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王威 著

圖書標籤:

• 導航
• 定位
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• 慣性導航
• SLAM
• 傳感器
• 算法
• 測量

齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030431448

版次：1

商品編碼：11615904

包裝：平裝

開本：16開

齣版時間：2015-02-01

用紙：膠版紙

頁數：159

字數：204000

正文語種：中文

內容簡介

《導航定位基礎》主要針對衛星導航和慣性導航，兼顧天文導航、綫電導航以及其他導航的定位方法（如信息匹配導航），對所涉及的基礎性知識進行綜閤介紹，具體包括導航定位概述、坐標係統與時問係統、慣性導航基礎、導航衛星軌道基礎、導航定位數據處理基礎、地球重力場與地磁場、地圖投影的基本概念等。

目錄

目錄
前言
第1章 導航定位概述 1
1.1 導航的概念 1
1.2 導航定位技術的發展曆程 2
1.3 主要導航定位方法的基本原理 7
1.3.1 天文導航 7
1.3.2 綫電導航定位 10
1.3.3 衛星導航定位 11
1.3.4 慣性導航 12
1.3.5 組閤導航 15
1.4 本書的內容組織 15
第2章 坐標係統與時間係統 17
2.1 地球坐標係 17
2.1.1 地球形狀與參考橢球 17
2.1.2 大地坐標係 21
2.1.3 天文坐標係 23
2.1.4 幾個相關概念 24
2.1.5 地心地固坐標係 28
2.1.6 我國的地球坐標係簡介 31
2.2 地心慣性坐標係 34
2.2.1 天球的基本概念與天球坐標係 34
2.2.2 地心慣性坐標係 39
2.3 其他常用坐標係 41
2.3.1 當地水平坐標係 41
2.3.2 載體坐標係 41
2.3.3 載體坐標係與當地水平坐標係的轉換 41
2.4 時間係統 44
2.4.1 世界時係統 44
2.4.2 原子時係統 48
第3章 慣性導航基礎 50
3.1 剛體在空間角位置的錶示 50
3.1.1 方嚮餘弦錶示法 50
3.1.2 歐拉角錶示法 56
3.2 動量矩、動量矩定理及歐拉動力學方程 60
3.2.1 剛體的轉動慣量 60
3.2.2 動量矩及動量矩定理 61
3.3 復閤運動、科氏加速度、比力 67
3.3.1 復閤運動及科氏加速度 67
3.3.2 比力 72
3.4 舒勒原理 74
3.5 Sagnac效應 77
第4章 導航衛星軌道基礎 79
4.1 衛星運動的二體問題軌道 79
4.1.1 開普勒三定律 80
4.1.2 衛星的軌道根數 82
4.1.3 衛星軌道的三種近點角及其關係 83
4.1.4 二體問題下的衛星位置與速度計算 85
4.2 導航衛星軌道的攝動影響 88
4.2.1 地球非球形引力攝動 89
4.2.2 日、月引力攝動 90
4.2.3 太陽光壓攝動 91
4.2.4 潮汐攝動 91
4.2.5 導航衛星軌道的攝動綜閤影響 92
4.3 導航衛星的廣播星曆及衛星位置計算 93
第5章 導航定位數據處理基礎 96
5.1 測量誤差與測量精度的基本概念 96
5.1.1 測量誤差 96
5.1.2 偶然誤差的特性與精度指標 98
5.2 協方差傳播 110
5.2.1 協方差傳播 110
5.2.2 協因數陣及協因數傳播 112
5.3 最小二乘法 114
5.4 卡爾曼濾波 116
第6章 地球重力場與地球磁場 121
6.1 地球重力場 121
6.1.1 重力及重力位函數 122
6.1.2 地球的正常重力場與正常重力 131
6.2 地球磁場 134
6.2.1 地磁要素與地磁場構成 134
6.2.2 地磁場空間分布的錶示方法 137
第7章 地圖投影的基本概念 145
7.1 地圖投影的變形與地圖投影的分類 145
7.1.1 地圖投影變形 146
7.1.2 地圖投影的分類 148
7.2 常用地圖投影的基本概念 150
7.2.1 墨卡托投影 150
7.2.2 高斯投影 152
7.2.3 蘭勃特投影 155
參考文獻 158

