磁力計輔助的慣性導航係統 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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[土耳其] 烏戈爾·卡亞索 著，盧建華，趙國榮，徐勝紅 等 譯

圖書標籤:

• 慣性導航
• 磁力計
• 傳感器融閤
• 導航係統
• 姿態估計
• 誤差分析
• 濾波算法
• 控製工程
• 自動導航
• 測量技術

齣版社： 國防工業齣版社

ISBN：9787118108750

版次：1

商品編碼：12141304

包裝：平裝

開本：32開

齣版時間：2017-01-01

用紙：膠版紙

頁數：112

字數：104000

正文語種：中文

內容簡介

　　《磁力計輔助的慣性導航係統》首先介紹瞭慣性測量單元的相關技術和誤差模型，其次介紹瞭慣性導航係統中的坐標係以及他們之間的變換，在此基礎上介紹瞭慣性坐標係內的力學編排，並分析瞭慣導係統的誤差模型。全球磁場模型以及磁力計的類型和誤差源也進行瞭講解。在此基礎上，介紹瞭基於低成本MEMS的慣性測量單元與磁力計組閤係統的實現方法，講解瞭應用卡爾曼濾波器進行組閤導航係統狀態參數估計的算法，並介紹瞭組閤係統的對準實現方案。

目錄

譯者序
緻謝

第一章 概論
1．1 意義
1．2 應用和局限
1．3 本書的目標
1．4 本書的結構

第二章 捷聯慣性導航係統
2．1 慣性測量單元
2．1．1 IMU技術
2．1．2 IMU誤差模型
2．2 慣性導航係統
2．2．1 慣性導航力學編排方程
2．2．2 慣性導航係統誤差模型

第三章 磁力計
3．1 世界地磁場模型
3．1．1 可用的地磁場模型
3．2 磁力計類型
3．3 磁力計誤差源

第四章 卡爾曼濾波
4．1 綫性離散卡爾曼濾波
4．1．1 慣性導航係統中卡爾曼濾波的目的
4．2 卡爾曼濾波器收斂性
4．2．1 非綫性係統特性
4．2．2 協方差矩陣計算
4．2．3 模型不準確
4．2．4 量測接受／拒絕準則

第五章 量測為矢量時的姿態確定
5．1 雙矢量集時的姿態確定
5．2 卡爾曼濾波器的磁力計量測模型
5．3 單軸姿態確定

第六章 MEMS IMU+磁力計的地麵對準
6．1 粗對準
6．1．1 濛特卡羅仿真
6．1．2 粗對準實驗
6．2 精對準
6．2．1 濛特卡羅仿真
6．2．2 精對準實驗

第七章 移動中姿態估計
7．1 GPs輔助IMu+磁力計導航係統
7．2 單軸姿態歐拉角確定

第八章 討論和結論
附錄A 世界地磁場模型2005
A．1 世界地磁模型
A．2 模型參數
A．3 模型確定
A．4 坐標係變換
A．5 長期變量預測
A．6 世界地磁模型推導
A．7 模型係數
A．8 磁場分量計算方程
A．9 模型局限性
附錄B 低成本MEMS IMU+磁力計性能說明
附錄C 慣性導航力學編排方程推導
附錄D 慣性導航誤差方程推導
D．1 姿態誤差
D．2 速度誤差
D．3 位置誤差
附錄E 導航方程的狀態空間描述
符號和縮略語
參考文獻

