导语

  

内容提要

  

    惯性导航技术是导航和定位领域里一项重要的技术，它不与外界进行信息交换，自主性强，而且能够给出载体的全状态信息（加速度、角速度、速度、位置和姿态），是载体导航定位的核心系统。本书在介绍导航定义、作用、分类以及导航技术发展的基础上，全面介绍了惯性导航系统的原理，捷联姿态矩阵即时更新、导航参数即时更新、捷联惯导系统的初始对准以及系统误差分析等内容。在此基础上，将工程实际中的一些科研成果融入本书中，形成了捷联惯性导航系统设计与实现、姿态与航向系统设计与实现以及组合导航系统设计与实现等与系统设计和实现有关的内容。
    本书既有导航系统所需数学物理知识的介绍，又有惯性导航系统原理的详细分析，还有工程实例的应用设计，内容安排上循序渐进，由浅人深，物理概念清晰，既可作为控制科学与工程、仪器科学与技术和测绘科学与技术等相关专业本科生和研究生的教材，又可以作为专业技术人员的技术参考书，还可以作为了解导航技术和惯性导航系统原理和应用的参考资料。

第1章  导航技术概述
  1.1  导航的定义及作用
  1.2  导航技术的产生与发展
    1.2.1  人类活动范围与导航技术发展
    1.2.2  交通（或运载）工具与导航技术发展
    1.2.3  航行可靠性与导航技术发展
  1.3  导航技术的分类
    1.3.1  古代导航技术
    1.3.2  无线电导航技术
    1.3.3  惯性导航技术
    1.3.4  地球物理场导航技术
    1.3.5  天文导航技术
    1.3.6  视觉导航技术
    1.3.7  组合导航技术
    1.3.8  多源信息融合导航技术
  1.4  惯性导航技术的发展及现状
  思考与练习题
第2章  惯性导航中的数理基础
  2.1  概述
  2.2  牛顿运动定律
    2.2.1  牛顿第一运动定律
    2.2.2  牛顿第二运动定律
    2.2.3  牛顿第三运动定律
  2.3  向量的乘积
    2.3.1  两个向量的内积
    2.3.2  两个向量的叉积
  2.4  哥氏定理
  2.5  空间直角坐标系的坐标变换
    2.5.1  方向余弦法
    2.5.2  欧拉角法
    2.5.3  空间直角坐标系间变换矩阵的性质
    2.5.4  方向余弦矩阵微分方程
  2.6  微分方程的数值积分算法
    2.6.1  一阶欧拉法
    2.6.2  二阶龙格-库塔法
    2.6.3  四阶龙格-库塔法
    2.6.4  三种数值积分算法的适用性分析
  2.7  地球数学模型和相关导航参数
    2.7.1  地球几何形状及其数学模型
    2.7.2  经线和经度
    2.7.3  垂线、纬度和高度
    2.7.4  参考椭球体的法线长度和法截线曲率半径
    2.7.5  地球重力加速度和自转角速度
    2.7.6  地球上定位的两种坐标方法及其转换
  2.8  角动量定理与陀螺仪基本特性
    2.8.1  定点转动刚体的角动量
    2.8.2  角动量定理
    2.8.3  刚体定点转动的欧拉动力学方程
    2.8.4  陀螺仪的基本特性
  2.9  惯性稳定平台
    2.9.1  单轴惯性稳定平台
    2.9.2  三轴惯性稳定平台
  2.10  舒勒摆原理与舒勒调整可实现性
    2.10.1  用物理摆实现舒勒摆的原理
    2.10.2  舒勒调整的可实现性
    2.10.3  单轴惯导系统原理和舒勒调整实现
  思考与练习题
第3章  惯性导航的基本原理
  3.1  概述
  3.2  惯性导航系统常用的坐标系和载体姿态角
    3.2.1  惯性导航中各种坐标系的必要性
    3.2.2  惯性导航中的常用坐标系
    3.2.3  载体姿态角
  3.3  惯导系统的分类
    3.3.1  根据惯导系统选取的导航坐标系分类
    3.3.2  根据惯导系统实现的结构分类
  3.4  惯性导航基本方程及其矩阵表示法
    3.4.1  惯导基本方程
    3.4.2  惯导基本方程的矩阵表示法
  3.5  惯导系统原理与力学方程编排
    3.5.1  指北方位系统
    3.5.2  自由方位系统
    3.5.3  游动自由方位系统
  3.6  基于方向余弦矩阵的惯性导航方法
    3.6.1  位置矩阵
    3.6.2  位置矩阵微分方程
    3.6.3  由位置矩阵确定经度、纬度和方位角
    3.6.4  指北方位系统的方向余弦法
    3.6.5  自由方位系统的方向余弦法
    3.6.6  游动自由方位系统的方向余弦法
  3.7  惯导系统的高度通道
    3.7.1  惯导系统高度通道的稳定性分析
    3.7.2  惯导系统高度通道阻尼
