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内容简介

《导航定位基础》主要针对卫星导航和惯性导航，兼顾天文导航、线电导航以及其他导航的定位方法（如信息匹配导航），对所涉及的基础性知识进行综合介绍，具体包括导航定位概述、坐标系统与时问系统、惯性导航基础、导航卫星轨道基础、导航定位数据处理基础、地球重力场与地磁场、地图投影的基本概念等。

目录

目录
前言
第1章 导航定位概述 1
1.1 导航的概念 1
1.2 导航定位技术的发展历程 2
1.3 主要导航定位方法的基本原理 7
1.3.1 天文导航 7
1.3.2 线电导航定位 10
1.3.3 卫星导航定位 11
1.3.4 惯性导航 12
1.3.5 组合导航 15
1.4 本书的内容组织 15
第2章 坐标系统与时间系统 17
2.1 地球坐标系 17
2.1.1 地球形状与参考椭球 17
2.1.2 大地坐标系 21
2.1.3 天文坐标系 23
2.1.4 几个相关概念 24
2.1.5 地心地固坐标系 28
2.1.6 我国的地球坐标系简介 31
2.2 地心惯性坐标系 34
2.2.1 天球的基本概念与天球坐标系 34
2.2.2 地心惯性坐标系 39
2.3 其他常用坐标系 41
2.3.1 当地水平坐标系 41
2.3.2 载体坐标系 41
2.3.3 载体坐标系与当地水平坐标系的转换 41
2.4 时间系统 44
2.4.1 世界时系统 44
2.4.2 原子时系统 48
第3章 惯性导航基础 50
3.1 刚体在空间角位置的表示 50
3.1.1 方向余弦表示法 50
3.1.2 欧拉角表示法 56
3.2 动量矩、动量矩定理及欧拉动力学方程 60
3.2.1 刚体的转动惯量 60
3.2.2 动量矩及动量矩定理 61
3.3 复合运动、科氏加速度、比力 67
3.3.1 复合运动及科氏加速度 67
3.3.2 比力 72
3.4 舒勒原理 74
3.5 Sagnac效应 77
第4章 导航卫星轨道基础 79
4.1 卫星运动的二体问题轨道 79
4.1.1 开普勒三定律 80
4.1.2 卫星的轨道根数 82
4.1.3 卫星轨道的三种近点角及其关系 83
4.1.4 二体问题下的卫星位置与速度计算 85
4.2 导航卫星轨道的摄动影响 88
4.2.1 地球非球形引力摄动 89
4.2.2 日、月引力摄动 90
4.2.3 太阳光压摄动 91
4.2.4 潮汐摄动 91
4.2.5 导航卫星轨道的摄动综合影响 92
4.3 导航卫星的广播星历及卫星位置计算 93
第5章 导航定位数据处理基础 96
5.1 测量误差与测量精度的基本概念 96
5.1.1 测量误差 96
5.1.2 偶然误差的特性与精度指标 98
5.2 协方差传播 110
5.2.1 协方差传播 110
5.2.2 协因数阵及协因数传播 112
5.3 最小二乘法 114
5.4 卡尔曼滤波 116
第6章 地球重力场与地球磁场 121
6.1 地球重力场 121
6.1.1 重力及重力位函数 122
6.1.2 地球的正常重力场与正常重力 131
6.2 地球磁场 134
6.2.1 地磁要素与地磁场构成 134
6.2.2 地磁场空间分布的表示方法 137
第7章 地图投影的基本概念 145
7.1 地图投影的变形与地图投影的分类 145
7.1.1 地图投影变形 146
7.1.2 地图投影的分类 148
7.2 常用地图投影的基本概念 150
7.2.1 墨卡托投影 150
7.2.2 高斯投影 152
7.2.3 兰勃特投影 155
参考文献 158

