本书围绕惯性/天文组合导航技术的有关概念、原理、方法与应用进行了系统论述:天文导航的基本知识、常用天体敏感器、星敏感器误差模型与补偿方法、星敏感器星图预处理与匹配识别方法、天文定姿方法、天文定位方法、天文导航系统数字仿真平台、SINS/CNS组合导航方法
惯性/天文组合导航很好地融合了两种导航系统的优势,形成了一种全自主、全天候、全空域、高精度的导航方式,具有巨大的发展潜力和应用前景,特别是在航空、航天飞行器导航、制导与控制方面,具有非常重要的作用。
《捷联惯性/天文组合导航技术》主要根据作者与课题组成员多年来的研究成果以及近年来国内外捷联惯性/天文组合导航技术的新进展撰写而成。全书共16章,重点围绕捷联惯性/天文组合导航系统的不同组合模式,从基本概念、基础理论与实际应用的角度,全面、系统地阐述了捷联惯性/天文组合导航系统的工作原理、设计理论与应用方法。为便于读者理解、掌握概念内涵,书中列举了大量详细的仿真实例。
《捷联惯性/天文组合导航技术》可作为从事导航、制导、控制及测控等领域的研究者和工程技术人员的参考书,也可作为高等院校相关专业高年级本科生和研究生的教材。
惯性导航系统(INS)依靠自身的惯性敏感器件(加速度计和陀螺仪)测量载体相对于惯性系的线速度和角速度信息,通过导航解算能够实时确定载体的位置、速度和姿态等导航参数。由于惯性导航具有自主性强、隐蔽性高、实时性好、短时精度高、输出信息完备、全天候工作、全球导航等优点,目前被广泛应用于海、陆、空、天、地等各类运载体的导航系统中。但由于受惯性器件精度的制约,惯导误差会随时间不断积累,仅依靠提高器件精度来保证惯性导航系统的精度,不仅成本高,而且难度大。
天文导航系统(CNS)属于环境敏感导航系统,利用天体敏感器对太空中已知星体(例如月球、太阳、火星、地球或者恒星)的观测,根据星体在天空中固有的运动规律来确定运载体在空间的航向、姿态和位置参数。与其他导航方式相比,天文导航具有精度高、误差不随时间积累、不易受外界干扰的特点。但是,天文导航易受工作环境限制,且导航信息实时性较差。
可见,惯性导航和天文导航都具有高度的自主性,且各有所长,在性能方面具有很强的互补性。
近年来,随着惯性器件、天体敏感器、现代控制理论、计算机及组合导航技术的不断发展,惯性导航、天文导航以及惯性/天文组合导航技术的发展也出现了一些新的特点,如捷联式惯导系统(SINS)以其体积小、质量轻、成本低、结构简单、可靠性高等优势,有取代平台式惯导系统的趋势;同时高精度天文间接敏感地平、数学地平、大视场小型化星敏感器、脉冲星天文导航技术、射电天文导航理论以及信息融合技术等也取得了很大的发展,这些新技术为惯性/天文组合导航系统的发展注入了新的活力。随着导航技术的发展以及应用需求的不断提高,对导航系统的自主性、隐蔽性、精确性和可靠性等方面提出了更高的要求。因此,捷联惯性/天文(SINS/CNS)组合导航受到了广泛关注并得到了快速发展,已成为组合导航技术发展的重要方向,具有很大的发展潜力和广阔的应用前景,特别是在各类航空、航天飞行器的导航和制导方面,具有非常重要的社会、经济和军事价值。本书正是为适应这些技术领域的应用需要而撰写的。
此前,国内外出版了一些涉及捷联惯性系统原理、天文导航系统原理或组合导航技术方面的专著与教材,绝大多数只用有限篇幅简要介绍了SINS/CNS组合导航的基本原理或组合方式,对SINS/CNS组合导航的理论、组合模式与应用方法的讲述不够系统、深入和全面。近年来,在国家自然科学基金(61673040、61233005,61074157、60304006、6111113 0198)、航空科学基金(20170151002、2015 ZC51038)、天地一体化信息技术国家重点实验开放基金(2015 SGIIT - KFJJ - DH - 01)、航天创新基金、航天支撑基金以及航空航天科研院所等项目的资助下,作者会同课题组成员对SINS/CNS组合导航技术进行了系统且深入的研究。本书是对这些研究成果的系统汇总,同时又吸取了国际最新研究成果,围绕SINS/CNS组合导航技术的有关概念、原理与应用方法进行了系统论述。编写过程中,注重从易于读者理解和工程应用的角度出发,反映当前SINS/CNS组合导航技术应用的新技术、新成就及今后的发展趋势。
全书共1 6章,主要内容包括绪论、天文导航预备知识、常用的天体敏感器、星敏感器误差建模与补偿方法、星敏感器星图预处理与星图识别方法、天文定姿方法、天文定位方法、天文导航系统的数字仿真方法、捷联惯导系统工作原理及其误差方程、捷联惯导系统的数字仿真方法、SINS/CNS组合导航模式、SINS/CNS组合导航在弹道导弹中的应用方法、SINS/CNS组合导航在巡航导弹中的应用方法、SINS/CNS组合导航在深空探测中的应用方法、SINS/CNS/VNS组合导航在火星车中的应用方法、X射线脉冲星天文导航在火星探测器地火转移段的应用方法等内容。
本书是作者及课题组多年研究成果的结晶。书中部分内容采用了课题组祝佳芳,王鑫、吴小娟、管叙军、詹先军、马闪、明轩等人攻读硕士学位期间的研究成果。此外,本书部分内容还参考了国内外同行专家学者的最新研究成果,作者在此对他们表示诚挚的感谢!
