书籍详情
水下航行器导航系统原理
作者：徐博
出版社：电子工业出版社
出版时间：2023-01-01
ISBN：9787121449826
定价：¥59.80
内容简介
本书论述水下航行器。导航技术及相关基础知识，从导航的基本概念出发，由浅入深地进行论述，论述的每种导航方式都有详细的数学模型推导，使读者知其然也知其所以然。本书共10章，分别为绪论、航行器导航基础、卫星导航定位系统、惯性导航系统、水声导航系统、惯性/声学组合导航系统、同步定位与地图构建、重力导航、地磁导航及多水下无人航行器编队协同导航方法。 本书内容丰富且具有前沿性，论述严谨、重点突出；论述方式符合工科学生的认识规律，每章配有与本章重点内容相关的习题。本书可作为工科院校水下航行器导航技术专业用书或高年级学生与研究生的教学参考书，也可作为从事水下航行器导航技术方面工作的科技人员的参考书。
作者简介
徐博，2000.9-2004.7 哈尔滨工程大学 电气工程及其自动化 本科/工学学士；2002.11-2003.11 东京电气通信大学 通信工程 出国留学；2004.9-2007.3 哈尔滨工程大学 导航制导与控制 硕士/工学硕士；2007.9-2011.6 哈尔滨工程大学 精密仪器及机械 博士/工学博士；2011.12-2015.8 哈尔滨工程大学 导航制导与控制 博士后。工作经历：2007.4-2009.9哈尔滨工程大学 助教；2009.9-2015.8 哈尔滨工程大学 讲师；2011.9-至今 哈尔滨工程大学 硕导；2015.9-至今 哈尔滨工程大学 副教授；2016.9-至今 哈尔滨工程大学 博导。
目录
目录
第1章 绪论 1
1.1 外航行器的发展现状 2
1.2 水下航行器导航系统概述 4
1.2.1 水下航行器导航方式 4
1.2.2 水下航行器初始对准技术 6
习题1 7
第2章 航行器导航基础 8
2.1 地球的形状和地理坐标 8
2.1.1 地球的形状和大小 8
2.1.2 地球重力场特性 10
2.1.3 地球纬度及主曲率半径 10
2.1.4 地理坐标 14
2.2 坐标系与坐标系变换 15
2.2.1 定义坐标系的三要素 15
2.2.2 常用坐标系 15
2.2.3 坐标系间的关系及坐标变换 17
2.3 时间系统与电子海图 19
2.3.1 时间系统 19
2.3.2 电子海图 20
2.4 卡尔曼滤波原理 22
2.4.1 随机系统状态空间模型 22
2.4.2 滤波方程的推导 22
2.4.3 卡尔曼滤波的几何解释 27
2.4.4 滤波流程框图与滤波初值的选择 29
2.4.5 带确定性输入的滤波方程 31
2.4.6 卡尔曼滤波举例 31
习题2 33
第3章 卫星导航定位系统 34
3.1 卫星导航定位基础及基本方法 35
3.1.1 卫星导航定位系统的特点与发展概况 35
3.1.2 卫星导航定位系统的分类 35
3.1.3 卫星定位的基本原理 37
3.2 差分定位技术 39
3.2.1 位置差分 40
3.2.2 伪距差分 41
3.2.3 相位平滑伪距差分 43
3.2.4 载波相位差分 43
3.3 卫星导航增强系统 45
3.3.1 SBAS 46
3.3.2 GBAS 49
3.3.3 ABAS 49
3.3.4 GNSS多系统组合应用 49
习题3 51
第4章 惯性导航系统 53
4.1 惯性导航系统的基础知识 54
4.1.1 惯性导航系统概论 54
4.1.2 陀螺仪测量原理 55
4.1.3 加速度计测量原理 56
4.1.4 比力方程 57
4.2 捷联式惯性导航系统的基本原理 61
4.2.1 捷联式惯性导航系统姿态矩阵的计算 61
4.2.2 捷联式惯性导航系统速度及位置解算 65
4.2.3 捷联式惯性导航系统的误差方程 67
4.2.4 静基座条件下的误差分析 71
4.3 捷联式惯性导航系统的初始对准技术 74
4.3.1 粗对准阶段 75