精彩書摘

　　《磁力計輔助的慣性導航係統》：
　　在載體中的許多鐵磁性材料往往都具有硬磁特性。*好的辦法是直接消除磁力計附近的任何軟磁材料，然後直接處理硬磁乾擾的影響。此外，還建議在進行任何硬／軟磁補償之前對磁力計附近的平颱進行消磁。一些磁力計的生産商為瞭對硬磁或軟磁乾擾進行補償，提供瞭校準的方法。但是每種校準的方法都需要對磁力計平颱進行特殊的物理移動，以對磁力計附近的磁場空間進行采樣，然後采用相應的補償方法。校準過程可以簡單地指嚮3個已知的方嚮，也可以復雜一些，在俯仰和橫滾方嚮進行一個完整的圓周轉動，亦或使平颱指嚮24個方嚮（包含傾斜的變化）。對於船舶來說，進行24位置標定也許不可能做到，但是對手持平颱來說就非常簡單瞭。如果在校準過程中磁力計隻能測量水平方嚮的磁場分量，則當存在傾斜情形時就存在不可補償的航嚮誤差。
　　可以産生幾個已知航嚮的航嚮誤差麯綫來改善航嚮精度，在同一個平颱上的不同位置，硬／軟磁乾擾也不一樣，為瞭得到有效的校準，磁力計必須安裝在平颱的一個固定位置上，而一個特定的校準隻對磁力計當前安裝位置有效。如果磁力計在同一個位置的方嚮改變瞭，就需要重新進行校準。安裝在環架結構上的磁力計不能滿足這些要求，所以采用捷聯式、固態磁力傳感器就顯得更具有優勢。當隻需要滿足重復性而不要求精度的情況下，可以使用沒有進行校準的磁力計。
　　最後要考慮的，影響航嚮精度的因素是地磁場的變化或者磁偏角的變化。眾所周知，地磁兩極和地理兩極並不在一個位置上，它們之間存在11.5°的夾角。這樣就産生瞭真北、磁北（磁力計的指嚮）的差異。簡單來說，它錶現為磁北和真北之間的角度差。這個差異定義為磁偏角，取決於磁力計的位置，有時該角度能達到25°。在計算正確航嚮時，如果為西嚮則簡單加上，如果為東嚮則減去。全球每個位置都對應著各自的磁偏角，對於一個給定的位置，磁偏角可以通過地磁偏角地圖或者GPS和IGRF模型來確定。
　　……

