組合導航原理與技術

前言

　　組合導航是未來導航技術應用的主要模式。組合導航系統(tǒng)是隨著電子計算機技術，特別是微機技術的迅猛發(fā)展和現代控制理論的進步，在航空、航天與航海等領域發(fā)展起來的。今天，組合導航在飛機、艦船、潛艇、導彈、宇宙飛船等大型載體上的研究與應用已經廣泛展開，而且隨著導航技術與相關技術的發(fā)展，組合導航技術已經開始在陸地車輛導航乃至個人運動定位中得到研究與應用。導航以及組合導航技術已經逐步進入到人們的日常生活。　　組合導航是將過去單獨使用的各種導航設備通過計算機有機地組合在一起，應用卡爾曼濾波等數據處理技術，發(fā)揮各自特點，取長補短，使系統(tǒng)導航的精度、可靠性和自動化程度都大為提高。國內外都已先后推出了多種系列的組合導航系統(tǒng)，在新研制的大型運載體與武器系統(tǒng)中已經普遍裝備了組合導航系統(tǒng)，使其成為最重要、最基本的導航系統(tǒng)。為適應更新教學內容的需要與組合導航系統(tǒng)科研、生產和使用的要求，本書作者結合組合導航的科研、教學與實踐，撰寫了本書，以便較系統(tǒng)、全面地將組合導航系統(tǒng)的原理、分析與設計等內容介紹給讀者?！　”緯彩拢?章主要介紹了導航技術的概念及與相關學科的關系，對幾種典型的導航系統(tǒng)與導航技術的發(fā)展趨勢進行了描述，使讀者對導航技術有一個全面的了解與把握。第2章主要介紹了基本的組合導航系統(tǒng)、組合導航的基本要求及其研究內容。第3章介紹了組合導航的系統(tǒng)設計方法，包括組合導航的基本構成、工作模式、導航狀態(tài)估計方法、容錯方案與誤差修正方法。第4章介紹了組合導航子系統(tǒng)的誤差分析與建模方法，它們是組合導航狀態(tài)估計的基礎。第5章對組合導航數據預處理技術與卡爾曼濾波進行了介紹。第6章詳細描述了組合導航系統(tǒng)卡爾曼濾波器的設計方法。第7、8、9章重點對組合導航狀態(tài)估計中涉及的減小計算量以增強實時性、主濾波器與子濾波器以及子濾波器內部的信息同步方法、組合導航系統(tǒng)中導航子系統(tǒng)出現突變型故障與漸變型故‘障時的容錯濾波方法進行了介紹。在第10章中介紹了組合導航系統(tǒng)的車載試驗方法?！　”緯奶攸c是重視從工程技術領域介紹組合導航系統(tǒng)的原理與技術，對眾多的理論方法給出直觀解釋與應用方法，著重闡述組合導航技術的學習及其工程技術實現，使得讀者可以盡快地掌握組合導航的原理及組合導航技術的實現和使用。本書既可作為大學航空航天相關專業(yè)本科生與碩士研究生的組合導航課程教材，又可作為大學教師、工程技術人員在組合導航系統(tǒng)教學與科研的參考書?！　〗M合導航技術正在飛躍發(fā)展中，由于作者水平所限，不足與錯誤之處在所難免，謹請讀者批評指正。　　最后，要向西安交通大學出版社與責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。

內容概要

　　組合導航是21世紀導航技術發(fā)展的主要方向之一。《組合導航原理與技術》在簡要介紹了導航技術的歷史、現狀與發(fā)展趨勢的基礎上，系統(tǒng)地描述了組合導航系統(tǒng)的思想、原理與系統(tǒng)設計方法，重點描述了組合導航系統(tǒng)在工程技術領域的最優(yōu)狀態(tài)估計、濾波器設計、實時性設計、容錯設計及硬件系統(tǒng)設計等技術與訪求?！督M合導航原理與技術》具有鮮明的工程應用特點，重視從工程技術的角度介紹組合導航系統(tǒng)的原理與技術，使得讀者可以盡快地掌握組合導航的原理及組合導航技術的實現和使用。《組合導航原理與技術》即可作為大學航空航天相關專業(yè)本科生與碩士研究生的組合導航課程教材，又可作為大學教師、工程技術人員在組合導航系統(tǒng)教學與科研中的參考書。

