組合導(dǎo)航原理與技術(shù)

前言

　　組合導(dǎo)航是未來導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用的主要模式。組合導(dǎo)航系統(tǒng)是隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)，特別是微機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展和現(xiàn)代控制理論的進(jìn)步，在航空、航天與航海等領(lǐng)域發(fā)展起來的。今天，組合導(dǎo)航在飛機(jī)、艦船、潛艇、導(dǎo)彈、宇宙飛船等大型載體上的研究與應(yīng)用已經(jīng)廣泛展開，而且隨著導(dǎo)航技術(shù)與相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，組合導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)開始在陸地車輛導(dǎo)航乃至個(gè)人運(yùn)動定位中得到研究與應(yīng)用。導(dǎo)航以及組合導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)逐步進(jìn)入到人們的日常生活?！　〗M合導(dǎo)航是將過去單獨(dú)使用的各種導(dǎo)航設(shè)備通過計(jì)算機(jī)有機(jī)地組合在一起，應(yīng)用卡爾曼濾波等數(shù)據(jù)處理技術(shù)，發(fā)揮各自特點(diǎn)，取長補(bǔ)短，使系統(tǒng)導(dǎo)航的精度、可靠性和自動化程度都大為提高。國內(nèi)外都已先后推出了多種系列的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，在新研制的大型運(yùn)載體與武器系統(tǒng)中已經(jīng)普遍裝備了組合導(dǎo)航系統(tǒng)，使其成為最重要、最基本的導(dǎo)航系統(tǒng)。為適應(yīng)更新教學(xué)內(nèi)容的需要與組合導(dǎo)航系統(tǒng)科研、生產(chǎn)和使用的要求，本書作者結(jié)合組合導(dǎo)航的科研、教學(xué)與實(shí)踐，撰寫了本書，以便較系統(tǒng)、全面地將組合導(dǎo)航系統(tǒng)的原理、分析與設(shè)計(jì)等內(nèi)容介紹給讀者?！　”緯彩拢?章主要介紹了導(dǎo)航技術(shù)的概念及與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系，對幾種典型的導(dǎo)航系統(tǒng)與導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展趨勢進(jìn)行了描述，使讀者對導(dǎo)航技術(shù)有一個(gè)全面的了解與把握。第2章主要介紹了基本的組合導(dǎo)航系統(tǒng)、組合導(dǎo)航的基本要求及其研究內(nèi)容。第3章介紹了組合導(dǎo)航的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，包括組合導(dǎo)航的基本構(gòu)成、工作模式、導(dǎo)航狀態(tài)估計(jì)方法、容錯方案與誤差修正方法。第4章介紹了組合導(dǎo)航子系統(tǒng)的誤差分析與建模方法，它們是組合導(dǎo)航狀態(tài)估計(jì)的基礎(chǔ)。第5章對組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)與卡爾曼濾波進(jìn)行了介紹。第6章詳細(xì)描述了組合導(dǎo)航系統(tǒng)卡爾曼濾波器的設(shè)計(jì)方法。第7、8、9章重點(diǎn)對組合導(dǎo)航狀態(tài)估計(jì)中涉及的減小計(jì)算量以增強(qiáng)實(shí)時(shí)性、主濾波器與子濾波器以及子濾波器內(nèi)部的信息同步方法、組合導(dǎo)航系統(tǒng)中導(dǎo)航子系統(tǒng)出現(xiàn)突變型故障與漸變型故‘障時(shí)的容錯濾波方法進(jìn)行了介紹。在第10章中介紹了組合導(dǎo)航系統(tǒng)的車載試驗(yàn)方法。　　本書的特點(diǎn)是重視從工程技術(shù)領(lǐng)域介紹組合導(dǎo)航系統(tǒng)的原理與技術(shù)，對眾多的理論方法給出直觀解釋與應(yīng)用方法，著重闡述組合導(dǎo)航技術(shù)的學(xué)習(xí)及其工程技術(shù)實(shí)現(xiàn)，使得讀者可以盡快地掌握組合導(dǎo)航的原理及組合導(dǎo)航技術(shù)的實(shí)現(xiàn)和使用。本書既可作為大學(xué)航空航天相關(guān)專業(yè)本科生與碩士研究生的組合導(dǎo)航課程教材，又可作為大學(xué)教師、工程技術(shù)人員在組合導(dǎo)航系統(tǒng)教學(xué)與科研的參考書?！　〗M合導(dǎo)航技術(shù)正在飛躍發(fā)展中，由于作者水平所限，不足與錯誤之處在所難免，謹(jǐn)請讀者批評指正?！　∽詈?，要向西安交通大學(xué)出版社與責(zé)任編輯致以衷心的感謝，在本書的寫作與出版過程中，他們一直給予了作者熱情地鼓勵與支持，并為本書付出了辛勤的工作。

