磁力计辅助的惯性导航系统 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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[土耳其] 乌戈尔·卡亚索 著，卢建华，赵国荣，徐胜红 等 译

图书标签:

• 惯性导航
• 磁力计
• 传感器融合
• 导航系统
• 姿态估计
• 误差分析
• 滤波算法
• 控制工程
• 自动导航
• 测量技术

出版社： 国防工业出版社

ISBN：9787118108750

版次：1

商品编码：12141304

包装：平装

开本：32开

出版时间：2017-01-01

用纸：胶版纸

页数：112

字数：104000

正文语种：中文

内容简介

　　《磁力计辅助的惯性导航系统》首先介绍了惯性测量单元的相关技术和误差模型，其次介绍了惯性导航系统中的坐标系以及他们之间的变换，在此基础上介绍了惯性坐标系内的力学编排，并分析了惯导系统的误差模型。全球磁场模型以及磁力计的类型和误差源也进行了讲解。在此基础上，介绍了基于低成本MEMS的惯性测量单元与磁力计组合系统的实现方法，讲解了应用卡尔曼滤波器进行组合导航系统状态参数估计的算法，并介绍了组合系统的对准实现方案。

目录

译者序
致谢

第一章 概论
1．1 意义
1．2 应用和局限
1．3 本书的目标
1．4 本书的结构

第二章 捷联惯性导航系统
2．1 惯性测量单元
2．1．1 IMU技术
2．1．2 IMU误差模型
2．2 惯性导航系统
2．2．1 惯性导航力学编排方程
2．2．2 惯性导航系统误差模型

第三章 磁力计
3．1 世界地磁场模型
3．1．1 可用的地磁场模型
3．2 磁力计类型
3．3 磁力计误差源

第四章 卡尔曼滤波
4．1 线性离散卡尔曼滤波
4．1．1 惯性导航系统中卡尔曼滤波的目的
4．2 卡尔曼滤波器收敛性
4．2．1 非线性系统特性
4．2．2 协方差矩阵计算
4．2．3 模型不准确
4．2．4 量测接受／拒绝准则

第五章 量测为矢量时的姿态确定
5．1 双矢量集时的姿态确定
5．2 卡尔曼滤波器的磁力计量测模型
5．3 单轴姿态确定

第六章 MEMS IMU+磁力计的地面对准
6．1 粗对准
6．1．1 蒙特卡罗仿真
6．1．2 粗对准实验
6．2 精对准
6．2．1 蒙特卡罗仿真
6．2．2 精对准实验

第七章 移动中姿态估计
7．1 GPs辅助IMu+磁力计导航系统
7．2 单轴姿态欧拉角确定

第八章 讨论和结论
附录A 世界地磁场模型2005
A．1 世界地磁模型
A．2 模型参数
A．3 模型确定
A．4 坐标系变换
A．5 长期变量预测
A．6 世界地磁模型推导
A．7 模型系数
A．8 磁场分量计算方程
A．9 模型局限性
附录B 低成本MEMS IMU+磁力计性能说明
附录C 惯性导航力学编排方程推导
附录D 惯性导航误差方程推导
D．1 姿态误差
D．2 速度误差
D．3 位置误差
附录E 导航方程的状态空间描述
符号和缩略语
参考文献

