《捷联惯性天文组合导航技术》王新龙，杨洁，赵雨楠|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《捷联惯性天文组合导航技术》

【作　者】王新龙，杨洁，赵雨楠

【页 数】 388

【出版社】 北京：北京航空航天大学出版社 , 2021.05

【ISBN号】978-7-5124-3408-0

【价 格】160.00

【分 类】航空导航-天文导航

【参考文献】 王新龙，杨洁，赵雨楠. 捷联惯性天文组合导航技术. 北京：北京航空航天大学出版社, 2021.05.

图书封面：

图书目录：

《捷联惯性天文组合导航技术》内容提要：

本书共16章，重点围绕捷联惯性天文组合导航系统如何实现高精度定姿、定位与组合方法等关键问题，从技术理论与实际应用的角度，全面、系统地阐述了捷联惯性天文组合导航技术在弹道导弹、巡航导弹、深空探测器、火星车等方面的设计理论与应用方法。

《捷联惯性天文组合导航技术》内容试读

第1章绪论

导航系统的作用是为载体提供有时间参照的位置、速度和姿态信息，不仅是车辆、飞机、卫星、船舶等运动载体正常航行的重要保障，而且在大地测量、资源探测、地理信息系统等众多技术领域发挥着重要作用。构建全天候工作、全空域、隐蔽性好、导航精度高、数据更新率高的自主导航系统，对于国民经济发展和国防现代化建设，都具有非常重要的意义。

惯性导航作为一种自主导航方式，具有抗干扰能力强、实时性好、不受地域限制等优点，因而具有广阔的应用空间，但由于其提供的位置、速度和姿态误差随时间不断积累，故难以作为独立的高精度导航系统。

卫星导航作为现代无线电导航的主要方式，具有“三定一弱”的特征，即由特定信标以特定频率播发特定格式的导航电文，而导航信号极其微弱。该特征决定了卫星导航系统易受攻击和抗干扰性能较弱，单独使用时存在技术风险。

天文导航具有误差不随时间积累、自主性和抗干扰能力强等优点，是飞机、卫星、导弹、远洋航海和深空探测等应用领域的重要导航手段；地基无线电导航系统的作用距离有限，存在服务盲区、远程导航精度较低、易遭受攻击等缺陷。

其他导航方式如视觉导航、景象匹配导航、地形匹配导航等通常为有限应用环境下的辅助导航方式。

现代信息化战场的空天导航战，使以卫星导航为主的各种无线电导航系统受到严重威胁。复杂的战场电磁环境要求导航系统具有较强的自主性和抗干扰能力。而惯性导航与天文导航

具有完全自主、隐蔽性好、抗干扰能力强且互补性强的优势。因此，近年来惯性/天文(IS

CS)组合导航受到广泛关注，并得到快速发展，具有很大的发展潜力和广阔的应用前景，已成

为组合导航技术发展的重要方向。

下面从天文导航技术特点、惯性/天文组合导航的优势、组合模式及信息融合方法等方面对惯性/天文组合导航技术展开介绍。

1.1天文导航的概念、分类及特点

1.1.1天文导航的概念

天文导航是以太阳、月球、行星和恒星等自然天体作为导航信标，通过天体敏感器被动探测天体位置，以确定测量点位置、航向与姿态信息的技术与方法。

天文导航始于航海，通过探测天体的可见光或射电信息，对天体视坐标的角位置进行跟踪、观察和测量，进而根据天体视位与时间的关系为舰船提供船位和航向信息。随着科学技术的发展，天文导航的应用逐渐从航海拓展到航空和航天等领域。在航空和航海中，天文导航所测定的天体位置不是由所观测天体在天球上的位置（用赤经和赤纬描述）来决定的，而是由这些天体在观测时刻所对应的天体投影点位置（用时角和赤纬描述）来决定的。在观测中，以天

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捷联惯性/天文组合导航技术

体为参考点，确定运载体在空中或海上的真航向。使天体跟踪器的望远镜自动对准天体方向，可测出运载体前进方向与天体方向（望远镜轴线方向）之间的夹角，即航向角。由于天体在任

