視覺里程計 496
13.3.6 特徵跟蹤 497
13.3.7 恆星導航 498
幡
13.4 其他特徵匹配技術 499
13.4.1 重力梯度測
量 500
13.4.2 地磁場異常 501
13.4.3 太空X 射線
源 501
參考文獻 502
第14 章 INS / GNSS 組合
導航 507
14.1 組合結構 509
14.1.1 慣性導航參數
校正 509
14.1.2 松耦合組合導
航 513
14.1.3 緊耦合 514
14.1.4 GNSS 輔助 515
14.1.5 深組合 518
14.2 系統模型與狀態
選擇 520
14.2.1 狀態選擇與可
觀性 520
14.2.2 慣性系中的INS 誤
差狀態傳播 523
14.2.3 地球系中的INS 誤
差狀態傳播 527
14.2.4 當地導航坐標系下
的INS 誤差狀
態傳播 529
14.2.5 附加的IMU 誤
差狀態 533
14.2.6 INS 系統噪
聲 534
14.2.7 GNSS 狀態傳播與
系統噪聲 537
14.2.8 狀態初始化 538
14.3 測量模型 540
14.3.1 松耦合組合導
航 542
14.3.2 緊耦合組合導
航 545
14.3.3 深耦合組合導
航 549
14.3.4 姿態與儀表誤差
的估計 556
14.4 關於INS/ GNSS 組合的進
一步討論 557
14.4.1 差分GNSS 557
14.4.2 載波相位定
位 557
14.4.3 GNSS 姿態 559
14.4.4 大航向角誤
差 561
14.4.5 IMU 高級誤差
建模 562
14.4.6 平滑 563
參考文獻 563
第15 章 INS 對準、零速修正與
運動約束 568
15.1 傳遞對準 568
15.1.1 傳統測量匹
配 570
15.1.2 快速傳遞對
準 572
15.1.3 參考導航系
統 573
15.2 準靜態對準 574
15.2.1 粗對準 574
15.2.2 精對準 576
15.3 零速修正 577
15.3.1 靜止檢測 578
羽
愈喻
15.3.2 零速修正 579
15.3.3 零角速率修
正 579
15.4 運動約束 580
15.4.1 陸地車輛約
束 580
15.4.2 步行約束 582
15.4.3 艦船約束 583
參考文獻 583
第16 章 多感測器組合導航 586
16.1 組合結構 586
16.1.1 級聯單點組
合 587
16.1.2 單點集中組
合 589
16.1.3 級聯濾波組
合 590
16.1.4 集中濾波組
合 591
16.1.5 聯邦式濾波
結構 593
16.1.6 混合組合結
構 596
16.1.7 採用預測的全
狀態卡爾曼濾
波器 596
16.1.8 誤差狀態卡爾
曼濾波 599
16.1.9 主模式與備份
模式 600
16.1.10 場景自適應模
式 601
16.2 航跡推算、姿態和高
度測量 603
16.2.1 姿態 604
16.2.2 高度和深度 609
16.2.3 里程計 609
16.2.4 基於步距檢測的步
行航位推算 613
16.2.5 都卜勒雷達和
聲納 616
16.2.6 視覺里程計與地形參
考航跡推算 617
16.3 定位型測量 617
16.3.1 位置測量的組
合 618
16.3.2 測距組合 620
16.3.3 測角組合 625
16.3.4 定線組合 628
16.3.5 多值測量的處
理 629
16.3.6 特徵跟蹤與地
圖創建 630
16.3.7 對定位系統的
輔助 632
參考文獻 632
第17 章 故障檢測、完好性監測
與測試 634
17.1 故障模式 635
17.1.1 慣性導航 635
17.1.2 航跡推算、姿態和
高度測量 635
17.1.3 GNSS 635
17.1.4 陸基無線電導
航 636
17.1.5 環境特徵匹配與
跟蹤 636
17.1.6 組合算法 637
17.1.7 場景 637
17.2 範圍檢查 637
愈峪
17.2.1 感測器輸出 638
17.2.2 導航參數 638
17.2.3 卡爾曼濾波器
估計 638
17.3 卡爾曼濾波器
測量新息 639
17.3.1 新息濾波 639
17.3.2 新息序列監
測 641
17.3.3 對有偏狀態估計
的補救 642
17.4 直接一致性檢查 643
17.4.1 測量一致性檢查
與RAIM 645
17.4.2 多並行參數 647
17.5 基於基礎設施的
完好性監測 650
17.6 參數保護與性
能需求 651
17.7 測試 654
17.7.1 現場試驗 654
17.7.2 記錄數據測
試 655
17.7.3 實驗室測試 656
17.7.4 軟體仿真 656
參考文獻 656
第18 章 套用和發展趨勢 659
18.1 設計與開發 659
18.2 航空 661
18.3 制導武器和小型無人機 662
18.4 地面車輛套用 663
18.5 軌道導航 664
18.6 海洋導航 665
18.7 水下導航 666
18.8 太空飛行器導航 667
18.9 步行導航 668
18.10 其他套用 669
18.11 未來趨勢 670
參考文獻 671
MATLAB 仿真軟體指南 673
M.1 簡介 673
M.2 示範性腳本檔案 674
M.3 導航仿真主函式 677
M.4 通用導航函式 678
M.5 工具函式 680
M.6 運動軌跡 681
M.7 導航誤差檔案格式 682
附錄 684
重要符號列表 684
首字母縮略詞和縮略語 693
光碟 700
《GNSS 技術和套用叢書》
介紹 704
