本書內容秉承了經典結論，同時穿插了一些實踐工程中面臨的現實問題，結合編者多年的實踐工程經驗，理論與實踐相結合，采用通俗易懂的語言，深入淺出地描述了各類系統工作情況，系統性地總結了典型導航系統的基本原理及實現過程，便于讀者清晰地理解和學習導航知識，領悟導航的內涵，觸摸導航系統的真諦，有效地提高專業素養。
本書內容秉承了經典結論，同時穿插了一些實踐工程中面臨的現實問題，結合編者多年的實踐工程經驗，理論與實踐相結合，采用通俗易懂的語言，深入淺出地描述了各類系統工作情況，系統性地總結了典型導航系統的基本原理及實現過程，便于讀者清晰地理解和學習導航知識，領悟導航的內涵，觸摸導航系統的真諦，有效地提高專業素養。
本教程將導航系統的理論與工程實踐相結合，針對導航系統學習中遇到的問題，用通俗易懂的語言簡明扼要地進行論述。本書既可作為有關專業本科生和研究生的教學用書或參考書，也可作為推廣普及導航系統的技術讀物和培訓教材。
導航系統是用于引導運載體由出發點安全準確到達目的地的重要手段，是傳感器技術、計算機技術、導航技術、信息處理技術等高度融合的產物。作為運載體運動過程中的“眼睛”，時刻精準地描述了“在哪兒”的問題。然而在多數人的眼中，導航系統似乎是神秘不可知的黑匣子。為了讓更多的感興趣者或者學習者充分地了解導航系統，本書以此作為編寫宗旨，結合工程實踐和多年的教學經驗，以基礎知識和基本原理為主，簡單明了、突出重點地闡述不同類型的導航系統，并以實例形式進行總結。
全書共8章，第1章在對導航和導航系統概括性釋義基礎上，介紹了導航系統的分類及其發展情況；第2章主要闡述與導航系統設計有關的基礎知識，重點分析了與地球相關的模型和參數，以及導航系統的基石“坐標系及其坐標變換”；第3～6章分析了以自主式慣性導航系統為代表的方方面面，其中，第3、4章主要介紹了平臺慣性導航系統及其誤差分析，在此基礎上，第5、6章重點討論了捷聯慣性導航系統及其初始對準過程；第7章描述了以GPS為代表的衛星導航系統的基本原理及發展情況；第8章介紹了以捷聯慣性導航系統和衛星導航系統為對象的組合導航系統，緊密跟蹤國內外研究情況，重點闡述了不同組合模式的異同，并引入組合導航定位系統實例，用案例給出了組合導航系統的“分析—設計—驗證”全過程。
全書由兩位作者共同編寫，第2～4章和第7章由富立編寫，第1、5～6、8章由王玲玲編寫。教研組全體研究生參與了全書的校驗和審核，富立完成統稿工作。
本教材配有教學資源PPT課件，如有需要，請登錄電子工業出版社華信教育資源網，注冊后免費下載。
限于作者水平，書中難免出現不妥和錯誤之處，歡迎各位讀者熱心批評指正，以便本書逐步完善。
編著者
2017年4月于北京
富立：博士，博士后，北京航空航天大學教授，主要工作：承擔自動化專業導航方向的理論課程教學以及實踐教學；并從事控制科學與工程領域的相關方向科學研究。
目 錄
第1章 緒論 1
1．1 導航與導航系統含義 1
1．2 導航系統分類 3
1．2．1 基于獲取導航信息方式的分類情況 3
1．2．2 基于確定導航信息方式的分類情況 4
1．2．3 與應用對象有關的分類情況 4
1．3 導航系統發展與應用 5
1．3．1 慣性導航系統發展與應用 5
1．3．2 衛星導航系統發展與應用 7
1．3．3 其他新型導航系統發展 8
1．3．4 組合導航系統發展 10
1．4 導航系統性能評價指標 11
第2章 導航的基本知識 15
2．1 概述 15
2．2 地球的幾何形狀與重力場 15
2．2．1 地球的形狀描述 15
2．2．2 垂線、緯度和高度定義 17
2．2．3 參考橢球的曲率半徑 18
2．2．4 地球的重力場 23
2．3 導航中常用坐標系 24
2．4 地球導航定位方法 27
2．4．1 基于參考橢球的定位方法 27
2．4．2 定位參數間的變換 28
2．5 坐標變換 29
2．5．1 方位余弦構造法 29
2．5．2 歐拉角構造法 30
2．5．3 坐標系之間的變換 32
2．5．4 坐標變換矩陣微分方程 36
2．6 導航系統基本力學編排方程 40
練習題 42
第3章 平臺慣性導航系統 43
3．1 概述 43
3．2 舒拉擺及其在慣導系統中的實現 43
3．3 慣性平臺 45
3．3．1 單軸慣性平臺 45
3．3．2 三環三軸慣性平臺 48
3．3．3 四環三軸慣性平臺 50
3．4 平臺慣導標準力學編排 52
3．4．1 指北方位力學編排方程 52
3．4．2 游動方位力學編排 54
3．5 平臺慣導垂直通道阻尼 58
練習題 61
第4章 慣性導航系統誤差分析 63
4．1 概述 63
4．2 慣導系統誤差方程 64
4．2．1 位置誤差方程 64
4．2．2 速度誤差方程 65
4．2．3 姿態誤差方程 67
練習題 72
第5章 捷聯慣性導航系統 73
5．1 概述 73
5．2 捷聯慣性導航系統基本原理 74
5．2．1 捷聯慣導系統指北方位力學編排方程 74
5．2．2 捷聯慣導系統游動方位力學編排 76
5．2．3 平臺慣導系統和捷聯慣導系統的比較 77
5．3 捷聯慣性導航系統姿態表示方法 78
5．3．1 四元數法 78
5．4 捷聯慣性導航系統計算 86
練習題 97
第6章 捷聯慣性導航系統的初始對準 99
6．1 概述 99
6．2 粗對準方法 99
6．3 卡爾曼濾波技術簡介 102
6．4 精對準方法 104
練習題 107
第7章 衛星導航系統 109
7．1 概述 109
7．2 GPS的組成與特點 109
7．3 GPS的基本定位原理 112
7．3．1 偽碼定位原理 112
7．3．2 差分GPS工作原理 114
7．3．3 載波相位測量原理 115
7．3．4 GPS定位算法 116
7．4 幾何誤差系數及最佳導航星選擇方法 119
7．4．1 幾何誤差系數描述 119
7．4．2 最佳星座的選擇 120
7．5 GPS誤差分析和誤差模型 121
練習題 125
第8章 組合導航系統 127
8．1 概述 127
8．2 GPS/INS組合導航系統 127
8．2．1 松散組合模式 128
8．2．2 緊密組合模式 129
8．2．3 不同組合模式綜合比較與發展 130
8．2．4 組合卡爾曼濾波器 134
8．3 GPS/DRS組合導航定位系統實例 136
8．3．1 航跡推算系統簡介 136
8．3．2 GPS/DRS組合導航定位系統結構 138
8．3．3 GPS/DRS組合導航定位系統誤差分析 139
8．3．4 組合導航濾波器的設計與實現 142
8．3．5 GPS/DRS組合導航定位系統實驗驗證 146
8．4 MIMU/MR/GPS組合導航系統實例 149
8．4．1 MIMU/MR/GPS組合導航結構 149
8．4．2 MIMU/MR/GPS組合導航子濾波器設計 151
8．4．3 MIMU/MR/GPS組合導航系統動態測試 154
練習題 158
參考文獻 159
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