一瞬间相对于南北子午线之间的夹角（天体方位角）是已知的，因此从天体方位角中减去航向角就可得到运载体的真航向。同时，通过测量天体相对于运载体参考面的高度，就能确定运载体的位置。在航天领域，星敏感器作为目前天文导航最常用的姿态测量器件，以恒星作为姿态测量的观测目标，能够输出相对于惯性坐标系的三轴姿态信息，能够为载体的姿态控制系统提供高精度的姿态信息；如果辅以高精度的水平基准，还可为载体提供高精度的位置信息。

按所观测天体数目的多少，天文导航分为单星导航、双星导航及三星导航。为了提高精度，实际上往往需要观测3个以上的天体。各天体之间的方位角差最好在60°~90°范围内（越接近90°越好)，高度（仰角）最好在15°一65°范围内。

按星体的光谱范围分，天文导航可分为星光导航和射电天文导航。观测天体的可见光进行导航的即星光导航，而接收天体辐射的射电信号（不可见光）进行导航的即射电天文导航。前者可解决高精度昼夜全球自动化导航定位，后者可克服阴雨等不良天气影响，通过探测射电信号进行全天候天文定位。

1.1.2天文导航系统分类

根据测星定位、定向原理的不同，天文导航系统可分为以下三种类型：

1.基于六分仪原理的天文导航系统

第二次世界大战前，天文定位是主要的导航手段，许多舰船都配备了天文导航的各种仪表、天文钟和手持航海六分仪。通过测量某一时刻太阳或其他天体与海平线或地平线的夹角，便可迅速得到舰船或飞机所在位置的经、纬度。使用六分仪测量经、纬度的前提是当前时间已知。先用六分仪测量出某天体（一般用太阳）上中天时的地平高度，再查阅天文年历了解当天该天体的赤道坐标，就可以得出该地的纬度；而经度的测量，则可以通过比较太阳上中天时地方时（通过查阅天文年历得出）与出发地的时间之差得出。此外，六分仪也可在沿岸航行时通过观测两个地面物标之间水平夹角在海图上定位。六分仪最大的缺点是受天气的影响较大，不能在阴雨天使用。另外，在制造过程中会不可避免地引入机械误差，这也是限制六分仪精度的一个因素。

2.基于“高度差法”的天文导航系统

基于“高度差法”的天文导航系统最早用于水面舰船和水下潜艇，后来陆续用于飞机和导弹。从工作原理来看，其共同特点如下：①导航过程要依赖于惯导平台提供的水平基准。它同惯导相互依存，既要通过惯导获得运载体的初始位置、姿态，以便实施对星体的搜索、捕获和跟踪，又要利用自身解算出的运载体位置和航向信息，反过来校正惯导因长时间工作而导致的位置和航向误差：②系统光学分辨率高，抑制背景噪声能力强，因而导航精度高。

3.基于星图识别的多星矢量定位天文导航系统

基于多星矢量定位技术的天文导航系统的最大优点是可以不借助于任何先验信息而自主确定运载体相对于惯性空间的姿态。系统的工作过程主要由大视场成像、多星体目标同步提

捷联惯性/天文组合导航技术

可见光测星定位与射电测星定位相结合的方向发展，从传统的小视场测星定位向小视场测星定位与大视场测星定位相结合的方向发展，以提高天文导航系统的精度和数据输出率，实现天文导航系统的高精度、自主、全天候和多功能化，满足各种应用平台的需要。

1.2惯性/天文组合导航的优越性与组合模式

1.2.1惯性/天文组合导航的优越性

惯性导航系统(INS)是一种完全自主的导航技术，具有短时精度高、输出连续、抗干扰能

力强、导航信息完整等优点。但由于存在陀螺仪和加速度计等误差因素，其导航误差随时间积累，故难以长时间独立工作。虽然近年来惯性器件和系统技术得到了飞速发展，但在高精度、远程、长航时的导航应用中，惯导系统仍然需要误差不随时间增长的外部信息源来校正其误差。