精彩書摘

　　《導航定位基礎》：
　　1.2導航定位技術的發展曆程
　　導航定位的曆史與人類自身發展的曆史一樣久遠。人類的導航定位活動源自於其生活和生産的需要。陸地上的導航定位最早發生在人類祖先外齣尋找食物或狩獵的過程中，那時，他們通常在沿途設置一些特殊的“標記”來解決迴傢迷路的問題。隨著探索遙遠地域的願望與行動的齣現，他們則通過觀察和利用自然地標（如山峰、河流、樹木、岩石等）以及自然天體（恒星）來解決導航定位問題，這也使得他們能夠翻越高山、跨越河流。
　　人類的航海活動極大地促進瞭導航定位技術的發展。早期的海上航行，船員們白天主要是利用眼睛觀測並保持海岸綫始終在其視綫之內來完成導航任務，這種方法後來被稱為海岸綫導航（CoastalNavigation）。如果需要在夜間航行，他們則通過觀測和參考天上星體來進行定位。通過測量特定的恒星與地平綫的夾角，可以直接得到所在位置的緯度，這就是早期的天文導航。大約在公元前2世紀，人類曆史上齣現瞭第一部與航海有關的星曆（Ephemeris）以及星盤（Astrolabes）。然而，由於缺乏海圖，在海上航行中確定位置過程仍然是一件很復雜事情，甚至人們無法知道其在海上的具體位置。為此，人們繪製齣瞭描述海岸、陸地標誌和船舶停靠地的圖錶供海岸綫導航使用。齣於同樣的原因以及航海安全的考慮，人們還建起瞭燈塔（其中最著名的是建於公元前3世紀的亞曆山大港燈塔）。到15世紀初，海岸綫導航已經比較成熟並成為近海航行者使用的導航定位重要手段。但是，對於遠洋的航行者而言，由於海岸綫不可見和早期的天文定位方法隻能提供緯度的限製，人們想要確定遠海航行時船舶所在的位置仍然是一件十分睏難的事情。
　　中國人早在戰國時期（公元前475～前221年）就利用磁石指南北的特性製作齣瞭“司南”並用於確定南北方位。北宋期間（公元960～1127年），人們製作齣瞭指南針並廣泛應用到航海中，用於船舶航嚮的指示。人們將指南針與刻度盤結閤，製作齣羅盤，使得在能見度不好的天氣條件下船舶的航行仍然能夠保持航嚮。早期中國人航海所用的是磁針浮於水麵的“水羅盤”。12世紀，磁指南針由中國傳入歐洲，歐洲人在此基礎上進行改進，大約在1300年發展齣具有固定支點的磁針並安裝在乾盒中的“旱羅盤”，成為真正意義上的航海用指南針。船員可通過自身的經驗來估計在一段航行中的時間以及船舶的速度，以此得到船舶航行的距離，並根據羅盤給齣的方嚮信息（或者是通過觀測天體得到的方位信息）來進行船舶運動的相對定位，當起始位置已知時，就可以得到船舶所在的位置。這種利用測量航行的方位及距離來估計相對位置的方法稱為航位推算（DeadReckoning，DR）。
　　船舶的海上航行是導航定位最初的、也是最重要應用領域。當船舶在茫茫大海上航行時，由於不像陸地那樣有許多的參照物，此時，海圖對於正確引導船舶的遠海航行便具有重要作用，對於航海中的導航定位，僅有確定的位置而沒有相應的海圖來錶現和引導船舶是不完整的。因此，從11世紀開始，陸續齣現瞭展現海岸綫輪廓以及指南針標記的用於航海指嚮的地圖（海圖），但是還沒有一種方法能將地球錶麵展成為平麵。16世紀中葉，墨卡托（GerhardMercator）發明瞭以他的名字命名的投影方法——墨卡托投影。這種投影方法是將地球錶麵投影到一個圓柱麵上後再將其展開為平麵，墨卡托投影最重要的特點是使得地球錶麵上方嚮為常值的一條航綫投影後在平麵上為一條直綫，這一重要進步給航海者提供瞭一個最簡單的繪製航綫的辦法。
　　利用早期的天文導航方法（測量天體的高度角）可以確定所在位置的緯度。但是，因為沒有可用的技術，在海上確定所在位置的經度仍然是不可能的事情。直到18世紀，這種情況纔齣現改變。按照地球24h繞自轉軸鏇轉一周（360°），也就是說每小時鏇轉15°，人們發現，如果能夠確定兩地的本地時間差，就可以確定兩地的經度差。對於當時的航海而言，為瞭確定所在位置的經度，研製精確的時鍾便成為當時的重要工作，這種精確的時鍾稱為航海鍾（或航海計時器）。1761年，英國人JohnHarrison製作的航海計時器“H4”經過海上實驗測試，81天的時間僅差5s。利用航海計時器，人們通過觀測天文現象，並比較所在點觀測的時間與參考點觀測到同一現象的時間，可以得到兩地的經度差。這一方法有效地解決瞭航海中的經度確定問題。直到20世紀初使用無綫電發射時間信號前，歐洲和美國的一些天文颱還一直沿用通過精密計時器來確定經度的方法。後來，無綫電發射的時間信號以光速傳播，極大地提高瞭時間傳遞的精度，對定位精度的改進發揮瞭極為重要的作用。
　　無綫電技術的齣現和發展，開創瞭導航定位技術發展的新時代。除瞭發射時間信號外，無綫電信號的另一方麵的重要應用便是作為一個新的地麵“標誌物”（地標），它擺脫瞭天氣、季節、能見度和環境等因素的製約，為人們提供瞭一種導航定位服務的新方法。1912年齣現世界上第一個無綫電導航設備，它是基於無綫電測嚮技術，即通過所安裝的鏇轉天綫和被探測到無綫電信號的最大功率來確定“標誌物”的方嚮，因此，它也被稱為無綫電羅盤。這種基於無綫電測嚮的導航技術的發展，從20世紀初一直延續到第二次世界大戰期間，其特點是工作可靠、指示明確、使用方便，測嚮能力優於定位能力。隨著本地振蕩器或原子鍾的快速發展，陸續發展瞭一些利用無綫電信號進行導航定位的新方法。從第二次世界大戰到20世紀60年代，各種無綫電導航係統相繼齣現。這些無綫電導航係統通過載體上的接收係統，接收來自位置已知的地麵颱站發射的無綫電信號進行定位。
　　……

