載波相位時間差分/捷聯慣導組閤導航方法研究 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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湯勇剛，吳美平 著

圖書標籤:

• 載波相位差分
• 捷聯慣導
• 組閤導航
• 導航技術
• 定位
• 誤差分析
• 濾波算法
• GNSS
• 慣性導航
• 測量與控製

店鋪： 夜語笙簫圖書專營店

齣版社： 國防工業齣版社

ISBN：9787118102703

商品編碼：29657301668

包裝：平裝

齣版時間：2016-07-01

基本信息

書名：載波相位時間差分/捷聯慣導組閤導航方法研究

定價：50.00元

作者：湯勇剛,吳美平

齣版社：國防工業齣版社

齣版日期：2016-07-01

ISBN：9787118102703

字數：

頁碼：

版次：1

裝幀：平裝

開本：16開

商品重量：0.4kg

編輯推薦

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內容提要

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湯勇剛、吳美平所*的《載波相位時間差分\捷 聯慣導組閤導航方法研究》以地麵車輛和水麵艦艇等 中低動態載體的導航為背景，以衛星導航係統和激光 陀螺捷聯慣導係統構成的組閤導航係統為主要研究對 象，提齣在衛星導航/捷聯慣導組閤導航係統中充分利 用載波相位時間差分信號以改善係統的性能，並對涉 及的主要理論問題和方法進行瞭研究。

目錄

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章 緒論 1.1 引言 1.2 問題的提齣和研究意義 1.3 外發展及研究現狀 1.3.1 衛星導航與慣性導航 1.3.2 北鬥衛星導航係統及其組閤導航技術的發展與研究現狀 1.3.3 載波相位時間差分技術的發展及研究現狀 1.3.4 載波相位時間差分/捷聯慣導組閤導航的關鍵技術及其研究現狀 1.4 研究的內容、組織結構和主要貢獻 1.4.1 研究內容及組織結構 1.4.2 主要貢獻第2章 基本原理及數學模型 2.1 載波相位測量的數學模型 2.2 載波相位主要誤差源的時空相關特性 2.3 載波相位時間差分的基本原理和數學模型 2.3.1 載波相位時間差分的基本原理 2.3.2 載波相位時間差分的數學模型 2.4 載波相位時間差分/捷聯慣導組閤的基本原理 2.5 小結第3章 衛星導航/慣導組閤導航係統的全局可觀性分析 3.1 可觀性定義和基本概念 3.1.1 可觀性定義 3.1.2 可觀性與估計精度和濾波器穩定性之間的關係 3.2 非綫性全局可觀性分析 3.2.1 衛星/捷聯慣導組閤導航係統的非綫性係統模型 3.2.2 全局可觀性充分條件 3.3 仿真及實驗驗證 3.3.1 仿真1：衛星導航/高精度慣導係統 3.3.2 仿真2：衛星導航/低精度慣導係統 3.3.3 仿真3：載體作“跳躍”運動 3.3.4 跑車實驗 3.4 小結第4章 載波相位時間差分/捷聯慣導組閤導航算法 4.1 載波相位時間差分/捷聯慣導組閤導航可觀性分析 4.2 組閤導航濾波器 4.2.1 地固坐標係下的捷聯慣導誤差模型 4.2.2 濾波器狀態方程 4.2.3 濾波器觀測方程 4.2.4 測量數據中周跳的處理方法 4.2.5 組閤導航實驗 4.3 降階濾波器 4.3.1 濾波器降階方法 4.3.2 對降階濾波器的實驗驗證 4.4 非完整約束的應用 4.4.1 非完整約束的等效觀測方程 4.4.2 應用非完整約束的實驗驗證 4.5 小結第5章 載波相位時間差分速度估計算法研究 5.1 速度測量及其精度分析 5.1.1 速度測量算法 5.1.2 速度測量的精度分析 5.2 載波相位率的提取 5.2.1 非綫性跟蹤-微分器的基本原理 5.2.2 載波相位率提取算法 5.3 仿真與實驗 5.3.1 非綫性跟蹤-微分器的仿真分析 5.3.2 跑車實驗 5.4 小結第6章 總結與展望 6.1 總結 6.2 研究展望後記附錄A 常用坐標係和時間係統 A.1 常用坐標係的定義 A.2 常用坐標係的相互轉換關係 A.3 時間係統及相互關係參考文獻

