水下航行器導航系統(tǒng)原理

目錄
第1章 緒論 1
1.1 外航行器的發(fā)展現(xiàn)狀 2
1.2 水下航行器導航系統(tǒng)概述 4
1.2.1 水下航行器導航方式 4
1.2.2 水下航行器初始對準技術 6
習題1 7
第2章 航行器導航基礎 8
2.1 地球的形狀和地理坐標 8
2.1.1 地球的形狀和大小 8
2.1.2 地球重力場特性 10
2.1.3 地球緯度及主曲率半徑 10
2.1.4 地理坐標 14
2.2 坐標系與坐標系變換 15
2.2.1 定義坐標系的三要素 15
2.2.2 常用坐標系 15
2.2.3 坐標系間的關系及坐標變換 17
2.3 時間系統(tǒng)與電子海圖 19
2.3.1 時間系統(tǒng) 19
2.3.2 電子海圖 20
2.4 卡爾曼濾波原理 22
2.4.1 隨機系統(tǒng)狀態(tài)空間模型 22
2.4.2 濾波方程的推導 22
2.4.3 卡爾曼濾波的幾何解釋 27
2.4.4 濾波流程框圖與濾波初值的選擇 29
2.4.5 帶確定性輸入的濾波方程 31
2.4.6 卡爾曼濾波舉例 31
習題2 33
第3章 衛(wèi)星導航定位系統(tǒng) 34
3.1 衛(wèi)星導航定位基礎及基本方法 35
3.1.1 衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的特點與發(fā)展概況 35
3.1.2 衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的分類 35
3.1.3 衛(wèi)星定位的基本原理 37
3.2 差分定位技術 39
3.2.1 位置差分 40
3.2.2 偽距差分 41
3.2.3 相位平滑偽距差分 43
3.2.4 載波相位差分 43
3.3 衛(wèi)星導航增強系統(tǒng) 45
3.3.1 SBAS 46
3.3.2 GBAS 49
3.3.3 ABAS 49
3.3.4 GNSS多系統(tǒng)組合應用 49
習題3 51
第4章 慣性導航系統(tǒng) 53
4.1 慣性導航系統(tǒng)的基礎知識 54
4.1.1 慣性導航系統(tǒng)概論 54
4.1.2 陀螺儀測量原理 55
4.1.3 加速度計測量原理 56
4.1.4 比力方程 57
4.2 捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)的基本原理 61
4.2.1 捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)姿態(tài)矩陣的計算 61
4.2.2 捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)速度及位置解算 65
4.2.3 捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)的誤差方程 67
4.2.4 靜基座條件下的誤差分析 71
4.3 捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)的初始對準技術 74
4.3.1 粗對準階段 75
4.3.2 精對準階段 78
4.4 捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)的阻尼技術 80
4.4.1 水平阻尼 80
4.4.2 方位阻尼 81
4.5 捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)的綜合校正技術 83
4.5.1 相關誤差角定義及相互關系 83
4.5.2 慣性坐標系 綜合校正系統(tǒng)方程 84
4.5.3 慣性坐標系 綜合校正觀測方程 85
習題4 87
第5章 水聲導航系統(tǒng) 88
5.1 聲波的基本傳播特性及水聲定位原理 89
5.1.1 聲波的傳播特性 89
5.1.2 水聲定位的基本原理和方法 89
5.2 水聲定位系統(tǒng) 91
5.2.1 長基線水聲定位系統(tǒng) 91
5.2.2 短基線水聲定位系統(tǒng) 94
5.2.3 超短基線水聲定位系統(tǒng) 95
5.3 多普勒計程儀的工作原理及測速誤差 97
5.3.1 多普勒計程儀的工作原理 97
5.3.2 多普勒計程儀的測速誤差 100
