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

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汤勇刚，吴美平 著

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

店铺： 夜语笙箫图书专营店

出版社： 国防工业出版社

ISBN：9787118102703

商品编码：29657301668

包装：平装

出版时间：2016-07-01

基本信息

书名：载波相位时间差分/捷联惯导组合导航方法研究

定价：50.00元

作者：汤勇刚,吴美平

出版社：国防工业出版社

出版日期：2016-07-01

ISBN：9787118102703

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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内容提要

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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。

目录

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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

作者介绍

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文摘

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序言

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导论：时空信息的脉络与精度的飞跃 在现代科技飞速发展的浪潮中，精确可靠的时空信息获取与处理能力已成为诸多前沿领域不可或缺的基石。从深邃的宇宙探索到精准的自动驾驶，从高效的全球物流到安全的国土监测，无不依赖于对自身位置、姿态和速度的毫厘不爽的掌握。然而，单一的导航定位技术往往存在固有的局限性，例如全球导航卫星系统（GNSS）在遮挡环境下的信号丢失，惯性导航系统（INS）的累积误差等。因此，如何通过融合不同原理的导航技术，弥补各自的不足，实现更高精度、更高可靠性的时空信息获取，一直是导航与定位科学领域追求的核心目标。 本专著深入探讨了当前备受瞩目的两种关键导航技术——载波相位差分与捷联惯导组合导航。它们各自拥有独特的工作原理与优势，而当它们巧妙地结合在一起时，便能激发出强大的协同效应，为我们解锁前所未有的定位精度与鲁棒性。本专著旨在全面梳理和阐述这两种技术的研究现状、核心原理、关键技术及其在实际应用中的挑战与前景，为相关领域的科研人员、工程师以及对时空信息技术感兴趣的读者提供一份详实的研究参考。 第一章：载波相位差分导航：解锁厘米级定位的奥秘 载波相位差分技术是实现高精度定位的关键手段之一。本章将从基础概念入手，详尽剖析其工作原理。我们将深入探讨GNSS信号的组成，特别是载波信号的相位信息如何携带位置信息。随后，我们将重点阐述差分技术的内涵，包括单点定位、相对定位以及差分GNSS（DGNSS）的不同形式，如伪距差分和载波相位差分。 1.1 GNSS信号基础 GNSS系统概述： 简要介绍GPS、GLONASS、Galileo、北斗等主要GNSS系统，及其基本星座构成和工作模式。 GNSS信号结构： 详细解析GNSS信号的载波频率、测距码（伪距码）、导航电文等关键组成部分，强调载波信号的物理特性。 伪距测量原理： 阐述GNSS接收机如何通过测量信号的传播时间来计算伪距，以及伪距测量中存在的误差源（如卫星钟误差、轨道误差、大气延迟、多径效应等）。 1.2 载波相位测量：精度飞跃的起点 载波信号的本质： 区分伪距测量与载波相位测量，强调载波相位测量能够提供远超伪距测量的精度。 载波相位测量原理： 阐述接收机如何精确测量接收到的载波信号与接收机本地振荡器产生的载波信号之间的相位差，以及这一相位差与距离的关系。 整周模糊度问题： 深入分析载波相位测量的核心挑战——整周模糊度。解释整周模糊度的含义，即在接收机启动时，测量到的载波相位值是“整周”未知数，这直接限制了绝对位置的直接解算。 相位测量误差： 探讨影响载波相位测量的误差源，如接收机噪声、多径效应、接收机钟误差、卫星钟误差等。 1.3 差分技术：消除误差，提升精度 差分GNSS（DGNSS）的概念： 介绍差分技术的基本思想，即利用一个已知精确坐标的基准站来测量GNSS信号的误差，并将这些误差信息实时播发给用户端的移动接收机，以便用户端对其测量结果进行修正。 伪距差分与载波相位差分： 对比分析伪距差分和载波相位差分技术的优缺点。伪距差分能够有效消除部分误差，但精度受限于伪距测量的误差；载波相位差分则通过克服整周模糊度，能够实现厘米级乃至毫米级的定位精度。 