內(nèi)容概要

　　組合導(dǎo)航是21世紀(jì)導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的主要方向之一?！督M合導(dǎo)航原理與技術(shù)》在簡要介紹了導(dǎo)航技術(shù)的歷史、現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地描述了組合導(dǎo)航系統(tǒng)的思想、原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，重點(diǎn)描述了組合導(dǎo)航系統(tǒng)在工程技術(shù)領(lǐng)域的最優(yōu)狀態(tài)估計(jì)、濾波器設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)、容錯設(shè)計(jì)及硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)等技術(shù)與訪求?！督M合導(dǎo)航原理與技術(shù)》具有鮮明的工程應(yīng)用特點(diǎn)，重視從工程技術(shù)的角度介紹組合導(dǎo)航系統(tǒng)的原理與技術(shù)，使得讀者可以盡快地掌握組合導(dǎo)航的原理及組合導(dǎo)航技術(shù)的實(shí)現(xiàn)和使用?！督M合導(dǎo)航原理與技術(shù)》即可作為大學(xué)航空航天相關(guān)專業(yè)本科生與碩士研究生的組合導(dǎo)航課程教材，又可作為大學(xué)教師、工程技術(shù)人員在組合導(dǎo)航系統(tǒng)教學(xué)與科研中的參考書。