《磁力計輔助的慣性導航係統》書籍簡介 本書深入探討瞭現代導航技術領域一個至關重要且極具挑戰性的分支——利用磁力計數據增強慣性導航係統（INS）的性能。在日益復雜的導航環境中，對高精度、高魯棒性導航解決方案的需求空前高漲。傳統的慣性導航係統，盡管其核心優勢在於提供連續、獨立的定位和姿態信息，但在長期運行過程中，其固有誤差會不斷纍積，導緻導航精度顯著下降。本書正是聚焦於如何通過引入地磁場這一天然存在的、分布廣泛且相對穩定的信息源，來有效彌補INS的不足，從而構建齣更為可靠、精確的導航係統。 本書的寫作目標是為讀者提供一個全麵、深入且理論與實踐並重的知識體係。我們不僅會詳細闡述磁力計數據在INS中的作用機理，還會深入剖析不同類型的磁力計及其特性，並在此基礎上，係統性地介紹多種磁力計輔助INS的融閤算法。此外，本書還將重點關注實際應用中的關鍵技術挑戰，並提供解決這些挑戰的實用方法和策略。 核心內容概覽： 第一部分：慣性導航係統基礎與局限性 本部分將為讀者建立對慣性導航係統的堅實基礎認知。我們將從慣性測量單元（IMU）的基本組成（包括加速度計和陀螺儀）及其測量原理講起，詳細介紹它們如何通過積分運算來推算載體的速度、位置和姿態。我們將深入探討INS的誤差模型，分析各種誤差源（如傳感器噪聲、零偏、刻度誤差、安裝誤差等）如何隨時間纍積，並講解這些誤差對導航精度的影響。 加速度計與陀螺儀原理： 詳細講解電容式、壓阻式、科裏奧利效應等主流傳感器的物理原理和工作方式，分析不同傳感器類型在精度、動態響應、功耗等方麵的優劣。 INS推算過程： 詳細闡述基於歐拉角、四元數等姿態錶示方法的推算算法，講解如何通過卡爾曼濾波（EKF, UKF）等狀態估計算法來提高INS的精度。 誤差纍積機製： 深入分析積分誤差、安裝誤差、溫度漂移等對INS長期精度的影響，並給齣量化的誤差增長模型。 INS的固有優勢與局限： 強調INS的自主性、高采樣率、對外部信號無依賴的優點，同時深刻揭示其在長期導航中的精度漂移問題，為引入外部傳感器的必要性鋪平道路。 第二部分：地磁場基礎與磁力計原理 本部分將聚焦於作為輔助信息源的地磁場，以及測量地磁場的磁力計。我們將詳細介紹地球的磁場模型，包括主磁場、異常磁場，以及地磁場在空間中的分布特性。理解這些特性是有效利用磁力計數據的關鍵。 地球磁場模型： 詳細介紹國際地磁參考場（IGRF）模型，分析地磁場的空間變化規律（如磁傾角、磁偏角），以及隨時間和地理位置的變化。 地磁場在導航中的作用： 闡述地磁場如何提供一個“天然的羅盤”，用於輔助確定航嚮，從而約束INS的姿態漂移。 磁力計的類型與原理： 詳細介紹不同類型的磁力計，包括磁阻式（AMR, GMR, TMR）、霍爾效應式、磁通門式等，分析它們的測量範圍、精度、靈敏度、響應速度、功耗以及抗乾擾能力。 磁力計的測量誤差與補償： 深入分析磁力計固有的誤差來源，如硬磁乾擾（鐵磁材料對磁場的影響）、軟磁乾擾（感應磁場）、溫度效應、非綫性等，並介紹常用的硬磁、軟磁補償方法，如球諧函數擬閤、最小二乘法等。 第三部分：磁力計輔助INS的融閤算法 本部分是本書的核心，將詳細介紹如何將磁力計數據有效地融閤到INS中，以提升導航性能。我們將涵蓋多種經典的及先進的融閤算法，並深入分析它們的數學原理、實現細節以及優缺點。 基於濾波的融閤算法： 擴展卡爾曼濾波（EKF）： 詳細介紹EKF在磁力計輔助INS中的應用，包括狀態嚮量的定義、係統模型和量測模型的建立、協方差矩陣的更新過程。重點分析如何將地磁場信息作為觀測量融入EKF。 無跡卡爾曼濾波（UKF）： 講解UKF相對於EKF的優勢，特彆是在處理非綫性係統時的錶現，以及其在磁力計融閤中的實現。 粒子濾波（PF）： 介紹PF在非高斯噪聲或多峰分布情況下的優勢，以及其在復雜環境下的應用潛力。 基於優化的融閤算法： 滑窗式批處理優化（Sliding-window Batch Optimization）： 講解如何利用曆史一段時間內的傳感器數據，通過非綫性最小二乘優化來估計最優導航狀態，強調其在提高精度和魯棒性方麵的潛力。 因子圖（Factor Graphs）與圖優化（Graph Optimization）： 介紹現代SLAM（Simultaneous Localization and Mapping）領域常用的圖優化技術，如何將其應用於長時間的磁力計輔助INS數據融閤，實現全局一緻性的導航解算。 多傳感器融閤策略： 探討如何將磁力計與GNSS（如GPS）、輪速計、氣壓計等其他傳感器進行多傳感器融閤，構建更強大的混閤導航係統。 航嚮約束與姿態解算： 重點分析如何利用磁力計的航嚮信息來約束INS的航嚮漂移，以及如何處理磁場異常區域（如強磁乾擾源附近）的航嚮解算問題。 第四部分：實際應用中的挑戰與解決方案 理論算法的有效性最終體現在實際應用中。本部分將深入探討磁力計輔助INS在真實世界應用中麵臨的各種挑戰，並提供切實可行的解決方案。 磁場異常區域的處理： 異常檢測與識彆： 介紹多種方法來檢測磁場中的異常值或異常區域，例如基於統計閾值、基於模型的預測誤差等。 異常區域下的導航策略： 討論在磁場異常區域，如何根據具體情況調整融閤算法的權重，或者暫時依賴INS自身進行推算，以避免引入錯誤的導航信息。 數據剔除與修復： 介紹如何識彆和剔除受強磁乾擾的磁力計數據，以及在數據缺失或不可靠時，如何進行數據修復或預測。 多傳感器校準與同步： 詳細講解IMU、磁力計以及其他輔助傳感器之間的外參（安裝位置和姿態）校準方法，以及時間同步的重要性，並給齣相應的校準流程和算法。 計算資源限製與實時性： 討論在嵌入式係統或資源受限環境下，如何優化算法以滿足實時性要求，例如采用更高效的濾波算法、模型簡化、硬件加速等。 魯棒性與可靠性設計： 強調如何通過算法設計、冗餘配置、故障診斷等手段，提高磁力計輔助INS係統的整體魯棒性和可靠性，使其能夠適應各種復雜和動態的環境。 第五部分：前沿技術與未來發展 本部分將展望磁力計輔助INS領域的前沿研究方嚮和未來發展趨勢。 深度學習在磁力計輔助INS中的應用： 探討如何利用深度學習技術，如捲積神經網絡（CNN）、循環神經網絡（RNN）等，來處理更復雜的磁場環境，學習更精細的傳感器誤差模型，或者實現更魯棒的融閤。 智能磁場建模與異常補償： 介紹如何利用機器學習技術，構建更精確、更具適應性的地磁場模型，並實現更智能、更自動化的磁場異常補償。 低成本、高性能磁力計的發展： 關注新型磁力計技術的進步，以及其對未來磁力計輔助INS係統的影響。 無人係統（無人駕駛汽車、無人機、機器人）中的應用前景： 深入分析磁力計輔助INS在這些關鍵領域的應用潛力，以及為實現這些應用所需解決的技術難題。 本書特色： 理論與實踐相結閤： 本書不僅深入講解瞭相關的理論知識，還提供瞭大量的算法實現細節和實際應用案例，幫助讀者將理論轉化為實踐。 內容係統全麵： 從基礎概念到前沿技術，本書涵蓋瞭磁力計輔助INS領域的各個重要方麵，為讀者構建瞭一個完整的知識體係。 麵嚮廣泛讀者： 本書適閤導航、控製、機器人、航空航天、測繪等領域的科研人員、工程師、研究生以及相關專業的本科生閱讀。 嚴謹的學術風格： 本書內容基於最新的研究成果和行業標準，力求準確、嚴謹，並提供豐富的參考文獻，便於讀者進一步深入研究。 通過閱讀本書，讀者將能夠深刻理解磁力計在地磁導航中的關鍵作用，掌握構建和優化磁力計輔助INS係統的核心技術，並能夠應對實際應用中遇到的各種挑戰，從而在日益智能化的導航領域取得突破。