作者介紹

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文摘

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序言

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導論：時空信息的脈絡與精度的飛躍 在現代科技飛速發展的浪潮中，精確可靠的時空信息獲取與處理能力已成為諸多前沿領域不可或缺的基石。從深邃的宇宙探索到精準的自動駕駛，從高效的全球物流到安全的國土監測，無不依賴於對自身位置、姿態和速度的毫厘不爽的掌握。然而，單一的導航定位技術往往存在固有的局限性，例如全球導航衛星係統（GNSS）在遮擋環境下的信號丟失，慣性導航係統（INS）的纍積誤差等。因此，如何通過融閤不同原理的導航技術，彌補各自的不足，實現更高精度、更高可靠性的時空信息獲取，一直是導航與定位科學領域追求的核心目標。 本專著深入探討瞭當前備受矚目的兩種關鍵導航技術——載波相位差分與捷聯慣導組閤導航。它們各自擁有獨特的工作原理與優勢，而當它們巧妙地結閤在一起時，便能激發齣強大的協同效應，為我們解鎖前所未有的定位精度與魯棒性。本專著旨在全麵梳理和闡述這兩種技術的研究現狀、核心原理、關鍵技術及其在實際應用中的挑戰與前景，為相關領域的科研人員、工程師以及對時空信息技術感興趣的讀者提供一份詳實的研究參考。 第一章：載波相位差分導航：解鎖厘米級定位的奧秘 載波相位差分技術是實現高精度定位的關鍵手段之一。本章將從基礎概念入手，詳盡剖析其工作原理。我們將深入探討GNSS信號的組成，特彆是載波信號的相位信息如何攜帶位置信息。隨後，我們將重點闡述差分技術的內涵，包括單點定位、相對定位以及差分GNSS（DGNSS）的不同形式，如僞距差分和載波相位差分。 1.1 GNSS信號基礎 GNSS係統概述： 簡要介紹GPS、GLONASS、Galileo、北鬥等主要GNSS係統，及其基本星座構成和工作模式。 GNSS信號結構： 詳細解析GNSS信號的載波頻率、測距碼（僞距碼）、導航電文等關鍵組成部分，強調載波信號的物理特性。 僞距測量原理： 闡述GNSS接收機如何通過測量信號的傳播時間來計算僞距，以及僞距測量中存在的誤差源（如衛星鍾誤差、軌道誤差、大氣延遲、多徑效應等）。 1.2 載波相位測量：精度飛躍的起點 載波信號的本質： 區分僞距測量與載波相位測量，強調載波相位測量能夠提供遠超僞距測量的精度。 載波相位測量原理： 闡述接收機如何精確測量接收到的載波信號與接收機本地振蕩器産生的載波信號之間的相位差，以及這一相位差與距離的關係。 整周模糊度問題： 深入分析載波相位測量的核心挑戰——整周模糊度。解釋整周模糊度的含義，即在接收機啓動時，測量到的載波相位值是“整周”未知數，這直接限製瞭絕對位置的直接解算。 相位測量誤差： 探討影響載波相位測量的誤差源，如接收機噪聲、多徑效應、接收機鍾誤差、衛星鍾誤差等。 1.3 差分技術：消除誤差，提升精度 差分GNSS（DGNSS）的概念： 介紹差分技術的基本思想，即利用一個已知精確坐標的基準站來測量GNSS信號的誤差，並將這些誤差信息實時播發給用戶端的移動接收機，以便用戶端對其測量結果進行修正。 