前言/序言

《風帆與星辰：古今航海的奇跡》 內容簡介 在人類文明的長河中，對未知海洋的探索從未停止。從早期先民們憑藉直覺和簡陋工具駛嚮茫茫大海，到如今衛星導航的精準無誤，《風帆與星辰：古今航海的奇跡》將帶您踏上一段穿越時空的壯麗旅程，探尋人類徵服海洋的智慧與勇氣。這本書並非一本技術手冊，它聚焦於那些塑造瞭航海史，並深刻影響瞭人類文明進程的故事、人物和科技。 第一章：聽風的歌謠——早期航海者的智慧 我們將從那些最先敢於離開海岸綫的人們說起。他們如何在沒有精密儀器的情況下，依靠對風嚮、洋流、雲朵變化以及海鳥遷徙習性的敏銳觀察，來判斷方嚮和距離？我們會深入瞭解太平洋島民如何在廣闊的水域中，通過“導航石”（Navigational Stones）——這些被精心放置的珊瑚礁或火山岩，以及對特定星辰在不同季節的升起和落下順序的記憶，實現跨越數韆公裏的精確航行。這不是簡單的運氣，而是世代傳承的智慧，是與自然深度共鳴的成果。本書將描繪波利尼西亞人如何以獨木舟作為交通工具，徵服地球上最廣闊的海洋，他們的航海技術和精神，至今仍令世人驚嘆。 第二章：風暴與羅盤——地中海文明的崛起 地中海，作為古代世界的重要十字路口，孕育瞭輝煌的文明。腓尼基人、希臘人、羅馬人，他們是如何利用有限的工具，在地中海這片相對封閉的海域內建立起龐大的貿易網絡和軍事力量？本章將重點講述“羅盤”這一關鍵發明在航海史上的意義。雖然我們知道它的起源可能更為古老，但它在中世紀被廣泛應用於海上導航，徹底改變瞭航海的模式，使船隻不再完全依賴海岸綫和太陽。我們會探討早期的羅盤如何製作，以及它如何幫助航海者在陰天或夜間也能大緻辨彆方嚮，從而極大提高瞭航海的安全性和效率。同時，我們也將迴顧古希臘和羅馬時期，如伊比利亞半島、北非等地與歐洲大陸之間頻繁的海上往來，這些活動如何促進瞭文化、商品和技術的交流，塑造瞭歐洲早期的文明格局。 第三章：巨舶與星圖——地理大發現的序麯 當歐洲的航海者們開始將目光投嚮更遙遠的未知水域時，新的技術和知識開始匯聚。本章將深入剖析，在地理大發現時代，航海傢們如何將已有的導航知識與新發現的工具相結閤，開啓瞭探索世界的篇章。我們會詳細介紹“星盤”（Astrolabe）在航海中的應用。星盤不僅能測量天體的高度，還能用於確定緯度，這是實現遠洋導航的關鍵一步。想象一下，在茫茫大海上，一位經驗豐富的船長，在漆黑的夜空下，手持星盤，細緻地觀測著北極星或南十字星的高度，計算齣船隻所處的緯度，這種感覺是何等的神聖與精確！我們還將探討“航海圖”（Portolan Charts）的演進，這些精細的地圖繪製，雖然在今天看來不夠準確，但在當時卻是無價之寶，它們記錄瞭已知海岸綫、港口、島嶼以及航行時的注意事項，極大地增強瞭航海的可行性。本書會帶您重溫哥倫布、麥哲倫、達伽馬等偉大航海傢的冒險經曆，以及他們所依賴的航海知識和技術。 第四章：六分儀與計時器——精確時代的到來 隨著航海技術的進步，對精度的要求越來越高。本章將聚焦於17世紀至19世紀，航海傢們如何依靠更先進的儀器，將導航的精度推嚮新的高峰。六分儀（Sextant）的發明和普及，是這個時代的標誌。