载波相位时间差分/捷联惯导组合导航方法研究 9787118102703 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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汤勇刚，吴美平 著

图书标签:

• 载波相位差分
• 捷联惯导
• 组合导航
• 导航定位
• GNSS
• 误差分析
• 滤波算法
• 精密定位
• 惯性导航
• 测量与控制

店铺： 韵读图书专营店

出版社： 国防工业出版社

ISBN：9787118102703

商品编码：29762460987

包装：平装

出版时间：2016-07-01

图书基本信息
图书名称	载波相位时间差分/捷联惯导组合导航方法研究	作者	汤勇刚,吴美平
定价	50.00元	出版社	国防工业出版社
ISBN	9787118102703	出版日期	2016-07-01
字数		页码
版次	1	装帧	平装
开本	16开	商品重量	0.4Kg

内容简介

汤勇刚、吴美平所*的《载波相位时间差分\捷 联惯导组合导航方法研究》以地面车辆和水面舰艇等 中低动态载体的导航为背景，以卫星导航系统和激光 陀螺捷联惯导系统构成的组合导航系统为主要研究对 象，提出在卫星导航/捷联惯导组合导航系统中充分利 用载波相位时间差分信号以改善系统的性能，并对涉 及的主要理论问题和方法进行了研究。

作者简介

目录

章 绪论 1.1 引言 1.2 问题的提出和研究意义 1.3 外发展及研究现状 1.3.1 卫星导航与惯性导航 1.3.2 北斗卫星导航系统及其组合导航技术的发展与研究现状 1.3.3 载波相位时间差分技术的发展及研究现状 1.3.4 载波相位时间差分/捷联惯导组合导航的关键技术及其研究现状 1.4 研究的内容、组织结构和主要贡献 1.4.1 研究内容及组织结构 1.4.2 主要贡献第2章 基本原理及数学模型 2.1 载波相位测量的数学模型 2.2 载波相位主要误差源的时空相关特性 2.3 载波相位时间差分的基本原理和数学模型 2.3.1 载波相位时间差分的基本原理 2.3.2 载波相位时间差分的数学模型 2.4 载波相位时间差分/捷联惯导组合的基本原理 2.5 小结第3章 卫星导航/惯导组合导航系统的全局可观性分析 3.1 可观性定义和基本概念 3.1.1 可观性定义 3.1.2 可观性与估计精度和滤波器稳定性之间的关系 3.2 非线性全局可观性分析 3.2.1 卫星/捷联惯导组合导航系统的非线性系统模型 3.2.2 全局可观性充分条件 3.3 仿真及实验验证 3.3.1 仿真1：卫星导航/高精度惯导系统 3.3.2 仿真2：卫星导航/低精度惯导系统 3.3.3 仿真3：载体作“跳跃”运动 3.3.4 跑车实验 3.4 小结第4章 载波相位时间差分/捷联惯导组合导航算法 4.1 载波相位时间差分/捷联惯导组合导航可观性分析 4.2 组合导航滤波器 4.2.1 地固坐标系下的捷联惯导误差模型 4.2.2 滤波器状态方程 4.2.3 滤波器观测方程 4.2.4 测量数据中周跳的处理方法 4.2.5 组合导航实验 4.3 降阶滤波器 4.3.1 滤波器降阶方法 4.3.2 对降阶滤波器的实验验证 4.4 非完整约束的应用 4.4.1 非完整约束的等效观测方程 4.4.2 应用非完整约束的实验验证 4.5 小结第5章 载波相位时间差分速度估计算法研究 5.1 速度测量及其精度分析 5.1.1 速度测量算法 5.1.2 速度测量的精度分析 5.2 载波相位率的提取 5.2.1 非线性跟踪-微分器的基本原理 5.2.2 载波相位率提取算法 5.3 仿真与实验 5.3.1 非线性跟踪-微分器的仿真分析 5.3.2 跑车实验 5.4 小结第6章 总结与展望 6.1 总结 6.2 研究展望后记附录A 常用坐标系和时间系统 A.1 常用坐标系的定义 A.2 常用坐标系的相互转换关系 A.3 时间系统及相互关系参考文献