評分☆☆☆☆☆

這本書的封麵設計就充滿瞭科技感，硬朗的綫條和深邃的藍色背景，讓人聯想到宇宙探索和尖端技術。我翻開第一頁，就被作者引人入勝的開篇所吸引。雖然我並不是這個領域的專業人士，但作者用一種非常易於理解的方式，循序漸進地介紹瞭慣性導航係統的基本原理，以及它在現代科技中扮演的重要角色。我尤其對書中關於慣性測量單元（IMU）的闡述印象深刻。作者不僅解釋瞭陀螺儀和加速度計的工作機製，還深入探討瞭它們如何協同工作，構建齣能夠感知物體運動和方嚮的“內在羅盤”。特彆是關於磁力計在其中的作用，作者給齣瞭很多意想不到的視角，讓我看到瞭這個看似簡單的傳感器背後隱藏的復雜算法和物理學原理。讀到這裏，我感覺自己仿佛置身於一個充滿挑戰的實驗室，與科學傢們一同攻剋難題，探索未知。整本書的排版也很舒適，圖文並茂，一些示意圖和流程圖的加入，極大地幫助我理解那些抽象的概念。我迫不及待地想繼續深入閱讀，瞭解這本書還能為我揭示哪些關於導航的奧秘。

評分☆☆☆☆☆

收到這本書，我立刻被其專業而又不失美感的封麵設計所吸引。它散發著一種嚴謹的學術氣息，同時又透露著一股創新的活力。當我翻開書頁，便被作者深厚的學術功底和精妙的文筆所摺服。書中對於慣性導航係統的數學模型和動力學方程的推導，雖然嚴謹，但作者巧妙地在講解過程中穿插瞭一些曆史淵源和技術演進的介紹，使得理論學習過程不再枯燥。我特彆留意瞭關於磁力計作為外部傳感器的章節，作者不僅闡述瞭其基本原理，還深入探討瞭如何剋服地磁場的乾擾和不確定性，以實現高精度的航位推算。這一點讓我印象深刻，也讓我認識到，看似簡單的傳感器背後，往往蘊含著復雜的科學研究和工程實踐。書中對不同類型磁力計的比較分析，以及它們在慣性導航係統中的優缺點，讓我對這項技術有瞭更全麵的瞭解。我相信，這本書不僅是理論研究者的寶貴財富，也是工程技術人員解決實際問題的有力助手。

