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內容簡介

　　《無陀螺慣性導航技術》旨在介紹實現無陀螺慣性導航必須解決的一些關鍵技術。其中：第1章介紹無陀螺慣性導航技術的發展曆程和現狀；第2章介紹無陀螺慣性導航係統的基本原理，主要是利用加速度計通過“杆臂效應”測量剛體角運動參數的原理和方法、典型的加速度計配置方案，也介紹瞭課題組研製的無陀螺慣性測量試驗裝置；第3章介紹無陀螺慣性導航係統進行自主初始對準和藉助外部信息輔助初始對準的技術方法；第4章介紹無陀螺慣性導航係統的姿態解算技術，主要介紹基於四元數法設計姿態解算算法的流程和注意事項；第5章對無陀螺慣性導航係統的主要慣性元件加速度計的噪聲特性分析和降噪技術進行比較研究，推導瞭非標準觀測噪聲條件下的卡爾曼濾波基本方程；第6章分析瞭加速度計安裝誤差對導航參數解算的影響，提齣瞭一種簡化快捷的加速度計安裝誤差校準方法；第7章介紹無陀螺慣導與GPS進行組閤導航的方法，包括EKF、UKF和PF等非綫性濾波方法。

內頁插圖

目錄

第1章 概述
1．1 慣性導航
1．2 無陀螺慣性導航
1．3 本書內容簡介

第2章 無陀螺慣性導航原理
2．1 加速度計工作原理
2．2 剛體運動模型
2．3 載體角速度解算
2．3．1 角加速度的解算
2．3．2 角速度平方的解算
2．3．3 角速度交叉乘積項的解算
2．3．4 其他組閤方式的角速度解算
2．4 加速度計配置方案
2．4．1 經典6加速度計配置方案
2．4．2 典型的9加速度計配置方案
2．4．3 一種12加速度計的配置方案
2．5 GFIMU試驗裝置

第3章 無陀螺慣導初始對準
3．1 自主式初始對準
3．1．1 捷聯慣導對準原理應用於無陀螺慣導的可行性分析
3．1．2 單軸鏇轉的自主式對準方法
3．1．3 初始對準精度分析
3．1．4 仿真
3．2 外部信息輔助無陀螺慣導初始對準
3．2．1 外部信息輔助初始對準模型
3．2．2 仿真

第4章 無陀螺慣導姿態解算
4．1 方嚮餘弦法
4．2 歐拉角法
4．3 四元數法
4．3．1 鏇轉矢量與四元數
4．3．2 四元數與方嚮餘弦矩陣
4．4 基於四元數的姿態解算算法
4．4．1 姿態解算算法設計
4．4．2 鏇轉矢量求解
4．4．3 更新四元數單位化
4．4．4 姿態角解算
4．4．5 劃槳效應補償
4．5 姿態解算精度分析
4．5．1 圓錐效應
4．5．2 四元數解算誤差
4．6 試驗

第5章 加速度計噪聲特性分析與降噪方法
5．1 加速度計噪聲特性分析及處理
5．1．1 加速度計噪聲的直觀分析
5．1．2 基於Allan方差的加速度計噪聲分析
5．2 改進的自適應卡爾曼濾波降噪
5．2．1 基於新息的噪聲自適應估計
5．2．2 滑動估計窗口寬度的優化
5．3 基於小波卡爾曼濾波降噪
5．3．1 觀測噪聲在綫近似估計方法
5．3．2 非標準觀測噪聲條件下卡爾曼濾波基本方程的理論推導
5．4 試驗
5．4．1 無陀螺慣導中加速度計降噪模型
5．4．2 基於新息自適應卡爾曼濾波器的加速度計降噪方法
5．4．3 小波卡爾曼濾波降噪方法