编辑推荐

文摘

序言

导航定位技术的新探索：融合与革新 在日益互联和动态变化的世界中，精确可靠的定位与导航能力已成为众多现代技术和应用的核心驱动力。从地面交通的智能调度，到航空航天的安全飞行，再到科学研究的深入探索，无不依赖于精密的导航系统。传统的导航技术，如惯性导航系统（INS）和全球导航卫星系统（GNSS），各自拥有独特的优势，但也存在不可忽视的局限性。例如，GNSS在信号遮挡区域（如室内、峡谷地带）性能会显著下降，而INS虽然具备自主导航能力，却会随着时间的推移累积误差。因此，如何克服单一导航技术的不足，实现优势互补，是导航定位领域持续追求的重点。 本书的研究，正是聚焦于这一前沿课题，深入探讨了两种关键导航技术的融合之道——载波相位差分技术与捷联惯导系统的组合。这种组合并非简单的叠加，而是通过精巧的算法设计和系统集成，力求实现一种更强大、更鲁棒、更精确的导航解决方案。 第一部分：载波相位差分技术——高精度定位的基石 本部分将首先深入剖析载波相位差分技术（RTK，Real-Time Kinematic）的工作原理及其在实现厘米级乃至毫米级定位方面的核心优势。我们将从GNSS信号的基本构成讲起，详细阐述载波相位测量与伪距测量的根本区别。载波相位测量利用了GNSS信号载波的周期性，能够提供远超伪距测量的精度。然而，由于载波周期的模糊性（即不知道测量的载波周期是第几周），直接利用载波相位测量会产生“整周模糊度”问题，这是RTK技术需要重点解决的关键难题。 接着，我们将详细介绍 RTK 技术的核心组成部分，包括基准站（Reference Station）和用户端（Rover）。基准站通过持续接收GNSS卫星信号，并解算出其精确的位置，从而获取到实时的差分改正信息。这些差分改正信息包含了克服整周模糊度所需的关键数据，以及对卫星星历、钟差等误差的修正。用户端则利用接收到的GNSS原始测量数据，并结合基准站提供的差分改正信息，通过一系列精密的数学模型和解算算法，实现对自身位置的实时高精度测定。 书中将重点阐述常用的整周模糊度固定方法。这包括但不限于：LAMBDA（Least-squares AMBiguity Decorrelation Adjustment）方法、模糊度搜索与诊断（Ambiguity Search and Diagnosis）技术等。我们将分析不同方法的原理、优缺点以及适用的场景，并探讨在实际应用中，如何通过多频段GNSS接收机（如双频或三频接收机）来加速模糊度固定过程，提高系统的实时性和可靠性。多频段接收机能够同时接收不同频率的GNSS信号，提供更多的观测方程，从而更有效地解决整周模糊度。 此外，本部分还将讨论影响RTK系统精度的各种因素，例如：基准站与用户端之间的距离、大气延迟（电离层和对流层延迟）、多路径效应、接收机硬件性能、卫星几何构型（DOP值）等。我们将深入分析这些误差源的特性，并介绍相应的误差抑制和补偿技术，如大气模型的使用、抗多路径天线的设计、以及动态DOP监测等，以期为读者提供一个全面、深入的RTK技术认知。 第二部分：捷联惯导系统——自主导航的强大内核 本部分将聚焦于捷联惯导系统（SINS，Strapdown Inertial Navigation System），阐述其作为一种独立自主的导航系统所扮演的关键角色。我们将从惯性导航的基本原理出发，详细介绍惯性测量单元（IMU，Inertial Measurement Unit）的构成，即陀螺仪（Gyroscopes）和加速度计（Accelerometers）。陀螺仪用于测量物体的角速度，而加速度计则测量物体的线性加速度。 书中将详细推导捷联惯导系统的运动学方程。与传统的平台式惯导系统不同，捷联惯导系统将IMU直接固连在被导航的载体上，并通过计算机进行姿态解算。这意味着陀螺仪和加速度计的测量值会随着载体姿态的变化而变化。捷联惯导系统的核心在于利用这些测量值，结合适当的坐标系转换和积分运算，实时推算出载体的姿态、速度和位置信息。我们将详细介绍姿态更新的算法，如四元数法、方向余弦矩阵法等，以及速度和位置的积分方法。 然而，惯性器件的固有限制是SINS系统不可避免的问题。陀螺仪和加速度计的测量过程中会引入零偏（Bias）、尺度因子误差（Scale Factor Error）、轴不对准误差（Misalignment Error）以及随机噪声等误差。这些误差会随着时间的推移而累积，导致SINS系统输出的位置、速度和姿态信息逐渐偏离真实值，产生“发散”现象。本部分将深入分析这些误差源的特性，并介绍惯性器件的标定方法，如常数加速度标定、动态标定等，以及在系统运行时进行误差补偿的策略。 尽管存在误差累积的问题，SINS系统依然是实现高频、高动态环境下精确导航的关键技术。