4.3.2 精对准阶段 78
4.4 捷联式惯性导航系统的阻尼技术 80
4.4.1 水平阻尼 80
4.4.2 方位阻尼 81
4.5 捷联式惯性导航系统的综合校正技术 83
4.5.1 相关误差角定义及相互关系 83
4.5.2 惯性坐标系 综合校正系统方程 84
4.5.3 惯性坐标系 综合校正观测方程 85
习题4 87
第5章 水声导航系统 88
5.1 声波的基本传播特性及水声定位原理 89
5.1.1 声波的传播特性 89
5.1.2 水声定位的基本原理和方法 89
5.2 水声定位系统 91
5.2.1 长基线水声定位系统 91
5.2.2 短基线水声定位系统 94
5.2.3 超短基线水声定位系统 95
5.3 多普勒计程仪的工作原理及测速误差 97
5.3.1 多普勒计程仪的工作原理 97
5.3.2 多普勒计程仪的测速误差 100
5.3.3 多普勒计程仪的测速方程及误差模型 104
习题5 106
第6章 惯性/声学组合导航系统 107
6.1 航位推算系统 108
6.1.1 地球的曲率半径 108
6.1.2 航位推算原理 108
6.1.3 航位推算误差分析 110
6.2 基于卡尔曼滤波的惯性/超短基线组合导航系统 112
6.2.1 惯性/超短基线组合导航系统状态方程 112
6.2.2 惯性/超短基线组合导航系统量测方程 114
6.3 基于卡尔曼滤波的惯性/多普勒组合导航系统 115
6.3.1 惯性/多普勒组合导航系统状态方程 115
6.3.2 惯性/多普勒组合导航量测方程 116
习题6 116
第7章 同步定位与地图构建 117
7.1 概述 118
7.2 SLAM算法 118
7.2.1 系统模型的建立 118
7.2.2 定位与构图 121
7.3 非线性系统建模与执行过程 121
7.3.1 系统各状态向量 122
7.3.2 SLAM算法执行总过程 123
7.3.3 预测阶段 124
7.3.4 新阶段 125
7.3.5 状态扩充 126
7.4 SLAM算法仿真实验 127
7.4.1 区域搜索航行 127
7.4.2 航渡航行 131
7.5 数据关联方法 133
7.5.1 典型数据关联方法 133
7.5.2 改进数据关联方法 134
7.5.3 算法仿真试验 136
习题7 141
第8章 重力导航 142
8.1 概述 143
8.1.1 卫星测高数据反演海洋重力异常 143
8.1.2 航空重力向下延拓 148
8.1.3 海面重力测量 151
8.2 多源重力数据融合 154
8.2.1 融合算法原理 155
8.2.2 多源重力数据融合方案 157
8.2.3 多源海洋重力数据来源 158
8.2.4 多源重力数据融合试验 160
8.3 重力匹配导航算法 163
8.3.1 ICCP重力匹配算法 163
8.3.2 基于卡尔曼滤波的重力异常匹配算法 167
习题8 171
第9章 地磁导航 172
9.1 概述 173
9.1.1 地磁导航基本概况 173
9.1.2 地磁导航的制约因素 175
9.2 地磁场基本理论 176
9.2.1 地磁场组成及其要素 177
9.2.2 地磁场模型 178
9.3 磁场延拓处理 182
9.3.1 位场延拓基本原理 182
9.3.2 波数域延拓原理 184
9.3.3 位场延拓稳定性分析 184
9.3.4 向下延拓广义逆算法 185
9.4 水下地磁匹配导航算法 191
9.4.1 地磁匹配系统架构 191
9.4.2 地磁匹配导航算法 192
9.4.3 地磁适配区选择方法 196
习题9 198
0章 多水下无人航行器编队协同导航方法 199
10.1 协同导航分类与基本工作原理 200
10.1.1 协同导航分类 200
10.1.2 协同导航基本工作原理 200
10.2 协同定位模型构建及误差建模与补偿方法 201