書籍目錄

前言第1章導航技術概論1.1概述1.1.1導航、制導與控制1.1.2導航技術的起源與發(fā)展1.2幾種典型的導航系統(tǒng)1.2.1無線電導航技術1.2.2伏爾導航系統(tǒng)1.2.3多普勒導航系統(tǒng)1.2.4塔康導航系統(tǒng)1.2.5羅蘭導航系統(tǒng)1.2.6衛(wèi)星導航1.2.7慣性導航系統(tǒng)1.2.8天文導航系統(tǒng)1.3導航技術的發(fā)展趨勢1.3.1現代軍事作戰(zhàn)對導航的要求及其發(fā)展1.3.221世紀導航技術發(fā)展的主要趨勢1.4本章小結思考題第2章組合導航的基本概念2.1慣性導航與組合導航2.2基本的組合導航系統(tǒng)2.3組合導航的基本要求2.4組合導航的主要研究內容2.5本章小結思考題第3章組合導航的基本構成與工作模式3.1組合導航系統(tǒng)的基本構成3.2組合導航系統(tǒng)的工作模式3.3組合導航系統(tǒng)導航狀態(tài)估計方法3.3.1直接法3.3.2間接法3.4組合導航系統(tǒng)容錯方案3.5組合導航系統(tǒng)的誤差修正3.6本章小結思考題第4章導航系統(tǒng)誤差分析與建模方法4.1慣性導航系統(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4.1.4平臺式慣性導航4.1.5捷聯式慣性導航4.2慣性導航系統(tǒng)誤差分析4.2.1陀螺儀的漂移4.2.2加速度計誤差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當地水平式慣性平臺誤差模型4.3衛(wèi)星導航系統(tǒng)誤差分析4.3.1GPS系統(tǒng)4.3.2G1ONASS系統(tǒng)4.3.3伽利略導航系統(tǒng)4.3.4北斗導航系統(tǒng)4.3.5衛(wèi)星導航系統(tǒng)誤差分析4.3.6衛(wèi)星導航系統(tǒng)誤差模型4.4天文導航系統(tǒng)誤差分析4.4.1天文導航系統(tǒng)對慣性基準誤差的觀測4.4.2天文導航系統(tǒng)的誤差分析與誤差模式4.5本章小結思考題第5章組合導航系統(tǒng)狀態(tài)估計方法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導航數據預處理5.2.1野值處理5.2.2信息同步5.3坐標統(tǒng)一5.3.1坐標系的方向余弦矩陣及矢量導數的關系5.3.2慣性坐標系5.3.3非慣性坐標系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用方法5.5本章小結思考題第6章組合導航系統(tǒng)濾波器設計6.1集中卡爾曼濾波6.2聯邦卡爾曼濾波6.2.1分散濾波6.2.2聯邦濾波及其算法6.2.3異質多傳感器系統(tǒng)的聯邦濾波結構6.3自適應卡爾曼濾波6.3.1噪聲有限記憶在線計算自適應濾波方法6.3.2漸消記憶自適應濾波方法6.3.3卡爾曼濾波的平方根分解計算6.3.4聯邦卡爾曼濾波的信息因子自適應分配6.4本章小結思考題第7章組合導航系統(tǒng)降價設計7.1狀態(tài)刪除法7.2卡爾曼濾波的集結降階設計7.3卡爾曼濾波的奇異攝動降階7.4稀疏矩陣運算7.5本章小結思考題第8章組合導航系統(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的濾波8.2.2濾波周期大于觀測周期時的濾波8.2.3濾波時刻與觀測數據時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本章小結思考題第9章組合導航系統(tǒng)容錯濾波設計9.1卡爾曼濾波器的容錯性能9.2組合導航系統(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測濾波器殘差校驗9.2.2突變型故障被檢測出情況下的聯邦濾波算法9.3組合導航系統(tǒng)漸變型故障容錯濾波9.3.1子濾波器的觀測品質9.3.2觀測品質的模糊評估方法9.3.3基于觀測品質的漸變故障容錯濾波9.4聯邦濾波器容錯濾波的仿真方法9.5本章小結思考題第10章組合導航系統(tǒng)的車載試驗方法10.1車載組合導航試驗系統(tǒng)10.1.1車載組合導航試驗系統(tǒng)的組成10.1.2卡載組合導航系統(tǒng)工作流程10.2車載組合導航系統(tǒng)試驗及數據處理10.2.1車載試驗準備與實施1O.2.2車載試驗的慣性平臺定位算法10.2.3車載試驗中慣性系統(tǒng)姿態(tài)角的提取10.2.4導航信號的坐標轉換10.2.5導航信號的野值剔除10.3車載組合導航系統(tǒng)試驗結果與分析10.4本章小結思考題參考文獻