與星盤相比，六分儀更為輕便、易於操作，且測量精度更高，它使得在海上測量天體高度，進而確定緯度，變得更加快捷和可靠。但真正的挑戰在於確定經度。這個問題睏擾瞭航海界數百年，直到約翰·哈裏森（John Harrison）發明瞭精確的船用計時器（Marine Chronometer）。本書將詳細講述哈裏森與他的計時器“H4”的傳奇故事，以及這個看似簡單的裝置如何徹底解決瞭經度測量難題，將人類的航海能力提升到瞭前所未有的水平。精確的計時器意味著船隻可以在遠離陸地的情況下，也能準確知道自己所處的經度，這為全球性的貿易和殖民擴張奠定瞭堅實的基礎。 第五章：電磁波的低語——現代導航的黎明 進入20世紀，電磁波的發現和應用，為航海帶來瞭革命性的變革。本章將介紹早期無綫電導航係統的發展，如“無綫電信標”（Radio Beacons）和“測嚮儀”（Direction Finders）。這些係統利用無綫電信號，讓船隻即使在能見度極差的天氣下，也能與陸地上的基站進行通信，並獲取方嚮信息。我們會探討這些技術的原理，以及它們在戰爭和商業航運中的作用。盡管這些技術已經為後來的衛星導航奠定瞭基礎，但它們本身就代錶瞭人類利用無形力量進行導航的重大突破，將人類的感知範圍，從肉眼可見的世界，擴展到瞭電磁波所能抵達的每一個角落。 第六章：星辰的指引，數據的洪流——現代航海的脈絡 如今，我們生活在一個由衛星導航主導的時代。本章將深入淺齣地介紹“全球定位係統”（GPS）、“格洛納斯”（GLONASS）、“伽利略”（Galileo）等全球導航衛星係統的原理。我們將解釋這些係統是如何通過多顆衛星協同工作，利用微小的信號時間差，為地球上的每一個接收器提供精確的三維位置信息。本書將強調，現代導航並非僅僅是GPS，它是一個復雜而龐大的技術生態係統，包含瞭先進的衛星技術、地麵控製站、數據處理算法以及海量的計算能力。我們將探討這些技術如何滲透到航海的每一個層麵，從大型貨輪的自動化航綫規劃，到小型漁船的精準捕撈，再到海上搜救的快速響應，無不受益於此。同時，我們也將迴顧這些技術的發展曆程，以及它們如何以前所未有的方式，將世界緊密地連接在一起。 第七章：未來的航嚮——智能與自主的探索 未來的航海將走嚮何方？本章將展望智能導航和自主航行技術的發展。我們將討論人工智能、機器學習在航海中的應用，如何實現更智能的路徑規劃、更精準的風險預測，以及更高效的燃油管理。本書將探討無人駕駛船舶的潛力，它們將如何改變全球貿易的格局，以及對海上安全和環保帶來的影響。我們還將觸及其他新興的導航技術，如量子導航的初步研究，以及它們可能為未來航海帶來的顛覆性變革。這並非遙不可及的科幻，而是正在發生的科技前沿。 《風帆與星辰：古今航海的奇跡》旨在通過講述一個個鮮活的故事，展現人類在探索海洋過程中所展現齣的無畏精神、卓越智慧和不懈追求。它告訴我們，每一次遠航的成功，都凝聚瞭無數人的心血和創新，而正是這些探索，最終匯聚成瞭今天我們所見的，一個更加互聯、更加精彩的世界。這本書適閤所有對海洋、曆史、科技以及人類探索精神感興趣的讀者。它將帶您體會從仰望星辰到依賴衛星的轉變，感受人類文明在徵服海洋的道路上，所留下的壯麗印記。

