本书系统开展了地面车辆组合导航技术及方法研究。全书共分为6章，包括定位定向系统及关键技术概述、定位定向系统误差分析、基于晃动补偿方法的导航方法研究、基于卫星信息辅助的导航方法研究、基于快速正交搜索和卡尔曼滤波的导航方法研究、主子惯导误差标定。本书可供从事惯导航系统设计、制造、试验及应用的工程技术人员以及大学、大专院校的师生使用。
前言
为提高地面车辆导航定位精度，在系统中加入了捷联惯导设备，为车辆定位定向提供了基准。尽管车辆姿态会由于行驶过程中产生的巨大振动而产生变化，捷联惯导系统也可以敏感出姿态变化量，反馈给控制系统自动完归位。地面车辆的另一个优势就是出众的机动，这使得车辆可以实现“打了就走，边走边打”，大大提高了其战场生存能力。而惯导航系统大大缩短火炮的射击准备时间一步提高了自行火炮的作战效率。本书以某型自行火炮炮载光纤陀螺定位定向系统和载惯导为研究对象，为提高定位精度、改善装备作战能，分别针对几种不同导航方行了研究，并提出了相应的解决方案。全书共分为6章。第1章，定位定向系统及关键技术概述，主要介绍惯技术、陆用定位定向系统、初始对准、自航以及卫星辅助导航等方。第2章，定位定向系统误差分析，主要介绍研究对象及所选坐标系、捷联惯导系统误差模型、误差传播特分析、航位推算误差模型以及晃动对惯组量测的影响分析。第3章，基于晃动补偿方法的导航方法研究，主要介绍常用初始对准方法、基于晃动补偿的自航初始对准、基于晃动补偿的零速修正方法以及里程计误差补偿。第4章，基于卫星信息辅助的导航方法研究，主要介绍卫星辅助条件下的大失准角初始对准方法、基于非线观测器的参数估计方法以及卫星辅助导航误差补偿方法。第5章，基于快速正交搜索和卡尔曼滤波的导航方法研究，主要介绍快速正交搜索算法、FOS/KF在大失准角初始对准中的应用以及FOS/KF在导航过程中应用。第6章，主子惯导误差标定，主要介绍横滚运动对系统可观测的影响及主子惯导在线标定机动方式设计。本书由杨玉良、王志伟、吴大林、秦俊奇、狄长春和崔凯波合作撰写。第1章由吴大林、崔凯波撰写，第2章由杨玉良撰写，第3章由秦俊奇撰写，第4章由狄长春撰写，第5、6章由王志伟撰写。全书由杨玉良统稿。本书在编写过程中，得到了陆军工程大学石家庄校区石志勇教授、陈永才副教授的大力支持和帮助，在校对、排版及绘图过程中，何健博士、方宇硕士、周默涵硕士做了大量的工作，同时本书还引用了许多专家学者的论文和著作，谨在此表示诚挚的感谢。限于作者学识，书中难免存在不足之处，恳请广大读者批评指正。
作者
2020年6月
目录
第1章 定位定向系统及关键技术概述
1.1惯技术
1.2陆用定位定向系统
1.3初始对准
1.4自航
1.5卫星辅助导航
1.6在我标定
1.7旋转调制
1.8参数估计
第2童定位定向系统误美分析
2.1研究对象及所选坐标系
2.2捷联惯导系统误差模型
2.2.1惯传感器测量误差
2.2.2系统误差方程
2.2.3系统非线误差模型
2.3误差传播特分析
2.3.1陀螺常值源移传播特
2.3.2加速度计零偏传播特
2.3.3初始误差传播特
2.3.4初始对准过程中的误差传播特
2.4航位推算误差模型
2.5晃动对惯组量测的影响分析
2.5.1Allan方差分析
2.5.2.静基座惯组输出特分析
2.5.3.角晃动对量测的影丽
2.5.4线振动对量测的影响
2.5.5外部干扰特分析
第3章 基于晃动补偿方法的导航方法研究
3.1常用初始对准方法
3.1.1粗对准
3.1.2精对加
3.2基于晃动补偿的自航初始对准
3.2.1基座晃动补偿方法
3.2.2.基于见动补偿方法的粗对准
3.2.3基于晃动补偿方法的精对准
3.2.4试验验证
3.3基于晃动补偿的零速修正方法
3.3.1传统零速修正方法
3.3.2动态零速修正方法
3.3.3量测的准动态零建修正
3.3.4仿真对比
3.3.5试脸验证
3.4里程计误差补偿
3.4.1里程计杆臂误差补偿
3.4.2仿真对比
3.4.3加速度计辅助的里程计量测误差补偿
3.4.4 试验脸证
第4章基于卫星信息辅助的导航方法研究
4.1卫星辅助条件下的大失准角初始对准方法
4.1.1典型的大失准角动基座初始对准方法的缺陷
4.1.2.的大失灌角条件下的动基座对准方法
4.1.3试验验证
4.2基于非线观测器的参数估计方法
4.2.1非线观测器设计
4.2.2仿真对比
4.2.3试验验证
4.3卫星辅助导航误差补偿方法
4.3.1初始粗量测过程
4.3.2估计过程
