内容简介
本书是作者团队在高超声速飞行器组合导航科研实践的基础上，结合发表的相关论文和申请的专利完成的。本书以高超声速助推-滑翔飞行器为研究对象，介绍了其惯性/卫星组合导航技术。全书共 8 章，包括高超声速飞行器及导航系统综述、导航算法基础、临近空间飞行器正常重力模型、捷联惯导系统、卫星导航系统、发惯系高超声速飞行器导航算法、发射系高超声速飞行器导航算法、高超声速飞行器导航系统半实物仿真等内容。本书可作为高等院校导航制导与控制、飞行器控制与信息工程、仪器仪表及相关专业的高年级本科生、研究生的教学用书和参考书，也可供从事相关专业的科研和工作人员阅读参考。
编辑推荐
本书由航天科技图书出版基金资助，是作者十多年从事临近空间高超声速飞行器科研教学实践成果的总结，也是国内在临近空间高超声速飞行器组合导航技术研究与实践方面宝贵经验的总结。
作者简介
陈凯，副教授，硕士生导师。主持国家重大专项“XX验证机飞控系统研究”、“XX-2验证机飞控系统研制”，负责卫星/惯性组合导航系统和算法设计，参加国家重大专项“×高超声速飞行器飞控系统”，负责卫星/惯性组合导航系统和算法设计，参加装发“×超音速大机动靶标”，负责卫星/惯性组合导航系统和算法设计，参加海军“×中高空靶标”，负责SINS/GNSS算法设计，参加自研“×战术靶标”，负责SINS/GNSS算法设计。主持航天科学技术基金：高超声速助推-滑翔飞行器捷联惯导算法设计，主持航天科技创新基金项目：×多表冗余激光惯组故障检测与诊断技术，主持航天支撑技术基金：×长航时惯性/多天文组合导航技术研究，主持航天支撑技术基金：×高精度智能容错组合导航算法研究，主持航空科学基金：×长航时高动态飞行器自主容错组合导航研究。出版专著3本，受理的相关专利4项，受理的美国专利1项，授权的相关专利1项。
前言
临近空间是指距地面20～100 km的空域，介于航空领域飞机飞行高度与空间轨道飞行器飞行高度之间，是从航空向航天过渡的区域，是“空”和“天”的纽带。无论是军事领域还是民用领域，临近空间飞行器都是重要的载体和平台，临近空间飞行器将是探索和开发临近空间的主角。临近空间飞行器包括临近空间浮空飞行器、超高空无人机、亚轨道飞行器、高超声速飞行器等。高超声速飞行器采用高超声速滑翔、火箭发动机或超燃冲压发动机推进技术，达到5倍声速以上的飞行速度，以实现高超声速、高机动性等功能。导航系统是高超声速飞行器的关键组成部分，单一的导航方法无法满足高超声速飞行器的导航需求，组合导航技术对于高超声速飞行器十分重要。针对不同的临近空间飞行器，世界各国学者尝试采用多种导航参考坐标系来设计临近空间导航算法。研究航空飞行器的学者乐于采用航空体系下的导航坐标系作为临近空间飞行器的参考坐标系；而研究航天飞行器的学者乐于采用航天体系下的导航坐标系作为临近空间飞行器的参考坐标系。本书力图证明各种导航参考坐标系间的关系，为临近空间飞行器导航参考坐标系的选择提供理论依据；并介绍一种发射系下高超声速飞行器的组合导航算法，为垂直发射水平飞行的高超声速飞行器提供一种新的导航算法方案，为科研工作者提供理论参考。本书共8章，主要内容如下：第1章，介绍了高超声速飞行器的特点，针对高超声速助推滑翔飞行器，本书指出，其飞行轨迹具有航天和航空的双重属性，具有双重的导航需求，本书主要探讨适用于垂直发射水平飞行的导航方式，提出新的算法解决思路。第2章，介绍了导航算法中需要的数学基础知识，特别是各坐标系之间的转换关系，为后续章节的展开奠定了数学基础。第3章，传统的航空惯性导航正常重力模型不再适用于临近空间，故本书系统论述了临近空间飞行器导航算法所需的正常重力模型。第4章，介绍了典型的捷联惯导系统，从捷联惯性导航算法编排和导航输出结果两个方面，证明了不同导航参考坐标系间导航算法的等价性，为高超声速助推滑翔飞行器导航系统选择发射坐标系作为导航参考坐标系提供了理论支撑。