本書系統開展了地面車輛組合導航技術及方法研究。全書共分為6章，包括定位定向系統及關鍵技術概述、定位定向系統誤差分析、基于晃動補償方法的導航方法研究、基于衛星信息輔助的導航方法研究、基于快速正交搜索和卡爾曼濾波的導航方法研究、主子慣導誤差標定。本書可供從事慣導航系統設計、制造、試驗及應用的工程技術人員以及大學、大專院校的師生使用。
前言
為提高地面車輛導航定位精度，在系統中加入了捷聯慣導設備，為車輛定位定向提供了基準。盡管車輛姿態會由于行駛過程中產生的巨大振動而產生變化，捷聯慣導系統也可以敏感出姿態變化量，反饋給控制系統自動完歸位。地面車輛的另一個優勢就是出眾的機動，這使得車輛可以實現“打了就走，邊走邊打”，大大提高了其戰場生存能力。而慣導航系統大大縮短火炮的射擊準備時間一步提高了自行火炮的作戰效率。本書以某型自行火炮炮載光纖陀螺定位定向系統和載慣導為研究對象，為提高定位精度、改善裝備作戰能，分別針對幾種不同導航方行了研究，并提出了相應的解決方案。全書共分為6章。第1章，定位定向系統及關鍵技術概述，主要介紹慣技術、陸用定位定向系統、初始對準、自航以及衛星輔助導航等方。第2章，定位定向系統誤差分析，主要介紹研究對象及所選坐標系、捷聯慣導系統誤差模型、誤差傳播特分析、航位推算誤差模型以及晃動對慣組量測的影響分析。第3章，基于晃動補償方法的導航方法研究，主要介紹常用初始對準方法、基于晃動補償的自航初始對準、基于晃動補償的零速修正方法以及里程計誤差補償。第4章，基于衛星信息輔助的導航方法研究，主要介紹衛星輔助條件下的大失準角初始對準方法、基于非線觀測器的參數估計方法以及衛星輔助導航誤差補償方法。第5章，基于快速正交搜索和卡爾曼濾波的導航方法研究，主要介紹快速正交搜索算法、FOS/KF在大失準角初始對準中的應用以及FOS/KF在導航過程中應用。第6章，主子慣導誤差標定，主要介紹橫滾運動對系統可觀測的影響及主子慣導在線標定機動方式設計。本書由楊玉良、王志偉、吳大林、秦俊奇、狄長春和崔凱波合作撰寫。第1章由吳大林、崔凱波撰寫，第2章由楊玉良撰寫，第3章由秦俊奇撰寫，第4章由狄長春撰寫，第5、6章由王志偉撰寫。全書由楊玉良統稿。本書在編寫過程中，得到了陸軍工程大學石家莊校區石志勇教授、陳永才副教授的大力支持和幫助，在校對、排版及繪圖過程中，何健博士、方宇碩士、周默涵碩士做了大量的工作，同時本書還引用了許多專家學者的論文和著作，謹在此表示誠摯的感謝。限于作者學識，書中難免存在不足之處，懇請廣大讀者批評指正。
作者
2020年6月
目錄
第1章 定位定向系統及關鍵技術概述
1.1慣技術
1.2陸用定位定向系統
1.3初始對準
1.4自航
1.5衛星輔助導航
1.6在我標定
1.7旋轉調制
1.8參數估計
第2童定位定向系統誤美分析
2.1研究對象及所選坐標系
2.2捷聯慣導系統誤差模型
2.2.1慣傳感器測量誤差
2.2.2系統誤差方程
2.2.3系統非線誤差模型
2.3誤差傳播特分析
2.3.1陀螺常值源移傳播特
2.3.2加速度計零偏傳播特
2.3.3初始誤差傳播特
2.3.4初始對準過程中的誤差傳播特
2.4航位推算誤差模型
2.5晃動對慣組量測的影響分析
2.5.1Allan方差分析
2.5.2.靜基座慣組輸出特分析
2.5.3.角晃動對量測的影麗
2.5.4線振動對量測的影響
2.5.5外部干擾特分析
第3章 基于晃動補償方法的導航方法研究
3.1常用初始對準方法
3.1.1粗對準
3.1.2精對加
3.2基于晃動補償的自航初始對準
3.2.1基座晃動補償方法
3.2.2.基于見動補償方法的粗對準
3.2.3基于晃動補償方法的精對準
3.2.4試驗驗證
3.3基于晃動補償的零速修正方法
3.3.1傳統零速修正方法
3.3.2動態零速修正方法
3.3.3量測的準動態零建修正
3.3.4仿真對比
3.3.5試臉驗證
3.4里程計誤差補償
3.4.1里程計桿臂誤差補償
3.4.2仿真對比
3.4.3加速度計輔助的里程計量測誤差補償
3.4.4 試驗臉證
第4章基于衛星信息輔助的導航方法研究
4.1衛星輔助條件下的大失準角初始對準方法
4.1.1典型的大失準角動基座初始對準方法的缺陷
4.1.2.的大失灌角條件下的動基座對準方法
4.1.3試驗驗證
4.2基于非線觀測器的參數估計方法
4.2.1非線觀測器設計
4.2.2仿真對比
4.2.3試驗驗證
4.3衛星輔助導航誤差補償方法
4.3.1初始粗量測過程
4.3.2估計過程