4.3.3.试验验证
第5章基于快速正交搜索和卡尔曼滤波的
导航方法研究
5.1快速正交搜索算法
5.L.1系统模型建立
5.1.2详细搜索过程
5.2 FOS/KF在大失准角初始对准中的应用
5.2.1大方位失准角误差分析
5.2.2 FOS/KF在初始对准中的应用
5.2.3仿真对比
5.2.4试验验证
5.3FOS/KF在导航过程中的应用
5.3.1系统非线误美模型
5.3.2 FOS/KF在导航定位中的应用
5.3.3 试验验证
第6章 主子惯导误差标定
6.1横滚运动对系统可观测的影响
6.1.1可观测及常用分析方法
6.1.2基于PWCS和初等变换的可观测分析方法
6.1.3仿真分析
6.2主子惯导在线标定机动方式设计
6.2.1误差标定常用方法
6.2.2主子惯导简易标定方法
6.2.3角运动参数的选择
6.2.4主子惯导标定方法
6.2.5仿真试验
参考文献
第1章定位定向系统及关键技术概述
1.1惯技术
20年以来，惯导航技术得到了长足的发展，被应用到各个领域中，成为最重要的导航方式之一。其主要经历了以下几个发展阶段。（1）20世纪30年代之前。1923年休拉发表的论文《运载工具的加速度对于摆和陀螺仪的干扰》以牛顿三大定律为基础，详细阐述了休拉摆的原理。该论文为惯导航技术的发展奠定了理论基础。（2）20世纪40年代以后。1940年以后，惯导航系统（INS）开始在装备上实际应用，代表的是德国的V-Ⅱ火箭。1950年，麻省理工学院研制出了单自由度的液浮陀螺，并且达到了较高的精度，这台惯导航系统的发展和应用奠定了基础。20世纪60年代，随着液浮陀螺技术的成熟台惯导航系统被大量应用到民航飞机上。与此同时，美国开始了捷联惯导系统（SINS）的探索，首先应用捷联惯导系统的是“阿波罗”宇宙飞船。（3）20世纪70年代。1973年美国霍尼韦尔公司、罗克韦尔公司研制出了静电陀螺，经过不断，静电陀螺的精度可以达到10-40/h，在失重条件下其精度更是能达到10-9~10-11o/h，由于静电陀螺优异的能，此时美国多种型号的战略导弹、战略轰炸机上都采用静电陀螺。与静电陀螺同时出现的还有气浮陀螺和磁悬浮陀螺，但是由于受到当时制造工艺的限制，精度不如静电陀螺，所以没有得一步的推广和应用。（4）光纤陀螺和激光陀螺的出现。光学陀螺的出现将惯导航技术带到了的新高度，是惯领域的大变革。光学陀螺的工作原理与机械陀螺有着本质的区别，可以达到更高的精度和可靠，并且可以应用到更多的领域中。由于光学陀螺的出现大大提高了捷联惯导系统的精度，再加上体积小、结构简单等优点，捷联惯导系统在逐渐取台惯导航系统。代表的就是美军，1984年之前美军所有武器装备均采台惯导航系统，而1994台惯导航系统的使用率仅为10%，其余均为捷联惯导系统。十年间捷联惯导系统几乎替代台惯导航系统，捷联惯导系统已然成为惯导航技术的发展方向。（5)21世纪以来，微机电系统(MEMS）的出现给惯导航领域注人了新鲜的血液，利用MEMS技术生产出来的惯器件不仅体积小，而且造价低廉，在军用和民用领域都有很多应用。
1.2陆用定位定向系统
陆用惯导航系统由陆用陀螺罗盘发展而来。陀螺罗盘首先被应用于航海，由于地面武器系统的需要，美国工程兵测绘研究院于20世纪60年代研制出首台陆用定位定向系统(PADS)，其定位精度可以达到20m，零速修正的时间间隔为10min。80年代初期美军对该系行了更新换代，将原有的“A-200D”型加速度计更换为更高精度的“A-1000”型加速度计。另外，为了实时地估计补偿陀螺常值漂移和加速度计零偏，在其参数估计过程中采用了14维的Kalman滤波器。随着美军对惯导航系统的不断升级更新，欧洲各国也相继开展了陆用定位定向系统的研发，如英国Ferranti公司推出的FILS系列、法国Sagem公司推出的ULISS30系列等。同一时期，Honeywell利用GG-1342型激光陀螺研发出了首台捷联惯导系统，该型捷联惯导系统不仅具有较高的可靠，而且相比同精度台惯导航系统，其成本仅为三分之一。捷联惯导系统被应用到的陆用武器装备为美军的榴弹炮，自此之后捷联惯导系统被广泛应用到美国陆军。随后北约和欧盟又纷纷研制出更新型号的捷联惯导系统，并应用到自行火炮、战地侦察车、步兵战车、火箭炮等武器系统上。表1-1为国外陆用定位定向系统的相关产品和应用领域。
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