本书从大导航的理念出发，结合信息控制技术发展，着眼导航依托的各种物理基础，全面阐述导航的基本理论与方法，并将导航信息的使用纳入导航原理知识体系。全书共分9章，具体内容包括：导航的基本概念和参数描述，导航的数学基础与物理基础，导航的测角、测距、测速、定位原理，多源组合导航原理，以及运行体的控制实现和应用。
前 言
导航是对运行体导引与控制的一项科学技术，作为一门应用性学科伴随着科技的发展而不断进步。初期使用目视推算和天文观测等方法，出现了磁罗盘、陀螺罗盘、天文六分仪、计程仪和计时器等导航装置。无线电技术的发明对导航技术产生了划时代的影响，20世纪20年代出现了无线电罗盘和高度表等导航设备。第二次世界大战前后，由于民用航空与军用航空发展需要，无线电导航迅速发展，仪表着陆系统、精密进场雷达、罗兰A、台卡、伏尔、塔康、罗兰C和奥米伽等无线电导航系统相继问世，1964年开始建成了子午仪卫星导航系统，此后相继建成了GPS、GLLONASS、BDS等卫星导航系统。人类活动范围的不断扩展带来了对导航技术的巨大需求，各种新型导航体制不断出现，从卫星导航系统，到新一代地形辅助、天文导航等自主导航系统，再到全源导航、生物导航、认知导航、量子导航等，导航的水平能力显著提高，不仅改善了运行体航行保障功能，也为武器平台精确定位和制导系统的精确打击创造了条件。
技术的发展催生理论的形成。虽然导航是基于电、光、力、磁、声等各种物理基础的应用性技术，但它仍然伴随着科技的进步在不断延伸和完善，特别是向着多传感器组合、多
前 言
导航是对运行体导引与控制的一项科学技术，作为一门应用性学科伴随着科技的发展而不断进步。初期使用目视推算和天文观测等方法，出现了磁罗盘、陀螺罗盘、天文六分仪、计程仪和计时器等导航装置。无线电技术的发明对导航技术产生了划时代的影响，20世纪20年代出现了无线电罗盘和高度表等导航设备。第二次世界大战前后，由于民用航空与军用航空发展需要，无线电导航迅速发展，仪表着陆系统、精密进场雷达、罗兰A、台卡、伏尔、塔康、罗兰C和奥米伽等无线电导航系统相继问世，1964年开始建成了子午仪卫星导航系统，此后相继建成了GPS、GLLONASS、BDS等卫星导航系统。人类活动范围的不断扩展带来了对导航技术的巨大需求，各种新型导航体制不断出现，从卫星导航系统，到新一代地形辅助、天文导航等自主导航系统，再到全源导航、生物导航、认知导航、量子导航等，导航的水平能力显著提高，不仅改善了运行体航行保障功能，也为武器平台精确定位和制导系统的精确打击创造了条件。
技术的发展催生理论的形成。虽然导航是基于电、光、力、磁、声等各种物理基础的应用性技术，但它仍然伴随着科技的进步在不断延伸和完善，特别是向着多传感器组合、多信息融合、自主决策控制一体化方向进步，具有了很强的多学科交叉运用的特性，使得导航在探测传感、航迹规划、制导控制等方面逐步形成了一套特有的方法理论体系，亟待专业人员总结凝练、系统完善。本书的出版正是适应这一实际需求，力图为导航理论体系的构建尽己之力。
目前，已经公开出版了一些导航原理与系统的教材与读物，但笔者认为大多数原理性的书籍都只是在介绍导航系统的原理，缺乏方法论上的概括提升，没有全面、深入阐述导航的基本理论。而本书力图从大导航的理念出发，结合信息控制技术发展，从导航依托的各种物理基础着眼，全面阐述导航的基本理论与方法，并将导航信息的使用纳入导航原理知识体系，适应现代信息与控制学科交叉发展的实际要求，更加完整地构建起导航工程专业人才的专业理论基础。本教材内容是在编著者将导航原理与导航系统教学内容分开的基础上构建的，这在国内尚属首次。
全书共9章。第1章是绪论，介绍了导航的基本概念、名词术语、发展与运用历史；第2章与第3章是导航原理学习的数学基础与物理基础；第4章至第7章介绍了导航的测角、测距、测速、定位原理，是本书的核心内容；第8章介绍的是多源组合导航原理；第9章介绍了运行体的控制实现。本书的撰写采取的是分工主笔、合作研讨、共同确定的方式，注重发挥了集体智慧的作用。其中，吴德伟教授提出了全书的编写纲目并主笔了第1章、第3章、第4章，陈树新教授主笔了第2章、附录并编写了第6章、第8章部分内容，卢虎副教授主笔了第5章、第6章、第8章，胡奕明副教授主笔了第9章并编写了第3章、第4章部分内容，代传金讲师主笔了第7章并编写了第9章部分内容，吴德伟、陈树新教授完成了全书的统编定稿工作。在编撰过程中，中国工程院费爱国院士、北京航空航天大学黄智刚教授审阅了书稿，给予了热情的指导和帮助，提出了许多宝贵的意见和建议，在此编写组成员深表感激和谢意！本书的编写还得到杨春燕副教授、戚君宜副教授、张辉副教授以及空军工程大学信息与导航学院相关同志的大力支持与帮助，在此一并致谢！