在本书编写过程中,作者还得到了北京航空航天大学房建成院士、国防科工局探月中心吴伟仁院士以及清华大学顾启泰教授的大力支持和帮助,在此一并致谢。
尽管作者力求使本书能更好地满足读者的需求,但因内容涉及面广,限于作者水平,书中错误和疏漏之处,诚望读者批评指正。
王新龙,2002年获得北京航空航天大学精密仪器及机械专业博士学位,2004年博士后出站后留校任教,现为北京航空航天大学宇航学院教授、博士生导师、高精度智能导航与制导技术实验室责任教授。长期从事控制科学与工程、导航制导与控制专业的科学研究与教学工作。主要研究方向包括:惯性导航、天文导航、GNSS卫星导航及其组合导航技术:卫星导航软件接收机设计与开发技术:全源智能导航技术:集群协同高精度实时导航制导与通信技术。先后主持完成国家自然科学基金(5项)、国家863高技术项目、国家重点研发计划项目、科技专项基金等科研项目共40余项,获部级科技成果一等奖1项、三等奖3项,撰写《惯性导航基础》《捷联式惯导系统动、静基座初始对准》《SINS/GPS组合导航技术》《GPS接收机硬件实现方法》4部学术著作,在国内外学术刊物及会议上发表论文160余篇,其中60余篇被SCI/EI检索,获授权发明专利17项。
第1章 绪论
1.1 天文导航的概念、分类及特点
1.1.1 天文导航的概念
1.1.2 天文导航系统分类
1.1.3 天文导航技术特点
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
1.2.2 惯性/天文组合导航模式
1.3 组合导航系统中卡尔曼滤波器总体结构
第2章 天文导航预备知识
2.1 导航天文学
2.1.1 天体
2.1.2 天体的星等
2.1.3 星表与星图
2.2 球面三角学
2.2.1 球面几何基础
2.2.2 球面三角形
2.3 天文导航常用坐标系
2.3.1 天球上的基本点、线、圆
2.3.2 天球赤道坐标系
2.3.3 地平坐标系
2.3.4 黄道坐标系
2.4 时间系统
2.4.1 时间的基本概念
2.4.2 各种时间系统
2.5 小结
第3章 常用的天体敏感器
3.1 星跟踪器
3.1.1 基本结构与跟踪星体原理
3.1.2 导航应用方法
3.2 星敏感器
3.2.1 分类及性能特点
3.2.2 基本结构与工作原理
3.2.3 误差源
3.3 地球敏感器
3.3.1 分类及性能特点
3.3.2 基本结构与工作原理
3.3.3 误差源
3.4 太阳敏感器
3.4.1 分类及性能特点
3.4.2 基本结构与工作原理
3.4.3 误差源
3.5 紫外敏感器
3.5.1 应用与发展概况
3.5.2 分类及性能特点
3.5.3 基本结构与工作原理
3.6 X射线探测器
3.6.1 应用与发展概况
3.6.2 分类及性能特点
3.6.3 基本结构与工作原理
3.7 小结
第4章 星敏感器误差建模与补偿方法
4.1 动态误差建模与补偿方法
4.1.1 运动模糊建模
4.1.2 运动模糊星图复原方法
4.1.3 性能验证
4.2 温度误差建模与在线补偿方法
4.2.1 星敏感器温度误差建模
4.2.2 星敏感器温度误差在线补偿方法
4.2.3 性能验证
4.3 小结
第5章 星敏感器星图预处理与星图识别方法
5.1 星图预处理方法
5.1.1 星图去噪
5.1.2 星图分割
5.1.3 星点质心提取
5.2 星图识别方法
……
第6章 天文定姿方法
第7章 天文定位方法
第8章 天文导航系统的数字仿真方法
第9章 捷联惯导系统工作原理及其误差方程
第10章 捷联惯导系统的数字仿真方法
第11章 SINS/CNS组合导航模式
第12章 SINS/CNS组合导航在弹道导弹中的应用方法
第13章 SINS/CNS组合导航在巡航导弹中的应用方法
第14章 SINS/CNS组合导航在深空探测中的应用方法
第15章 SINS/CNS/VNS组合导航在火星车中的应用方法
第16章 X射线脉冲星天文导航在火星探测器地火转移段的应用方法
附录
参考文献