章節(jié)摘錄

　　慣性導航的突出缺點是，導航精度隨時間增長而降低。由于慣性導航的核心部件陀螺儀存漂移誤差，致使穩(wěn)定平臺隨飛行時間的不斷增長，偏離基準位置的角度不斷增大，使加速度的測量和即時位置的計算誤差不斷增加，導航精度不斷降低。為了提高遠程飛行的精度，需要提高陀螺儀、加速度計的制造精度。目前各國都在繼續(xù)發(fā)展高精度的慣性導航系統(tǒng)和天文導航系統(tǒng)，但由于制造工藝的限制，對于慣性導航系統(tǒng)而言，要繼續(xù)提高精度已經很困難，或者說，要提高微小的慣性儀表精度，就要付出相當高的代價。因此，在繼續(xù)發(fā)展高精度慣性導航系統(tǒng)的同時，組合導航成為各國發(fā)展導航系統(tǒng)的重點，其中慣性／衛(wèi)星組合導航系統(tǒng)是最具有應用前景的組合導航系統(tǒng)。　　2．組合導航的特點　　組合導航是近代導航理論和技術發(fā)展的結果。每種單一導航系統(tǒng)都有各自的獨特性能和局限性。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，互相補充，構成一種有多余度和導航準確度更高的多功能系統(tǒng)?！　⌒l(wèi)星導航系統(tǒng)和慣性導航系統(tǒng)都是目前世界上最先進的導航系統(tǒng)，二者各有所長，相互無法取代?，F代衛(wèi)星導航系統(tǒng)定位精度高，但不能連續(xù)提供運載體位置信號，同時，當運載體作劇烈動作或當導航星全球定位系統(tǒng)信噪比較低時，導航精度將大為降低。故衛(wèi)星定位系統(tǒng)常與慣性導航系統(tǒng)組合。組合后的慣性／衛(wèi)星導航系統(tǒng)不僅能大大改善慣性導航的位置和速度信息的精度，而且還能估計出陀螺漂移和慣性平臺姿態(tài)誤差等各種誤差量，從而改善慣性導航系統(tǒng)性能。同時，利用慣性導航系統(tǒng)提供的速度等信息還能改善衛(wèi)星導航系統(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航系統(tǒng)的發(fā)展方向。目前，研究最多的組合導航系統(tǒng)中一般均有慣性導航系統(tǒng)和衛(wèi)星導航系統(tǒng)。其中最具有代表性的是INS／GPS組合導航系統(tǒng)。組合導航的實質是以計算機為中心，將各個導航傳感器送來的信息加以綜合和最優(yōu)化數學處理，然后對導航參數進行綜合顯示或輸出。導航傳感器包括各種導航設備和計算機外部設備等，而顯示設備等都是輸出設備。　　新的數據處理方法，特別是卡爾曼濾波方法的應用是實現組合導航的關鍵。卡爾曼濾波通過運動方程和測量方程，不僅考慮當前所測得的參量值，而且還充分利用過去測得的參量值，以后者為基礎推測當前應有的參量值，而以前者為校正量進行修正，從而獲得當前參量值的最佳估算。當有多種分系統(tǒng)參與組合時，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，而是對速度誤差、方位誤差等作出最佳估計。把這一估算從實際測得的速度、方位中減去，就得到此時此刻的速度、方位等參量。

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