本書從大導航的理念出發，結合信息控制技術發展，著眼導航依托的各種物理基礎，全面闡述導航的基本理論與方法，并將導航信息的使用納入導航原理知識體系。全書共分9章，具體內容包括：導航的基本概念和參數描述，導航的數學基礎與物理基礎，導航的測角、測距、測速、定位原理，多源組合導航原理，以及運行體的控制實現和應用。
前 言
導航是對運行體導引與控制的一項科學技術，作為一門應用性學科伴隨著科技的發展而不斷進步。初期使用目視推算和天文觀測等方法，出現了磁羅盤、陀螺羅盤、天文六分儀、計程儀和計時器等導航裝置。無線電技術的發明對導航技術產生了劃時代的影響，20世紀20年代出現了無線電羅盤和高度表等導航設備。第二次世界大戰前后，由于民用航空與軍用航空發展需要，無線電導航迅速發展，儀表著陸系統、精密進場雷達、羅蘭A、臺卡、伏爾、塔康、羅蘭C和奧米伽等無線電導航系統相繼問世，1964年開始建成了子午儀衛星導航系統，此后相繼建成了GPS、GLLONASS、BDS等衛星導航系統。人類活動范圍的不斷擴展帶來了對導航技術的巨大需求，各種新型導航體制不斷出現，從衛星導航系統，到新一代地形輔助、天文導航等自主導航系統，再到全源導航、生物導航、認知導航、量子導航等，導航的水平能力顯著提高，不僅改善了運行體航行保障功能，也為武器平臺精確定位和制導系統的精確打擊創造了條件。
技術的發展催生理論的形成。雖然導航是基于電、光、力、磁、聲等各種物理基礎的應用性技術，但它仍然伴隨著科技的進步在不斷延伸和完善，特別是向著多傳感器組合、多
前 言
導航是對運行體導引與控制的一項科學技術，作為一門應用性學科伴隨著科技的發展而不斷進步。初期使用目視推算和天文觀測等方法，出現了磁羅盤、陀螺羅盤、天文六分儀、計程儀和計時器等導航裝置。無線電技術的發明對導航技術產生了劃時代的影響，20世紀20年代出現了無線電羅盤和高度表等導航設備。第二次世界大戰前后，由于民用航空與軍用航空發展需要，無線電導航迅速發展，儀表著陸系統、精密進場雷達、羅蘭A、臺卡、伏爾、塔康、羅蘭C和奧米伽等無線電導航系統相繼問世，1964年開始建成了子午儀衛星導航系統，此后相繼建成了GPS、GLLONASS、BDS等衛星導航系統。人類活動范圍的不斷擴展帶來了對導航技術的巨大需求，各種新型導航體制不斷出現，從衛星導航系統，到新一代地形輔助、天文導航等自主導航系統，再到全源導航、生物導航、認知導航、量子導航等，導航的水平能力顯著提高，不僅改善了運行體航行保障功能，也為武器平臺精確定位和制導系統的精確打擊創造了條件。
技術的發展催生理論的形成。雖然導航是基于電、光、力、磁、聲等各種物理基礎的應用性技術，但它仍然伴隨著科技的進步在不斷延伸和完善，特別是向著多傳感器組合、多信息融合、自主決策控制一體化方向進步，具有了很強的多學科交叉運用的特性，使得導航在探測傳感、航跡規劃、制導控制等方面逐步形成了一套特有的方法理論體系，亟待專業人員總結凝練、系統完善。本書的出版正是適應這一實際需求，力圖為導航理論體系的構建盡己之力。
目前，已經公開出版了一些導航原理與系統的教材與讀物，但筆者認為大多數原理性的書籍都只是在介紹導航系統的原理，缺乏方法論上的概括提升，沒有全面、深入闡述導航的基本理論。而本書力圖從大導航的理念出發，結合信息控制技術發展，從導航依托的各種物理基礎著眼，全面闡述導航的基本理論與方法，并將導航信息的使用納入導航原理知識體系，適應現代信息與控制學科交叉發展的實際要求，更加完整地構建起導航工程專業人才的專業理論基礎。本教材內容是在編著者將導航原理與導航系統教學內容分開的基礎上構建的，這在國內尚屬首次。
全書共9章。第1章是緒論，介紹了導航的基本概念、名詞術語、發展與運用歷史；第2章與第3章是導航原理學習的數學基礎與物理基礎；第4章至第7章介紹了導航的測角、測距、測速、定位原理，是本書的核心內容；第8章介紹的是多源組合導航原理；第9章介紹了運行體的控制實現。本書的撰寫采取的是分工主筆、合作研討、共同確定的方式，注重發揮了集體智慧的作用。其中，吳德偉教授提出了全書的編寫綱目并主筆了第1章、第3章、第4章，陳樹新教授主筆了第2章、附錄并編寫了第6章、第8章部分內容，盧虎副教授主筆了第5章、第6章、第8章，胡奕明副教授主筆了第9章并編寫了第3章、第4章部分內容，代傳金講師主筆了第7章并編寫了第9章部分內容，吳德偉、陳樹新教授完成了全書的統編定稿工作。在編撰過程中，中國工程院費愛國院士、北京航空航天大學黃智剛教授審閱了書稿，給予了熱情的指導和幫助，提出了許多寶貴的意見和建議，在此編寫組成員深表感激和謝意！本書的編寫還得到楊春燕副教授、戚君宜副教授、張輝副教授以及空軍工程大學信息與導航學院相關同志的大力支持與幫助，在此一并致謝！
