目錄
第1章 概論 1
1.1 水下機器人與導(dǎo)航定位 1
1.1.1 水下機器人簡介 1
1.1.2 水下機器人導(dǎo)航定位的概念與作用 6
1.1.3 水下機器人導(dǎo)航系統(tǒng)分類 8
1.2 水下機器人導(dǎo)航定位系統(tǒng) 8
1.3 水下機器人典型導(dǎo)航設(shè)備和系統(tǒng) 9
1.3.1 國外水下機器人及導(dǎo)航定位系統(tǒng) 9
1.3.2 我國水下機器人及導(dǎo)航定位系統(tǒng) 15
第2章 水下機器人慣性元件與慣性測量單元 17
2.1 機械轉(zhuǎn)子陀螺儀 17
2.1.1 轉(zhuǎn)子陀螺儀角動量定理 18
2.1.2 定軸性、進動性和陀螺儀力矩 20
2.1.3 機械陀螺儀結(jié)構(gòu) 23
2.2 光學(xué)陀螺儀 24
2.2.1 Sagnac效應(yīng) 25
2.2.2 激光陀螺儀 25
2.2.3 光纖陀螺儀 27
2.3 微機械陀螺儀 28
2.3.1 概述 28
2.3.2 工作原理 28
2.4 加速度計 29
2.4.1 擺式加速度計 30
2.4.2 振梁式加速度計 32
2.5 慣性測量單元 32
2.6 慣性元件誤差特性 34
2.6.1 零偏與零漂 34
2.6.2 比例因子和交叉耦合誤差 36
2.6.3 隨機噪聲 37
2.6.4 慣性元件誤差模型 39
第3章 水下機器人航姿測量原理與系統(tǒng) 40
3.1 水下機器人導(dǎo)航定位常用坐標系 40
3.2 地球特征描述與位置表示 43
3.2.1 地球幾何形狀與自轉(zhuǎn)矢量 43
3.2.2 引力與重力 45
3.2.3 大地坐標系 45
3.2.4 投影坐標系 47
3.2.5 UTM網(wǎng)格坐標 48
3.2.6 位置坐標變換 51
3.3 姿態(tài)參數(shù)化表示與坐標系變換 53
3.3.1 參照系·目標系·投影系 54
3.3.2 矢量叉乘 54
3.3.3 歐拉角 54
3.3.4 姿態(tài)矩陣 56
3.3.5 單位四元數(shù) 58
3.3.6 旋轉(zhuǎn)矢量 60
3.3.7 地球慣性坐標系和地球坐標系間變換 61
3.3.8 地球坐標系和導(dǎo)航坐標系間變換 61
3.3.9 地球慣性坐標系和導(dǎo)航坐標系間變換 62
3.3.10 地球坐標系和當?shù)厍衅矫孀鴺讼甸g變換 62
3.4 水下機器人捷聯(lián)航姿系統(tǒng) 63
3.4.1 光纖捷聯(lián)航姿系統(tǒng)原理 63
3.4.2 姿態(tài)矩陣計算 64
3.4.3 重力捕獲與濾波 65
3.4.4 水下捷聯(lián)慣性航姿解算 65
3.5 水下機器人硅微航姿系統(tǒng) 67
3.5.1 地磁定向 67
3.5.2 磁強計原理 68
3.5.3 硅微航姿系統(tǒng)解算 69
3.5.4 硅微航姿系統(tǒng)誤差 70
第4章 水下機器人捷聯(lián)慣性導(dǎo)航原理與系統(tǒng) 73
4.1 慣性導(dǎo)航相關(guān)定義及分類 73
4.2 姿態(tài)微分方程 75
4.2.1 角速度 75
4.2.2 歐拉角微分方程 76
4.2.3 姿態(tài)矩陣微分方程 77
4.2.4 四元數(shù)微分方程 79
4.3 導(dǎo)航方程 79
4.3.1 笛卡兒位置 79
4.3.2 速度 80
4.3.3 加速度 81
4.3.4 地球系導(dǎo)航方程 81
4.3.5 導(dǎo)航系導(dǎo)航方程 82
4.4 指北方位捷聯(lián)慣導(dǎo)機械編排 83
4.4.1 姿態(tài)更新 83
4.4.2 導(dǎo)航更新 84
4.5 指北方位捷聯(lián)慣導(dǎo)誤差分析 86
4.5.1 姿態(tài)誤差方程 86
4.5.2 速度誤差方程 87