精彩书摘

　　《磁力计辅助的惯性导航系统》：
　　在载体中的许多铁磁性材料往往都具有硬磁特性。*好的办法是直接消除磁力计附近的任何软磁材料，然后直接处理硬磁干扰的影响。此外，还建议在进行任何硬／软磁补偿之前对磁力计附近的平台进行消磁。一些磁力计的生产商为了对硬磁或软磁干扰进行补偿，提供了校准的方法。但是每种校准的方法都需要对磁力计平台进行特殊的物理移动，以对磁力计附近的磁场空间进行采样，然后采用相应的补偿方法。校准过程可以简单地指向3个已知的方向，也可以复杂一些，在俯仰和横滚方向进行一个完整的圆周转动，亦或使平台指向24个方向（包含倾斜的变化）。对于船舶来说，进行24位置标定也许不可能做到，但是对手持平台来说就非常简单了。如果在校准过程中磁力计只能测量水平方向的磁场分量，则当存在倾斜情形时就存在不可补偿的航向误差。
　　可以产生几个已知航向的航向误差曲线来改善航向精度，在同一个平台上的不同位置，硬／软磁干扰也不一样，为了得到有效的校准，磁力计必须安装在平台的一个固定位置上，而一个特定的校准只对磁力计当前安装位置有效。如果磁力计在同一个位置的方向改变了，就需要重新进行校准。安装在环架结构上的磁力计不能满足这些要求，所以采用捷联式、固态磁力传感器就显得更具有优势。当只需要满足重复性而不要求精度的情况下，可以使用没有进行校准的磁力计。
　　最后要考虑的，影响航向精度的因素是地磁场的变化或者磁偏角的变化。众所周知，地磁两极和地理两极并不在一个位置上，它们之间存在11.5°的夹角。这样就产生了真北、磁北（磁力计的指向）的差异。简单来说，它表现为磁北和真北之间的角度差。这个差异定义为磁偏角，取决于磁力计的位置，有时该角度能达到25°。在计算正确航向时，如果为西向则简单加上，如果为东向则减去。全球每个位置都对应着各自的磁偏角，对于一个给定的位置，磁偏角可以通过地磁偏角地图或者GPS和IGRF模型来确定。
　　……