第5章，介绍了高超声速飞行器组合导航常用的卫星导航系统。第6章，系统地推导了发惯系下高超声速飞行器捷联惯导算法、对准算法、松耦合和紧耦合组合导航算法，并且推导了发惯系导航参数与当地水平坐标系导航参数的转换关系。第7章，系统地推导了发射系下高超声速飞行器捷联惯导算法、对准算法、松耦合和紧耦合组合导航算法，并且推导了发射系导航参数与当地水平坐标系导航参数的转换关系。第8章，以高超声速飞行器六自由度模型为基础，提出了利用惯组模拟器、卫星接收机模拟器等数据生成方法，通过数值仿真和半实物仿真，验证算法的正确性。本书力求逻辑严谨，思路清晰，所涉及的数学基础知识在书中均有介绍，所介绍的导航算法也均有详细的数学公式推导过程。注重理论与实际相结合，不仅有详尽的推导公式，还介绍了半实物仿真验证。既适用于初学者系统性地学习理论知识，也适用于指导工程实践。在本书编写期间，西北工业大学严恭敏、中航工业618所朱少华、中国航天科技集团有限公司1院12所徐帆和北京天兵科技有限公司朱正辉审阅了全书，给出了具体的修改意见与建议。孙晗彦、张宏宇、刘明鑫、周钧、梁文超、赵子祥、裴森森、曾诚之、房琰、杨睿华等做了大量文档和编程工作，在此表示衷心感谢。本书出版得到了航天科技图书出版基金和西北工业大学精品学术著作培育项目的资助,在此一并致谢。由于作者水平和实践经验的限制，书中难免有错误和不当之处，敬请读者批评指正。联系邮箱：chenkai@nwpu.edu.cn。陈凯2021年6月
目录
第1章 高超声速飞行器及导航系统综述11.1高超声速飞行器综述11.1.1美国高超声速飞行器综述21.1.2俄罗斯高超声速飞行器综述51.1.3中国高超声速飞行器综述61.1.4其他国家高超声速飞行器综述71.2高超声速飞行器导航系统综述81.2.1高超声速飞行器导航系统特点81.2.2高超声速飞行器导航特点分析111.3本书目的12第2章 导航算法基础132.1导航算法中的数学基础132.1.1矢量132.1.2矢量坐标转换132.1.3角速度矢量142.1.4反对称矩阵142.1.5角速度坐标转换152.1.6矢量和反对称矩阵的基本运算法则152.1.7小二乘法152.1.8非线性方程的线性化152.2坐标系162.2.1地心惯性坐标系162.2.2地心地固坐标系172.2.3载体坐标系172.2.4发射坐标系182.2.5发射惯性坐标系182.2.6发射地心惯性坐标系192.2.7当地水平坐标系192.3坐标系转换202.3.1欧拉角与转换矩阵202.3.2地心惯性坐标系与地心地固坐标系242.3.3发射坐标系与地心地固坐标系242.3.4地心惯性坐标系与发射坐标系242.3.5发射坐标系与载体坐标系242.3.6发射惯性坐标系与载体坐标系252.3.7发射惯性坐标系与发射坐标系262.3.8地心地固坐标系与当地水平坐标系282.3.9发射坐标系与当地水平坐标系292.4四元数292.4.1四元数的基础知识292.4.2四元数的表示方法302.4.3四元数的运算302.4.4转动四元数定理312.4.5四元数与姿态矩阵的关系322.5姿态、速度位置微分342.5.1姿态矩阵的微分342.5.2惯性坐标系中位置矢量的微分352.5.3惯性坐标系中速度矢量的微分352.6地球几何学362.6.1基本概念362.6.2卯酉圈曲率半径和子午圈曲率半径382.7地心地固坐标系中的坐标类型382.7.1大地坐标向空间直角坐标的转换392.7.2空间直角坐标向大地坐标的转换39第3章 临近空间飞行器正常重力模型413.1高阶地球重力场建模413.1.1球谐函数413.1.2球谐模型引力433.2临近空间正常重力模型453.2.1J2和J4模型453.2.2Somigliana公式473.2.3正常重力模型误差分析51第4章 