GNSS与惯性及多传感器组合导航系统原理

《GNSS与惯性及多传感器组合导航系统原理(第二版)》介绍了惯性传感器原理；惯性导航；卫星导航系统（涵盖GPS，GLONASS，GALILEO等）；卫星导航处理；先进卫星导航技术；陆地无线电导航；航迹推算、姿态高度测量；特征匹配；组合导航系统原理及分析。主要内容包括：惯性/卫星组合（组合结构、建模）；惯性导航对准与零速修正；多传感器组合导航；故障检测与完整性监测。

第1  章  绪  论  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  基于信号的

定位  10

1.3.3  环境特征匹配  12

1.4  导航系统  14

1.4.1  需求  14

1.4.2  场景  15

1.4.3  组合  16

1.4.4  辅助  16

1.4.5  协助与协同  17

1.4.6  故障检测  17

1.5  本书概要  18

参考文献  20

第2  章  坐标系,运动学和地球  21

2.1  坐标系  21

2.1.1  地心惯性坐

标系  23

2.1.2  地心地固坐

标系  24

2.1.3  当地导航坐

标系  25

2.1.4  当地切平面坐

标系  26

2.1.5  载体坐标系  26

2.1.6  其他坐标系  27

2.2  姿态、旋转和投影轴系

变换  28

2.2.1  欧拉角姿态

表示  30

2.2.2  坐标转换矩阵  32

2.2.3  四元数姿态

表示  36

2.2.4  旋转矢量  38

2.3  运动学  39

2.3.1  角速度  40

2.3.2  笛卡儿位置  42

2.3.3  速度  43

2.3.4  加速度  44

2.3.5  相对于旋转参考坐标系的运动  45

2.4  地球表面形状和重力模型  47

2.4.1  地球表面椭球模型  48

2.4.2  曲线坐标系位置表示  50

2.4.3  位置变换  54

2.4.4  大地水准面、

垂线高度和地球潮汐  56

2.4.5  投影坐标系  57

2.4.6  地球自转  59

2.4.7  比力、地心引力和重力  59

2.5  坐标系变换  64

2.5.1  惯性系和地球系间转换  64

2.5.2  地球系和当地导航坐标系间转换  65

2.5.3  惯性系和当地导航坐标系间转换  66

2.5.4  地球和当地切平面坐标系  66

2.5.5  导航结果的转换  67

参考文献  68

参考书目  69

第3  章  卡尔曼滤波  70

3.1  介绍  70

3.1.1  卡尔曼滤波的要素  71

3.1.2  卡尔曼滤波的流程  73

3.1.3  卡尔曼滤波的应用  74

3.2  算法和模型  75

3.2.1  定义  75

3.2.2  卡尔曼滤波算法  79

3.2.3  系统模型  83

3.2.4  观测模型  86

3.2.5  卡尔曼滤波特性和

状态可观测性  89

3.2.6  闭环卡尔曼滤

波  91

3.2.7  序贯观测更新  92

3.3  卡尔曼滤波实现中的问题  93

3.3.1  参数调整和算法稳定性  93

3.3.2  算法设计  95

3.3.3  数值计算问题  97

3.3.4  时间同步  98

3.3.5  卡尔曼滤波设计过程  101

3.4  卡尔曼滤波的扩展  101

3.4.1  扩展和线性化卡尔曼滤波  101

3.4.2  UKF  104

3.4.3  时间相关噪声  106

3.4.4  自适应卡尔曼滤波  107

3.4.5  多假设滤波  108

3.4.6  卡尔曼平滑  111

3.5  粒子滤波  113

参考文献  116

第4  章  惯性传感器  118

4.1  加速度计  120

4.1.1  摆式加速度计  121

4.1.2  振梁式加速度计  123

4.2  陀螺仪  124

4.2.1  光学陀螺  124

4.2.2  振动陀螺  128

4.3  惯性测量单元  129

4.4  误差特性  132

4.4.1  零偏  133

4.4.2  比例因子和交叉

耦合误差  135

4.4.3  随机噪声  137

4.4.4  深层误差源  138

4.4.5  振动导致的误差  140

4.4.6  误差模型  141

参考文献  142

第5  章  惯性导航  144

5.1  惯性导航介绍  145

5.2  惯性系导航方程  148

5.2.1  姿态更新  149

5.2.2  比力坐标转换  150

5.2.3  速度更新  151

5.2.4  位置更新  151

5.3  地球系导航方程  152

5.3.1  姿态更新  153

5.3.2  比力坐标转换  153

5.3.3  速度更新  154

5.3.4  位置更新  154

5.4  当地导航系导航方程  155

5.4.1  姿态更新  155

5.4.2  比力坐标转换  157

5.4.3  速度更新  157

5.4.4  位置更新  158

5.4.5  游动方位导航实现  159

5.5  导航方程的优化  161

5.5.1  精确姿态更新  162

5.5.2  精确比力坐标转换  165

5.5.3  精确速度和位置更新  166

5.5.4  传感器采样周期和振动的影响  167

5.5.5  折中设计  172

5.6  初始化和对准  173

5.6.1  位置和速度初始化  174

5.6.2  姿态初始化  174

5.6.3  精对准  179