受作者能力与水平的限制，本书所提供的导航理论知识，可能无法满足各类读者对导航理论基础全面认识的需求，内容编排方式可能更适合于大专院校导航专业教学及导航专业技术人员的学习，当然也力求照顾到便于非专业人员参考使用。本书在撰写过程中参考了大量的文献资料，谨向文献资料的作者表示最诚挚的谢意。书中有部分内容源自作者承担的国家自然科学基金研究成果。
本书是陕西省精品课程“导航原理”的主用教材，该教材配套的教学辅助资料包括：供教师使用的“导航原理课程电子教案”，供实践教学使用的“导航原理实验讲义”，供课后学习和辅导使用的“导航原理习题集”和“导航原理习题解答”。
对书中的错误与疏漏之处，敬请读者不吝批评指正。
编著者
2014年11月
吴德伟，空军级专家、教授、博士生导师，长期从事导航工程专业教学科研工作，历任导航专业教员、室主任、系主任，现任军用导航国家级实验教学示范中心主任、军用导航军队重点实验室主任，《仪表与微波着陆系统》军队优质课程负责人，《导航原理》省级精品课程负责人；主讲《导航原理》、《导航系统》和《导航装备》等课程。
第1章 绪论1
1.1 导航的概念1
1.1.1 定义1
1.1.2 对象1
1.1.3 任务2
1.2 导航的参量2
1.2.1 时空参量2
1.2.2 角度参量3
1.2.3 距离参量5
1.2.4 速度参量6
1.3 位置线与位置面6
1.3.1 等角位置线、位置面6
1.3.2 等距位置线、位置面7
1.3.3 等距差位置线、位置面8
1.3.4 等距和位置线、位置面8 第1章 绪论1
1.1 导航的概念1
1.1.1 定义1
1.1.2 对象1
1.1.3 任务2
1.2 导航的参量2
1.2.1 时空参量2
1.2.2 角度参量3
1.2.3 距离参量5
1.2.4 速度参量6
1.3 位置线与位置面6
1.3.1 等角位置线、位置面6
1.3.2 等距位置线、位置面7
1.3.3 等距差位置线、位置面8
1.3.4 等距和位置线、位置面8
1.3.5 位置线典型应用9
1.4 导航的发展与运用11
1.4.1 惯性导航12
1.4.2 无线电导航13
1.4.3 天文导航14
1.4.4 其他导航16
1.5 本书的结构21
复习和作业题121
第2章 导航的数学基础22
2.1 坐标及其变换22
2.1.1 惯性坐标系22
2.1.2 地球坐标系23
2.1.3 运行体及平台坐标系25
2.1.4 直角坐标系间的旋转
变换27
2.1.5 极坐标系28
2.2 运动状态描述29
2.2.1 微分多项式模型29
2.2.2 匀速运动模型30
2.2.3 匀加速运动模型31
2.2.4 其他运动模型31
2.3 导航误差分析基础32
2.3.1 标量描述33
2.3.2 矢量描述34
2.3.3 位置线误差及其特性36
2.4 导航参量估计方法38
2.4.1 非线性方程的线性化38
2.4.2 最小二乘法41
2.4.3 卡尔曼滤波45
2.5 小结48
复习和作业题248
第3章 导航的物理基础50
3.1 导航信号50
3.1.1 描述方法50
3.1.2 伪随机序列52
3.2 多普勒效应54
3.2.1 收发一方运动的
多普勒效应54
3.2.2 收发双方同时运动的多普勒
效应55
3.2.3 多普勒效应在导航中的应用56
3.3 无线电信号56
3.3.1 信号特性57
3.3.2 传播方式58
3.3.3 信道特性分析60
3.3.4 电波传播对无线电导航信号的
影响62
3.3.5 场地环境对无线电导航信号的
影响63
3.4 光场探测68
3.4.1 光电探测系统69
3.4.2 光接收机原理70
3.5 陀螺仪与加速度计73
3.5.1 力学基础73
3.5.2 陀螺仪原理75
3.5.3 加速度计原理78
3.6 重力场基础79
3.7 地磁场基础80
3.8* 相对论影响82
3.9 小结85
复习和作业题385
第4章 导航测角原理86