天文导航系统(CS)是利用对星体的观测，根据星体在天空中固有的运动规律来确定飞

行载体在空间的运动参数，其突出优点是自主性强、隐蔽性好、精度高、无姿态累积误差等，但也存在输出信息不连续、易受气象条件影响、无法提供速度信息等缺陷。

可见，惯性导航、天文导航各有优缺点，将两者结合起来进行组合导航，可以实现优势互补。惯性/天文组合导航以惯性导航为主体，利用天文导航系统的量测信息对惯导误差进行估计、校正，进而获得高精度的导航信息。概括起来，惯性/天文组合导航具有以下优势：

(1)导航精度高

由于天文导航系统姿态测量精度可以达到角秒级，因此惯性/天文组合导航系统理论上能够达到很高的导航精度，特别适用于远程、长航时的飞行器，如长航时无人机、空天往返飞行器、临近空间飞行器等。

(2)使用范围广

惯性/天文组合导航不受地域、空间和时域的限制，海、陆、空、天和水下航行运载体皆可使用，发展空间极其广泛，可实现全球、全天候的自主导航。

(3)自主性强、隐蔽性好、可靠性高

惯性/天文组合导航系统以恒星作为观测目标，根据恒星在天空中的固有运动规律来确定载体在空间的参数，通过与惯性导航信息结合，进而获得信息融合后的导航信息，是一种完全自主的导航方式：无需与外界通信，不向外辐射能量，隐蔽性高：恒星在空间的运动规律不受人为破坏，不怕外界电磁干扰，这也从根本上保证了系统的可靠性。

对于远程、长航时的飞行器（如长航时无人机、远程轰炸机、高超声速飞行器、近地空间飞行器等)，利用星敏感器提供的高精度姿态信息对惯导系统进行校正，并对惯性器件的漂移进行补偿，从而可实现高精度导航。

对于飞行器机动发射尤其是水下发射，惯性/天文组合导航系统具有其独特的优越性。在机动发射或水下发射时，由于作战条件的限制，初始定位瞄准难以精确，也难以确切知道发射点的位置，这些因素将给导航系统带来初始条件误差，如初始定位误差、初始调平误差、初始瞄准误差等。采用惯性/天文组合导航系统，可在发射前进行快速粗略对准与调平，在飞行中利用星敏感器进行修正，如再与发射时间联系起来，就能确定出发射点的经纬度。由于惯性/天

第1章绪论

文组合系统具有这种优点，特别适用于机动发射或水下发射的远程巡航或者弹道导弹。

对于远程弹道导弹，惯性/天文组合导航系统不仅可以用于弹头分离后的中段导航，还可用于再人段的末制导来修正风的影响。

惯性/天文组合导航系统也特别适用于跨海飞行的飞行器。对于跨海飞行的飞行器，海上往往缺乏特征明显的导航参照物，而天文导航系统是利用星体的天然辐射作为导航的信息源，因此特别适用于海上定位导航。

可见，惯性/天文组合导航以其特有的优越性，越来越受到广泛重视，近年来得到了飞速发展，也已成为组合导航系统的重要组成部分。

1.2.2惯性/天文组合导航模式

目前，按照组合方式的不同，惯性/天文组合导航可以分为以下4种模式：简单组合模式、基于陀螺仪漂移校正的组合模式、深组合模式、基于全面最优校正的组合模式。

1.惯性/天文简单组合模式

在惯性/天文简单组合模式中，惯导系统独立工作，提供位置、速度、姿态等导航信息：基于星图匹配的星敏感器能够自主确定载体相对于惯性空间的姿态，并与惯导系统提供的基准信息相结合，可获得载体的位置、姿态信息。然后，利用天文导航系统输出的位置信息，直接对惯导系统输出的位置进行校正，从而可有效提高惯导系统的精度。其原理如图1.1所示。

2.基于陀螺仪漂移校正的组合模式

大视场星敏感器可以在不需要任何外部基准信息的前提下，输出高精度的惯性姿态信息。星敏感器利用惯导系统提供的辅助信息可以得到载体在地理系下的姿态信息，再与惯导系统输出的姿态信息相结合，利用最优估计算法估计并补偿惯导系统中陀螺仪漂移误差，从而能够有效地修正惯导系统的导航误差。基于陀螺仪漂移校正的组合模式由惯导系统、天文导航系统、信息融合模块构成，其原理如图1.2所示。