10.2.1 协同定位模型构建 201
10.2.2 误差建模与补偿方法 202
10.3 协同导航系统可观测性分析 203
10.3.1 基于线性化模型的可观测性分析 203
10.3.2 基于非线性李导数的可观测性理论 206
10.3.3 基于Fisher信息矩阵的系统可观测性评价函数构建与 约束条件求解 213
10.4 编队构型设计 220
10.4.1 单领航AUV协同导航系统 220
10.4.2 双领航AUV协同导航系统 220
10.4.3 多领航AUV协同导航系统 220
10.5 仿真验证 221
10.5.1 编队构型仿真 221
10.5.2 不同编队构型下的定位误差对比 223
习题10 225
参考文献 226
第1章 绪论 1
1.1 外航行器的发展现状 2
1.2 水下航行器导航系统概述 4
1.2.1 水下航行器导航方式 4
1.2.2 水下航行器初始对准技术 6
习题1 7
第2章 航行器导航基础 8
2.1 地球的形状和地理坐标 8
2.1.1 地球的形状和大小 8
2.1.2 地球重力场特性 10
2.1.3 地球纬度及主曲率半径 10
2.1.4 地理坐标 14
2.2 坐标系与坐标系变换 15
2.2.1 定义坐标系的三要素 15
2.2.2 常用坐标系 15
2.2.3 坐标系间的关系及坐标变换 17
2.3 时间系统与电子海图 19
2.3.1 时间系统 19
2.3.2 电子海图 20
2.4 卡尔曼滤波原理 22
2.4.1 随机系统状态空间模型 22
2.4.2 滤波方程的推导 22
2.4.3 卡尔曼滤波的几何解释 27
2.4.4 滤波流程框图与滤波初值的选择 29
2.4.5 带确定性输入的滤波方程 31
2.4.6 卡尔曼滤波举例 31
习题2 33
第3章 卫星导航定位系统 34
3.1 卫星导航定位基础及基本方法 35
3.1.1 卫星导航定位系统的特点与发展概况 35
3.1.2 卫星导航定位系统的分类 35
3.1.3 卫星定位的基本原理 37
3.2 差分定位技术 39
3.2.1 位置差分 40
3.2.2 伪距差分 41
3.2.3 相位平滑伪距差分 43
3.2.4 载波相位差分 43
3.3 卫星导航增强系统 45
3.3.1 SBAS 46
3.3.2 GBAS 49
3.3.3 ABAS 49
3.3.4 GNSS多系统组合应用 49
习题3 51
第4章 惯性导航系统 53
4.1 惯性导航系统的基础知识 54
4.1.1 惯性导航系统概论 54
4.1.2 陀螺仪测量原理 55
4.1.3 加速度计测量原理 56
4.1.4 比力方程 57
4.2 捷联式惯性导航系统的基本原理 61
4.2.1 捷联式惯性导航系统姿态矩阵的计算 61
4.2.2 捷联式惯性导航系统速度及位置解算 65
4.2.3 捷联式惯性导航系统的误差方程 67
4.2.4 静基座条件下的误差分析 71
4.3 捷联式惯性导航系统的初始对准技术 74
4.3.1 粗对准阶段 75
4.3.2 精对准阶段 78
4.4 捷联式惯性导航系统的阻尼技术 80
4.4.1 水平阻尼 80
4.4.2 方位阻尼 81
4.5 捷联式惯性导航系统的综合校正技术 83
4.5.1 相关误差角定义及相互关系 83
4.5.2 惯性坐标系 综合校正系统方程 84
4.5.3 惯性坐标系 综合校正观测方程 85
习题4 87
第5章 水声导航系统 88
5.1 声波的基本传播特性及水声定位原理 89
5.1.1 声波的传播特性 89
5.1.2 水声定位的基本原理和方法 89
5.2 水声定位系统 91
5.2.1 长基线水声定位系统 91
5.2.2 短基线水声定位系统 94
5.2.3 超短基线水声定位系统 95
5.3 多普勒计程仪的工作原理及测速误差 97
5.3.1 多普勒计程仪的工作原理 97
