高超声速助推：滑翔飞行器组合导航技术

　　本书是作者团队在高超声速飞行器组合导航科研实践的基础上，结合发表的相关论文和申请的专利完成的。本书以高超声速助推-滑翔飞行器为研究对象，介绍了其惯性/卫星组合导航技术。全书共 8 章，包括高超声速飞行器及导航系统综述、导航算法基础、临近空间飞行器正常重力模型、捷联惯导系统、卫星导航系统、发惯系高超声速飞行器导航算法、发射系高超声速飞行器导航算法、高超声速飞行器导航系统半实物仿真等内容。本书可作为高等院校导航制导与控制、飞行器控制与信息工程、仪器仪表及相关专业的高年级本科生、研究生的教学用书和参考书，也可供从事相关专业的科研和工作人员阅读参考。

　　陈凯，副教授，硕士生导师。主持国家重大专项“XX验证机飞控系统研究”、“XX-2验证机飞控系统研制”，负责卫星/惯性组合导航系统和算法设计，参加国家重大专项“×高超声速飞行器飞控系统”，负责卫星/惯性组合导航系统和算法设计，参加装发“×超音速大机动靶标”，负责卫星/惯性组合导航系统和算法设计，参加海军“×中高空靶标”，负责SINS/GNSS算法设计，参加自研“×战术靶标”，负责SINS/GNSS算法设计。主持航天科学技术基金：高超声速助推-滑翔飞行器捷联惯导算法设计，主持航天科技创新基金项目：×多表冗余激光惯组故障检测与诊断技术，主持航天支撑技术基金：×长航时惯性/多天文组合导航技术研究，主持航天支撑技术基金：×高精度智能容错组合导航算法研究，主持航空科学基金：×长航时高动态飞行器自主容错组合导航研究。出版专著3本，受理的相关专利4项，受理的美国专利1项，授权的相关专利1项 。