受作者能力與水平的限制，本書所提供的導航理論知識，可能無法滿足各類讀者對導航理論基礎全面認識的需求，內容編排方式可能更適合于大專院校導航專業教學及導航專業技術人員的學習，當然也力求照顧到便于非專業人員參考使用。本書在撰寫過程中參考了大量的文獻資料，謹向文獻資料的作者表示最誠摯的謝意。書中有部分內容源自作者承擔的國家自然科學基金研究成果。
本書是陜西省精品課程“導航原理”的主用教材，該教材配套的教學輔助資料包括：供教師使用的“導航原理課程電子教案”，供實踐教學使用的“導航原理實驗講義”，供課后學習和輔導使用的“導航原理習題集”和“導航原理習題解答”。
對書中的錯誤與疏漏之處，敬請讀者不吝批評指正。
編著者
2014年11月
吳德偉，空軍級專家、教授、博士生導師，長期從事導航工程專業教學科研工作，歷任導航專業教員、室主任、系主任，現任軍用導航國家級實驗教學示范中心主任、軍用導航軍隊重點實驗室主任，《儀表與微波著陸系統》軍隊優質課程負責人，《導航原理》省級精品課程負責人；主講《導航原理》、《導航系統》和《導航裝備》等課程。
第1章 緒論1
1.1 導航的概念1
1.1.1 定義1
1.1.2 對象1
1.1.3 任務2
1.2 導航的參量2
1.2.1 時空參量2
1.2.2 角度參量3
1.2.3 距離參量5
1.2.4 速度參量6
1.3 位置線與位置面6
1.3.1 等角位置線、位置面6
1.3.2 等距位置線、位置面7
1.3.3 等距差位置線、位置面8
1.3.4 等距和位置線、位置面8 第1章 緒論1
1.1 導航的概念1
1.1.1 定義1
1.1.2 對象1
1.1.3 任務2
1.2 導航的參量2
1.2.1 時空參量2
1.2.2 角度參量3
1.2.3 距離參量5
1.2.4 速度參量6
1.3 位置線與位置面6
1.3.1 等角位置線、位置面6
1.3.2 等距位置線、位置面7
1.3.3 等距差位置線、位置面8
1.3.4 等距和位置線、位置面8
1.3.5 位置線典型應用9
1.4 導航的發展與運用11
1.4.1 慣性導航12
1.4.2 無線電導航13
1.4.3 天文導航14
1.4.4 其他導航16
1.5 本書的結構21
復習和作業題121
第2章 導航的數學基礎22
2.1 坐標及其變換22
2.1.1 慣性坐標系22
2.1.2 地球坐標系23
2.1.3 運行體及平臺坐標系25
2.1.4 直角坐標系間的旋轉
變換27
2.1.5 極坐標系28
2.2 運動狀態描述29
2.2.1 微分多項式模型29
2.2.2 勻速運動模型30
2.2.3 勻加速運動模型31
2.2.4 其他運動模型31
2.3 導航誤差分析基礎32
2.3.1 標量描述33
2.3.2 矢量描述34
2.3.3 位置線誤差及其特性36
2.4 導航參量估計方法38
2.4.1 非線性方程的線性化38
2.4.2 最小二乘法41
2.4.3 卡爾曼濾波45
2.5 小結48
復習和作業題248
第3章 導航的物理基礎50
3.1 導航信號50
3.1.1 描述方法50
3.1.2 偽隨機序列52
3.2 多普勒效應54
3.2.1 收發一方運動的
多普勒效應54
3.2.2 收發雙方同時運動的多普勒
效應55
3.2.3 多普勒效應在導航中的應用56
3.3 無線電信號56
3.3.1 信號特性57
3.3.2 傳播方式58
3.3.3 信道特性分析60
3.3.4 電波傳播對無線電導航信號的
影響62
3.3.5 場地環境對無線電導航信號的
影響63
3.4 光場探測68
3.4.1 光電探測系統69
3.4.2 光接收機原理70
3.5 陀螺儀與加速度計73
3.5.1 力學基礎73
3.5.2 陀螺儀原理75
3.5.3 加速度計原理78
3.6 重力場基礎79
3.7 地磁場基礎80
3.8* 相對論影響82
3.9 小結85
復習和作業題385
第4章 導航測角原理86