《磁力计辅助的惯性导航系统》书籍简介 本书深入探讨了现代导航技术领域一个至关重要且极具挑战性的分支——利用磁力计数据增强惯性导航系统（INS）的性能。在日益复杂的导航环境中，对高精度、高鲁棒性导航解决方案的需求空前高涨。传统的惯性导航系统，尽管其核心优势在于提供连续、独立的定位和姿态信息，但在长期运行过程中，其固有误差会不断累积，导致导航精度显著下降。本书正是聚焦于如何通过引入地磁场这一天然存在的、分布广泛且相对稳定的信息源，来有效弥补INS的不足，从而构建出更为可靠、精确的导航系统。 本书的写作目标是为读者提供一个全面、深入且理论与实践并重的知识体系。我们不仅会详细阐述磁力计数据在INS中的作用机理，还会深入剖析不同类型的磁力计及其特性，并在此基础上，系统性地介绍多种磁力计辅助INS的融合算法。此外，本书还将重点关注实际应用中的关键技术挑战，并提供解决这些挑战的实用方法和策略。 核心内容概览： 第一部分：惯性导航系统基础与局限性 本部分将为读者建立对惯性导航系统的坚实基础认知。我们将从惯性测量单元（IMU）的基本组成（包括加速度计和陀螺仪）及其测量原理讲起，详细介绍它们如何通过积分运算来推算载体的速度、位置和姿态。我们将深入探讨INS的误差模型，分析各种误差源（如传感器噪声、零偏、刻度误差、安装误差等）如何随时间累积，并讲解这些误差对导航精度的影响。 加速度计与陀螺仪原理： 详细讲解电容式、压阻式、科里奥利效应等主流传感器的物理原理和工作方式，分析不同传感器类型在精度、动态响应、功耗等方面的优劣。 INS推算过程： 详细阐述基于欧拉角、四元数等姿态表示方法的推算算法，讲解如何通过卡尔曼滤波（EKF, UKF）等状态估计算法来提高INS的精度。 误差累积机制： 深入分析积分误差、安装误差、温度漂移等对INS长期精度的影响，并给出量化的误差增长模型。 INS的固有优势与局限： 强调INS的自主性、高采样率、对外部信号无依赖的优点，同时深刻揭示其在长期导航中的精度漂移问题，为引入外部传感器的必要性铺平道路。 第二部分：地磁场基础与磁力计原理 本部分将聚焦于作为辅助信息源的地磁场，以及测量地磁场的磁力计。我们将详细介绍地球的磁场模型，包括主磁场、异常磁场，以及地磁场在空间中的分布特性。理解这些特性是有效利用磁力计数据的关键。 地球磁场模型： 详细介绍国际地磁参考场（IGRF）模型，分析地磁场的空间变化规律（如磁倾角、磁偏角），以及随时间和地理位置的变化。 地磁场在导航中的作用： 阐述地磁场如何提供一个“天然的罗盘”，用于辅助确定航向，从而约束INS的姿态漂移。 磁力计的类型与原理： 详细介绍不同类型的磁力计，包括磁阻式（AMR, GMR, TMR）、霍尔效应式、磁通门式等，分析它们的测量范围、精度、灵敏度、响应速度、功耗以及抗干扰能力。 磁力计的测量误差与补偿： 深入分析磁力计固有的误差来源，如硬磁干扰（铁磁材料对磁场的影响）、软磁干扰（感应磁场）、温度效应、非线性等，并介绍常用的硬磁、软磁补偿方法，如球谐函数拟合、最小二乘法等。 第三部分：磁力计辅助INS的融合算法 本部分是本书的核心，将详细介绍如何将磁力计数据有效地融合到INS中，以提升导航性能。我们将涵盖多种经典的及先进的融合算法，并深入分析它们的数学原理、实现细节以及优缺点。 基于滤波的融合算法： 扩展卡尔曼滤波（EKF）： 详细介绍EKF在磁力计辅助INS中的应用，包括状态向量的定义、系统模型和量测模型的建立、协方差矩阵的更新过程。重点分析如何将地磁场信息作为观测量融入EKF。 无迹卡尔曼滤波（UKF）： 讲解UKF相对于EKF的优势，特别是在处理非线性系统时的表现，以及其在磁力计融合中的实现。 粒子滤波（PF）： 介绍PF在非高斯噪声或多峰分布情况下的优势，以及其在复杂环境下的应用潜力。 基于优化的融合算法： 滑窗式批处理优化（Sliding-window Batch Optimization）： 讲解如何利用历史一段时间内的传感器数据，通过非线性最小二乘优化来估计最优导航状态，强调其在提高精度和鲁棒性方面的潜力。 因子图（Factor Graphs）与图优化（Graph Optimization）： 介绍现代SLAM（Simultaneous Localization and Mapping）领域常用的图优化技术，如何将其应用于长时间的磁力计辅助INS数据融合，实现全局一致性的导航解算。 