4.1 振幅式导航测角87
4.1.1 振幅式无线电导航测角天线
方向图87
4.1.2 振幅式无线电导航测角方法
分类92
4.1.3 振幅式无线电导航测角误差
分析96
4.1.4 振幅式光学测角100
4.2 相位式导航测角101
4.2.1 相位式无线电导航测角101
4.2.2 相位式无线电导航测角误差
分析105
4.3 时间式导航测角107
4.3.1 时间式无线电导航测角107
4.3.2 时间式无线电导航测角误差
分析111
4.4 频率式导航测角112
4.4.1 频率式无线电导航测角112
4.4.2 偏流角测量的准确度分析114
4.5 惯性力学测角114
4.5.1 水平面内的陀螺寻北原理114
4.5.2 非水平面内的陀螺寻北原理116
4.5.3 陀螺寻北的误差分析119
4.6 地磁感应测角120
4.6.1 罗航向和罗差120
4.6.2 地磁感应测角原理121
4.7 小结123
复习和作业题4123
第5章 导航测距原理125
5.1 测距概述125
5.1.1 基本概念125
5.1.2 测距分类126
5.2 无线电导航测距128
5.2.1 脉冲式测距128
5.2.2 码相关测距130
5.2.3 频率式测距133
5.3 无线电导航测距差142
5.3.1 脉冲式测距差142
5.3.2 相位式测距差143
5.3.3 脉冲/相位式测距差144
5.3.4 多普勒积分测距差144
5.4 光学导航测距145
5.4.1 主动式测距145
5.4.2 被动式测距146
5.5 气压测高147
5.5.1 飞行高度147
5.5.2 气压高度表模型148
5.5.3 气压高度表误差补偿149
5.6 导航测距理论的发展149
5.7 小结150
复习和作业题5150
第6章 导航测速原理151
6.1 主动式导航测速151
6.1.1 单波束多普勒测速152
6.1.2 双波束多普勒测速153
6.1.3 多波束多普勒测速155
6.1.4 多普勒测速的准确度分析157
6.1.5 声相关测速159
6.2 被动式导航测速160
6.2.1 惯性导航测速160
6.2.2 卫星导航测速161
6.2.3 电磁测速163
6.2.4 航空动压测速164
6.2.5 视频（觉）测速168
6.3 小结170
复习和作业题6170
第7章 导航定位原理171
7.1 几何式导航定位171
7.1.1 几何式导航定位基础172
7.1.2 测距导航定位179
7.1.3 测距差导航定位184
7.1.4 测向导航定位186
7.1.5 复合式导航定位190
7.2 推算导航定位193
7.2.1 惯性推算导航定位193
7.2.2 多普勒雷达推算导航定位195
7.3 匹配导航定位196
7.3.1 匹配导航定位基础197
7.3.2 一维线匹配导航定位202
7.3.3 二维面匹配导航定位209
7.4 小结210
复习和作业题7211
第8章 多源组合导航原理212
8.1 数据融合与组合导航212
8.1.1 多传感器数据融合212
8.1.2 组合导航的概念213
8.2 组合导航的性能分析213
8.2.1 一般结构213
8.2.2 信息分配准则214
8.2.3 精度分析215
8.2.4 可靠性分析216
8.3 组合导航应用形式217
8.3.1 典型配置结构217
8.3.2 性能分析221
8.4 组合导航理论的发展222
8.5 小结223
复习和作业题8223
第9章 飞行器导航控制应用224
9.1 概述224
9.2 飞行控制原理226
9.2.1 飞行状态描述及其实时感知226
9.2.2 飞行操纵方式227
9.2.3 飞行控制方法228
9.2.4 飞机姿态控制230
9.2.5 飞行轨迹控制232
9.3 导航控制系统应用236
9.3.1 自动航线飞行控制236
9.3.2 自动进近与着陆飞行控制240
9.4 小结249
复习和作业题9249
附录A 导航术语中英对照表250
附录B 随机过程与噪声264
B.1 随机过程的统计描述264
B.2 平稳随机过程266
B.3 高斯随机过程267
B.4 噪声268
参考文献270
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