4.1 振幅式導航測角87
4.1.1 振幅式無線電導航測角天線
方向圖87
4.1.2 振幅式無線電導航測角方法
分類92
4.1.3 振幅式無線電導航測角誤差
分析96
4.1.4 振幅式光學測角100
4.2 相位式導航測角101
4.2.1 相位式無線電導航測角101
4.2.2 相位式無線電導航測角誤差
分析105
4.3 時間式導航測角107
4.3.1 時間式無線電導航測角107
4.3.2 時間式無線電導航測角誤差
分析111
4.4 頻率式導航測角112
4.4.1 頻率式無線電導航測角112
4.4.2 偏流角測量的準確度分析114
4.5 慣性力學測角114
4.5.1 水平面內的陀螺尋北原理114
4.5.2 非水平面內的陀螺尋北原理116
4.5.3 陀螺尋北的誤差分析119
4.6 地磁感應測角120
4.6.1 羅航向和羅差120
4.6.2 地磁感應測角原理121
4.7 小結123
復習和作業題4123
第5章 導航測距原理125
5.1 測距概述125
5.1.1 基本概念125
5.1.2 測距分類126
5.2 無線電導航測距128
5.2.1 脈沖式測距128
5.2.2 碼相關測距130
5.2.3 頻率式測距133
5.3 無線電導航測距差142
5.3.1 脈沖式測距差142
5.3.2 相位式測距差143
5.3.3 脈沖/相位式測距差144
5.3.4 多普勒積分測距差144
5.4 光學導航測距145
5.4.1 主動式測距145
5.4.2 被動式測距146
5.5 氣壓測高147
5.5.1 飛行高度147
5.5.2 氣壓高度表模型148
5.5.3 氣壓高度表誤差補償149
5.6 導航測距理論的發展149
5.7 小結150
復習和作業題5150
第6章 導航測速原理151
6.1 主動式導航測速151
6.1.1 單波束多普勒測速152
6.1.2 雙波束多普勒測速153
6.1.3 多波束多普勒測速155
6.1.4 多普勒測速的準確度分析157
6.1.5 聲相關測速159
6.2 被動式導航測速160
6.2.1 慣性導航測速160
6.2.2 衛星導航測速161
6.2.3 電磁測速163
6.2.4 航空動壓測速164
6.2.5 視頻（覺）測速168
6.3 小結170
復習和作業題6170
第7章 導航定位原理171
7.1 幾何式導航定位171
7.1.1 幾何式導航定位基礎172
7.1.2 測距導航定位179
7.1.3 測距差導航定位184
7.1.4 測向導航定位186
7.1.5 復合式導航定位190
7.2 推算導航定位193
7.2.1 慣性推算導航定位193
7.2.2 多普勒雷達推算導航定位195
7.3 匹配導航定位196
7.3.1 匹配導航定位基礎197
7.3.2 一維線匹配導航定位202
7.3.3 二維面匹配導航定位209
7.4 小結210
復習和作業題7211
第8章 多源組合導航原理212
8.1 數據融合與組合導航212
8.1.1 多傳感器數據融合212
8.1.2 組合導航的概念213
8.2 組合導航的性能分析213
8.2.1 一般結構213
8.2.2 信息分配準則214
8.2.3 精度分析215
8.2.4 可靠性分析216
8.3 組合導航應用形式217
8.3.1 典型配置結構217
8.3.2 性能分析221
8.4 組合導航理論的發展222
8.5 小結223
復習和作業題8223
第9章 飛行器導航控制應用224
9.1 概述224
9.2 飛行控制原理226
9.2.1 飛行狀態描述及其實時感知226
9.2.2 飛行操縱方式227
9.2.3 飛行控制方法228
9.2.4 飛機姿態控制230
9.2.5 飛行軌跡控制232
9.3 導航控制系統應用236
9.3.1 自動航線飛行控制236
9.3.2 自動進近與著陸飛行控制240
9.4 小結249
復習和作業題9249
附錄A 導航術語中英對照表250
附錄B 隨機過程與噪聲264
B.1 隨機過程的統計描述264
B.2 平穩隨機過程266
B.3 高斯隨機過程267
B.4 噪聲268
參考文獻270
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