高速傳感器輔助導(dǎo)航

內(nèi)容概要

法雷爾編寫的《高速傳感器輔助導(dǎo)航》主要介紹設(shè)計(jì)和分析輔助導(dǎo)航系統(tǒng)的方法，以及應(yīng)用該方法所采用的基本原理。全書包含兩部分，共12章。
第Ⅰ部分講解一些必要的理論、概念和工具，涉及參照系、確定性系統(tǒng)、隨機(jī)過程、最佳狀態(tài)估計(jì)、性能分析、導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)等內(nèi)容；第Ⅱ部分將理論應(yīng)用于幾個(gè)特殊的導(dǎo)航應(yīng)用中，介紹全球定位系統(tǒng)、基于編碼器的GPS輔助航位推測(cè)法、AHRS、輔助慣性導(dǎo)航、LBL和多普勒輔助INS。此外，《高速傳感器輔助導(dǎo)航》還附有關(guān)于符號(hào)、線性代數(shù)的回顧、GPS衛(wèi)星位置和速度的計(jì)算、四元數(shù)的附錄，有助于讀者對(duì)基礎(chǔ)理論和概念的理解。
《高速傳感器輔助導(dǎo)航》作為衛(wèi)星導(dǎo)航專業(yè)本科高年級(jí)或研究生課程的教科書，也可作為輔助導(dǎo)航及其應(yīng)用領(lǐng)域工程技術(shù)和科研人員的自學(xué)參考書。

作者簡(jiǎn)介

Jay
A.Farrell在愛荷華州立大學(xué)獲得物理學(xué)和電子工程學(xué)士學(xué)位(1986年)，在Notre
Dame大學(xué)獲得電子工程碩士(1988年)和博士學(xué)位(1989年)。在Charles
StarkDraper實(shí)驗(yàn)室(1989—1994年)，Jay
A.Farrell是自動(dòng)交通工具智能學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的主要負(fù)責(zé)人。1990年，JayA.Farrell被授予工程學(xué)首席會(huì)長(zhǎng)最佳技術(shù)發(fā)行獎(jiǎng)；1991年和1993年，他因突出的成績(jī)和成就獲得榮譽(yù)獎(jiǎng)。JayA.Farrell是加州大學(xué)電子工程系教授和榮譽(yù)主席，任IEEE管理系統(tǒng)學(xué)會(huì)首席財(cái)政會(huì)長(zhǎng)和首席技術(shù)執(zhí)行會(huì)長(zhǎng)，是IEEE(2008)學(xué)會(huì)特別會(huì)員，出版的技術(shù)刊物超過150部；Jay
A.Farrell是AidedN avigation：GPS with High Rate
Seo(McGraw—Hill，2008)一書的作者，并且是以下這幾本書的聯(lián)合作者：Tlle Global Positioning
System and Interial Navigation(McGraw—Hill，1998)、Adaptive
Approximation Based Control：Unifying Neural，F(xiàn)uzzy and Traditional
Adaptive Approximation Approaches(John Wiley，2006)。