多传感器融合策略： 探讨如何将磁力计与GNSS（如GPS）、轮速计、气压计等其他传感器进行多传感器融合，构建更强大的混合导航系统。 航向约束与姿态解算： 重点分析如何利用磁力计的航向信息来约束INS的航向漂移，以及如何处理磁场异常区域（如强磁干扰源附近）的航向解算问题。 第四部分：实际应用中的挑战与解决方案 理论算法的有效性最终体现在实际应用中。本部分将深入探讨磁力计辅助INS在真实世界应用中面临的各种挑战，并提供切实可行的解决方案。 磁场异常区域的处理： 异常检测与识别： 介绍多种方法来检测磁场中的异常值或异常区域，例如基于统计阈值、基于模型的预测误差等。 异常区域下的导航策略： 讨论在磁场异常区域，如何根据具体情况调整融合算法的权重，或者暂时依赖INS自身进行推算，以避免引入错误的导航信息。 数据剔除与修复： 介绍如何识别和剔除受强磁干扰的磁力计数据，以及在数据缺失或不可靠时，如何进行数据修复或预测。 多传感器校准与同步： 详细讲解IMU、磁力计以及其他辅助传感器之间的外参（安装位置和姿态）校准方法，以及时间同步的重要性，并给出相应的校准流程和算法。 计算资源限制与实时性： 讨论在嵌入式系统或资源受限环境下，如何优化算法以满足实时性要求，例如采用更高效的滤波算法、模型简化、硬件加速等。 鲁棒性与可靠性设计： 强调如何通过算法设计、冗余配置、故障诊断等手段，提高磁力计辅助INS系统的整体鲁棒性和可靠性，使其能够适应各种复杂和动态的环境。 第五部分：前沿技术与未来发展 本部分将展望磁力计辅助INS领域的前沿研究方向和未来发展趋势。 深度学习在磁力计辅助INS中的应用： 探讨如何利用深度学习技术，如卷积神经网络（CNN）、循环神经网络（RNN）等，来处理更复杂的磁场环境，学习更精细的传感器误差模型，或者实现更鲁棒的融合。 智能磁场建模与异常补偿： 介绍如何利用机器学习技术，构建更精确、更具适应性的地磁场模型，并实现更智能、更自动化的磁场异常补偿。 低成本、高性能磁力计的发展： 关注新型磁力计技术的进步，以及其对未来磁力计辅助INS系统的影响。 无人系统（无人驾驶汽车、无人机、机器人）中的应用前景： 深入分析磁力计辅助INS在这些关键领域的应用潜力，以及为实现这些应用所需解决的技术难题。 本书特色： 理论与实践相结合： 本书不仅深入讲解了相关的理论知识，还提供了大量的算法实现细节和实际应用案例，帮助读者将理论转化为实践。 内容系统全面： 从基础概念到前沿技术，本书涵盖了磁力计辅助INS领域的各个重要方面，为读者构建了一个完整的知识体系。 面向广泛读者： 本书适合导航、控制、机器人、航空航天、测绘等领域的科研人员、工程师、研究生以及相关专业的本科生阅读。 严谨的学术风格： 本书内容基于最新的研究成果和行业标准，力求准确、严谨，并提供丰富的参考文献，便于读者进一步深入研究。 通过阅读本书，读者将能够深刻理解磁力计在地磁导航中的关键作用，掌握构建和优化磁力计辅助INS系统的核心技术，并能够应对实际应用中遇到的各种挑战，从而在日益智能化的导航领域取得突破。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计就充满了科技感，硬朗的线条和深邃的蓝色背景，让人联想到宇宙探索和尖端技术。我翻开第一页，就被作者引人入胜的开篇所吸引。虽然我并不是这个领域的专业人士，但作者用一种非常易于理解的方式，循序渐进地介绍了惯性导航系统的基本原理，以及它在现代科技中扮演的重要角色。我尤其对书中关于惯性测量单元（IMU）的阐述印象深刻。作者不仅解释了陀螺仪和加速度计的工作机制，还深入探讨了它们如何协同工作，构建出能够感知物体运动和方向的“内在罗盘”。特别是关于磁力计在其中的作用，作者给出了很多意想不到的视角，让我看到了这个看似简单的传感器背后隐藏的复杂算法和物理学原理。读到这里，我感觉自己仿佛置身于一个充满挑战的实验室，与科学家们一同攻克难题，探索未知。整本书的排版也很舒适，图文并茂，一些示意图和流程图的加入，极大地帮助我理解那些抽象的概念。我迫不及待地想继续深入阅读，了解这本书还能为我揭示哪些关于导航的奥秘。