5.7  惯性导航系统误差传播  180

5.7.1  短时间直线运动误差传播  182

5.7.2  中、长时间导航误差传播  186

5.7.3  与机动相关的误差  190

5.8  旋转调制IMU  192

5.9  非完整IMU  193

参考文献  193

第6  章  航位推算,姿态和高度测量  195

6.1  姿态测量  195

6.1.1  地磁定向  195

6.1.2  航海陀螺罗经  199

6.1.3  捷联偏航轴陀螺  200

6.1.4  由轨迹确定航向  201

6.1.5  组合航向确定  202

6.1.6  加速度计调平和倾斜传感器  203

6.1.7  地平线敏感欲法  204

6.1.8  姿态航向参考

系统  2056.2  高度和深度测量  206

6.2.1  气压高度计  206

6.2.2  深度压力传感器  207

6.2.3  雷达高度计  208

6.3  里程计  209

6.3.1  线性里程计  210

6.3.2  差分里程计  213

6.3.3  里程计和非完

整IMU  组合  214

6.4  步行航位推算  215

6.5  多普勒雷达和声纳  219

6.6  其他航位推算技术  223

6.6.1  基于相关的速度测量  223

6.6.2  大气数据  223

6.6.3  船速仪  223

参考文献  224

第7  章  无线电定位原理  228

7.1  无线电定位的结构和方法  228

7.1.1  自身定位和遥测定位  228

7.1.2  相对定位  230

7.1.3  邻近定位  231

7.1.4  测距定位  232

7.1.5  测角定位  241

7.1.6  模式匹配  243

7.1.7  多普勒定位  246

7.2  定位信号  247

7.2.1  调制类型  248

7.2.2  无线电频谱  249

7.3  用户设备  250

7.3.1  结构  250

7.3.2  信号的同步测量  251

7.3.3  基于测距信息的定位计算  253

7.4  传播、误差源和定位精度  257

7.4.1  对流层、电离层和地面传播影响  257

7.4.2  衰减、反射、多路径和散射  259

7.4.3  分辨率、噪声和跟踪误差  260

7.4.4  发射机位置和时间误差  262

7.4.5  信号几何分布的影响  262

参考文献  267

第8  章  GNSS  基本原理、信号及星座  269

8.1  卫星导航的基础  269

8.1.1  GNSS  的结构  270

8.1.2  信号与测距  272

8.1.3  定位  276

8.1.4  误差源和性能

的限制  278

8.2  系统  280

8.2.1  全球定位系统GPS  281

8.2.2  GLONASS  282

8.2.3  Galileo  282

8.2.4  “北斗冶导航系统(Beidou)  283

8.2.5  区域导航系狱统  283

8.2.6  增强系统  283

8.2.7  系统的兼容性  285

8.3  GNSS  信号  286

8.3.1  信号类型  287

8.3.2  全球定位系统GPS  289

8.3.3  GLONASS  292

8.  3.  4  Galileo  293

8.3.5  北斗  296

8.3.6  区域导航系统  296

8.3.7  增强系统  297

8.4  导航电文信息  297

8.4.1  GPS  298

8.4.2  GLONASS  299

8.4.3  Galileo  299

8.4.4  SBAS  300

8.4.5  时间基准同

步  300

8.5  卫星轨道和几何分布  300

8.5.1  卫星的轨道  301

8.5.2  卫星位置和速

度  303

8.5.3  距离、距离率

及视线矢量  309

8.5.4  仰角和方位

角  313

参考文献  314

第9  章  GNSS:用户设备信号处理和

误差  317

9.1  接收机硬件及天线  318

9.1.1  天线  318

9.1.2  参考晶振  319

9.1.3  接收机的前

端  320

9.1.4  基带信号处

理  323

9.2  测距处理器  334

9.2.1  捕获  334

9.2.2  码跟踪  339

9.2.3  载波跟踪  344

9.2.4  跟踪锁定检

测  350

9.2.5  导航电文解

调  351

9.2.6  载波功率噪声密

度比测量值  352

9.2.7  伪距、伪距率及载波

相位测量值  352

9.3  测距误差源  354

9.3.1  星历预测和卫星

时钟误差  355

9.3.2  电离层和对流层

传播误差  356

9.3.3  跟踪误差  360

9.3.4  多路径、非视线

和衍射  365

9.4  导航处理器  370

9.4.1  单点导航定位

解算  372

9.4.2  滤波的导航定

位解算  376

9.4.3  信号的几何分

布和导航定位

解精度  387

9.4.4  定位误差预

算  392

参考文献  394

第10  章  卫星导航先进技术  398

10.1  差分GNSS  398

育

10.1.1  GNSS  误差的空间

与时间相关  399

10.1.2  局域和区域

DGNSS  399

10.1.3  广域DGNSS  与精

密单点定位  401

10.1.4  相对GNSS  401

10.2  动态实时载波相位