惯导系统

导航输出

导航输出

惯导系统

校正

位置

信息融合

基准

信息

信息

天文导航

姿态信息

天文导航

位置/姿态

系统

系统

姿态误差、陀螺仪漂移

图1.1简单组合模式原理图

图1.2基于陀螺仪漂移校正的组合模式原理图

惯导系统利用惯性器件的输入，解算出飞行器的位置、速度和姿态信息，并利用信息融合模块提供的平台失准角、陀螺仪漂移误差对惯导解算过程进行校正。

>惯导系统为信息融合模块提供地理系姿态信息，向天文导航模块提供位置信息。>天文导航系统利用大视场星敏感器直接输出飞行器相对于惯性系的姿态信息，并在惯导系统提供的位置信息辅助下输出地理系姿态信息，向信息融合模块提供姿态信息。

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捷联惯性/天文组合导航技术

>信息融合模块采用卡尔曼(Kalman)滤波算法进行信息融合：首先利用天文导航系统和惯导系统提供的姿态信息求得平台失准角；然后以惯导系统误差方程为状态方程，将平台失准角作为观测量进行卡尔曼滤波，得到平台失准角和陀螺仪漂移误差的估计值，并用导航误差的估计值对惯导解算过程进行校正。

3.深组合模式

在深组合模式中，惯导系统与天文导航系统相互辅助进行导航。惯性导航系统在天文导航系统的辅助下，输出高精度的地平信息；天文导航系统在惯导系统提供的地平信息的辅助下，输出高精度的位置、姿态信息：再将惯导系统和天文导航系统的位置、姿态输出作为量测信息，利用卡尔曼滤波算法对位置误差、姿态误差进行估计、校正，以提高组合导航系统的精度。其原理如图1.3所示。

惯导系统

导航输出

惯导系统：利用惯性器件的输出计算载体的位置、速度和姿态信息，但是纯惯导

地平

系统的导航误差随时间发散。因此，利用

信息

信息融合

信息融合模块提供的估计结果对惯导解算

天文导航

位置、姿态

系统

过程进行修正，可以补偿陀螺仪漂移引起

位置误差、姿态误差

的导航误差，进而向天文导航系统提供高

陀螺仪漂移

精度的地平信息。同时，惯导系统为信息

图1.3深组合模式原理图

融合模块提供位置、姿态信息作为量测信息。

天文导航系统：利用大视场星敏感器确定载体相对惯性空间的姿态信息，并在惯导提供的地平信息的辅助下，确定载体在天球上投影点的赤经、赤纬，进而得到载体的经、纬度坐标，完成天文定位。天文导航系统向信息融合模块输出位置信息和相对惯性空间的姿态信息

信息融合模块：惯导系统和天文导航系统都可以输出载体的位置信息和姿态信息，将惯导系统和天文导航系统输出信息的差值作为卡尔曼滤波器的量测信息，可以对惯导系统的误差进行估计，进而利用估计结果对惯导系统的位置、姿态误差进行校正。

4。基于全面最优校正的组合模式

星光折射间接敏感地平方法是一种低成本、高精度的地平确定方法。该方法利用飞行器的轨道动力学模型、高精度的星敏感器和大气折射模型，精确敏感地平，进而可以实现高精度

的定位。美国20世纪90年代投入使用的MADAN导航系统就利用了星光折射间接敏感地

平原理。利用天文导航系统实现对惯导系统的全面最优校正必须解决高精度自主地平信息的获取问题，即天文导航系统定位时所依赖的地平信息不应来自惯导系统，且精度保持稳定，不随时间漂移。而基于星光折射间接敏感地平的解析天文定位方法，解决了天文导航系统高精度自主地平信息的获取问题。这样，天文导航系统就可利用高精度的地平信息确定载体的姿态、位置信息，进而与惯导系统解算出的姿态、位置信息进行信息融合，全面估计系统误差，不仅可以校正位置、姿态误差，补偿惯性器件误差，而且可以补偿初始对准等其他因素引起的误差。其原理如图1.4所示。

···试读结束···