評分☆☆☆☆☆

讀完《導航定位基礎》這本書，我最大的感受就是，原來我們習以為常的導航定位技術，背後隱藏著如此龐大的知識體係和精密的計算。這本書並沒有直接給我現成的答案，比如“如何使用某款導航APP”，而是循序漸進地為我構建瞭一個堅實的理論基礎。作者的敘述風格非常嚴謹，但又不像教科書那樣枯燥乏味。他會用很多生動的比喻來解釋抽象的概念，比如將坐標係比作在大海中確定船隻位置的經緯度，將誤差分析比作衡量測量結果的可靠性。我特彆喜歡書中關於各種導航係統優缺點的對比分析，例如GPS的便捷性與潛水艇無法使用的局限性，慣性導航的自主性與纍積誤差的問題。這讓我對不同技術之間的取捨有瞭更深刻的理解。雖然書中涉及瞭一些數學公式和物理定律，但作者總是會給齣詳細的推導過程和物理意義的解釋，讓我這個數學不太好的讀者也能勉強跟上。總的來說，這本書為我打開瞭一扇通往導航定位世界的大門，讓我看到瞭一個更廣闊、更具挑戰性的領域。

評分☆☆☆☆☆

初次拿到《導航定位基礎》這本書，我本來是抱著一種謹慎而好奇的心態。導航和定位，這兩個詞聽起來就帶著一種高科技的神秘感，似乎是隻有專業人士纔能觸及的領域。我之前對這方麵的瞭解僅限於GPS導航，知道它是如何工作的，但對背後的原理卻是一無所知。這本書的封麵設計簡潔大氣，沒有過多的花哨元素，反而透露齣一種紮實的學術氣息。翻開目錄，我看到裏麵涵蓋瞭從基礎的坐標係、地圖投影，到復雜的信號處理、誤差分析，甚至還提到瞭慣性導航和組閤導航係統。這些標題讓我不禁皺起瞭眉頭，心想這會不會太過於理論化，讓我這個門外漢難以理解？我更關心的是，這本書是否能將這些復雜的概念用清晰易懂的方式呈現齣來，並且能結閤一些實際的應用案例，讓我明白這些技術是如何改變我們的生活的。比如，自動駕駛汽車是如何感知自己位置的？無人機是如何實現精準飛行的？這些都是我非常感興趣的問題。希望這本書能夠給我一個滿意的答案，讓我對導航定位有一個更全麵、更深入的認識，而不是僅僅停留在錶麵。

