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王威 著

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• 导航
• 定位
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• GPS
• 北斗
• 惯性导航
• SLAM
• 传感器
• 算法
• 测量

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030431448

版次：1

商品编码：11615904

包装：平装

开本：16开

出版时间：2015-02-01

用纸：胶版纸

页数：159

字数：204000

正文语种：中文

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

《风帆与星辰：古今航海的奇迹》 内容简介 在人类文明的长河中，对未知海洋的探索从未停止。从早期先民们凭借直觉和简陋工具驶向茫茫大海，到如今卫星导航的精准无误，《风帆与星辰：古今航海的奇迹》将带您踏上一段穿越时空的壮丽旅程，探寻人类征服海洋的智慧与勇气。这本书并非一本技术手册，它聚焦于那些塑造了航海史，并深刻影响了人类文明进程的故事、人物和科技。 第一章：听风的歌谣——早期航海者的智慧 我们将从那些最先敢于离开海岸线的人们说起。他们如何在没有精密仪器的情况下，依靠对风向、洋流、云朵变化以及海鸟迁徙习性的敏锐观察，来判断方向和距离？我们会深入了解太平洋岛民如何在广阔的水域中，通过“导航石”（Navigational Stones）——这些被精心放置的珊瑚礁或火山岩，以及对特定星辰在不同季节的升起和落下顺序的记忆，实现跨越数千公里的精确航行。这不是简单的运气，而是世代传承的智慧，是与自然深度共鸣的成果。本书将描绘波利尼西亚人如何以独木舟作为交通工具，征服地球上最广阔的海洋，他们的航海技术和精神，至今仍令世人惊叹。 第二章：风暴与罗盘——地中海文明的崛起 地中海，作为古代世界的重要十字路口，孕育了辉煌的文明。腓尼基人、希腊人、罗马人，他们是如何利用有限的工具，在地中海这片相对封闭的海域内建立起庞大的贸易网络和军事力量？本章将重点讲述“罗盘”这一关键发明在航海史上的意义。虽然我们知道它的起源可能更为古老，但它在中世纪被广泛应用于海上导航，彻底改变了航海的模式，使船只不再完全依赖海岸线和太阳。我们会探讨早期的罗盘如何制作，以及它如何帮助航海者在阴天或夜间也能大致辨别方向，从而极大提高了航海的安全性和效率。同时，我们也将回顾古希腊和罗马时期，如伊比利亚半岛、北非等地与欧洲大陆之间频繁的海上往来，这些活动如何促进了文化、商品和技术的交流，塑造了欧洲早期的文明格局。 第三章：巨舶与星图——地理大发现的序曲 当欧洲的航海者们开始将目光投向更遥远的未知水域时，新的技术和知识开始汇聚。本章将深入剖析，在地理大发现时代，航海家们如何将已有的导航知识与新发现的工具相结合，开启了探索世界的篇章。我们会详细介绍“星盘”（Astrolabe）在航海中的应用。星盘不仅能测量天体的高度，还能用于确定纬度，这是实现远洋导航的关键一步。想象一下，在茫茫大海上，一位经验丰富的船长，在漆黑的夜空下，手持星盘，细致地观测着北极星或南十字星的高度，计算出船只所处的纬度，这种感觉是何等的神圣与精确！我们还将探讨“航海图”（Portolan Charts）的演进，这些精细的地图绘制，虽然在今天看来不够准确，但在当时却是无价之宝，它们记录了已知海岸线、港口、岛屿以及航行时的注意事项，极大地增强了航海的可行性。