实时动态差分（RTK）原理： 重点介绍RTK技术，这是载波相位差分最核心的应用形式。详细阐述RTK的工作流程，包括基准站对卫星信号的测量、差分改正信息的生成、移动站接收差分信息、以及利用差分信息解算移动站高精度位置的过程。 载波相位差分中的整周模糊度固定： 这是RTK的核心技术之一。本节将详细介绍整周模糊度固定的各种方法，包括： LAMBDA法（Least-squares AMBiguity Decorrelation Adjustment）： 介绍这一经典的、高效的整周模糊度搜索与固定算法，包括其数学模型和求解过程。 基于网络RTK（NRTK）的模糊度固定： 讨论单基准站RTK的局限性，以及NRTK如何通过建立虚拟参考站（VRS）或多基准站网络（MAC）来提供更广阔的覆盖范围和更高的定位精度。 其他模糊度固定方法： 简要介绍其他辅助性的模糊度固定技术，如多普勒信息的使用、载波相位平滑伪距等。 载波相位差分系统的组成与性能评估： 讨论RTK系统的构成要素（基准站、通信链路、移动站），以及评估载波相位差分定位性能的关键指标（如精度、可靠性、可用性、更新率等）。 第二章：捷联惯导组合导航：穿越时空的独立战士 捷联惯导系统（SINS）是另一种重要的自主导航技术。本章将深入剖析其原理，重点关注其如何在没有外部信号的情况下，仅凭内部的惯性传感器独立推算载体的位置、速度和姿态。 2.1 惯性导航系统（INS）基础 惯性导航的基本思想： 阐述INS的“内禀”特性，即不依赖于外部信号，而是通过测量载体的加速度和角速度来推算其运动状态。 惯性测量单元（IMU）： 介绍IMU的构成，包括加速度计和陀螺仪。 加速度计： 详细说明加速度计的工作原理，如何测量载体沿特定轴的线加速度，以及地球引力对加速度计读数的影响。 陀螺仪： 详细说明陀螺仪的工作原理，如何测量载体沿特定轴的角速度，以及其在姿态测量中的作用。 捷联惯导（SINS）系统： 解释“捷联”的含义，即惯性传感器直接固定在载体框架上，其测量轴随载体一起运动。对比平台式惯导，突出捷联惯导的优势（如结构简单、成本低、动态性能好）。 2.2 SINS的运动学方程与动力学方程 坐标系定义： 介绍常用的导航坐标系（如地理坐标系、导航坐标系、载体坐标系）及其之间的转换关系。 SINS的测量模型： 阐述加速度计和陀螺仪的输出如何反映载体的线加速度和角速度。 SINS的状态方程： 建立描述载体位置、速度、姿态随时间演变的微分方程组。我们将重点关注： 速度更新方程： 如何通过对加速度计测量值（经姿态转换和引力补偿后）进行积分来更新速度。 位置更新方程： 如何通过对速度进行积分来更新位置。 姿态更新方程： 如何通过对陀螺仪测量值进行积分来更新姿态（通常用四元数或欧拉角表示）。 地球模型与引力影响： 讨论地球的曲率、自转以及地球引力对INS导航解算的影响，以及如何进行相应的补偿。 2.3 SINS的误差分析与补偿 SINS误差的来源： 详细分析SINS误差的主要来源，包括： 传感器误差： 加速度计和陀螺仪的零偏（bias）、尺度因子误差、安装误差、噪声等。 模型误差： 地球模型不精确、引力模型不精确等。 初始对准误差： 系统启动时对初始位置、速度、姿态的估计不精确。 积分累积误差： SINS的本质是积分，任何微小的测量误差都会随着积分过程而累积，导致误差随时间指数增长。 SINS误差的状态方程： 建立描述SINS误差状态（如位置误差、速度误差、姿态误差、传感器零偏误差等）随时间演变的误差微分方程。 SINS误差补偿方法： 卡尔曼滤波（KF）/扩展卡尔曼滤波（EKF）： 介绍基于滤波方法的SINS误差补偿原理，通过融合外部导航信息（如GNSS、测距仪等）来实时估计和补偿SINS的误差，从而抑制误差的累积。 其他误差补偿技术： 简要提及其他辅助性的误差补偿技术。 第三章：组合导航：集各家之长，成一家之言 本章是本专著的核心，我们将聚焦于如何将载波相位差分技术与捷联惯导系统进行有效的融合，以期实现远超单一系统性能的组合导航效果。 3.1 组合导航的优势与必要性 弥补单一系统短板： 详细阐述载波相位差分与SINS的互补性： SINS能够提供高频率、高精度的姿态和短时位置信息，弥补GNSS信号丢失时的空档期。 GNSS（特别是载波相位差分）能够提供低频率、高精度的绝对位置信息，用于校准SINS的累积误差。 实现高精度、高可靠性、高动态的导航： 阐述组合导航如何同时满足高精度、不受遮挡环境影响（鲁棒性）以及应对快速运动载体的需求。 提升GNSS在恶劣环境下的可用性： 讨论在城市峡谷、隧道、室内等GNSS信号弱或不可用的环境中，SINS如何支撑导航的连续性。 3.2 组合导航的基本架构与滤波方法 组合导航系统的组成： 描绘一个典型的载波相位差分/SINS组合导航系统的组成框图，包括GNSS接收机、IMU、数据处理单元、滤波算法等。 数据融合的层次： 区分松耦合（Loose Coupling）和紧耦合（Tight Coupling）两种融合方式。 松耦合： GNSS和SINS分别解算，然后将各自的解算结果（如位置、速度、姿态）进行融合。 