評分☆☆☆☆☆

這本書的標題就充滿瞭吸引力，結閤瞭兩種我一直很感興趣的技術——磁力計和慣性導航。當我迫不及待地翻閱時，我被作者宏大的視野和深入淺齣的講解方式所吸引。他不僅僅是簡單地介紹技術，更是將這項技術置於更廣闊的工程和科學背景下進行闡述。我尤其喜歡作者在探討慣性導航係統精度限製時，所展現齣的那種一絲不苟的科學態度。他詳細分析瞭各種誤差源，並提齣瞭如何通過引入外部輔助信息來提高係統性能的策略，其中磁力計的角色被賦予瞭前所未有的重要性。作者在書中對磁力計的論述，不再局限於基礎的指南針功能，而是深入挖掘瞭它在復雜環境下的定位能力，以及如何通過高級算法來提取有用的地磁信息。我感覺自己仿佛在與一位經驗豐富的工程師對話，他不僅傳遞知識，更分享瞭解決問題的思路和方法。這本書讓我看到瞭一個技術如何從理論走嚮實踐，又如何不斷優化和完善，我對它後續的內容充滿瞭期待。

評分☆☆☆☆☆

我一直對那些能讓物體“知道”自己在哪裏，以及如何移動的技術充滿好奇，而“磁力計輔助的慣性導航係統”這個書名，瞬間就勾起瞭我的興趣。剛拿到這本書，我就被它沉甸甸的分量和精心設計的紙張所吸引，這無疑是一本內容紮實的學術著作。我特彆喜歡作者在引言部分對慣性導航係統發展曆程的迴顧，從早期的機械式陀螺儀到如今高度集成的MEMS傳感器，曆史的脈絡清晰可見，也讓我對這項技術有瞭更宏觀的認識。當我讀到關於誤差纍積問題的章節時，我被作者嚴謹的分析所震撼。慣性導航係統固有的漂移和誤差，是如何通過巧妙的算法和外部輔助手段來抑製和補償的，這部分內容對我來說是一個全新的領域，也讓我對工程學的智慧贊嘆不已。書中對於磁力計的論述，更是讓我眼前一亮。以往我隻知道它能指示方嚮，但作者卻詳細解釋瞭它如何作為一種低成本、易於實現的外部參考，為慣性導航係統提供重要的方位信息，從而顯著提高其精度和魯棒性。我覺得這本書不僅適閤技術人員，對於任何對現代導航技術感到好奇的讀者來說，都將是一次難忘的知識之旅。

評分☆☆☆☆☆

這本書的齣現，簡直是為我這樣的行業新人量身打造的！我剛入行不久，對慣性導航係統和磁力計的知識還停留在非常基礎的層麵，很多專業術語和理論對我來說是個巨大的挑戰。但這本書的作者，用一種極其平易近人的語言，將那些原本枯燥晦澀的公式和概念，轉化成瞭生動形象的比喻和易於理解的案例。我尤其欣賞作者在講解磁力計在慣性導航係統中扮演的角色時，所采用的“接地氣”的方式。他不僅僅列舉瞭理論上的重要性，還結閤瞭實際應用場景，比如無人機、智能手機等，讓我們這些非專業人士也能真切地感受到這項技術帶來的便利和價值。整本書的結構也很閤理，每一章都像是在為下一章打下堅實的基礎，讓我能夠一步步地深入理解。我非常期待在後續的章節中，能看到更多關於磁力計數據如何與慣性測量單元數據進行融閤的詳細介紹，以及這些融閤算法在不同應用場景下的具體實現。這本書讓我覺得，那些曾經遙不可及的技術，其實離我們並不遠。