目录
 
第1章高超声速飞行器及导航系统综述1
1.1高超声速飞行器综述1
1.1.1美国高超声速飞行器综述2
1.1.2俄罗斯高超声速飞行器综述5
1.1.3中国高超声速飞行器综述6
1.1.4其他国家高超声速飞行器综述7
1.2高超声速飞行器导航系统综述8
1.2.1高超声速飞行器导航系统特点8
1.2.2高超声速飞行器导航特点分析11
1.3本书目的12
第2章导航算法基础13
2.1导航算法中的数学基础13
2.1.1矢量13
2.1.2矢量坐标转换13
2.1.3角速度矢量14
2.1.4反对称矩阵14
2.1.5角速度坐标转换15
2.1.6矢量和反对称矩阵的基本运算法则15
2.1.7小二乘法15
2.1.8非线性方程的线性化15
2.2坐标系16
2.2.1地心惯性坐标系16
2.2.2地心地固坐标系17
2.2.3载体坐标系17
2.2.4发射坐标系18
2.2.5发射惯性坐标系18
2.2.6发射地心惯性坐标系19
2.2.7当地水平坐标系19
2.3坐标系转换20
2.3.1欧拉角与转换矩阵20
2.3.2地心惯性坐标系与地心地固坐标系24
2.3.3发射坐标系与地心地固坐标系24
2.3.4地心惯性坐标系与发射坐标系24
2.3.5发射坐标系与载体坐标系24
2.3.6发射惯性坐标系与载体坐标系25
2.3.7发射惯性坐标系与发射坐标系26
2.3.8地心地固坐标系与当地水平坐标系28
2.3.9发射坐标系与当地水平坐标系29
2.4四元数29
2.4.1四元数的基础知识29
2.4.2四元数的表示方法30
2.4.3四元数的运算30
2.4.4转动四元数定理31
2.4.5四元数与姿态矩阵的关系32
2.5姿态、速度位置微分34
2.5.1姿态矩阵的微分34
2.5.2惯性坐标系中位置矢量的微分35
2.5.3惯性坐标系中速度矢量的微分35
2.6地球几何学36
2.6.1基本概念36
2.6.2卯酉圈曲率半径和子午圈曲率半径38
2.7地心地固坐标系中的坐标类型38
2.7.1大地坐标向空间直角坐标的转换39
2.7.2空间直角坐标向大地坐标的转换39
第3章临近空间飞行器正常重力模型41
3.1高阶地球重力场建模41
3.1.1球谐函数41
3.1.2球谐模型引力43
3.2临近空间正常重力模型45
3.2.1J2和J4模型45
3.2.2Somigliana公式47
3.2.3正常重力模型误差分析51
第4章捷联惯导系统57
4.1陀螺仪57
4.1.1光学陀螺仪的工作原理58
4.1.2激光陀螺仪58
4.1.3光纤陀螺仪59
4.2加速度计61
4.2.1比力与比力测量61
4.2.2挠性加速度计62
4.3惯性仪表误差的数学模型63
4.4典型的捷联惯导系统64
4.4.1HXINSF05系统的组成64
4.4.2HXINSF05工作原理65
4.4.3HXINSF05详细组成部件66
4.5航空捷联惯导算法机械编排72
4.5.1地心惯性坐标系中的捷联惯导机械编排73
4.5.2地心地固坐标系中的捷联惯导机械编排74
4.5.3当地水平坐标系中的捷联惯导机械编排75
4.6航天捷联惯导算法机械编排78
4.6.1发射惯性坐标系中的捷联惯导机械编排78
4.6.2发射坐标系中的捷联惯导机械编排80
4.7捷联惯导机械编排的等价性82
4.7.1算法编排的等价性82
4.7.2导航结果的等价性84
第5章卫星导航系统87
5.1GPS介绍88
5.1.1GPS体系结构88
5.1.2GPS信号90
5.1.3GPS观测量90
5.1.4GPS误差源92
5.1.5GPS增强系统95
5.2GPS卫星轨道97
5.2.1开普勒定律97
5.2.2开普勒轨道参数98
5.2.3GPS轨道参数99
5.3北斗卫星导航系统100
5.3.1系统组成与服务100
5.3.2卫星信号102
5.3.3系统应用和发展103
第6章发惯系高超声速飞行器导航算法105
6.1发惯系捷联惯导数值更新算法105
6.1.1发惯系姿态更新算法106
6.1.2发惯系速度更新算法109
6.1.3发惯系位置更新算法112
6.1.4发惯系更新算法总结115
6.2发惯系捷联惯导数值更新简化算法116
6.3发惯系捷联惯导误差方程116
6.3.1发惯系姿态误差方程116
6.3.2发惯系速度误差方程117
6.3.3发惯系位置误差方程118
6.4发惯系初始对准算法118
6.5发惯系惯性/卫星组合导航算法120
6.5.1发惯系惯导/卫星松耦合组合导航算法120
6.5.2发惯系惯导/卫星紧耦合组合导航算法122
6.5.3发惯系惯导/卫星组合导航算法仿真分析127
6.6发惯系导航信息转换134
6.6.1发惯系位置信息的转换134
6.6.2发惯系速度信息的转换135
6.6.3发惯系姿态信息的转换135
第7章发射系高超声速飞行器导航算法137
7.1发射系捷联惯导数值更新算法137
7.1.1发射系姿态更新算法137
7.1.2发射系速度更新算法138
7.1.3发射系位置更新算法142
7.1.4发射系更新算法总结145
7.2发射系捷联惯导误差方程146
7.2.1发射系姿态误差方程146
7.2.2发射系速度误差方程147
7.2.3发射系位置误差方程148
7.3发射系初始对准算法148
7.3.1发射系静基座解析粗对准148
7.3.2发射系抗晃动粗对准149
7.3.3发射系卡尔曼滤波精对准151
7.4发射系惯导/卫星组合导航算法152
7.4.1发射系惯导/卫星松耦合组合导航算法152
7.4.2发射系惯导/卫星紧耦合组合导航算法156
7.4.3发射系惯导/卫星组合导航算法仿真分析159
7.5发射系导航信息转换到当地水平坐标系165
7.5.1发射系位置信息的转换166
7.5.2发射系速度信息的转换166
7.5.3发射系姿态信息的转换166
第8章高超声速飞行器导航系统半实物仿真167
8.1高超声速飞行器半实物仿真系统概述167
8.2高超声速飞行器轨迹发生器数学模型168
8.2.1飞行器质心动力学方程169
8.2.2飞行器绕质心转动动力学方程170
8.2.3飞行器制导和控制方程170
8.2.4飞行器六自由度模型补充方程171
8.3半实物仿真中的导航模拟系统172
8.3.1捷联惯导数据模拟器172
8.3.2卫星导航数据模拟器175
8.4半实物仿真中的导航数据模拟187
8.4.1半实物仿真弹道数据188
8.4.2半实物仿真中惯组模拟数据188
8.4.3半实物仿真中卫星接收机模拟数据192
参考文献199