它不依赖外部信号，能够提供连续、稳定的导航信息，尤其是在GNSS信号中断或失效的情况下，SINS系统可以作为一种重要的备份或补充。 第三部分：融合之道——载波相位差分与捷联惯导的协同导航 本部分是本书的核心，将深入探讨载波相位差分技术与捷联惯导系统的组合方法，即GNSS/INS组合导航。我们将分析两种技术各自的优势与劣势，并阐释为何它们的融合能够产生“1+1>2”的协同效应。RTK技术能够提供高精度的实时位置信息，但其对信号覆盖范围和环境有一定要求；SINS系统则能提供高频率、连续的姿态和短时高精度位置信息，但存在长期误差发散问题。将两者进行融合，RTK可以为SINS提供高精度的位置和速度更新，从而有效抑制SINS的误差累积；反过来，SINS的高频动态响应能力可以弥补RTK在信号失锁期间的导航盲区，并提供更平滑、更稳定的导航输出。 我们将重点介绍常用的组合导航滤波算法，包括： 卡尔曼滤波（Kalman Filter, KF）及其变种： 线性卡尔曼滤波、扩展卡尔曼滤波（Extended Kalman Filter, EKF）和无迹卡尔曼滤波（Unscented Kalman Filter, UKF）。我们将详细分析它们在GNSS/INS组合导航中的应用原理、状态向量的设计、过程噪声和量测噪声的协方差矩阵的构建。EKF通过线性化模型来处理非线性系统，而UKF则采用一种确定性的采样方法来近似非线性函数的概率分布，在非线性程度较高的系统中通常表现更优。 粒子滤波（Particle Filter, PF）： 针对非线性、非高斯系统，粒子滤波提供了一种更为通用的解决方案。我们将讨论粒子滤波的原理、粒子表示、重要性采样和重采样等关键步骤，以及在复杂GNSS/INS组合导航场景下的适用性。 书中将深入分析不同滤波算法在GNSS/INS组合导航中的具体实现细节，包括： 紧耦合（Tight Coupling）与松耦合（Loose Coupling）模式： 紧耦合模式下，GNSS和INS的原始观测数据（如伪距、载波相位、IMU测量值）直接输入到同一个滤波器中进行联合解算，能够最大程度地发挥融合优势。松耦合模式下，GNSS和INS分别独立进行导航解算，然后将各自的输出结果（如位置、速度）输入到滤波器中进行融合。我们将分析两种模式的优缺点、适用场景以及性能差异。 状态向量的设计： 如何合理地设计组合导航的状态向量，包含载体的位置、速度、姿态，以及惯性器件的零偏等误差参数。 量测模型与过程模型的构建： 如何精确地描述GNSS和INS的观测信息与系统状态之间的关系，以及系统状态的演化过程。 模糊度固定对组合导航的影响： 当RTK处于模糊度固定状态时，其量测精度极高，对SINS误差的抑制效果也最显著。而当模糊度处于模糊状态（float state）或失锁时，RTK的量测精度会下降。我们将探讨如何根据模糊度固定的状态来动态调整滤波器的量测模型和噪声协方差，以优化组合导航的性能。 此外，本部分还将探讨在复杂环境下，如高动态运动、存在强电磁干扰、GNSS信号严重遮挡等情况下，如何优化组合导航算法，提高系统的鲁棒性和可用性。例如，通过引入更先进的误差建模技术，或采用自适应滤波策略，使系统能够根据环境变化自动调整滤波参数。 第四部分：实际应用与未来展望 在对GNSS/INS组合导航的理论和算法进行深入探讨之后，本部分将结合实际应用案例，展示该技术的强大能力。我们将分析其在以下领域的应用： 自动驾驶汽车： 高精度、高可靠性的定位导航是实现L3/L4/L5级别自动驾驶的关键，GNSS/INS组合导航能够提供车辆在隧道、桥梁、城市峡谷等复杂环境下的连续精准定位。 无人机（UAV）导航： 在GPS信号可能受到干扰或失效的区域，SINS能够提供自主导航能力，而RTK的融合则能进一步提升其航迹精度和着陆精度。 形变监测与大地测量： 厘米级甚至毫米级的定位精度对于监测地壳形变、桥梁沉降、大型工程施工等至关重要，GNSS/INS组合导航能够实现高动态下的精确测量。 机器人导航： 在室内或GPS信号不可用的环境中，SINS能够提供自主定位，结合视觉或激光雷达等传感器，实现更全面的环境感知和定位。 最后，本部分将对GNSS/INS组合导航技术的未来发展进行展望。我们将探讨诸如多传感器融合（例如，引入视觉里程计VO、激光雷达SLAM等）、低成本IMU的性能提升、以及下一代GNSS系统（如北斗三号）的特性对组合导航的影响等前沿方向。我们相信，随着技术的不断进步，GNSS/INS组合导航将在更多领域发挥越来越重要的作用，为人类社会的发展带来更多可能性。 本书旨在为从事导航定位、机器人、自动驾驶、测绘工程等领域的科研人员、工程师和学生提供一个全面、深入的技术参考。通过对载波相位差分技术和捷联惯导系统及其融合方法的系统性研究，期望能够激发读者对导航定位技术创新的思考，并为相关技术的进一步发展贡献力量。

