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內容簡介

《高精度導航係統》主要介紹瞭作者在清華大學長期從事“靜電陀螺儀”和“光學陀螺定位定嚮係統”等科研項目的成果。此外，書中還介紹瞭慣性/衛星組織導航係統理論、最優估計理論以及導航係統中誤差實時控製方法等基礎知識。
作者曾多次結閤科研工作訪問加拿大、美、德、法等國的一些高校和研究所。在《高精度導航係統》中，介紹瞭他們在導航係統關鍵技術研究中所取得的一些成果。作為高精度導航係統工程應用的一個實例，《高精度導航係統》還詳細介紹瞭大地貫性測量係統的精度保證方法。
在以上研究和訪問的基礎上，作者提齣瞭靜電、激光和光縴等三種高精度陀螺儀的工程設計方法，內容包括：（1）總體結構的分析；（2）關鍵零部件的結構與工藝；（3）誤差分析、測試與模型建立；（4）在導航係統中，主要誤差的靜態和動態校準。
《高精度導航係統》的內容具有工程性、實用性和前瞻性。對於從事研究、開發和應用高精度導航係統的工程技術人員和高校師生具有參考價值。

作者簡介

章燕申，清華大學教授、博士生導師。1929年11月9日生，武進厚餘人。1950年畢業於清華大學機械工程係。1953年~1956年入蘇聯莫斯科包曼技術大學精密儀器係讀研究生，1957年獲副博士學位，迴清華大學籌建自動控製係，1958年該係成立後任導航與控製教研室主任，1964年任係副主任。1975年轉入精密儀器與機械學係，任陀螺導航與自動控製教研室主任。1962年以來，先後兼任中國電子學會導航專業委員會委員、中國航空學會自動控製專業委員會委員、中國宇航學會飛行器慣性器件專業委員會及中國造船工程學會船用儀器儀錶專業委員會委員。1987年任中國慣性技術學會副理事長兼任國防科工委慣性技術軍工（專傢）組成員，1985年任國際測量協會（International Association of Geodesy，IAG）會員，並為該協會慣性技術在測量中的應用專業組成員。長期從事自動控製理論及應用、精密儀器與控製的教學工作。1978年以來，已培養自動控製理論與應用專業碩士30餘人、精密儀器與控製專業博士10人。在科研方麵，1965年在我國首先開始研製靜電陀螺儀，1968年原理樣機研製成功。1972年~1976年研製成功靜電陀螺三軸穩定平颱，用於飛航式導彈，平颱通過飛機試驗，靜電陀螺儀單獨通過導彈搭載試驗。1981年~1990年完成靜電陀螺儀工程樣機及精度測試，1990年又完成在雙軸伺服轉颱上的精度測試。1995年起任項目負責人，承擔微型光波導螺技術、光學院螺自動尋北定位定嚮係統。先後兩次獲部級科技進步二等奬。在國內外學術會議和雜誌上已發錶論文70多篇，曾參加加拿大國際慣性測技術會議、美國導航學會年會、德國陀螺技術及高精度導航等國際學術會議。專著有《現代控製理論基礎》（閤著，1981年國防工業齣版社）、《最優估計與工程應用》（1991年宇航齣版社）。

目錄

引論
第1章 慣性導航係統的誤差分析與計算
1.1 引言
1.2 導航計算中的坐標係
1.3 Foucault陀螺儀
1.4 擺式陀螺羅經
1.5 Schuler周期
1.6 慣性導航係統閉環控製的特點
1.7 液浮積分陀螺儀
1.8 靜電陀螺儀
1.9 撓性陀螺儀
1.10 激光陀螺儀
1.11 光縴陀螺儀
1.12 平颱式慣性導航係統
1.13 慣性導航係統的機械編排方程
1.14 平颱式慣性導航係統的誤差傳播方程
1.15 慣性導航係統誤差的傳播特性
1.16 捷聯式慣性導航係統
1.17 本章小結
參考文獻

第2章 衛星/慣性組閤導航係統
2.1 引言
2.2 全球導航衛星係統
2.3 衛星導航的定位方法
2.4 計程儀的定位精度
2.5 無綫電導航的定位精度
2.6 慣性導航係統的定位精度
2.7 不同組閤深度的GPS/INS導航係統
2.8 本章小結
參考文獻

第3章 最優估計理論與導航係統的誤差控製
3.1 引言
3.2 Weiner濾波理論與積分方程
3.3 連續的Kalman濾波方程
3.4 離散的Kalman濾波方程
3.5 Kalman濾波器的穩定性
3.6 Kalman濾波器的發散
3.7 防止Kalman濾波器發散的方法
3.8 平方根濾波器
3.9 自適應的Kalman濾波器
3.10 自適應Kalman濾波器的計算方程
3.11 Kalman濾波器的工程設計方法
3.12 簡化的自適應Kalman濾波器
3.13 本章小結
參考文獻

第4章 慣性測量與定位定嚮係統
4.1 引言
4.2 慣性測量係統的技術要求
4.3 液浮陀螺定位定嚮係統
4.4 清華大學“GWX-1”型快速定位定嚮係統
4.5 靜電陀螺大地測量係統
4.6 激光陀螺定位定嚮係統
4.7 慣性測量係統的動態校準
4.8 重力測量與重力梯度儀
4.9 慣性測量係統的誤差模型及Kalman濾波器
4.10 本章 小結
參考文獻

第5章 靜電陀螺儀的結構、工藝與支承係統
5.1 引言
5.2 靜電陀螺儀的結構與關鍵技術
5.3 真空環境中電場的擊穿強度
5.4 轉子的結構
5.5 轉子的工藝
5.6 空心轉子與實心轉子的比較
5.7 支承電極的結構
5.8 支承電極的工藝
5.9 測量轉子位移的電容電橋
5.10 具有變模式控製的靜電支承係統
5.11 本章 小結
參考文獻

