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第1章 绪论1

1.1常用的定位技术分类1

1.1.1相对测量技术（航迹推算法）1

1.1.2绝对测量技术（参考基准法）2

1.1.3组合系统3

1.2全球导航卫星系统技术3

1.2.1全球定位系统4

1.3 GPS与其他系统的组合6

1.3.1 GPS增强系统6

1.3.2当地无线定位系统7

1.3.3运载体运动器件8

1.3.4其他辅助器件9

1.3.5电子地图10

1.4惯性导航10

1.5 INS/GPS组合导航11

1.6 INS/GPS组合类型12

1.6.1松组合12

1.6.2紧组合12

1.6.3超紧（深）组合12

1.7 INS/GPS融合算法13

1.8本书章节概览14

参考文献14

第2章 导航数学基础、坐标系和地球几何学17

2.1导航基本数学基础17

2.1.1矢量记法17

2.1.2矢量坐标变换17

2.1.3角速度矢量18

2.1.4反对称矩阵19

2.1.5反对称矩阵的基本性质19

2.1.6角速度的坐标变换19

2.1.7最小二乘法19

2.1.8非线性函数的线性化20

2.2坐标系21

2.2.1地心惯性坐标系21

2.2.2地心地固坐标系22

2.2.3当地水平坐标系23

2.2.4游动坐标系23

2.2.5计算坐标系24

2.2.6载体坐标系24

2.2.7轨道坐标系26

2.3坐标变换26

2.3.1欧拉角和基本变换矩阵27

2.3.2 ECI坐标系与ECEF坐标系的变换30

2.3.3 LLF坐标系与ECEF坐标系的变换30

2.3.4 LLF坐标系与游动坐标系的变换31

2.3.5 ECEF坐标系与游动坐标系的变换32

2.3.6载体坐标系与LLF坐标系的变换33

2.3.7载体坐标系到ECI坐标系及ECEF的变换33

2.3.8变换矩阵的微分计算34

2.3.9惯性坐标系中位置矢量的微分35

2.3.10惯性坐标系速度矢量的微分35

2.4地球几何学36

2.4.1基本概念36

2.4.2卯酉半径与子午半径37

2.5 ECEF坐标系的类型38

2.5.1 ECEF坐标系中的笛卡儿坐标系38

2.5.2 ECEF坐标系中的大地坐标系39

2.5.3 ECEF坐标系中，大地坐标系到笛卡儿坐标系的变换39

2.5.4 ECEF坐标系中，笛卡儿坐标系到大地坐标系的变换39

2.6地球引力场40

参考文献49

第3章 全球定位系统50

3.1 GPS观测量50

3.1.1伪距观测量51

3.1.2载波相位观测量51

3.1.3多普勒频移观测量52

3.2 GPS体系结构52

3.2.1空间星座部分53

3.2.2地面监控部分53

3.2.3用户设备部分54

3.3 GPS信号54

3.3.1传统的GPS信号54

3.3.2 GPS现代化55

3.4 GPS误差源56

3.4.1卫星时钟钟差56

3.4.2接收机时钟钟差56

3.4.3电离层延时57

3.4.4对流层延时58

3.4.5多径误差58

3.4.6卫星轨道误差59

3.4.7接收机噪声59

3.4.8用户等距误差59

3.5 GPS增强系统59

3.5.1差分GPS60

3.5.2局域差分GPS60

3.5.3广域差分GPS61

3.5.4辅助GPS62

3.6 GPS卫星轨道64

3.6.1开普勒定律64

3.6.2开普勒轨道参数64

3.6.3 GPS轨道参数66

3.7星历数据处理67

3.7.1卫星时钟修正值的计算68

3.7.2大气层误差修正68

3.7.3卫星位置的计算72

3.7.4卫星速度的计算74

3.8接收机的位置与速度估计74

3.8.1伪距测量74

3.8.2位置估算75

3.8.3卫星几何精度因子77

3.8.4多普勒测量80

3.8.5基于多普勒的速度测量81

3.8.6位置与速度估计82

3.9载波相位定位84

3.9.1相对定位和GPS观测量的线性组合84

3.9.2相对定位85

3.9.3 GPS观测量的线性组合86

3.9.4载波相位观测量的位置估算89

3.10整周模糊度91

3.10.1整周模糊度解算92

3.10.2模糊度精度因子92

参考文献93

第4章 惯性导航系统95

4.1惯性导航原理95

4.2 INS的物理实现96

4.3惯性测量单元97

4.4惯性传感器98

4.4.1加速度计98

4.4.2陀螺仪99

4.5惯性导航的基本知识100

4.5.1一维惯性导航100

4.5.2二维惯性导航101

4.6三维惯性导航103

4.7三维INS概述103

4.8惯性传感器的理论测量104

4.8.1静态三轴加速度的理论测量104

4.8.2静态三轴陀螺仪的测量原理105