评分☆☆☆☆☆

这本书的标题就充满了吸引力，结合了两种我一直很感兴趣的技术——磁力计和惯性导航。当我迫不及待地翻阅时，我被作者宏大的视野和深入浅出的讲解方式所吸引。他不仅仅是简单地介绍技术，更是将这项技术置于更广阔的工程和科学背景下进行阐述。我尤其喜欢作者在探讨惯性导航系统精度限制时，所展现出的那种一丝不苟的科学态度。他详细分析了各种误差源，并提出了如何通过引入外部辅助信息来提高系统性能的策略，其中磁力计的角色被赋予了前所未有的重要性。作者在书中对磁力计的论述，不再局限于基础的指南针功能，而是深入挖掘了它在复杂环境下的定位能力，以及如何通过高级算法来提取有用的地磁信息。我感觉自己仿佛在与一位经验丰富的工程师对话，他不仅传递知识，更分享了解决问题的思路和方法。这本书让我看到了一个技术如何从理论走向实践，又如何不断优化和完善，我对它后续的内容充满了期待。

评分☆☆☆☆☆

收到这本书，我立刻被其专业而又不失美感的封面设计所吸引。它散发着一种严谨的学术气息，同时又透露着一股创新的活力。当我翻开书页，便被作者深厚的学术功底和精妙的文笔所折服。书中对于惯性导航系统的数学模型和动力学方程的推导，虽然严谨，但作者巧妙地在讲解过程中穿插了一些历史渊源和技术演进的介绍，使得理论学习过程不再枯燥。我特别留意了关于磁力计作为外部传感器的章节，作者不仅阐述了其基本原理，还深入探讨了如何克服地磁场的干扰和不确定性，以实现高精度的航位推算。这一点让我印象深刻，也让我认识到，看似简单的传感器背后，往往蕴含着复杂的科学研究和工程实践。书中对不同类型磁力计的比较分析，以及它们在惯性导航系统中的优缺点，让我对这项技术有了更全面的了解。我相信，这本书不仅是理论研究者的宝贵财富，也是工程技术人员解决实际问题的有力助手。

评分☆☆☆☆☆

我一直对那些能让物体“知道”自己在哪里，以及如何移动的技术充满好奇，而“磁力计辅助的惯性导航系统”这个书名，瞬间就勾起了我的兴趣。刚拿到这本书，我就被它沉甸甸的分量和精心设计的纸张所吸引，这无疑是一本内容扎实的学术著作。我特别喜欢作者在引言部分对惯性导航系统发展历程的回顾，从早期的机械式陀螺仪到如今高度集成的MEMS传感器，历史的脉络清晰可见，也让我对这项技术有了更宏观的认识。当我读到关于误差累积问题的章节时，我被作者严谨的分析所震撼。惯性导航系统固有的漂移和误差，是如何通过巧妙的算法和外部辅助手段来抑制和补偿的，这部分内容对我来说是一个全新的领域，也让我对工程学的智慧赞叹不已。书中对于磁力计的论述，更是让我眼前一亮。以往我只知道它能指示方向，但作者却详细解释了它如何作为一种低成本、易于实现的外部参考，为惯性导航系统提供重要的方位信息，从而显著提高其精度和鲁棒性。我觉得这本书不仅适合技术人员，对于任何对现代导航技术感到好奇的读者来说，都将是一次难忘的知识之旅。

评分☆☆☆☆☆

这本书的出现，简直是为我这样的行业新人量身打造的！我刚入行不久，对惯性导航系统和磁力计的知识还停留在非常基础的层面，很多专业术语和理论对我来说是个巨大的挑战。但这本书的作者，用一种极其平易近人的语言，将那些原本枯燥晦涩的公式和概念，转化成了生动形象的比喻和易于理解的案例。我尤其欣赏作者在讲解磁力计在惯性导航系统中扮演的角色时，所采用的“接地气”的方式。他不仅仅列举了理论上的重要性，还结合了实际应用场景，比如无人机、智能手机等，让我们这些非专业人士也能真切地感受到这项技术带来的便利和价值。整本书的结构也很合理，每一章都像是在为下一章打下坚实的基础，让我能够一步步地深入理解。我非常期待在后续的章节中，能看到更多关于磁力计数据如何与惯性测量单元数据进行融合的详细介绍，以及这些融合算法在不同应用场景下的具体实现。这本书让我觉得，那些曾经遥不可及的技术，其实离我们并不远。