書籍目錄

前言第1章導(dǎo)航技術(shù)概論1.1概述1.1.1導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制1.1.2導(dǎo)航技術(shù)的起源與發(fā)展1.2幾種典型的導(dǎo)航系統(tǒng)1.2.1無線電導(dǎo)航技術(shù)1.2.2伏爾導(dǎo)航系統(tǒng)1.2.3多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)1.2.4塔康導(dǎo)航系統(tǒng)1.2.5羅蘭導(dǎo)航系統(tǒng)1.2.6衛(wèi)星導(dǎo)航1.2.7慣性導(dǎo)航系統(tǒng)1.2.8天文導(dǎo)航系統(tǒng)1.3導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展趨勢1.3.1現(xiàn)代軍事作戰(zhàn)對導(dǎo)航的要求及其發(fā)展1.3.221世紀(jì)導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的主要趨勢1.4本章小結(jié)思考題第2章組合導(dǎo)航的基本概念2.1慣性導(dǎo)航與組合導(dǎo)航2.2基本的組合導(dǎo)航系統(tǒng)2.3組合導(dǎo)航的基本要求2.4組合導(dǎo)航的主要研究內(nèi)容2.5本章小結(jié)思考題第3章組合導(dǎo)航的基本構(gòu)成與工作模式3.1組合導(dǎo)航系統(tǒng)的基本構(gòu)成3.2組合導(dǎo)航系統(tǒng)的工作模式3.3組合導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航狀態(tài)估計(jì)方法3.3.1直接法3.3.2間接法3.4組合導(dǎo)航系統(tǒng)容錯方案3.5組合導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差修正3.6本章小結(jié)思考題第4章導(dǎo)航系統(tǒng)誤差分析與建模方法4.1慣性導(dǎo)航系統(tǒng)基本原理4.1.1陀螺儀4.1.2速率陀螺儀4.1.3加速度計(jì)4.1.4平臺式慣性導(dǎo)航4.1.5捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航4.2慣性導(dǎo)航系統(tǒng)誤差分析4.2.1陀螺儀的漂移4.2.2加速度計(jì)誤差4.2.3解析式陀螺穩(wěn)定平臺誤差傳遞與誤差模型4.2.4當(dāng)?shù)厮绞綉T性平臺誤差模型4.3衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)誤差分析4.3.1GPS系統(tǒng)4.3.2G1ONASS系統(tǒng)4.3.3伽利略導(dǎo)航系統(tǒng)4.3.4北斗導(dǎo)航系統(tǒng)4.3.5衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)誤差分析4.3.6衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)誤差模型4.4天文導(dǎo)航系統(tǒng)誤差分析4.4.1天文導(dǎo)航系統(tǒng)對慣性基準(zhǔn)誤差的觀測4.4.2天文導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差分析與誤差模式4.5本章小結(jié)思考題第5章組合導(dǎo)航系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)方法5.1多傳感器信息融合概述5.1.1信息融合的基本概念5.1.2信息融合的特點(diǎn)5.1.3信息融合的模型與層次5.1.4信息融合的基本方法5.1.5信息融合研究的主要方向5.2導(dǎo)航數(shù)據(jù)預(yù)處理5.2.1野值處理5.2.2信息同步5.3坐標(biāo)統(tǒng)一5.3.1坐標(biāo)系的方向余弦矩陣及矢量導(dǎo)數(shù)的關(guān)系5.3.2慣性坐標(biāo)系5.3.3非慣性坐標(biāo)系5.4卡爾曼濾波5.4.1卡爾曼濾波基本方程5.4.2卡爾曼濾波的工程應(yīng)用方法5.5本章小結(jié)思考題第6章組合導(dǎo)航系統(tǒng)濾波器設(shè)計(jì)6.1集中卡爾曼濾波6.2聯(lián)邦卡爾曼濾波6.2.1分散濾波6.2.2聯(lián)邦濾波及其算法6.2.3異質(zhì)多傳感器系統(tǒng)的聯(lián)邦濾波結(jié)構(gòu)6.3自適應(yīng)卡爾曼濾波6.3.1噪聲有限記憶在線計(jì)算自適應(yīng)濾波方法6.3.2漸消記憶自適應(yīng)濾波方法6.3.3卡爾曼濾波的平方根分解計(jì)算6.3.4聯(lián)邦卡爾曼濾波的信息因子自適應(yīng)分配6.4本章小結(jié)思考題第7章組合導(dǎo)航系統(tǒng)降價(jià)設(shè)計(jì)7.1狀態(tài)刪除法7.2卡爾曼濾波的集結(jié)降階設(shè)計(jì)7.3卡爾曼濾波的奇異攝動降階7.4稀疏矩陣運(yùn)算7.5本章小結(jié)思考題第8章組合導(dǎo)航系統(tǒng)信息同步8.1主濾波器與各子濾波器輸出信息的同步8.2子濾波器中觀測信息的同步8.2.1濾波周期小于觀測周期時(shí)的濾波8.2.2濾波周期大于觀測周期時(shí)的濾波8.2.3濾波時(shí)刻與觀測數(shù)據(jù)時(shí)刻不重合情況下的濾波8.3子濾波器觀測信息同步處理的濾波算法8.4本章小結(jié)思考題第9章組合導(dǎo)航系統(tǒng)容錯濾波設(shè)計(jì)9.1卡爾曼濾波器的容錯性能9.2組合導(dǎo)航系統(tǒng)突變型故障容錯濾波研究9.2.1突變型故障有限記憶在線預(yù)測濾波器殘差校驗(yàn)9.2.2突變型故障被檢測出情況下的聯(lián)邦濾波算法9.3組合導(dǎo)航系統(tǒng)漸變型故障容錯濾波9.3.1子濾波器的觀測品質(zhì)9.3.2觀測品質(zhì)的模糊評估方法9.3.3基于觀測品質(zhì)的漸變故障容錯濾波9.4聯(lián)邦濾波器容錯濾波的仿真方法9.5本章小結(jié)思考題第10章組合導(dǎo)航系統(tǒng)的車載試驗(yàn)方法10.1車載組合導