4.8.3运动三轴陀螺仪的测量原理107

4.9惯性传感器测量的注意事项110

4.10惯性传感器的性能特点110

4.11惯性传感器误差111

4.11.1系统误差111

4.11.2随机误差114

4.11.3随机误差要点114

4.11.4传感器误差的数学模型115

4.12惯性传感器分类116

4.12.1陀螺仪技术及其应用117

4.12.2加速度计技术及其应用117

4.13惯性传感器校准117

4.13.1六位置静态测试118

4.13.2角速率测试120

4.14惯性传感器校准的重要性120

4.14.1情况Ⅰ：加速度计零偏121

4.14.2情况Ⅱ：陀螺仪漂移121

4.15 惯性传感器的初始化及其对准122

4.15.1位置速度初始化122

4.15.2姿态对准123

参考文献125

第5章 惯性导航系统建模126

5.1动力学建模126

5.2运动学建模126

5.2.1刚体运动建模127

5.2.2可观测量128

5.3惯导机械编排128

5.3.1惯性参考系中的惯导机械编排128

5.3.2 ECEF系中的惯导机械编排130

5.3.3当地水平坐标系中的惯导机械编排131

5.3.4游动坐标系中的惯导机械编排136

5.4旋转矩阵的参数化138

5.4.1求解转换矩阵138

5.4.2四元数法140

5.4.3四元数方程求解142

5.4.4四元数的优势143

5.5 l系中导航参数的解算步骤144

5.5.1原始测量数据145

5.5.2测量数据的修正145

5.5.3旋转矩阵的计算与更新146

5.5.4姿态解算148

5.5.5速度解算148

5.5.6位置解算149

附录A149

参考文献150

第6章 线性状态方程的误差模型151

6.1地理坐标系误差状态方程152

6.1.1地理坐标系的位置误差152

6.1.2地理坐标系的速度误差155

6.1.3地理坐标系的姿态误差161

6.1.4惯性传感器误差165

6.1.5地理坐标系误差状态方程总结166

6.2舒拉效应168

6.2.1东向通道误差模型168

6.2.2北向通道误差模型169

6.2.3 INS误差分析170

参考文献171

第7章 卡尔曼滤波172

7.1离散卡尔曼滤波173

7.1.1 KF假设174

7.2 KF过程175

7.2.1预报或时间更新175

7.2.2量测更新或修正176

7.3 KF算法步骤178

7.4非线性卡尔曼滤波179

7.4.1线性卡尔曼滤波180

7.4.2扩展卡尔曼滤波180

7.5 KF奇异值控制181

7.5.1KF过程模型引入虚拟噪声181

7.5.2 Schmidt Epsilon技术181

7.5.3有限记忆滤波181

7.5.4衰减记忆滤波182

7.6实例说明182

7.6.1简单导航实例182

7.6.2零速度更新183

7.6.3坐标更新185

参考文献186

第8章 INS/GPS组合188

8.1误差反馈方案189

8.1.1开环INS/GPS结构189

8.1.2闭环INS/GPS结构189

8.2组合的类型190

8.2.1 INS/GPS松组合190

8.2.2 INS/GPS紧组合191

8.2.3 INS/GPS超紧组合191

8.3 INS方程的误差模型192

8.4 INS/GPS松组合模型194

8.4.1系统模型194

8.4.2测量模型195

8.5 INS/GPS紧组合模型197

8.5.1系统模型197

8.5.2量测模型200

8.5.3整体量测模型206

参考文献207

第9章 陆用载体三维简化INS/GPS组合209

9.1采用MEMS级全惯性测量单元的三维定位性能分析209

9.2基于陆用载体MEMS惯性测量部件缺点的改进技术210

9.3三维简化惯性传感系统（RISS）211

9.3.1三维RISS的概述211

9.3.2三维RISS用于轮式陆基运载体的优势212

9.3.3三维RISS运动方程的推导214

9.3.4三维RISS运动模型的概述218

9.4三维RISS/GPS的KF松组合219

9.4.1三维RISS的线性误差模型220

9.4.2更新三维RISS的量测模型221

9.5三维RISS/GPS的KF紧组合222

9.5.1组合型系统模型223

9.5.2更新三维RISS的GPS量测模型223

参考文献227

第10章 两个案例：全IMU/GPS和三维RISS/GPS组合228

10.1用于实验的导航设备228

10.1.1 GPS信号部分中断选定230

10.2全IMU/GPS紧组合算法的性能分析230

10.2.1所选的GPS信号中断分析233

10.3三维RISS/GPS紧组合的性能236

10.3.1所选的GPS信号中断分析238

参考文献242

附录 英语缩略语243