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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。
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前言/序言

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