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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 UKF104

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IMU192

5.9 非完整IMU193

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 地平线敏感法204

6.1.8 姿态航向参考系统205

6.2 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 GPS281

8.2.2 GLONASS282

8.2.3 Galileo282

8.2.4 “北斗”导航系统（Beidou）283

8.2.5 区域导航系统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GPS289

8.3.3 GLONASS292

8.3.4 Galileo293

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 GPS298

8.4.2 GLONASS299

8.4.3 Galileo299

8.4.4 SBAS300

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GNSS398

10.1.1 GNSS误差的空a间与时间相关399

10.1.2 局域和区域DGNSS399

10.1.3 广域DGNSS与精密单点定位401

10.1.4 相对GNSS401

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GNSS422

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

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 XPS455

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TRN486

13.2.5 声纳TRN487

13.2.6 气压TRN487

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

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

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GNSS557

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

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 GNSS635

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

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RAIM645

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

光盘目录700

《GNSS技术和应用丛书》介绍704