  思考与练习题
第4章  捷联矩阵的即时更新
  4.1  概述
  4.2  捷联矩阵与载体姿态角计算
    4.2.1  捷联矩阵
    4.2.2  载体姿态角的计算
  4.3  捷联矩阵的即时更新
    4.3.1  欧拉角法
    4.3.2  方向余弦法
  4.4  捷联矩阵即时更新的四元数方法
    4.4.1  四元数的定义和性质
    4.4.2  四元数的运算
    4.4.3  四元数的三角表示法
    4.4.4  矢量转动的四元数变换
    4.4.5  转动四元数与转动方向余弦矩阵的关系
    4.4.6  转动四元数的微分方程
    4.4.7  四元数的即时更新算法
    4.4.8  四元数的归一化
    4.4.9  四元数的初始化
  思考与练习题
第5章  惯性导航系统的误差分析
  5.1  概述
  5.2  系统误差传播特点
    5.2.1  姿态误差角
    5.2.2  系统误差传播过程
  5.3  惯性导航系统误差方程
    5.3.1  惯性导航系统基本误差方程
    5.3.2  指北方位系统的误差方程
    5.3.3  自由方位系统的误差方程
    5.3.4  游动自由方位系统的误差方程
  5.4  惯性导航系统误差特性分析
  思考与练习题
第6章  惯性导航系统的初始对准
  6.1  概  述
  6.2  指北方位系统的初始对准
    6.2.1  水平对准原理
    6.2.2  方位对准原理
  6.3  捷联惯导解析式对准方法
    6.3.1  双矢量定姿与解析粗对准
    6.3.2  精对准
  6.4  低成本捷联惯导系统的初始对准
  思考与练习题
第7章  捷联惯性导航系统设计与实现
  7.1  概述
  7.2  指北方位系统的设计与实现
    7.2.1  系统初始化和初始参数计算
    7.2.2  捷联矩阵即时更新
    7.2.3  对地速度即时更新
    7.2.4  位置矩阵即时更新
    7.2.5  地球自转角速度更新
    7.2.6  导航参数计算
    7.2.7  垂直通道导航参数计算
  7.3  方位角自由系统的设计与实现
    7.3.1  系统初始化和初始参数计算
    7.3.2  捷联矩阵即时更新
    7.3.3  对地速度即时更新
    7.3.4  位置矩阵即时更新
    7.3.5  地球自转角速度更新
    7.3.6  导航参数计算
    7.3.7  载体航向角计算
    7.3.8  垂直通道导航参数计算
  7.4  捷联惯导系统的工程实现
    7.4.1  数值积分算法的选择
    7.4.2  姿态角速度的选取
    7.4.3  捷联解算不同迭代周期的划分
  7.5  捷联惯导系统设计与实现的工程实例
  思考与练习题
第8章  姿态与航向参考系统设计与实现
  8.1  概述
  8.2  载体全姿态运动的姿态解算
    8.2.1  俯仰角→90°的情况
    8.2.2  横滚角→90°的情况
    8.2.3  仿真实例
  8.3  低成本AHRS设计和实现方案1
    8.3.1  加速度计和陀螺仪输出数据分析
    8.3.2  方案设计与实现
    8.3.3  仿真实例
  8.4  低成本AHRS设计和实现方案2
    8.4.1  系统动力学模型
    8.4.2  系统两步观测模型
    8.4.3  系统滤波实现过程
    8.4.4  仿真实例
  思考与练习题
第9章  SINS/GNSS组合导航系统的设计与实现
  9.1  概述
  9.2  组合导航系统的实现方法
    9.2.1  组合导航系统的校正方式
    9.2.2  组合导航系统的组合模式
  9.3  组合导航系统的数学模型
    9.3.1  系统状态方程
    9.3.2  系统量测方程
    9.3.3  组合导航系统数学模型离散化
  9.4  惯导/GPS/北斗卫星组合导航系统的设计与实现
    9.4.1  惯导/GPS/北斗卫星组合导航系统的数学模型
    9.4.2  惯导/GPS/北斗卫星组合导航系统的滤波器设计
    9.4.3  仿真实例
  9.5  低成本SINS/GNSS组合导航系统的设计与实现
    9.5.1  低成本SINS/GNSS组合导航系统的运动学模型
    9.5.2  低成本SINS/GNSS组合导航系统的量测模型
    9.5.3  仿真实例
  9.6  SINS/GNSS紧组合导航系统的设计与实现
    9.6.1  SINS/GNSS紧组合导航系统的运动学模型
    9.6.2  SINS/GNSS紧组合导航系统的量测模型
    9.6.3  仿真实例
  思考与练习题
参考文献