4.3.3.試驗驗證
第5章基于快速正交搜索和卡爾曼濾波的
導航方法研究
5.1快速正交搜索算法
5.L.1系統模型建立
5.1.2詳細搜索過程
5.2 FOS/KF在大失準角初始對準中的應用
5.2.1大方位失準角誤差分析
5.2.2 FOS/KF在初始對準中的應用
5.2.3仿真對比
5.2.4試驗驗證
5.3FOS/KF在導航過程中的應用
5.3.1系統非線誤美模型
5.3.2 FOS/KF在導航定位中的應用
5.3.3 試驗驗證
第6章 主子慣導誤差標定
6.1橫滾運動對系統可觀測的影響
6.1.1可觀測及常用分析方法
6.1.2基于PWCS和初等變換的可觀測分析方法
6.1.3仿真分析
6.2主子慣導在線標定機動方式設計
6.2.1誤差標定常用方法
6.2.2主子慣導簡易標定方法
6.2.3角運動參數的選擇
6.2.4主子慣導標定方法
6.2.5仿真試驗
參考文獻
第1章定位定向系統及關鍵技術概述
1.1慣技術
20年以來，慣導航技術得到了長足的發展，被應用到各個領域中，成為最重要的導航方式之一。其主要經歷了以下幾個發展階段。（1）20世紀30年代之前。1923年休拉發表的論文《運載工具的加速度對于擺和陀螺儀的干擾》以牛頓三大定律為基礎，詳細闡述了休拉擺的原理。該論文為慣導航技術的發展奠定了理論基礎。（2）20世紀40年代以后。1940年以后，慣導航系統（INS）開始在裝備上實際應用，代表的是德國的V-Ⅱ火箭。1950年，麻省理工學院研制出了單自由度的液浮陀螺，并且達到了較高的精度，這臺慣導航系統的發展和應用奠定了基礎。20世紀60年代，隨著液浮陀螺技術的成熟臺慣導航系統被大量應用到民航飛機上。與此同時，美國開始了捷聯慣導系統（SINS）的探索，首先應用捷聯慣導系統的是“阿波羅”宇宙飛船。（3）20世紀70年代。1973年美國霍尼韋爾公司、羅克韋爾公司研制出了靜電陀螺，經過不斷，靜電陀螺的精度可以達到10-40/h，在失重條件下其精度更是能達到10-9~10-11o/h，由于靜電陀螺優異的能，此時美國多種型號的戰略導彈、戰略轟炸機上都采用靜電陀螺。與靜電陀螺同時出現的還有氣浮陀螺和磁懸浮陀螺，但是由于受到當時制造工藝的限制，精度不如靜電陀螺，所以沒有得一步的推廣和應用。（4）光纖陀螺和激光陀螺的出現。光學陀螺的出現將慣導航技術帶到了的新高度，是慣領域的大變革。光學陀螺的工作原理與機械陀螺有著本質的區別，可以達到更高的精度和可靠，并且可以應用到更多的領域中。由于光學陀螺的出現大大提高了捷聯慣導系統的精度，再加上體積小、結構簡單等優點，捷聯慣導系統在逐漸取臺慣導航系統。代表的就是美軍，1984年之前美軍所有武器裝備均采臺慣導航系統，而1994臺慣導航系統的使用率僅為10%，其余均為捷聯慣導系統。十年間捷聯慣導系統幾乎替代臺慣導航系統，捷聯慣導系統已然成為慣導航技術的發展方向。（5)21世紀以來，微機電系統(MEMS）的出現給慣導航領域注人了新鮮的血液，利用MEMS技術生產出來的慣器件不僅體積小，而且造價低廉，在軍用和民用領域都有很多應用。
1.2陸用定位定向系統
陸用慣導航系統由陸用陀螺羅盤發展而來。陀螺羅盤首先被應用于航海，由于地面武器系統的需要，美國工程兵測繪研究院于20世紀60年代研制出首臺陸用定位定向系統(PADS)，其定位精度可以達到20m，零速修正的時間間隔為10min。80年代初期美軍對該系行了更新換代，將原有的“A-200D”型加速度計更換為更高精度的“A-1000”型加速度計。另外，為了實時地估計補償陀螺常值漂移和加速度計零偏，在其參數估計過程中采用了14維的Kalman濾波器。隨著美軍對慣導航系統的不斷升級更新，歐洲各國也相繼開展了陸用定位定向系統的研發，如英國Ferranti公司推出的FILS系列、法國Sagem公司推出的ULISS30系列等。同一時期，Honeywell利用GG-1342型激光陀螺研發出了首臺捷聯慣導系統，該型捷聯慣導系統不僅具有較高的可靠，而且相比同精度臺慣導航系統，其成本僅為三分之一。捷聯慣導系統被應用到的陸用武器裝備為美軍的榴彈炮，自此之后捷聯慣導系統被廣泛應用到美國陸軍。隨后北約和歐盟又紛紛研制出更新型號的捷聯慣導系統，并應用到自行火炮、戰地偵察車、步兵戰車、火箭炮等武器系統上。表1-1為國外陸用定位定向系統的相關產品和應用領域。
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