僞距差分與載波相位差分： 對比分析僞距差分和載波相位差分技術的優缺點。僞距差分能夠有效消除部分誤差，但精度受限於僞距測量的誤差；載波相位差分則通過剋服整周模糊度，能夠實現厘米級乃至毫米級的定位精度。 實時動態差分（RTK）原理： 重點介紹RTK技術，這是載波相位差分最核心的應用形式。詳細闡述RTK的工作流程，包括基準站對衛星信號的測量、差分改正信息的生成、移動站接收差分信息、以及利用差分信息解算移動站高精度位置的過程。 載波相位差分中的整周模糊度固定： 這是RTK的核心技術之一。本節將詳細介紹整周模糊度固定的各種方法，包括： LAMBDA法（Least-squares AMBiguity Decorrelation Adjustment）： 介紹這一經典的、高效的整周模糊度搜索與固定算法，包括其數學模型和求解過程。 基於網絡RTK（NRTK）的模糊度固定： 討論單基準站RTK的局限性，以及NRTK如何通過建立虛擬參考站（VRS）或多基準站網絡（MAC）來提供更廣闊的覆蓋範圍和更高的定位精度。 其他模糊度固定方法： 簡要介紹其他輔助性的模糊度固定技術，如多普勒信息的使用、載波相位平滑僞距等。 載波相位差分係統的組成與性能評估： 討論RTK係統的構成要素（基準站、通信鏈路、移動站），以及評估載波相位差分定位性能的關鍵指標（如精度、可靠性、可用性、更新率等）。 第二章：捷聯慣導組閤導航：穿越時空的獨立戰士 捷聯慣導係統（SINS）是另一種重要的自主導航技術。本章將深入剖析其原理，重點關注其如何在沒有外部信號的情況下，僅憑內部的慣性傳感器獨立推算載體的位置、速度和姿態。 2.1 慣性導航係統（INS）基礎 慣性導航的基本思想： 闡述INS的“內稟”特性，即不依賴於外部信號，而是通過測量載體的加速度和角速度來推算其運動狀態。 慣性測量單元（IMU）： 介紹IMU的構成，包括加速度計和陀螺儀。 加速度計： 詳細說明加速度計的工作原理，如何測量載體沿特定軸的綫加速度，以及地球引力對加速度計讀數的影響。 陀螺儀： 詳細說明陀螺儀的工作原理，如何測量載體沿特定軸的角速度，以及其在姿態測量中的作用。 捷聯慣導（SINS）係統： 解釋“捷聯”的含義，即慣性傳感器直接固定在載體框架上，其測量軸隨載體一起運動。對比平颱式慣導，突齣捷聯慣導的優勢（如結構簡單、成本低、動態性能好）。 2.2 SINS的運動學方程與動力學方程 坐標係定義： 介紹常用的導航坐標係（如地理坐標係、導航坐標係、載體坐標係）及其之間的轉換關係。 SINS的測量模型： 闡述加速度計和陀螺儀的輸齣如何反映載體的綫加速度和角速度。 SINS的狀態方程： 建立描述載體位置、速度、姿態隨時間演變的微分方程組。我們將重點關注： 速度更新方程： 如何通過對加速度計測量值（經姿態轉換和引力補償後）進行積分來更新速度。 位置更新方程： 如何通過對速度進行積分來更新位置。 姿態更新方程： 如何通過對陀螺儀測量值進行積分來更新姿態（通常用四元數或歐拉角錶示）。 地球模型與引力影響： 討論地球的麯率、自轉以及地球引力對INS導航解算的影響，以及如何進行相應的補償。 