第6章 加速度計安裝誤差校準方法
6．1 加速度計安裝誤差的影響分析
6．2 加速度計安裝誤差校準原理
6．3 一種簡化的安裝誤差校準方法
6．4 仿真
6．4．1 基於數字仿真的安裝誤差校準一般方法
6．4．2 基於數字-仿真的安裝誤差校準簡化方法
6．5 加速度計安裝誤差校準試驗
6．6 加速度計安裝誤差補償試驗
6．6．1 加速度計輸齣誤差確定
6．6．2 誤差補償

第7章 GPS與無陀螺慣導組閤導航
7．1 引言
7．1．1 級聯組閤方式
7．1．2 鬆組閤方式
7．1．3 緊組閤方式
7．2 GPS／GFINS非綫性組閤模型
7．2．1 係統狀態方程
7．2．2 係統觀測方程
7．3 GPS／GFINS非綫性組閤濾波
7．3．1 EKF濾波算法
7．3．2 UKF濾波算法
7．3．3 PF濾波算法
7．3．4 基於PF算法的GPS／GFINS組閤濾波器解算流程
7．4 GPS／GFIMU組閤導航試驗

附錄A 圓錐效應計算
參考文獻

前言/序言

　　慣性導航是牛頓三大運動定律在現代導航領域的一項重要應用。慣性導航分彆利用加速度計和陀螺測量載體的綫運動參數（加速度）和角運動參數（角速度或角加速度），在已知載體初始條件（初始時刻位置、速度等）的基礎上進行推算，從而得到後續時刻的位置、速度、姿態等信息。
　　一直以來，慣性導航係統（簡稱慣導）使用陀螺敏感地球自轉角速度和測量載體的角運動參數，使用加速度計測量載體的綫運動參數。從剛體運動的本質規律來講，剛體存在角運動時，剛體上的質點也必然存在綫運動，這就是剛體上的質點到剛體轉動中心的“杆臂效應”。也就是說，利用“杆臂效應”，可以通過敏感質點綫運動參數（如加速度）測量載體的角運動參數（角速度或角加速度）。基於這一認識，1967年，科研人員提齣利用加速度計設計無陀螺慣性導航係統（Gyro-free Inertial Navigation System，GFINS）（簡稱無陀螺慣導）。早期加速度計的性能較低，通過“杆臂效應”測量載體角運動參數難以滿足慣性導航係統設計要求，無陀螺慣導的研製難以實現。進入21世紀，陀螺和加速度計的製造技術、工藝都取得巨大的進步，加速度計的性能也得到瞭顯著提高，主流加速度計的分辨力達到瞭l0-6g。相比陀螺，加速度計具備性能可靠、維護簡單、體積小、成本低廉的更大優勢。因此，無陀螺慣性導航技術研究重新受到科研人員的重視。
　　本書旨在介紹實現無陀螺慣性導航必須解決的一些關鍵技術。其中：第1章介紹無陀螺慣性導航技術的發展曆程和現狀；第2章介紹無陀螺慣性導航係統的基本原理，主要是利用加速度計通過“杆臂效應”測量剛體角運動參數的原理和方法、典型的加速度計配置方案，也介紹瞭課題組研製的無陀螺慣性測量試驗裝置（Gyro-free Inertial Measurement Unit.GFIMU）；第3章介紹無陀螺慣性導航係統進行自主初始對準和藉助外部信息輔助初始對準的技術方法；第4章介紹無陀螺慣性導航係統的姿態解算技術，主要介紹基於四元數法設計姿態解算算法的流程和注意事項；第5章對無陀螺慣性導航係統的主要慣性元件加速度計的噪聲特性分析和降噪技術進行比較研究，推導瞭非標準觀測噪聲條件下的卡爾曼濾波基本方程；第6章分析瞭加速度計安裝誤差對導航參數解算的影響，提齣瞭一種簡化快捷的加速度計安裝誤差校準方法；第7章介紹無陀螺慣導與GPS進行組閤導航的方法，包括EKF、UKF和PF等非綫性濾波方法。
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