定位与定姿  402

10.2.1  距离增量累积观测

定位原理  403

10.2.2  利用双差ADR

进行单历元导

航解算  406

10.2.3  基于几何的整周

模糊度解算  407

10.2.4  多频整周模糊

度解算  408

10.2.5  GNSS  姿态确

定  409

10.3  干扰抑制与弱信号

处理  411

10.3.1  干扰源、干扰

与衰减  411

10.3.2  天线系统  412

10.3.3  接收机前端滤

波  413

10.3.4  扩展距离跟

踪  413

10.3.5  接收机敏感

性  414

10.3.6  联合捕获与跟

踪  415

10.3.7  矢量跟踪  415

10.4  多径干扰抑制与非视

线接收  417

10.4.1  天线技术  418

10.4.2  接收机技术  418

10.4.3  导航处理器技

术  419

10.5  辅助、协助与轨道预

测  420

10.5.1  捕获辅助与速度

辅助  421

10.5.2  辅助的

GNSS  422

10.5.3  轨道预报  422

10.6  阴影匹配  423

参考文献  424

第11  章  中远程无线电导航  431

11.1  航空导航系统  431

11.1.1  距离测量设

备  431

11.1.2  距离-  方位系

统  436

11.1.3  全向信标  438

11.1.4  JTIDS/  MIDS  相

对导航  438

11.1.5  未来航空导航

系统  438

11.2  增强型罗兰  439

11.2.1  信号  439

11.2.2  用户设备与定

位  441

11.2.3  误差源  443

11.2.4  差分罗兰  444

11.3  手机定位  445

11.3.1  邻近与模式匹

配  446

11.3.2  测距  446

11.4  其他系统  447

11.4.1  铱星定位  447

誉

11.4.2  航海无线电信

标  448

11.4.3  AM(调幅)无

线电广播  448

11.4.4  FM(调频)无

线电广播  449

11.4.5  数字电视与广

播  449

11.4.6  通用无线电定

位  450

参考文献  450

第12  章  近距离定位  454

12.1  伪卫星  454

12.1.1  带内伪卫星  454

12.1.2  Locata  与Terralite

XPS  455

12.1.3  室内消息系

统  455

12.2  超宽带  455

12.2.1  调制方案  457

12.2.2  信号对时  458

12.2.3  定位  459

12.3  近距离通信系统  460

12.3.1  无线局域网络

(Wi  -  Fi)  460

12.3.2  无线私人区域

网络  461

12.3.3  射频识别  462

12.3.4  低功耗蓝牙  462

12.3.5  专用近距离通

信  463

12.4  水下声学定位  463

12.5  其他定位技术  465

12.5.1  无线电  465

12.5.2  超声  466

12.5.3  红外  466

12.5.4  光学  466

12.5.5  磁  466

参考文献  467

第13  章  环境特征匹配  470

13.1  地图匹配  472

13.1.1  数字公路地

图  473

13.1.2  道路路段识

别  473

13.1.3  道路定位  478

13.1.4  铁路地图匹

配  479

13.1.5  行人地图匹

配  479

13.2  地形参考导航  481

13.2.1  序贯处理  482

13.2.2  批处理  483

13.2.3  性能  485

13.2.4  激光TRN  486

13.2.5  声纳TRN  487

13.2.6  气压TRN  487

13.2.7  地形数据库高

度辅助  487

13.3  基于图像的导航  488

13.3.1  图像传感器  489

13.3.2  图像特征比

较  491

13.3.3  用单个特征的

位置修正  493

13.3.4  整体图像匹配的

位置修正  495

13.3.5  视觉里程计  496

13.3.6  特征跟踪  497

13.3.7  恒星导航  498

幡

13.4  其他特征匹配技术  499

13.4.1  重力梯度测

量  500

13.4.2  地磁场异常  501

13.4.3  太空X  射线

源  501

参考文献  502

第14  章  INS  /  GNSS  组合

导航  507

14.1  组合结构  509

14.1.1  惯性导航参数

校正  509

14.1.2  松耦合组合导

航  513

14.1.3  紧耦合  514

14.1.4  GNSS  辅助  515

14.1.5  深组合  518

14.2  系统模型与状态

选择  520

14.2.1  状态选择与可

观性  520

14.2.2  惯性系中的INS  误

差状态传播  523

14.2.3  地球系中的INS  误

差状态传播  527

14.2.4  当地导航坐标系下

的INS  误差状

态传播  529

14.2.5  附加的IMU  误

差状态  533

14.2.6  INS  系统噪

声  534

14.2.7  GNSS  状态传播与

系统噪声  537  [1] 