2.3 SINS的誤差分析與補償 SINS誤差的來源： 詳細分析SINS誤差的主要來源，包括： 傳感器誤差： 加速度計和陀螺儀的零偏（bias）、尺度因子誤差、安裝誤差、噪聲等。 模型誤差： 地球模型不精確、引力模型不精確等。 初始對準誤差： 係統啓動時對初始位置、速度、姿態的估計不精確。 積分纍積誤差： SINS的本質是積分，任何微小的測量誤差都會隨著積分過程而纍積，導緻誤差隨時間指數增長。 SINS誤差的狀態方程： 建立描述SINS誤差狀態（如位置誤差、速度誤差、姿態誤差、傳感器零偏誤差等）隨時間演變的誤差微分方程。 SINS誤差補償方法： 卡爾曼濾波（KF）/擴展卡爾曼濾波（EKF）： 介紹基於濾波方法的SINS誤差補償原理，通過融閤外部導航信息（如GNSS、測距儀等）來實時估計和補償SINS的誤差，從而抑製誤差的纍積。 其他誤差補償技術： 簡要提及其他輔助性的誤差補償技術。 第三章：組閤導航：集各傢之長，成一傢之言 本章是本專著的核心，我們將聚焦於如何將載波相位差分技術與捷聯慣導係統進行有效的融閤，以期實現遠超單一係統性能的組閤導航效果。 3.1 組閤導航的優勢與必要性 彌補單一係統短闆： 詳細闡述載波相位差分與SINS的互補性： SINS能夠提供高頻率、高精度的姿態和短時位置信息，彌補GNSS信號丟失時的空檔期。 GNSS（特彆是載波相位差分）能夠提供低頻率、高精度的絕對位置信息，用於校準SINS的纍積誤差。 實現高精度、高可靠性、高動態的導航： 闡述組閤導航如何同時滿足高精度、不受遮擋環境影響（魯棒性）以及應對快速運動載體的需求。 提升GNSS在惡劣環境下的可用性： 討論在城市峽榖、隧道、室內等GNSS信號弱或不可用的環境中，SINS如何支撐導航的連續性。 3.2 組閤導航的基本架構與濾波方法 組閤導航係統的組成： 描繪一個典型的載波相位差分/SINS組閤導航係統的組成框圖，包括GNSS接收機、IMU、數據處理單元、濾波算法等。 數據融閤的層次： 區分鬆耦閤（Loose Coupling）和緊耦閤（Tight Coupling）兩種融閤方式。 鬆耦閤： GNSS和SINS分彆解算，然後將各自的解算結果（如位置、速度、姿態）進行融閤。 緊耦閤： 將GNSS的原始測量數據（如僞距、載波相位、多普勒頻率）與SINS的測量數據直接輸入到同一個濾波器中進行聯閤解算。緊耦閤通常能提供更高的精度和更好的魯棒性，尤其是在GNSS信號質量較差的情況下。 濾波算法在組閤導航中的應用： 擴展卡爾曼濾波（EKF）： 詳細闡述EKF在鬆耦閤和緊耦閤組閤導航中的應用。我們將推導EKF的狀態方程、測量方程，以及預測步和更新步的計算過程。 無跡卡爾曼濾波（UKF）： 介紹UKF作為EKF的一種改進，如何在非綫性度較強的情況下提供更優的估計性能。 粒子濾波（PF）： 簡要介紹PF在處理更復雜的非綫性、非高斯噪聲環境下的潛力。 3.3 關鍵技術與挑戰 IMU與GNSS數據的同步與匹配： 強調精確的時間同步對於組閤導航至關重要，討論數據采集與處理中的時間戳對齊問題。 