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)10.1.1車載組合導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)的組成10.1.2卡載組合導(dǎo)航系統(tǒng)工作流程10.2車載組合導(dǎo)航系統(tǒng)試驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理10.2.1車載試驗(yàn)準(zhǔn)備與實(shí)施1O.2.2車載試驗(yàn)的慣性平臺定位算法10.2.3車載試驗(yàn)中慣性系統(tǒng)姿態(tài)角的提取10.2.4導(dǎo)航信號的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換10.2.5導(dǎo)航信號的野值剔除10.3車載組合導(dǎo)航系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果與分析10.4本章小結(jié)思考題參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　慣性導(dǎo)航的突出缺點(diǎn)是，導(dǎo)航精度隨時(shí)間增長而降低。由于慣性導(dǎo)航的核心部件陀螺儀存漂移誤差，致使穩(wěn)定平臺隨飛行時(shí)間的不斷增長，偏離基準(zhǔn)位置的角度不斷增大，使加速度的測量和即時(shí)位置的計(jì)算誤差不斷增加，導(dǎo)航精度不斷降低。為了提高遠(yuǎn)程飛行的精度，需要提高陀螺儀、加速度計(jì)的制造精度。目前各國都在繼續(xù)發(fā)展高精度的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和天文導(dǎo)航系統(tǒng)，但由于制造工藝的限制，對于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)而言，要繼續(xù)提高精度已經(jīng)很困難，或者說，要提高微小的慣性儀表精度，就要付出相當(dāng)高的代價(jià)。因此，在繼續(xù)發(fā)展高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的同時(shí)，組合導(dǎo)航成為各國發(fā)展導(dǎo)航系統(tǒng)的重點(diǎn)，其中慣性／衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)是最具有應(yīng)用前景的組合導(dǎo)航系統(tǒng)?！　?．組合導(dǎo)航的特點(diǎn)　　組合導(dǎo)航是近代導(dǎo)航理論和技術(shù)發(fā)展的結(jié)果。每種單一導(dǎo)航系統(tǒng)都有各自的獨(dú)特性能和局限性。把幾種不同的單一系統(tǒng)組合在一起，就能利用多種信息源，互相補(bǔ)充，構(gòu)成一種有多余度和導(dǎo)航準(zhǔn)確度更高的多功能系統(tǒng)?！　⌒l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)都是目前世界上最先進(jìn)的導(dǎo)航系統(tǒng)，二者各有所長，相互無法取代?，F(xiàn)代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度高，但不能連續(xù)提供運(yùn)載體位置信號，同時(shí)，當(dāng)運(yùn)載體作劇烈動作或當(dāng)導(dǎo)航星全球定位系統(tǒng)信噪比較低時(shí)，導(dǎo)航精度將大為降低。故衛(wèi)星定位系統(tǒng)常與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組合。組合后的慣性／衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不僅能大大改善慣性導(dǎo)航的位置和速度信息的精度，而且還能估計(jì)出陀螺漂移和慣性平臺姿態(tài)誤差等各種誤差量，從而改善慣性導(dǎo)航系統(tǒng)性能。同時(shí)，利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)提供的速度等信息還能改善衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)跟蹤回路截獲和鎖定信號的能力。這種組合方式是組合導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展方向。目前，研究最多的組合導(dǎo)航系統(tǒng)中一般均有慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。其中最具有代表性的是INS／GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)。組合導(dǎo)航的實(shí)質(zhì)是以計(jì)算機(jī)為中心，將各個(gè)導(dǎo)航傳感器送來的信息加以綜合和最優(yōu)化數(shù)學(xué)處理，然后對導(dǎo)航參數(shù)進(jìn)行綜合顯示或輸出。導(dǎo)航傳感器包括各種導(dǎo)航設(shè)備和計(jì)算機(jī)外部設(shè)備等，而顯示設(shè)備等都是輸出設(shè)備。　　新的數(shù)據(jù)處理方法，特別是卡爾曼濾波方法的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)組合導(dǎo)航的關(guān)鍵。卡爾曼濾波通過運(yùn)動方程和測量方程，不僅考慮當(dāng)前所測得的參量值，而且還充分利用過去測得的參量值，以后者為基礎(chǔ)推測當(dāng)前應(yīng)有的參量值，而以前者為校正量進(jìn)行修正，從而獲得當(dāng)前參量值的最佳估算。當(dāng)有多種分系統(tǒng)參與組合時(shí)，就可利用狀態(tài)矢量概念。通常，取誤差本身作為狀態(tài)矢量，不是對速度、方位本身等作出最佳估計(jì)，而是對速度誤差、方位誤差等作出最佳估計(jì)。把這一估算從實(shí)際測得的速度、方位中減去，就得到此時(shí)此刻的速度、方位等參量。

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