本书会带您重温哥伦布、麦哲伦、达伽马等伟大航海家的冒险经历，以及他们所依赖的航海知识和技术。 第四章：六分仪与计时器——精确时代的到来 随着航海技术的进步，对精度的要求越来越高。本章将聚焦于17世纪至19世纪，航海家们如何依靠更先进的仪器，将导航的精度推向新的高峰。六分仪（Sextant）的发明和普及，是这个时代的标志。与星盘相比，六分仪更为轻便、易于操作，且测量精度更高，它使得在海上测量天体高度，进而确定纬度，变得更加快捷和可靠。但真正的挑战在于确定经度。这个问题困扰了航海界数百年，直到约翰·哈里森（John Harrison）发明了精确的船用计时器（Marine Chronometer）。本书将详细讲述哈里森与他的计时器“H4”的传奇故事，以及这个看似简单的装置如何彻底解决了经度测量难题，将人类的航海能力提升到了前所未有的水平。精确的计时器意味着船只可以在远离陆地的情况下，也能准确知道自己所处的经度，这为全球性的贸易和殖民扩张奠定了坚实的基础。 第五章：电磁波的低语——现代导航的黎明 进入20世纪，电磁波的发现和应用，为航海带来了革命性的变革。本章将介绍早期无线电导航系统的发展，如“无线电信标”（Radio Beacons）和“测向仪”（Direction Finders）。这些系统利用无线电信号，让船只即使在能见度极差的天气下，也能与陆地上的基站进行通信，并获取方向信息。我们会探讨这些技术的原理，以及它们在战争和商业航运中的作用。尽管这些技术已经为后来的卫星导航奠定了基础，但它们本身就代表了人类利用无形力量进行导航的重大突破，将人类的感知范围，从肉眼可见的世界，扩展到了电磁波所能抵达的每一个角落。 第六章：星辰的指引，数据的洪流——现代航海的脉络 如今，我们生活在一个由卫星导航主导的时代。本章将深入浅出地介绍“全球定位系统”（GPS）、“格洛纳斯”（GLONASS）、“伽利略”（Galileo）等全球导航卫星系统的原理。我们将解释这些系统是如何通过多颗卫星协同工作，利用微小的信号时间差，为地球上的每一个接收器提供精确的三维位置信息。本书将强调，现代导航并非仅仅是GPS，它是一个复杂而庞大的技术生态系统，包含了先进的卫星技术、地面控制站、数据处理算法以及海量的计算能力。我们将探讨这些技术如何渗透到航海的每一个层面，从大型货轮的自动化航线规划，到小型渔船的精准捕捞，再到海上搜救的快速响应，无不受益于此。同时，我们也将回顾这些技术的发展历程，以及它们如何以前所未有的方式，将世界紧密地连接在一起。 第七章：未来的航向——智能与自主的探索 未来的航海将走向何方？本章将展望智能导航和自主航行技术的发展。我们将讨论人工智能、机器学习在航海中的应用，如何实现更智能的路径规划、更精准的风险预测，以及更高效的燃油管理。本书将探讨无人驾驶船舶的潜力，它们将如何改变全球贸易的格局，以及对海上安全和环保带来的影响。我们还将触及其他新兴的导航技术，如量子导航的初步研究，以及它们可能为未来航海带来的颠覆性变革。这并非遥不可及的科幻，而是正在发生的科技前沿。 《风帆与星辰：古今航海的奇迹》旨在通过讲述一个个鲜活的故事，展现人类在探索海洋过程中所展现出的无畏精神、卓越智慧和不懈追求。它告诉我们，每一次远航的成功，都凝聚了无数人的心血和创新，而正是这些探索，最终汇聚成了今天我们所见的，一个更加互联、更加精彩的世界。这本书适合所有对海洋、历史、科技以及人类探索精神感兴趣的读者。它将带您体会从仰望星辰到依赖卫星的转变，感受人类文明在征服海洋的道路上，所留下的壮丽印记。