5.3.3 多普勒計程儀的測速方程及誤差模型 104
習題5 106
第6章 慣性/聲學組合導航系統(tǒng) 107
6.1 航位推算系統(tǒng) 108
6.1.1 地球的曲率半徑 108
6.1.2 航位推算原理 108
6.1.3 航位推算誤差分析 110
6.2 基于卡爾曼濾波的慣性/超短基線組合導航系統(tǒng) 112
6.2.1 慣性/超短基線組合導航系統(tǒng)狀態(tài)方程 112
6.2.2 慣性/超短基線組合導航系統(tǒng)量測方程 114
6.3 基于卡爾曼濾波的慣性/多普勒組合導航系統(tǒng) 115
6.3.1 慣性/多普勒組合導航系統(tǒng)狀態(tài)方程 115
6.3.2 慣性/多普勒組合導航量測方程 116
習題6 116
第7章 同步定位與地圖構建 117
7.1 概述 118
7.2 SLAM算法 118
7.2.1 系統(tǒng)模型的建立 118
7.2.2 定位與構圖 121
7.3 非線性系統(tǒng)建模與執(zhí)行過程 121
7.3.1 系統(tǒng)各狀態(tài)向量 122
7.3.2 SLAM算法執(zhí)行總過程 123
7.3.3 預測階段 124
7.3.4 新階段 125
7.3.5 狀態(tài)擴充 126
7.4 SLAM算法仿真實驗 127
7.4.1 區(qū)域搜索航行 127
7.4.2 航渡航行 131
7.5 數(shù)據(jù)關聯(lián)方法 133
7.5.1 典型數(shù)據(jù)關聯(lián)方法 133
7.5.2 改進數(shù)據(jù)關聯(lián)方法 134
7.5.3 算法仿真試驗 136
習題7 141
第8章 重力導航 142
8.1 概述 143
8.1.1 衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)反演海洋重力異常 143
8.1.2 航空重力向下延拓 148
8.1.3 海面重力測量 151
8.2 多源重力數(shù)據(jù)融合 154
8.2.1 融合算法原理 155
8.2.2 多源重力數(shù)據(jù)融合方案 157
8.2.3 多源海洋重力數(shù)據(jù)來源 158
8.2.4 多源重力數(shù)據(jù)融合試驗 160
8.3 重力匹配導航算法 163
8.3.1 ICCP重力匹配算法 163
8.3.2 基于卡爾曼濾波的重力異常匹配算法 167
習題8 171
第9章 地磁導航 172
9.1 概述 173
9.1.1 地磁導航基本概況 173
9.1.2 地磁導航的制約因素 175
9.2 地磁場基本理論 176
9.2.1 地磁場組成及其要素 177
9.2.2 地磁場模型 178
9.3 磁場延拓處理 182
9.3.1 位場延拓基本原理 182
9.3.2 波數(shù)域延拓原理 184
9.3.3 位場延拓穩(wěn)定性分析 184
9.3.4 向下延拓廣義逆算法 185
9.4 水下地磁匹配導航算法 191
9.4.1 地磁匹配系統(tǒng)架構 191
9.4.2 地磁匹配導航算法 192
9.4.3 地磁適配區(qū)選擇方法 196
習題9 198
0章 多水下無人航行器編隊協(xié)同導航方法 199
10.1 協(xié)同導航分類與基本工作原理 200
10.1.1 協(xié)同導航分類 200
10.1.2 協(xié)同導航基本工作原理 200
10.2 協(xié)同定位模型構建及誤差建模與補償方法 201
10.2.1 協(xié)同定位模型構建 201
10.2.2 誤差建模與補償方法 202
10.3 協(xié)同導航系統(tǒng)可觀測性分析 203
10.3.1 基于線性化模型的可觀測性分析 203
10.3.2 基于非線性李導數(shù)的可觀測性理論 206
10.3.3 基于Fisher信息矩陣的系統(tǒng)可觀測性評價函數(shù)構建與 約束條件求解 213
10.4 編隊構型設計 220
10.4.1 單領航AUV協(xié)同導航系統(tǒng) 220
10.4.2 雙領航AUV協(xié)同導航系統(tǒng) 220
10.4.3 多領航AUV協(xié)同導航系統(tǒng) 220
10.5 仿真驗證 221
10.5.1 編隊構型仿真 221
10.5.2 不同編隊構型下的定位誤差對比 223
習題10 225
參考文獻 226