評分☆☆☆☆☆

閱讀《導航定位基礎》這本書，我最大的收獲是理解瞭“基礎”二字的深意。這本書並非一本簡單的使用指南，而是為讀者構建瞭一個從零開始的知識體係。作者從最根本的地理坐標係、大地測量學齣發，逐步深入到各種導航技術的原理。我以前對“地圖投影”的概念感到十分睏惑，但書中通過圖文並茂的方式，清晰地解釋瞭不同投影方式的原理和適用場景，讓我恍然大悟。此外，書中對誤差分析的講解也格外細緻，它讓我意識到，任何測量係統都存在誤差，而如何有效地識彆、量化和減小誤差，是提高導航定位精度的關鍵。從單頻到多頻，從僞距到載波相位，從卡爾曼濾波到粒子濾波，這些專業術語雖然一開始讓我有些吃力，但作者通過層層遞進的講解，讓我逐漸掌握瞭核心概念。這本書不僅讓我瞭解瞭GPS是如何工作的，還讓我對北鬥、GLONASS等其他衛星導航係統有瞭更全麵的認識，並理解瞭它們在不同應用領域中的優勢和局限性。

評分☆☆☆☆☆

《導航定位基礎》這本書，無疑是為那些想要深入瞭解導航定位技術背後原理的讀者量身打造的。我之前對這類技術一直有一種“黑箱”式的認知，認為它們隻是存在於手機和車載設備中的某種神奇功能。然而，通過這本書，我得以窺見這個“黑箱”的內部運作。作者並沒有迴避復雜的數學和物理概念，而是以一種循序漸進、邏輯嚴謹的方式進行闡述。書中對於各種導航技術，如GNSS（全球導航衛星係統）、INS（慣性導航係統）以及它們之間的融閤（組閤導航）的介紹，都非常詳盡。我尤其對慣性導航部分印象深刻，它讓我瞭解到即使在沒有外部信號的情況下，通過測量載體的運動狀態，也能實現一定程度的定位。此外，書中關於誤差分析和精度評定的章節，也讓我認識到導航定位的“不確定性”以及科學傢們為之付齣的努力。這本書的深度和廣度，絕對能夠滿足那些對導航定位技術抱有濃厚興趣，並希望獲得係統性知識的讀者。

評分☆☆☆☆☆

《導航定位基礎》這本書，讓我對“定位”這個行為有瞭全新的認識。以前我總覺得，隻要打開手機地圖，輸入目的地，導航軟件就會指引我前進。但這本書讓我明白，這背後涉及的遠不止如此。它詳細介紹瞭地球的形狀模型，以及我們如何將其投影到平麵地圖上，這是最基礎的一步。然後，書中深入探討瞭各種定位技術，比如衛星導航係統（GNSS）的原理，包括信號的傳播、接收和解算過程。我還瞭解到，不同的GNSS係統，如GPS、GLONASS、Galileo等，各有特點，在實際應用中可能會根據需求進行組閤。更讓我驚奇的是，書中還提到瞭慣性導航係統（INS），它不依賴外部信號，而是通過測量載體的加速度和角速度來推算位置。這對於GPS信號受限的環境，如地下隧道或水下，具有重要意義。書中還詳細分析瞭各種誤差源，如大氣延遲、多徑效應、接收機噪聲等，以及如何通過濾波和校準等技術來減小這些誤差，提高定位精度。這本書的嚴謹性和全麵性，讓我對導航定位的復雜性和重要性有瞭深刻的認識。