捷联惯导系统574.1陀螺仪574.1.1光学陀螺仪的工作原理584.1.2激光陀螺仪584.1.3光纤陀螺仪594.2加速度计614.2.1比力与比力测量614.2.2挠性加速度计624.3惯性仪表误差的数学模型634.4典型的捷联惯导系统644.4.1HXINSF05系统的组成644.4.2HXINSF05工作原理654.4.3HXINSF05详细组成部件664.5航空捷联惯导算法机械编排724.5.1地心惯性坐标系中的捷联惯导机械编排734.5.2地心地固坐标系中的捷联惯导机械编排744.5.3当地水平坐标系中的捷联惯导机械编排754.6航天捷联惯导算法机械编排784.6.1发射惯性坐标系中的捷联惯导机械编排784.6.2发射坐标系中的捷联惯导机械编排804.7捷联惯导机械编排的等价性824.7.1算法编排的等价性824.7.2导航结果的等价性84第5章 卫星导航系统875.1GPS介绍885.1.1GPS体系结构885.1.2GPS信号905.1.3GPS观测量905.1.4GPS误差源925.1.5GPS增强系统955.2GPS卫星轨道975.2.1开普勒定律975.2.2开普勒轨道参数985.2.3GPS轨道参数995.3北斗卫星导航系统1005.3.1系统组成与服务1005.3.2卫星信号1025.3.3系统应用和发展103第6章 发惯系高超声速飞行器导航算法1056.1发惯系捷联惯导数值更新算法1056.1.1发惯系姿态更新算法1066.1.2发惯系速度更新算法1096.1.3发惯系位置更新算法1126.1.4发惯系更新算法总结1156.2发惯系捷联惯导数值更新简化算法1166.3发惯系捷联惯导误差方程1166.3.1发惯系姿态误差方程1166.3.2发惯系速度误差方程1176.3.3发惯系位置误差方程1186.4发惯系初始对准算法1186.5发惯系惯性/卫星组合导航算法1206.5.1发惯系惯导/卫星松耦合组合导航算法1206.5.2发惯系惯导/卫星紧耦合组合导航算法1226.5.3发惯系惯导/卫星组合导航算法仿真分析1276.6发惯系导航信息转换1346.6.1发惯系位置信息的转换1346.6.2发惯系速度信息的转换1356.6.3发惯系姿态信息的转换135第7章 发射系高超声速飞行器导航算法1377.1发射系捷联惯导数值更新算法1377.1.1发射系姿态更新算法1377.1.2发射系速度更新算法1387.1.3发射系位置更新算法1427.1.4发射系更新算法总结1457.2发射系捷联惯导误差方程1467.2.1发射系姿态误差方程1467.2.2发射系速度误差方程1477.2.3发射系位置误差方程1487.3发射系初始对准算法1487.3.1发射系静基座解析粗对准1487.3.2发射系抗晃动粗对准1497.3.3发射系卡尔曼滤波精对准1517.4发射系惯导/卫星组合导航算法1527.4.1发射系惯导/卫星松耦合组合导航算法1527.4.2发射系惯导/卫星紧耦合组合导航算法1567.4.3发射系惯导/卫星组合导航算法仿真分析1597.5发射系导航信息转换到当地水平坐标系1657.5.1发射系位置信息的转换1667.5.2发射系速度信息的转换1667.5.3发射系姿态信息的转换166第8章 高超声速飞行器导航系统半实物仿真1678.1高超声速飞行器半实物仿真系统概述1678.2高超声速飞行器轨迹发生器数学模型1688.2.1飞行器质心动力学方程1698.2.2飞行器绕质心转动动力学方程1708.2.3飞行器制导和控制方程1708.2.4飞行器六自由度模型补充方程1718.3半实物仿真中的导航模拟系统1728.3.1捷联惯导数据模拟器1728.3.2卫星导航数据模拟器1758.4半实物仿真中的导航数据模拟1878.4.1半实物仿真弹道数据1888.4.2半实物仿真中惯组模拟数据1888.4.3半实物仿真中卫星接收机模拟数据192参考文献199