書籍目錄

第Ⅰ部分  理論
  概述
  第1章  緒論
  第2章  參照系
  第3章  確定性系統(tǒng)
  第4章  隨機(jī)過程
  第5章  最優(yōu)狀態(tài)估計(jì)
  第6章  性能分析
  第7章  導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)
第Ⅱ部分  應(yīng)用
  概述
  第8章  全球定位系統(tǒng)
  第9章  基于編碼器的GPS輔助航位推測(cè)法
  第10章  AHRS
  第11章  輔助慣性導(dǎo)航
  第12章  LBL和多普勒輔助INS
附錄A  符號(hào)
附錄B  線性代數(shù)回顧
附錄C  GPS衛(wèi)星位置和速度的計(jì)算
附錄D  四元數(shù)
參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　本章介紹全球定位系統(tǒng)（GPS）、模型方程和系統(tǒng)特征，所用的符號(hào)將會(huì)在隨后的章節(jié)中使用。本章展示了有興趣的讀者在實(shí)時(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)中理解和利用GPS所必需和必要的技術(shù)信息。本章討論3種GPS定位方法：標(biāo)準(zhǔn)GPS、差分GPS（DGPS）和載波相位DGPS。對(duì)于每一種定位方法，都將討論定位精度。本章將介紹GPS的實(shí)時(shí)單點(diǎn)定位算法技術(shù)。每次采樣將被獨(dú)立地考慮（即沒有濾波）。這種介紹方法能夠直接討論GPS的定位精度和算法方法。通過對(duì)GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，可以獲得明顯的好處。GPS作為輔助信號(hào)的應(yīng)用將在第9章和11章進(jìn)行介紹。本章假設(shè)某些必需的量（如衛(wèi)星的位置）是可以計(jì)算的。這些計(jì)算在附錄C中進(jìn)行描述。本章的提綱如下：8.1節(jié)提供GPS系統(tǒng)和GPS信號(hào)特征的概述；8.2節(jié)討論GPS的偽距觀測(cè)量、相關(guān)的符號(hào)和通過同時(shí)進(jìn)行的一系列偽距測(cè)量來確定接收機(jī)天線位置的方法；8.3節(jié)討論接收機(jī)的基本測(cè)量和偽距、載波相位的構(gòu)成，以及基本測(cè)量中的多普勒觀測(cè)量；8.2節(jié)～8.3節(jié)將介紹和使用GPS測(cè)量誤差的各種符號(hào)；8.4節(jié)介紹各種各樣的誤差源的主要特點(diǎn)；GPS測(cè)量誤差對(duì)定位估計(jì)精度的影響將在8.5節(jié)進(jìn)行分析；8.6節(jié)討論雙頻接收機(jī)的使用；8.7節(jié)討論偽距觀測(cè)量的載波相位平滑；8.8節(jié)討論差分GPS處理的各種方法；8.9節(jié)對(duì)整周模糊度算法進(jìn)行討論。8.1 GPS概述 GPS是一種全天候的、全球的、連續(xù)覆蓋的星基無線導(dǎo)航系統(tǒng)。GPS提供幾乎是全球統(tǒng)一的精度。另外，GPS接收機(jī)的價(jià)格也比較合理。8.1.1 GPS系統(tǒng) GPS主要包括三大部分：空間部分、控制部分和用戶部分?？臻g部分由GPS衛(wèi)星組成。衛(wèi)星圍繞地球軌道運(yùn)行，地球軌道由6個(gè)周期為12小時(shí)（11小時(shí)58分）的軌道面組成，每個(gè)軌道面有4顆衛(wèi)星（名義上）。這些軌道面是傾角為55°的近乎圓形的軌道，距離地球表面約20200 km。這6個(gè)軌道面圍繞地球赤道以60°等間隔分布。這樣的星座可以確保（除非有障礙物）位于地球任何地方的用戶在任何時(shí)間至少可以觀測(cè)到4顆衛(wèi)星。因?yàn)樾l(wèi)星軌道并非是靜止軌道，所以對(duì)應(yīng)于地球上的固定接收機(jī)的幾何相關(guān)的衛(wèi)星也是不斷變化的。這種幾何位置的變化導(dǎo)致定位結(jié)果也在變化，但是是可以預(yù)測(cè)的，位置的定位估計(jì)精度由一系列固定的衛(wèi)星決定。衛(wèi)星發(fā)出經(jīng)過編碼的無線電信號(hào)，GPS接收機(jī)對(duì)其解碼以確定重要的系統(tǒng)參數(shù)?？刂撇糠重?fù)責(zé)管理空間部分的健康和狀態(tài)。它由位于世界各地的跟蹤站系統(tǒng)，包括6個(gè)監(jiān)測(cè)站和1個(gè)主控站組成。地面監(jiān)測(cè)站測(cè)量來自衛(wèi)星的信號(hào)并把信號(hào)傳給主控站。地面主控站確定每一顆衛(wèi)星的軌道模型和衛(wèi)星時(shí)鐘校正參數(shù)。這些參數(shù)（和其他數(shù)據(jù)）被傳輸給衛(wèi)星，然后衛(wèi)星將這些參數(shù)播發(fā)給用戶。用戶部分由天線和接收機(jī)組成。傳統(tǒng)上，接收機(jī)包含三個(gè)主要的部分。其射頻前端對(duì)從GPS天線發(fā)送的輸入信號(hào)主要完成三階段工作：信號(hào)放大、濾波和將GPS信號(hào)頻譜變換到較低頻域。接收機(jī)的基帶部分有數(shù)個(gè)并行的通道處理來自射頻前端的輸出信號(hào)。每一個(gè)通道跟蹤一顆衛(wèi)星的信號(hào)，確定一些基本的通道變量并且根據(jù)衛(wèi)星信號(hào)確定數(shù)據(jù)位?；镜耐ǖ雷兞看_定傳輸時(shí)間和載波相位。進(jìn)一步的說明見8.3節(jié)。數(shù)據(jù)位描述了一些計(jì)算必需的信息，像衛(wèi)星位置和速度、衛(wèi)星鐘差和衛(wèi)星的健康狀況。接收機(jī)的導(dǎo)航部分用衛(wèi)星的位置和測(cè)得的從衛(wèi)星到接收機(jī)的信號(hào)傳輸時(shí)間來估算位置、速度和用戶的時(shí)間。傳統(tǒng)接收機(jī)的三階段對(duì)于先進(jìn)的接收機(jī)來說沒有那么明顯的區(qū)分。例如，一臺(tái)先進(jìn)的接收機(jī)可以使用輔助導(dǎo)航算法找到或跟蹤來自其他衛(wèi)星的較弱信號(hào)。GPS提供兩個(gè)層次的服務(wù)：標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)（SPS）和精密定位服務(wù)（PPS）。SPS是一種定位和時(shí)間服務(wù)，對(duì)所有的GPS用戶，它可以提供連續(xù)的、全球覆蓋的沒有直接費(fèi)用的服務(wù)。這個(gè)層次的服務(wù)是（現(xiàn)在）通過L1頻率提供粗捕獲（C／A）和導(dǎo)航數(shù)據(jù)信息。SPS的全部工作能力是在1993年晚期實(shí)現(xiàn)的。使用SPS服務(wù)的典型GPS位置估計(jì)精度將在8.4.10節(jié)討論。PPS僅美國(guó)政府授權(quán)的用戶才能使用，它提供更精確的位置、速度和時(shí)間服務(wù)。這項(xiàng)服務(wù)受一項(xiàng)被稱為反欺騙（AS）的技術(shù)控制。某些高級(jí)GPS接收機(jī)在沒有PPS授權(quán)的情況下也可以跟蹤L2頻率的信號(hào)，但是性能要降低一些，從而允許民間用戶使用這兩個(gè)頻率。GPS接收機(jī)是被動(dòng)式操作（也就是說，接收機(jī)不需要發(fā)射任何信號(hào)），因此，GPS空間部分可以為無限用戶提供服務(wù)。GPS系統(tǒng)是一個(gè)視線系統(tǒng)。如果接收機(jī)和某個(gè)衛(wèi)星的路徑之間有遮擋，則接收機(jī)就不可能接收到衛(wèi)星信號(hào)。例如，一個(gè)典型的GPS接收機(jī)在室內(nèi)、在水下運(yùn)載工具中或在濃密的植被下將不起作用。

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