GNSS載波相位差分數據的處理與融閤： 整周模糊度的實時固定與融閤： 探討在組閤導航框架下，如何利用SINS的姿態和短時運動信息輔助GNSS載波相位的整周模糊度固定，以及如何將固定後的載波相位信息有效地融入濾波器。 GNSS RTK差分改正數據的應用： 討論如何將從RTK差分颱站獲取的改正信息，結閤SINS的測量，進行最優化的位置解算。 SINS的量化與校準： 詳細討論IMU的性能指標（如零偏穩定性、噪聲密度等），以及如何通過標定獲得高精度的傳感器參數，從而提升SINS的整體性能。 組閤導航係統的初始化： 介紹組閤導航係統啓動時的初始化過程，包括初始姿態、位置、速度的粗略估計以及傳感器零偏的粗略估計。 魯棒性設計與失效檢測： 探討如何設計組閤導航係統以應對GNSS信號的短暫丟失、信號質量下降等情況，並實現對係統失效的有效檢測與告警。 高性能計算與實時性要求： 討論組閤導航係統在處理海量數據、進行實時濾波和解算時對計算資源的要求。 第四章：應用與展望：驅動未來的時空之翼 本章將跳齣理論框架，探討載波相位差分/捷聯慣導組閤導航技術在各個領域的實際應用，並展望其未來的發展趨勢。 4.1 典型應用領域 自動駕駛與高級輔助駕駛（ADAS）： 闡述組閤導航如何為自動駕駛車輛提供高精度、高可靠性的定位與導航，是實現安全自主駕駛的關鍵。 無人機（UAV）與機器人導航： 討論組閤導航在無人機自主起降、路徑規劃、精確測繪以及機器人室內外導航中的應用。 形變監測與工程測量： 介紹組閤導航在橋梁、大壩、隧道等基礎設施形變監測中的高精度應用，以及在地理空間信息采集中的作用。 航空航天與海洋工程： 探討組閤導航在飛機、船舶、潛艇等交通工具上的應用，以及在深海探測、衛星導航輔助等領域的價值。 測繪、地理信息係統（GIS）與遙感： 討論組閤導航如何提升數據采集的精度和效率，為地理信息係統的構建和遙感影像的精確定位提供支撐。 4.2 未來發展趨勢 更高精度與更低成本： 持續推動載波相位差分技術嚮更高精度（如毫米級）發展，同時降低IMU和GNSS接收機的成本，使其更易於普及。 智能化與自主性： 引入人工智能和機器學習技術，實現導航係統的自學習、自適應和自優化，例如更智能的誤差建模與補償，以及更主動的導航策略規劃。 多源融閤的深化： 除瞭GNSS和IMU，還將整閤更多導航傳感器，如視覺慣導（VIO）、激光雷達慣導（LIO）、氣壓計、磁力計等，構建更加全麵、魯棒的多傳感器組閤導航係統。 新型GNSS技術的融閤： 關注低軌衛星導航係統（LEO-PNT）、室內定位技術（如Wi-Fi RTT、UWB）等新型技術的融閤，以進一步拓展導航定位的應用場景。 星地一體化導航： 探討地麵增強係統（如地麵差分颱站、北鬥地基增強係統）與衛星導航係統的深度融閤，構建一體化的導航定位服務體係。 安全性與抗乾擾能力： 提升組閤導航係統在麵臨信號欺騙、乾擾等復雜環境下的安全性和抗乾擾能力。 結語 載波相位差分與捷聯慣導組閤導航技術的發展，是人類追求精確時空信息的不懈努力的縮影。它們不僅在理論研究層麵不斷突破，更在實際應用中展現齣強大的生命力，深刻地改變著我們的生産生活方式。本專著希望能夠為讀者打開一扇深入瞭解這些前沿技術的窗戶，激發更多的創新思考與研究探索，共同推動時空信息技術邁嚮更加輝煌的未來。

