书名：组合导航原理及应用
ISBN：978-7-115-65844-9
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著 秦玉鑫 陈 宇 韩红印
责任编辑 贾鸿飞
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本书基于提高导航的精度和可靠性的视角，从导航及组合导航的基本概念与原理出发，重点阐述组合导航系统的应用，帮助读者在掌握原理的基础上，提高组合导航的应用水平。
全书共11章，第1章为绪论，第2～4章介绍地球参考模型、导航系统分类、组合导航基本原理与滤波方法，第5～10章介绍INS/GPS组合导航系统、INS/CNS组合导航系统、INS/SAR组合导航系统、数据库参考导航系统、地形辅助导航系统及其他惯性组合导航系统，第11章介绍组合导航系统的故障检测。
本书内容系统、全面，论述清晰，适合作为高等院校相关专业本科生以及研究生的教材，也可作为工程技术人员的参考书。
作为引导载体按照预设航线安全、精准地抵达目的地的工具，导航系统无疑是人类智慧的结晶。无论是古代的航船，还是现代的飞行器，都离不开导航系统的引导。随着时代的发展，对导航精度的要求越来越高，组合导航技术应运而生。顾名思义，组合导航技术就是将多种导航系统组合在一起，以弥补单一导航系统的不足的技术。组合导航技术运用信息融合的原理，通过最优估计、数字滤波等信号处理手段，将各种导航系统有机地结合在一起，充分发挥它们各自的优势，从而实现更高的导航精度。
本书从导航的基本概念入手，深入探讨组合导航系统的相关理论、技术发展及应用。本书详细阐述各种导航系统的原理与应用，既介绍传统的导航系统，如天文导航系统、惯性导航系统等，也讲解现代卫星导航系统，如GPS等。对于每种导航系统，本书都对其优缺点进行了剖析，以便读者能够更全面地了解和掌握。另外，在现代导航系统中，故障能得到及时检测和解决至关重要，否则可能会导致严重的后果。本书针对导航系统的故障检测提出了一些观点与方法，并从理论和实践两个方面进行深入探讨，希望能为读者提供一些思路和实用的方法。
导航技术的发展日新月异。随着科技的不断进步，未来的导航系统将会更加精准、智能和可靠。我们希望本书能够为高等院校相关专业师生、相关的科研人员和工程技术人员提供参考和力所能及的帮助，也期待与读者共同探讨导航技术的未来发展，共同推动导航事业的进步。
此外，我们想强调的是，导航技术的准确性和可靠性对于现代社会的重要程度不言而喻。无论是航空、航天、航海，还是智能交通、无人驾驶等领域，都离不开高精度、高可靠性的导航技术。我们期待本书能够引起更多人对导航技术的关注和投入，共同推动这一领域的持续发展和创新。相信通过不断探索和研究，我们能够开发出更加智能、高效的导航系统，为人类带来更多的便利和更可靠的安全保障。
本教材受河南省重点研发专项（项目号：241111213000）、蓝天实验室自主科研项目（项目号：241112220800）、河南省人才支持计划（254000510003）、郑州航空工业管理学院科研团队支持计划专项（项目号：23ZHTD01007、24ZHTD01001）、河南省研究生教育改革与质量提升工程项目（项目号：YJS2024JD48）、河南省高等学校重点科研项目计划（项目编号：25B510016、25B413013）、河南省通用航空技术重点实验室开放基金项目（项目号：ZHKF-240213）、河南省本科高校产教融合示范学院（航空信息产业学院）、航空航天电子信息技术河南省协同创新中心、航空航天智能工程河南省特需急需特色骨干学科群资助。
在编写本书的过程中，我们得到了众多同人的大力支持和帮助，同时，为了确保内容的准确性和权威性，我们参考、借鉴了多位学者的专著、论文以及其他研究成果，这些学者的辛勤工作和无私奉献，为本书的完成提供了宝贵的资料和启示，在此表示由衷的感谢。
在编写本书的过程中，我们力求准确，但也难免疏漏。敬请读者发送电子邮件至jiahongfei@ptpress.com.cn，提出宝贵的意见和建议。
编者
2025年4月
本节从导航的概念出发，详细阐述导航的定义和方法、航行体对于导航系统的要求。导航系统不仅需要提供精确的定位信息，还必须满足航行体在复杂环境中的导航需求。导航系统是现代航行体的核心组成部分，其性能直接关系到航行体的安全性和效率。
导航是一种技术方法，用于将航行体从起始位置引导至预定的目的地。导航系统的核心职责是为航行体提供即时的位置数据。导航系统一般有两种操作模式，一种是指示模式，另一种是自动导航模式。在指示模式下运行的导航系统，其核心是一种用于测量或显示的系统。工作于自动导航模式的导航系统通过自动控制系统使航行体沿预定轨迹运行，其功能与制导系统的相同。导航系统、制导系统和控制系统之间的关系如图1-1所示。