紧耦合： 将GNSS的原始测量数据（如伪距、载波相位、多普勒频率）与SINS的测量数据直接输入到同一个滤波器中进行联合解算。紧耦合通常能提供更高的精度和更好的鲁棒性，尤其是在GNSS信号质量较差的情况下。 滤波算法在组合导航中的应用： 扩展卡尔曼滤波（EKF）： 详细阐述EKF在松耦合和紧耦合组合导航中的应用。我们将推导EKF的状态方程、测量方程，以及预测步和更新步的计算过程。 无迹卡尔曼滤波（UKF）： 介绍UKF作为EKF的一种改进，如何在非线性度较强的情况下提供更优的估计性能。 粒子滤波（PF）： 简要介绍PF在处理更复杂的非线性、非高斯噪声环境下的潜力。 3.3 关键技术与挑战 IMU与GNSS数据的同步与匹配： 强调精确的时间同步对于组合导航至关重要，讨论数据采集与处理中的时间戳对齐问题。 GNSS载波相位差分数据的处理与融合： 整周模糊度的实时固定与融合： 探讨在组合导航框架下，如何利用SINS的姿态和短时运动信息辅助GNSS载波相位的整周模糊度固定，以及如何将固定后的载波相位信息有效地融入滤波器。 GNSS RTK差分改正数据的应用： 讨论如何将从RTK差分台站获取的改正信息，结合SINS的测量，进行最优化的位置解算。 SINS的量化与校准： 详细讨论IMU的性能指标（如零偏稳定性、噪声密度等），以及如何通过标定获得高精度的传感器参数，从而提升SINS的整体性能。 组合导航系统的初始化： 介绍组合导航系统启动时的初始化过程，包括初始姿态、位置、速度的粗略估计以及传感器零偏的粗略估计。 鲁棒性设计与失效检测： 探讨如何设计组合导航系统以应对GNSS信号的短暂丢失、信号质量下降等情况，并实现对系统失效的有效检测与告警。 高性能计算与实时性要求： 讨论组合导航系统在处理海量数据、进行实时滤波和解算时对计算资源的要求。 第四章：应用与展望：驱动未来的时空之翼 本章将跳出理论框架，探讨载波相位差分/捷联惯导组合导航技术在各个领域的实际应用，并展望其未来的发展趋势。 4.1 典型应用领域 自动驾驶与高级辅助驾驶（ADAS）： 阐述组合导航如何为自动驾驶车辆提供高精度、高可靠性的定位与导航，是实现安全自主驾驶的关键。 无人机（UAV）与机器人导航： 讨论组合导航在无人机自主起降、路径规划、精确测绘以及机器人室内外导航中的应用。 形变监测与工程测量： 介绍组合导航在桥梁、大坝、隧道等基础设施形变监测中的高精度应用，以及在地理空间信息采集中的作用。 航空航天与海洋工程： 探讨组合导航在飞机、船舶、潜艇等交通工具上的应用，以及在深海探测、卫星导航辅助等领域的价值。 测绘、地理信息系统（GIS）与遥感： 讨论组合导航如何提升数据采集的精度和效率，为地理信息系统的构建和遥感影像的精确定位提供支撑。 4.2 未来发展趋势 更高精度与更低成本： 持续推动载波相位差分技术向更高精度（如毫米级）发展，同时降低IMU和GNSS接收机的成本，使其更易于普及。 智能化与自主性： 引入人工智能和机器学习技术，实现导航系统的自学习、自适应和自优化，例如更智能的误差建模与补偿，以及更主动的导航策略规划。 多源融合的深化： 除了GNSS和IMU，还将整合更多导航传感器，如视觉惯导（VIO）、激光雷达惯导（LIO）、气压计、磁力计等，构建更加全面、鲁棒的多传感器组合导航系统。 新型GNSS技术的融合： 关注低轨卫星导航系统（LEO-PNT）、室内定位技术（如Wi-Fi RTT、UWB）等新型技术的融合，以进一步拓展导航定位的应用场景。 星地一体化导航： 探讨地面增强系统（如地面差分台站、北斗地基增强系统）与卫星导航系统的深度融合，构建一体化的导航定位服务体系。 安全性与抗干扰能力： 提升组合导航系统在面临信号欺骗、干扰等复杂环境下的安全性和抗干扰能力。 结语 载波相位差分与捷联惯导组合导航技术的发展，是人类追求精确时空信息的不懈努力的缩影。它们不仅在理论研究层面不断突破，更在实际应用中展现出强大的生命力，深刻地改变着我们的生产生活方式。本专著希望能够为读者打开一扇深入了解这些前沿技术的窗户，激发更多的创新思考与研究探索，共同推动时空信息技术迈向更加辉煌的未来。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计很吸引人，那种深邃的蓝色调，加上一些复杂的数学符号点缀其间，立刻让人联想到精密测量和高深技术。我记得刚拿到手的时候，就被那种沉甸甸的质感所打动，感觉就像是捧着一份厚重的技术宝典。随便翻开一页，映入眼帘的是各种复杂的公式推导和清晰的流程图，这让我对作者在这一领域的钻研程度有了初步的印象。我特别欣赏它在开篇部分对背景技术梳理的详尽程度，它没有急于抛出自己的核心方法，而是花了大量篇幅去回顾和比较现有导航技术（比如单纯的卫星导航或者纯惯导系统）的局限性。这种循序渐进的叙述方式，对于我们这些希望深入理解技术演进脉络的读者来说，简直是福音。尤其是对于那些希望从基础理论逐步过渡到实际应用层面的研究人员，这本书无疑提供了一个坚实的理论基石。它似乎在无声地告诉我，所有的尖端技术都不是空中楼阁，而是建立在严谨的数学和物理基础之上的。