14.2.8  状态初始化  538

14.3  测量模型  540

14.3.1  松耦合组合导

航  542

14.3.2  紧耦合组合导

航  545

14.3.3  深耦合组合导

航  549

14.3.4  姿态与仪表误差

的估计  556

14.4  关于INS/  GNSS  组合的进

一步讨论  557

14.4.1  差分GNSS  557

14.4.2  载波相位定

位  557

14.4.3  GNSS  姿态  559

14.4.4  大航向角误

差  561

14.4.5  IMU  高级误差

建模  562

14.4.6  平滑  563

参考文献  563

第15  章  INS  对准、零速修正与

运动约束  568

15.1  传递对准  568

15.1.1  传统测量匹

配  570

15.1.2  快速传递对

准  572

15.1.3  参考导航系

统  573

15.2  准静态对准  574

15.2.1  粗对准  574

15.2.2  精对准  576

15.3  零速修正  577

15.3.1  静止检测  578

羽

愈喻

15.3.2  零速修正  579

15.3.3  零角速率修

正  579

15.4  运动约束  580

15.4.1  陆地车辆约

束  580

15.4.2  步行约束  582

15.4.3  舰船约束  583

参考文献  583

第16  章  多传感器组合导航  586

16.1  组合结构  586

16.1.1  级联单点组

合  587

16.1.2  单点集中组

合  589

16.1.3  级联滤波组

合  590

16.1.4  集中滤波组

合  591

16.1.5  联邦式滤波

结构  593

16.1.6  混合组合结

构  596

16.1.7  采用预测的全

状态卡尔曼滤

波器  596

16.1.8  误差状态卡尔

曼滤波  599

16.1.9  主模式与备份

模式  600

16.1.10  场景自适应模

式  601

16.2  航迹推算、姿态和高

度测量  603

16.2.1  姿态  604

16.2.2  高度和深度  609

16.2.3  里程计  609

16.2.4  基于步距检测的步

行航位推算  613

16.2.5  多普勒雷达和

声纳  616

16.2.6  视觉里程计与地形参

考航迹推算  617

16.3  定位型测量  617

16.3.1  位置测量的组

合  618

16.3.2  测距组合  620

16.3.3  测角组合  625

16.3.4  定线组合  628

16.3.5  多值测量的处

理  629

16.3.6  特征跟踪与地

图创建  630

16.3.7  对定位系统的

辅助  632

参考文献  632

第17  章  故障检测、完好性监测

与测试  634

17.1  故障模式  635

17.1.1  惯性导航  635

17.1.2  航迹推算、姿态和

高度测量  635

17.1.3  GNSS  635

17.1.4  陆基无线电导

航  636

17.1.5  环境特征匹配与

跟踪  636

17.1.6  组合算法  637

17.1.7  场景  637

17.2  范围检查  637

愈峪

17.2.1  传感器输出  638

17.2.2  导航参数  638

17.2.3  卡尔曼滤波器

估计  638

17.3  卡尔曼滤波器

测量新息  639

17.3.1  新息滤波  639

17.3.2  新息序列监

测  641

17.3.3  对有偏状态估计

的补救  642

17.4  直接一致性检查  643

17.4.1  测量一致性检查

与RAIM  645

17.4.2  多并行参数  647

17.5  基于基础设施的

完好性监测  650

17.6  参数保护与性

能需求  651

17.7  测试  654

17.7.1  现场试验  654

17.7.2  记录数据测

试  655

17.7.3  实验室测试  656

17.7.4  软件仿真  656

参考文献  656

第18  章  应用和发展趋势  659

18.1  设计与开发  659

18.2  航空  661

18.3  制导武器和小型无人机  662

18.4  地面车辆应用  663

18.5  轨道导航  664

18.6  海洋导航  665

18.7  水下导航  666

18.8  航天器导航  667

18.9  步行导航  668

18.10  其他应用  669

18.11  未来趋势  670

参考文献  671

MATLAB  仿真软件指南  673

M.1  简介  673

M.2  示范性脚本文件  674

M.3  导航仿真主函数  677

M.4  通用导航函数  678

M.5  工具函数  680

M.6  运动轨迹  681

M.7  导航误差文件格式  682

附录  684

重要符号列表  684

首字母缩略词和缩略语  693

光盘  700

《GNSS  技术和应用丛书》

介绍  704\"