精彩书摘

　　《导航定位基础》：
　　1.2导航定位技术的发展历程
　　导航定位的历史与人类自身发展的历史一样久远。人类的导航定位活动源自于其生活和生产的需要。陆地上的导航定位最早发生在人类祖先外出寻找食物或狩猎的过程中，那时，他们通常在沿途设置一些特殊的“标记”来解决回家迷路的问题。随着探索遥远地域的愿望与行动的出现，他们则通过观察和利用自然地标（如山峰、河流、树木、岩石等）以及自然天体（恒星）来解决导航定位问题，这也使得他们能够翻越高山、跨越河流。
　　人类的航海活动极大地促进了导航定位技术的发展。早期的海上航行，船员们白天主要是利用眼睛观测并保持海岸线始终在其视线之内来完成导航任务，这种方法后来被称为海岸线导航（CoastalNavigation）。如果需要在夜间航行，他们则通过观测和参考天上星体来进行定位。通过测量特定的恒星与地平线的夹角，可以直接得到所在位置的纬度，这就是早期的天文导航。大约在公元前2世纪，人类历史上出现了第一部与航海有关的星历（Ephemeris）以及星盘（Astrolabes）。然而，由于缺乏海图，在海上航行中确定位置过程仍然是一件很复杂事情，甚至人们无法知道其在海上的具体位置。为此，人们绘制出了描述海岸、陆地标志和船舶停靠地的图表供海岸线导航使用。出于同样的原因以及航海安全的考虑，人们还建起了灯塔（其中最著名的是建于公元前3世纪的亚历山大港灯塔）。到15世纪初，海岸线导航已经比较成熟并成为近海航行者使用的导航定位重要手段。但是，对于远洋的航行者而言，由于海岸线不可见和早期的天文定位方法只能提供纬度的限制，人们想要确定远海航行时船舶所在的位置仍然是一件十分困难的事情。
　　中国人早在战国时期（公元前475～前221年）就利用磁石指南北的特性制作出了“司南”并用于确定南北方位。北宋期间（公元960～1127年），人们制作出了指南针并广泛应用到航海中，用于船舶航向的指示。人们将指南针与刻度盘结合，制作出罗盘，使得在能见度不好的天气条件下船舶的航行仍然能够保持航向。早期中国人航海所用的是磁针浮于水面的“水罗盘”。12世纪，磁指南针由中国传入欧洲，欧洲人在此基础上进行改进，大约在1300年发展出具有固定支点的磁针并安装在干盒中的“旱罗盘”，成为真正意义上的航海用指南针。船员可通过自身的经验来估计在一段航行中的时间以及船舶的速度，以此得到船舶航行的距离，并根据罗盘给出的方向信息（或者是通过观测天体得到的方位信息）来进行船舶运动的相对定位，当起始位置已知时，就可以得到船舶所在的位置。这种利用测量航行的方位及距离来估计相对位置的方法称为航位推算（DeadReckoning，DR）。
　　船舶的海上航行是导航定位最初的、也是最重要应用领域。当船舶在茫茫大海上航行时，由于不像陆地那样有许多的参照物，此时，海图对于正确引导船舶的远海航行便具有重要作用，对于航海中的导航定位，仅有确定的位置而没有相应的海图来表现和引导船舶是不完整的。因此，从11世纪开始，陆续出现了展现海岸线轮廓以及指南针标记的用于航海指向的地图（海图），但是还没有一种方法能将地球表面展成为平面。16世纪中叶，墨卡托（GerhardMercator）发明了以他的名字命名的投影方法——墨卡托投影。这种投影方法是将地球表面投影到一个圆柱面上后再将其展开为平面，墨卡托投影最重要的特点是使得地球表面上方向为常值的一条航线投影后在平面上为一条直线，这一重要进步给航海者提供了一个最简单的绘制航线的办法。
　　利用早期的天文导航方法（测量天体的高度角）可以确定所在位置的纬度。但是，因为没有可用的技术，在海上确定所在位置的经度仍然是不可能的事情。直到18世纪，这种情况才出现改变。按照地球24h绕自转轴旋转一周（360°），也就是说每小时旋转15°，人们发现，如果能够确定两地的本地时间差，就可以确定两地的经度差。对于当时的航海而言，为了确定所在位置的经度，研制精确的时钟便成为当时的重要工作，这种精确的时钟称为航海钟（或航海计时器）。1761年，英国人JohnHarrison制作的航海计时器“H4”经过海上实验测试，81天的时间仅差5s。利用航海计时器，人们通过观测天文现象，并比较所在点观测的时间与参考点观测到同一现象的时间，可以得到两地的经度差。这一方法有效地解决了航海中的经度确定问题。直到20世纪初使用无线电发射时间信号前，欧洲和美国的一些天文台还一直沿用通过精密计时器来确定经度的方法。后来，无线电发射的时间信号以光速传播，极大地提高了时间传递的精度，对定位精度的改进发挥了极为重要的作用。
　　无线电技术的出现和发展，开创了导航定位技术发展的新时代。除了发射时间信号外，无线电信号的另一方面的重要应用便是作为一个新的地面“标志物”（地标），它摆脱了天气、季节、能见度和环境等因素的制约，为人们提供了一种导航定位服务的新方法。1912年出现世界上第一个无线电导航设备，它是基于无线电测向技术，即通过所安装的旋转天线和被探测到无线电信号的最大功率来确定“标志物”的方向，因此，它也被称为无线电罗盘。这种基于无线电测向的导航技术的发展，从20世纪初一直延续到第二次世界大战期间，其特点是工作可靠、指示明确、使用方便，测向能力优于定位能力。随着本地振荡器或原子钟的快速发展，陆续发展了一些利用无线电信号进行导航定位的新方法。从第二次世界大战到20世纪60年代，各种无线电导航系统相继出现。这些无线电导航系统通过载体上的接收系统，接收来自位置已知的地面台站发射的无线电信号进行定位。
　　……

前言/序言

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