評分☆☆☆☆☆

這本書給我的整體感受是，它是一份麵嚮未來挑戰的預研報告，而非簡單的技術綜述。它沒有過多糾纏於已經被廣泛應用的標準方案，而是將重點放在瞭如何突破現有瓶頸的新思路和新技術上。我注意到書中對未來發展趨勢的展望部分，雖然篇幅不長，但提齣的觀點非常具有前瞻性，尤其是在如何應對極端環境下的導航魯棒性方麵，給齣瞭很多值得深入研究的方嚮。它不僅僅是一個“怎麼做”的指南，更是一個“為什麼要做”的深刻闡釋。讀完之後，我感覺自己的研究視野被極大地拓寬瞭，不再局限於現有技術的修修補補，而是開始思考更底層的理論創新。這本書對於那些渴望站在技術前沿，引領下一代導航係統發展的研究人員，絕對是一本不可多得的“探路燈”。

評分☆☆☆☆☆

這本書的結構安排，體現瞭一種高度的係統化思維。它不是將各個技術點零散地堆砌起來，而是構建瞭一個完整的邏輯框架，如同搭建一座精密的儀器。我發現它對不同傳感器數據融閤的接口設計描述得尤其清晰，這一點在實際的係統集成中至關重要。比如，在談到如何處理由不同頻率和精度帶來的信息不同步問題時，作者給齣瞭一套非常實用的時間對齊和插值算法。此外，這本書對於測試結果的展示也非常坦誠和詳盡，沒有迴避在某些極端條件下的性能下降，反而利用這些案例來反嚮驗證理論模型的魯棒性。我個人認為，這種透明度極大地增強瞭讀者對書中結論的信任感。讀完相關章節後，我感覺自己對整個組閤導航係統的“黑箱”操作有瞭更透明的認識，不再滿足於調用庫函數，而是理解瞭內部是如何協同工作的。

評分☆☆☆☆☆

這本書在方法論的論述上展現齣一種近乎苛刻的嚴謹性。我尤其關注瞭其中關於誤差建模和狀態估計的部分，感覺作者在這塊的著墨非常深厚。它不僅僅是羅列瞭幾種已知的卡爾曼濾波的變體，而是深入探討瞭在特定動態環境下，如何根據載體的運動特性來優化濾波器的結構和參數選擇。其中涉及到的協方差矩陣的更新機製，處理得相當精妙，明顯是針對實際工程中遇到的噪聲特性進行瞭專門的設計。閱讀過程中，我甚至能想象到作者在實驗室裏，麵對大量實時數據進行調試和驗證時的情景。文字的組織上，它大量采用瞭對比論證的手法，比如將不同時間尺度的信息融閤策略進行細緻的剖析，這種對比使得每一種選擇背後的優缺點都昭然若揭。對於那些追求極限性能的工程實踐者來說，書中提供的這些“調優秘籍”絕對是價值連城的。它不像某些教科書那樣空泛，而是充滿瞭“可操作性”的指導。

評分☆☆☆☆☆

這本書的封麵設計很吸引人，那種深邃的藍色調，加上一些復雜的數學符號點綴其間，立刻讓人聯想到精密測量和高深技術。我記得剛拿到手的時候，就被那種沉甸甸的質感所打動，感覺就像是捧著一份厚重的技術寶典。隨便翻開一頁，映入眼簾的是各種復雜的公式推導和清晰的流程圖，這讓我對作者在這一領域的鑽研程度有瞭初步的印象。我特彆欣賞它在開篇部分對背景技術梳理的詳盡程度，它沒有急於拋齣自己的核心方法，而是花瞭大量篇幅去迴顧和比較現有導航技術（比如單純的衛星導航或者純慣導係統）的局限性。這種循序漸進的敘述方式，對於我們這些希望深入理解技術演進脈絡的讀者來說，簡直是福音。尤其是對於那些希望從基礎理論逐步過渡到實際應用層麵的研究人員，這本書無疑提供瞭一個堅實的理論基石。它似乎在無聲地告訴我，所有的尖端技術都不是空中樓閣，而是建立在嚴謹的數學和物理基礎之上的。

評分☆☆☆☆☆

從語言風格上來說，這本書的行文非常專業且凝練，幾乎沒有一句廢話，每一句話都像是經過錘煉的“硬通貨”。對於初次接觸該領域的讀者，或許會感到一定的閱讀壓力，因為它默認讀者已經具備瞭紮實的信號處理和控製理論基礎。但對於有經驗的工程師而言，這種高效的信息傳遞方式無疑是高效的。我特彆欣賞作者在解釋復雜數學推導時所采取的“幾何直觀優先”的策略，很多時候，在冗長的代數運算之前，作者會先用幾句話勾勒齣背後的物理意義或幾何含義，這極大地幫助瞭理解那些抽象的概念。例如，在解釋多源信息互補的冗餘性時，它不僅僅停留在數學上的低相關性，更是從空間幾何的角度去闡釋瞭為什麼不同傳感器可以提供正交的觀測信息。這種文筆，讓枯燥的理論增添瞭一份藝術的美感。