评分☆☆☆☆☆

这本书的结构安排，体现了一种高度的系统化思维。它不是将各个技术点零散地堆砌起来，而是构建了一个完整的逻辑框架，如同搭建一座精密的仪器。我发现它对不同传感器数据融合的接口设计描述得尤其清晰，这一点在实际的系统集成中至关重要。比如，在谈到如何处理由不同频率和精度带来的信息不同步问题时，作者给出了一套非常实用的时间对齐和插值算法。此外，这本书对于测试结果的展示也非常坦诚和详尽，没有回避在某些极端条件下的性能下降，反而利用这些案例来反向验证理论模型的鲁棒性。我个人认为，这种透明度极大地增强了读者对书中结论的信任感。读完相关章节后，我感觉自己对整个组合导航系统的“黑箱”操作有了更透明的认识，不再满足于调用库函数，而是理解了内部是如何协同工作的。

评分☆☆☆☆☆

这本书给我的整体感受是，它是一份面向未来挑战的预研报告，而非简单的技术综述。它没有过多纠缠于已经被广泛应用的标准方案，而是将重点放在了如何突破现有瓶颈的新思路和新技术上。我注意到书中对未来发展趋势的展望部分，虽然篇幅不长，但提出的观点非常具有前瞻性，尤其是在如何应对极端环境下的导航鲁棒性方面，给出了很多值得深入研究的方向。它不仅仅是一个“怎么做”的指南，更是一个“为什么要做”的深刻阐释。读完之后，我感觉自己的研究视野被极大地拓宽了，不再局限于现有技术的修修补补，而是开始思考更底层的理论创新。这本书对于那些渴望站在技术前沿，引领下一代导航系统发展的研究人员，绝对是一本不可多得的“探路灯”。

评分☆☆☆☆☆

从语言风格上来说，这本书的行文非常专业且凝练，几乎没有一句废话，每一句话都像是经过锤炼的“硬通货”。对于初次接触该领域的读者，或许会感到一定的阅读压力，因为它默认读者已经具备了扎实的信号处理和控制理论基础。但对于有经验的工程师而言，这种高效的信息传递方式无疑是高效的。我特别欣赏作者在解释复杂数学推导时所采取的“几何直观优先”的策略，很多时候，在冗长的代数运算之前，作者会先用几句话勾勒出背后的物理意义或几何含义，这极大地帮助了理解那些抽象的概念。例如，在解释多源信息互补的冗余性时，它不仅仅停留在数学上的低相关性，更是从空间几何的角度去阐释了为什么不同传感器可以提供正交的观测信息。这种文笔，让枯燥的理论增添了一份艺术的美感。

评分☆☆☆☆☆

这本书在方法论的论述上展现出一种近乎苛刻的严谨性。我尤其关注了其中关于误差建模和状态估计的部分，感觉作者在这块的着墨非常深厚。它不仅仅是罗列了几种已知的卡尔曼滤波的变体，而是深入探讨了在特定动态环境下，如何根据载体的运动特性来优化滤波器的结构和参数选择。其中涉及到的协方差矩阵的更新机制，处理得相当精妙，明显是针对实际工程中遇到的噪声特性进行了专门的设计。阅读过程中，我甚至能想象到作者在实验室里，面对大量实时数据进行调试和验证时的情景。文字的组织上，它大量采用了对比论证的手法，比如将不同时间尺度的信息融合策略进行细致的剖析，这种对比使得每一种选择背后的优缺点都昭然若揭。对于那些追求极限性能的工程实践者来说，书中提供的这些“调优秘籍”绝对是价值连城的。它不像某些教科书那样空泛，而是充满了“可操作性”的指导。