评分☆☆☆☆☆

阅读《导航定位基础》这本书，我最大的收获是理解了“基础”二字的深意。这本书并非一本简单的使用指南，而是为读者构建了一个从零开始的知识体系。作者从最根本的地理坐标系、大地测量学出发，逐步深入到各种导航技术的原理。我以前对“地图投影”的概念感到十分困惑，但书中通过图文并茂的方式，清晰地解释了不同投影方式的原理和适用场景，让我恍然大悟。此外，书中对误差分析的讲解也格外细致，它让我意识到，任何测量系统都存在误差，而如何有效地识别、量化和减小误差，是提高导航定位精度的关键。从单频到多频，从伪距到载波相位，从卡尔曼滤波到粒子滤波，这些专业术语虽然一开始让我有些吃力，但作者通过层层递进的讲解，让我逐渐掌握了核心概念。这本书不仅让我了解了GPS是如何工作的，还让我对北斗、GLONASS等其他卫星导航系统有了更全面的认识，并理解了它们在不同应用领域中的优势和局限性。

评分☆☆☆☆☆

《导航定位基础》这本书，让我对“定位”这个行为有了全新的认识。以前我总觉得，只要打开手机地图，输入目的地，导航软件就会指引我前进。但这本书让我明白，这背后涉及的远不止如此。它详细介绍了地球的形状模型，以及我们如何将其投影到平面地图上，这是最基础的一步。然后，书中深入探讨了各种定位技术，比如卫星导航系统（GNSS）的原理，包括信号的传播、接收和解算过程。我还了解到，不同的GNSS系统，如GPS、GLONASS、Galileo等，各有特点，在实际应用中可能会根据需求进行组合。更让我惊奇的是，书中还提到了惯性导航系统（INS），它不依赖外部信号，而是通过测量载体的加速度和角速度来推算位置。这对于GPS信号受限的环境，如地下隧道或水下，具有重要意义。书中还详细分析了各种误差源，如大气延迟、多径效应、接收机噪声等，以及如何通过滤波和校准等技术来减小这些误差，提高定位精度。这本书的严谨性和全面性，让我对导航定位的复杂性和重要性有了深刻的认识。

评分☆☆☆☆☆

初次拿到《导航定位基础》这本书，我本来是抱着一种谨慎而好奇的心态。导航和定位，这两个词听起来就带着一种高科技的神秘感，似乎是只有专业人士才能触及的领域。我之前对这方面的了解仅限于GPS导航，知道它是如何工作的，但对背后的原理却是一无所知。这本书的封面设计简洁大气，没有过多的花哨元素，反而透露出一种扎实的学术气息。翻开目录，我看到里面涵盖了从基础的坐标系、地图投影，到复杂的信号处理、误差分析，甚至还提到了惯性导航和组合导航系统。这些标题让我不禁皱起了眉头，心想这会不会太过于理论化，让我这个门外汉难以理解？我更关心的是，这本书是否能将这些复杂的概念用清晰易懂的方式呈现出来，并且能结合一些实际的应用案例，让我明白这些技术是如何改变我们的生活的。比如，自动驾驶汽车是如何感知自己位置的？无人机是如何实现精准飞行的？这些都是我非常感兴趣的问题。希望这本书能够给我一个满意的答案，让我对导航定位有一个更全面、更深入的认识，而不是仅仅停留在表面。

评分☆☆☆☆☆

读完《导航定位基础》这本书，我最大的感受就是，原来我们习以为常的导航定位技术，背后隐藏着如此庞大的知识体系和精密的计算。这本书并没有直接给我现成的答案，比如“如何使用某款导航APP”，而是循序渐进地为我构建了一个坚实的理论基础。作者的叙述风格非常严谨，但又不像教科书那样枯燥乏味。他会用很多生动的比喻来解释抽象的概念，比如将坐标系比作在大海中确定船只位置的经纬度，将误差分析比作衡量测量结果的可靠性。我特别喜欢书中关于各种导航系统优缺点的对比分析，例如GPS的便捷性与潜水艇无法使用的局限性，惯性导航的自主性与累积误差的问题。这让我对不同技术之间的取舍有了更深刻的理解。虽然书中涉及了一些数学公式和物理定律，但作者总是会给出详细的推导过程和物理意义的解释，让我这个数学不太好的读者也能勉强跟上。总的来说，这本书为我打开了一扇通往导航定位世界的大门，让我看到了一个更广阔、更具挑战性的领域。

评分☆☆☆☆☆

《导航定位基础》这本书，无疑是为那些想要深入了解导航定位技术背后原理的读者量身打造的。我之前对这类技术一直有一种“黑箱”式的认知，认为它们只是存在于手机和车载设备中的某种神奇功能。然而，通过这本书，我得以窥见这个“黑箱”的内部运作。作者并没有回避复杂的数学和物理概念，而是以一种循序渐进、逻辑严谨的方式进行阐述。书中对于各种导航技术，如GNSS（全球导航卫星系统）、INS（惯性导航系统）以及它们之间的融合（组合导航）的介绍，都非常详尽。我尤其对惯性导航部分印象深刻，它让我了解到即使在没有外部信号的情况下，通过测量载体的运动状态，也能实现一定程度的定位。此外，书中关于误差分析和精度评定的章节，也让我认识到导航定位的“不确定性”以及科学家们为之付出的努力。这本书的深度和广度，绝对能够满足那些对导航定位技术抱有浓厚兴趣，并希望获得系统性知识的读者。