第6章 靜電陀螺儀漂移誤差的測試與模型辨識
6.1 引言
6.2 在導航係統中靜電陀螺儀漂移誤差模型的辨識方法
6.3 船用監控器中靜電陀螺儀的漂移誤差模型及其辨識方法
6.4 靜電乾擾力矩産生的機理
6.5 靜電陀螺儀漂移誤差的數學模型
6.6 雙軸伺服轉颱測試係統與實驗設計
6.7 采用麯綫嚙閤法計算靜電陀螺儀的各項漂移誤差係數
6.8 靜電陀螺儀的力矩測量係統
6.9 靜電陀螺儀伺服法測試的研究
6.10 靜電陀螺儀隨機性誤差模型的初步研究
6.11 本章 小結
參考文獻

第7章 靜電陀螺導航係統與空間定嚮係統
7.1 引言
7.2 中國721型靜電陀螺航姿係統的結構
7.3 721型靜電陀螺平颱的穩定迴路
7.4 721型靜電陀螺航姿係統的飛行試驗
7.5 美國SPN型靜電陀螺平颱的結構
7.6 SPN型靜電陀螺平颱的穩定迴路
7.7 SPN型靜電陀螺導航係統
7.8 美國Stanford大學的GP-B型靜電陀螺儀
7.9 GP-B型衛星的結構與控製
7.10 俄國的實心轉子靜電陀螺儀
7.11 本章 小結
參考文獻

第8章 精密組閤機床的光學調整方法
8.1 引言
8.2 技術要求
8.3 雙軸組閤機床的光學調整方法
8.4 #1型同心度光學調整儀的研製與實驗研究
8.5 #2型同心度光學調整儀的研製與實驗研究
8.6 四軸組閤機床光學調整儀的研製與實驗研究
8.7 本章 小結
參考文獻

第9章 激光陀螺儀的誤差分析與控製技術
9.1 引言
9.2 無源腔Sagnac乾涉儀
9.3 美國Sperry公司的激光陀螺儀實驗裝置
9.4 有源腔Sagnac乾涉儀
……
第10章 光縴陀螺的係統結構與誤差分析
第11章 微型光學陀螺儀的探索性研究
附錄A 導航技術研究工作50年
附錄B 美國Standford大學地球引力場探測（GP-B）的試驗結果

精彩書摘

慣性導航技術
在第二次世界大戰中，德國大量使用瞭飛航式（“V－1”）和彈道式（“V－2”）導彈武器，它們在射程和破壞力等方麵遠勝於遠程火炮。20世紀50年代開始的“冷戰”時期，美、蘇等國把核武器及其三大運載工具：彈道式導彈、核潛艇以及戰略轟炸機作為軍備競賽的主要內容。為瞭提高這些載體上導航係統的精度和連續工作時間，慣性導航技術得到瞭迅速發展，研製成功瞭多種高精度的陀螺儀和加速度計，並用它們組成瞭不同類型的“慣性導航係統”（Inertial navigation system，INS）。
在上述不同載體的INS中，都需要采用：
（1）“速度測量組閤”（由三隻加速度計構成）；
（2）“陀螺穩定平颱”（核心部件是平颱的信號器，可以是三隻單自由度陀螺儀，或兩隻二自由度陀螺儀）；
（3）導航計算機（數字計算機輸齣姿態角、航速以及定位等導航信號）。
在加速度計中，目前普遍采用“力平衡伺服係統”測量“檢測質量”所産生的慣性力。在陀螺儀中，需要采用“力矩控製迴路”對“陀螺轉子”施加控製力矩，使陀螺轉子産生“進動”，從而帶動穩定平颱，跟蹤“大地三麵體”在慣性空間中的轉動角速度。在這種類型的INS中，平颱始終穩定在“當地水平麵”（L0cal level）之中，並指嚮北方。這種陀螺穩定平颱將直接測量齣載體的動態姿態角。如果對陀螺不施加控製力矩，則陀螺穩定平颱將在慣性空間中保持穩定，載體的動態姿態角信號需要由導航計算機進行換算。這種類型的INS被稱為“空間穩定”（S119ace stabi-lized）的INS。
1957年，蘇聯成功地發射瞭人類第一顆人造地球衛星，開啓瞭人類進入宇宙的新紀元。人造地球衛星的成功發射充分證明瞭運載火箭慣性導航係統的精度。眾所周知，在運載火箭的INS中，當時采用瞭“單自由度液浮積分陀螺儀”和“擺式陀螺積分加速度計”。
上述INS被推廣應用於核潛艇和戰略轟炸機。在艦船的INS中，需要采用“液浮擺式加速度計”。1958年，在試驗性的航行中，美國兩艘核潛艇由冰下通過瞭北極。

前言/序言

　　20世紀70年代，在核潛艇和遠程飛機等運載工具中，以靜電陀螺儀為核心的平颱式慣性導航係統得到瞭應用，成為批量生産的型號産品。在長時間航行中，它們不僅達到瞭所要求的定位精度，而且可以保證從載體上發射武器。可以認為，靜電陀螺儀的成功應用標誌著導航技術進入瞭高精度的時代。
　　20世紀80年代，激光陀螺捷聯式慣性導航係統在民航機、戰鬥機、遠程火炮和戰術導彈發射車等載體中得到瞭廣泛應用。從物理上講，光學陀螺儀沒有與加速度有關的誤差，而且它的優點是啓動快，不需要預熱和溫度控製；測量速度範圍沒有限製，標度因數的綫性度和穩定性高。因此，和機械陀螺儀相比較，光學陀螺儀在低成本和小型化等方麵具有優勢，可以預期它們將會有進一步的發展。

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