本书以水下机器人导航定位基本方法与相关系统原理为主要内容。全书共8章，着重介绍水下机器人惯性元件与惯性测量单元，以及航姿测量、捷联惯性导航、声学定位、卫星导航、组合导航和海洋地球物理导航等相关原理与系统。本书主要针对水下机器人的导航定位问题构建导航定位系统理论体系，厘清导航定位系统相关概念，以及水下机器人导航定位基础理论与前沿技术。
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第1章 概论 1
1.1 水下机器人与导航定位 1
1.1.1 水下机器人简介 1
1.1.2 水下机器人导航定位的概念与作用 6
1.1.3 水下机器人导航系统分类 8
1.2 水下机器人导航定位系统 8
1.3 水下机器人典型导航设备和系统 9
1.3.1 国外水下机器人及导航定位系统 9
1.3.2 我国水下机器人及导航定位系统 15
第2章 水下机器人惯性元件与惯性测量单元 17
2.1 机械转子陀螺仪 17
2.1.1 转子陀螺仪角动量定理 18
2.1.2 定轴性、进动性和陀螺仪力矩 20
2.1.3 机械陀螺仪结构 23
2.2 光学陀螺仪 24
2.2.1 Sagnac效应 25
2.2.2 激光陀螺仪 25
2.2.3 光纤陀螺仪 27
2.3 微机械陀螺仪 28
2.3.1 概述 28
2.3.2 工作原理 28
2.4 加速度计 29
2.4.1 摆式加速度计 30
2.4.2 振梁式加速度计 32
2.5 惯性测量单元 32
2.6 惯性元件误差特性 34
2.6.1 零偏与零漂 34
2.6.2 比例因子和交叉耦合误差 36
2.6.3 随机噪声 37
2.6.4 惯性元件误差模型 39
第3章 水下机器人航姿测量原理与系统 40
3.1 水下机器人导航定位常用坐标系 40
3.2 地球特征描述与位置表示 43
3.2.1 地球几何形状与自转矢量 43
3.2.2 引力与重力 45
3.2.3 大地坐标系 45
3.2.4 投影坐标系 47
3.2.5 UTM网格坐标 48
3.2.6 位置坐标变换 51
3.3 姿态参数化表示与坐标系变换 53
3.3.1 参照系·目标系·投影系 54
3.3.2 矢量叉乘 54
3.3.3 欧拉角 54
3.3.4 姿态矩阵 56
3.3.5 单位四元数 58
3.3.6 旋转矢量 60
3.3.7 地球惯性坐标系和地球坐标系间变换 61
3.3.8 地球坐标系和导航坐标系间变换 61
3.3.9 地球惯性坐标系和导航坐标系间变换 62
3.3.10 地球坐标系和当地切平面坐标系间变换 62
3.4 水下机器人捷联航姿系统 63
3.4.1 光纤捷联航姿系统原理 63
3.4.2 姿态矩阵计算 64
3.4.3 重力捕获与滤波 65
3.4.4 水下捷联惯性航姿解算 65
3.5 水下机器人硅微航姿系统 67
3.5.1 地磁定向 67
3.5.2 磁强计原理 68
3.5.3 硅微航姿系统解算 69
3.5.4 硅微航姿系统误差 70
第4章 水下机器人捷联惯性导航原理与系统 73
4.1 惯性导航相关定义及分类 73
4.2 姿态微分方程 75
4.2.1 角速度 75
4.2.2 欧拉角微分方程 76
4.2.3 姿态矩阵微分方程 77
4.2.4 四元数微分方程 79
4.3 导航方程 79
4.3.1 笛卡儿位置 79
4.3.2 速度 80
4.3.3 加速度 81
4.3.4 地球系导航方程 81
4.3.5 导航系导航方程 82
4.4 指北方位捷联惯导机械编排 83
4.4.1 姿态更新 83
4.4.2 导航更新 84
4.5 指北方位捷联惯导误差分析 86
4.5.1 姿态误差方程 86
4.5.2 速度误差方程 87
4.5.3 位置误差方程 89
第5章 水下机器人声学定位原理与系统 90
5.1 几何定位原理 90
5.1.1 测距定位 90
5.1.2 测角定位 92
5.2 长基线水声定位原理与系统 92
5.2.1 长基线水声定位系统 93
5.2.2 长基线水声定位原理 93
5.3 短基线水声定位原理与系统 95
5.3.1 短基线水声定位系统 95
5.3.2 短基线水声定位原理 95
5.4 超短基线水声定位原理与系统 96
5.4.1 超短基线水声定位系统 96
5.4.2 超短基线水声定位原理 97
第6章 水下机器人卫星导航原理与系统 100
6.1 全球卫星导航系统定位要素 100
6.1.1 GNSS系统结构 100
6.1.2 GNSS导航电文 101
6.1.3 GNSS测距方法 103
6.1.4 GNSS导航信号 105
6.2 卫星导航定位方程 106
6.2.1 伪距方程 106
6.2.2 定位方程 108
6.3 北斗卫星星座组成 109
6.3.1 地球静止轨道卫星 109
6.3.2 倾斜地球同步轨道卫星 110
6.3.3 地球中圆轨道卫星及Walker星座 111
6.4 北斗卫星位置计算 114
6.4.1 行星运动三大定律 114
6.4.2 二体问题与轨道根数 116
6.4.3 卫星位置和速度计算 120
6.4.4 北斗卫星星历 122
6.4.5 基于卫星星历的北斗卫星位置计算 124
6.5 北斗卫星导航单点定位精度评估 128
6.5.1 精度衰减因子 129
6.5.2 导航卫星几何分布 131
6.5.3 导航卫星星座选择 131
第7章 水下机器人组合导航原理与系统 133
7.1 水下机器人组合导航基本概念 133
7.2 水下机器人组合导航基础 134
7.2.1 随机变量相关概念 134
7.2.2 随机向量相关概念 137
7.2.3 随机过程相关概念 138
7.2.4 随机系统相关概念 142
7.2.5 随机系统状态估计 151
7.3 水下机器人组合导航系统 160
7.3.1 水下机器人航速测量 160
7.3.2 水下机器人AHRS/DVL推位导航系统 169
7.3.3 大潜深AUV单信标水下组合导航系统 174
第8章 水下机器人海洋地球物理导航原理与系统 177
8.1 海洋地球物理传感器 177
8.1.1 水下机器人潜深测量 177
8.1.2 海底地形高程测量 177
8.1.3 水下地磁测量 180
8.1.4 水下重力测量 180
8.2 海洋地球物理导航系统 181
8.2.1 海底地形导航系统 181
8.2.2 水下地磁导航系统 182
8.2.3 水下重力导航系统 183
8.3 海洋地球物理信息匹配 185
8.3.1 单波束测深匹配定位 185
8.3.2 多波束测深地形匹配 187
8.3.3 重磁单点匹配算法 189
参考文献 192
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