5.3.2 多普勒计程仪的测速误差 100
5.3.3 多普勒计程仪的测速方程及误差模型 104
习题5 106
第6章 惯性/声学组合导航系统 107
6.1 航位推算系统 108
6.1.1 地球的曲率半径 108
6.1.2 航位推算原理 108
6.1.3 航位推算误差分析 110
6.2 基于卡尔曼滤波的惯性/超短基线组合导航系统 112
6.2.1 惯性/超短基线组合导航系统状态方程 112
6.2.2 惯性/超短基线组合导航系统量测方程 114
6.3 基于卡尔曼滤波的惯性/多普勒组合导航系统 115
6.3.1 惯性/多普勒组合导航系统状态方程 115
6.3.2 惯性/多普勒组合导航量测方程 116
习题6 116
第7章 同步定位与地图构建 117
7.1 概述 118
7.2 SLAM算法 118
7.2.1 系统模型的建立 118
7.2.2 定位与构图 121
7.3 非线性系统建模与执行过程 121
7.3.1 系统各状态向量 122
7.3.2 SLAM算法执行总过程 123
7.3.3 预测阶段 124
7.3.4 新阶段 125
7.3.5 状态扩充 126
7.4 SLAM算法仿真实验 127
7.4.1 区域搜索航行 127
7.4.2 航渡航行 131
7.5 数据关联方法 133
7.5.1 典型数据关联方法 133
7.5.2 改进数据关联方法 134
7.5.3 算法仿真试验 136
习题7 141
第8章 重力导航 142
8.1 概述 143
8.1.1 卫星测高数据反演海洋重力异常 143
8.1.2 航空重力向下延拓 148
8.1.3 海面重力测量 151
8.2 多源重力数据融合 154
8.2.1 融合算法原理 155
8.2.2 多源重力数据融合方案 157
8.2.3 多源海洋重力数据来源 158
8.2.4 多源重力数据融合试验 160
8.3 重力匹配导航算法 163
8.3.1 ICCP重力匹配算法 163
8.3.2 基于卡尔曼滤波的重力异常匹配算法 167
习题8 171
第9章 地磁导航 172
9.1 概述 173
9.1.1 地磁导航基本概况 173
9.1.2 地磁导航的制约因素 175
9.2 地磁场基本理论 176
9.2.1 地磁场组成及其要素 177
9.2.2 地磁场模型 178
9.3 磁场延拓处理 182
9.3.1 位场延拓基本原理 182
9.3.2 波数域延拓原理 184
9.3.3 位场延拓稳定性分析 184
9.3.4 向下延拓广义逆算法 185
9.4 水下地磁匹配导航算法 191
9.4.1 地磁匹配系统架构 191
9.4.2 地磁匹配导航算法 192
9.4.3 地磁适配区选择方法 196
习题9 198
0章 多水下无人航行器编队协同导航方法 199
10.1 协同导航分类与基本工作原理 200
10.1.1 协同导航分类 200
10.1.2 协同导航基本工作原理 200
10.2 协同定位模型构建及误差建模与补偿方法 201
10.2.1 协同定位模型构建 201
10.2.2 误差建模与补偿方法 202
10.3 协同导航系统可观测性分析 203
10.3.1 基于线性化模型的可观测性分析 203
10.3.2 基于非线性李导数的可观测性理论 206
10.3.3 基于Fisher信息矩阵的系统可观测性评价函数构建与 约束条件求解 213
10.4 编队构型设计 220
10.4.1 单领航AUV协同导航系统 220
10.4.2 双领航AUV协同导航系统 220
10.4.3 多领航AUV协同导航系统 220
10.5 仿真验证 221
10.5.1 编队构型仿真 221
10.5.2 不同编队构型下的定位误差对比 223
习题10 225
参考文献 226
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