评分☆☆☆☆☆

这本书的结构安排，体现了作者深厚的工程实践背景。它并非纯粹的理论堆砌，而是巧妙地将理论模型与实际应用场景紧密结合。章节中穿插的案例分析，生动地展示了如何在真实世界中应用书中所讲的理论，比如不同环境噪声对数据采集的影响，以及系统鲁棒性设计的重要性。这些实战经验的分享，对于正在进行项目开发或者系统集成的工程师们来说，价值无可估量。我注意到书中对不同方法论的优劣势进行了非常客观的对比，没有一味推崇某一种技术，而是基于性能、计算复杂度、硬件资源占用等多个维度进行了权衡分析，这体现了作者极高的专业素养和客观态度。这种平衡的视角，帮助读者建立起更为全面和辩证的认知框架，避免了“只见树木不见森林”的片面性。阅读它，就像是请教了一位经验丰富的前辈，获取了许多书本上难以直接获得的“潜规则”和工程智慧。

评分☆☆☆☆☆

阅读体验上，这本书给我的感觉是“沉浸式学习”。作者通过大量的类比和深入浅出的语言，成功地将原本抽象难懂的数学模型“具象化”了。比如在讲解某些时间同步机制的复杂性时，作者引入了一个日常生活中非常贴切的场景进行类比，一下子就打破了初学者面对高深理论时的心理障碍。这种叙事技巧的处理非常高明，它照顾到了不同知识背景的读者，确保了知识传递的有效性。整本书的节奏控制得非常好，既有需要反复推敲的硬核内容，也有帮助放松和巩固理解的总结和讨论部分。读完后，我不仅学到了知识，更重要的是，培养了一种更严谨的逻辑思维方式和解决问题的路径。这本书不仅仅是一本工具书，它更像是一位良师，引导我以一种更科学、更有条理的方式去审视和解决工程实践中的挑战。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧和排版实在是一绝，拿到手里就感觉沉甸甸的，非常扎实。封面设计简洁大气，让人一看就知道这是一本严谨的学术著作。内页纸张的质感也很好，印刷清晰锐利，即便是那些复杂的公式和图表，看起来也毫无压力。我特别欣赏作者在章节划分上的用心，逻辑层层递进，从基础理论到具体实现，过渡得非常自然流畅。阅读过程中，我发现作者似乎非常注重细节，每一个术语的定义、每一个推导过程，都力求准确无误。这种对学术规范的尊重，使得整本书的专业性得到了极大的提升。对于初次接触这个领域的读者来说，这样的书籍能提供一个非常稳固的知识基石，避免了因为概念不清而产生的困惑。而且，书中的插图绘制得非常精美，它们不仅是文字的补充，更是对抽象概念的直观展现，极大地辅助了理解。总的来说，从书籍本身的制作工艺和阅读体验来看，这本书无疑是专业领域中的上乘之作，让人爱不释手，愿意反复研读。

评分☆☆☆☆☆

这本书的学术深度令人印象深刻，它显然是基于作者多年研究的沉淀。书中对一些前沿理论的探讨，特别是关于误差补偿和状态估计优化方面的内容，展现了作者走在学科前沿的视野。我特别关注了其中关于某些新型滤波算法的改进部分，作者不仅仅是引用了现有的成熟方案，更在此基础上提出了自己的独到见解和创新性的修正，这些创新点如果能在实践中得到验证，无疑会对该领域产生积极影响。这种原创性的贡献，使得这本书超越了一般综述或教程的范畴，而更像是一份具有里程碑意义的学术专著。对于研究生或者青年科研工作者而言，这本书中的某些章节甚至可以作为自己未来研究方向的灵感来源。它所揭示的那些尚未完全解决的问题和潜在的研究热点，为后来者指明了新的探索方向，这种前瞻性是极其宝贵的。

评分☆☆☆☆☆

这本书的行文风格，可以说是教科书式的典范，严谨、精确，几乎没有一句废话。作者似乎有一种将复杂问题抽丝剥茧的能力，他总能用最精炼的语言描述最核心的原理。我尤其佩服作者在处理那些经典算法时的那种深入骨髓的剖析，他不仅展示了“是什么”，更深入地探讨了“为什么会是这样”，以及“在特定约束条件下应该如何调整”。这种深度解读，远超一般教材的层面，更像是名家对学科精髓的个人总结和提炼。对于有一定基础，希望在某个特定方向上寻求突破的专业人士来说，这本书简直就是一本“武功秘籍”。它不像某些流行的畅销书那样追求快速的“速成”，而是要求读者沉下心来，一步一个脚印地去消化吸收。读完一个章节后，我总有一种茅塞顿开的感觉，仿佛对整个学科的脉络又清晰了一层，这种充实的阅读感受，是其他许多读物无法给予的。