4.5.3 位置誤差方程 89
第5章 水下機器人聲學(xué)定位原理與系統(tǒng) 90
5.1 幾何定位原理 90
5.1.1 測距定位 90
5.1.2 測角定位 92
5.2 長基線水聲定位原理與系統(tǒng) 92
5.2.1 長基線水聲定位系統(tǒng) 93
5.2.2 長基線水聲定位原理 93
5.3 短基線水聲定位原理與系統(tǒng) 95
5.3.1 短基線水聲定位系統(tǒng) 95
5.3.2 短基線水聲定位原理 95
5.4 超短基線水聲定位原理與系統(tǒng) 96
5.4.1 超短基線水聲定位系統(tǒng) 96
5.4.2 超短基線水聲定位原理 97
第6章 水下機器人衛(wèi)星導(dǎo)航原理與系統(tǒng) 100
6.1 全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位要素 100
6.1.1 GNSS系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 100
6.1.2 GNSS導(dǎo)航電文 101
6.1.3 GNSS測距方法 103
6.1.4 GNSS導(dǎo)航信號 105
6.2 衛(wèi)星導(dǎo)航定位方程 106
6.2.1 偽距方程 106
6.2.2 定位方程 108
6.3 北斗衛(wèi)星星座組成 109
6.3.1 地球靜止軌道衛(wèi)星 109
6.3.2 傾斜地球同步軌道衛(wèi)星 110
6.3.3 地球中圓軌道衛(wèi)星及Walker星座 111
6.4 北斗衛(wèi)星位置計算 114
6.4.1 行星運動三大定律 114
6.4.2 二體問題與軌道根數(shù) 116
6.4.3 衛(wèi)星位置和速度計算 120
6.4.4 北斗衛(wèi)星星歷 122
6.4.5 基于衛(wèi)星星歷的北斗衛(wèi)星位置計算 124
6.5 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航單點定位精度評估 128
6.5.1 精度衰減因子 129
6.5.2 導(dǎo)航衛(wèi)星幾何分布 131
6.5.3 導(dǎo)航衛(wèi)星星座選擇 131
第7章 水下機器人組合導(dǎo)航原理與系統(tǒng) 133
7.1 水下機器人組合導(dǎo)航基本概念 133
7.2 水下機器人組合導(dǎo)航基礎(chǔ) 134
7.2.1 隨機變量相關(guān)概念 134
7.2.2 隨機向量相關(guān)概念 137
7.2.3 隨機過程相關(guān)概念 138
7.2.4 隨機系統(tǒng)相關(guān)概念 142
7.2.5 隨機系統(tǒng)狀態(tài)估計 151
7.3 水下機器人組合導(dǎo)航系統(tǒng) 160
7.3.1 水下機器人航速測量 160
7.3.2 水下機器人AHRS/DVL推位導(dǎo)航系統(tǒng) 169
7.3.3 大潛深A(yù)UV單信標水下組合導(dǎo)航系統(tǒng) 174
第8章 水下機器人海洋地球物理導(dǎo)航原理與系統(tǒng) 177
8.1 海洋地球物理傳感器 177
8.1.1 水下機器人潛深測量 177
8.1.2 海底地形高程測量 177
8.1.3 水下地磁測量 180
8.1.4 水下重力測量 180
8.2 海洋地球物理導(dǎo)航系統(tǒng) 181
8.2.1 海底地形導(dǎo)航系統(tǒng) 181
8.2.2 水下地磁導(dǎo)航系統(tǒng) 182
8.2.3 水下重力導(dǎo)航系統(tǒng) 183
8.3 海洋地球物理信息匹配 185
8.3.1 單波束測深匹配定位 185
8.3.2 多波束測深地形匹配 187
8.3.3 重磁單點匹配算法 189
參考文獻 192