图1-1 导航系统、制导系统和控制系统之间的关系
目前常用的导航方法有航标方法（目视方法）、航位推算法、天文导航法、卫星导航法、惯性导航法、无线电导航法等。
为了确保航行的流畅，需要在全球范围内部署一些能够满足特定性能要求的导航系统，这些性能要求通常涉及以下8个方面。
所谓覆盖范围，是指在一个特定的平面或三维空间内，导航信号有足够的能力让导航设备或操作人员以预定的精度准确地确定载体的具体位置。导航系统的覆盖范围会受到多种因素的影响，包括系统的几何关系、发射信号的功率、接收机的灵敏度、大气噪声的条件，以及其他可能影响信号可用性的因素。
通常，导航系统的准确性是通过评估导航的误差来衡量的，反映的是系统为载体提供的位置与其当时实际位置的偏离程度。导航误差由于受到多种因素影响，呈现出不稳定的数值特性，因此，我们通常选择使用统计度量单位来进行量化描述。
某些导航系统仅为载体提供一维的位置信息，如高度信息或方向信息。在这种情况下，精度可以用2σ来表示，即置信度为95%，也就是说，每次测量结果有95%的可能性是误差小于或等于2σ这个值。
某些导航系统提供了载体的二维定位信息，在二维导航系统中，通常使用二维均方根误差（two-dimensional root mean square error，2DRMS）来描述其精度。2DRMS实际上是指定位误差的均方根值，用于描述定位误差的分布情况。在二维导航系统中，误差的分布通常呈现出椭圆形状，而椭圆形状会影响2DRMS与置信度之间的关系。
在某些特定领域，通常不使用2DRMS来描述水平定位的精度，而是采用圆概率误差（circular error probable，CEP）来进行描述。CEP代表一个圆的半径，以载体的实际位置为中心。在所有可能的导航定位数据中，有50%的数值位于这个圆的内部，这意味着其置信度达到50%。通常情况下，2DRMS值大约是CEP值的2.5倍。这说明在此类应用领域中，对于水平定位精度的描述更倾向于使用CEP而不是2DRMS。
除此之外，评估导航系统准确性的指标还包括预测的准确性、重复的准确性以及相对的准确性。预测的准确性体现在导航测量的结果与地图上标注的位置之间的匹配程度上。重复的准确性描述的是用户返回到之前使用同一导航系统测量过的位置的准确性。相对的准确性体现在用户所测量的位置相对于使用同一导航系统同时测量的另一个位置的精度。
导航系统的可用性描述的是其能为用户提供可用的导航服务的时间百分比。这个百分比受到许多因素的影响，包括卫星的发射信号、电波的传播环境等。在北斗卫星无线电导航服务（radio navigation service of satellite，RNSS）中，可用性进一步被细分为空间信号可用性和服务可用性。空间信号可用性涉及单颗卫星的导航信号和整个星座的导航信号，分别对应单星可用性和星座可用性。
（1）单星可用性是针对单颗卫星的信号进行评估的。具体来说，就是评估某颗特定的卫星在其生命周期内，导航信号能够正常发送并被接收的时间百分比。这个百分比受到很多因素的影响，包括卫星的健康状况、发射信号的质量以及电波传播环境等。
（2）星座可用性是针对整个卫星导航系统的信号进行评估的。具体而言，就是评估在整个卫星星座中，有足够数量卫星的导航信号能够同时发送并被接收的时间百分比。这个百分比也受到多种因素的影响，包括星座设计、卫星的部署策略、卫星的健康状况以及电波传播环境等。
通过考虑单星可用性和星座可用性，可以更全面地评估和保证卫星导航系统的性能和可靠性。
导航系统的可靠性是指该系统在一定时间内能够按照设计要求正常工作的能力。这包括系统的稳定性、精度、准确性等方面。在实际使用中，导航系统的可靠性越高，用户就越能够依赖该系统进行导航、定位、测量等操作，从而提高操作效率和安全性。
导航系统的可靠性通常通过故障频次、平均无故障时间、故障率、可修复性等指标来衡量。
通过对这些指标的综合评估，可以对导航系统的可靠性进行量化和比较，以便选择最符合特定需求的系统。高可靠性的导航系统对于航空、航海、车辆导航等领域至关重要，能够提高操作效率和安全性。
导航信息的多值性是指导航系统在提供位置、方向和路径等信息时，需要确保这些信息是准确、全面的，且能够满足不同用户的需求。导航信息的多值性要求主要包括以下几个方面。
（1）精度：导航信息应该具有高精度，能够准确反映实际位置、方向和路径等信息，以满足用户对于准确导航的需求。
（2）全面性：导航信息需要包含全面的地理数据，覆盖范围广泛，包括道路、地标、建筑物、地形等各种地理要素，以满足不同用户在不同环境下的导航需求。
（3）及时性：导航信息应该及时更新，及时反映道路交通状况、施工信息、道路封闭等变化，以保证用户获取的信息是最新的。
（4）多样性：导航信息应该能够满足不同用户的多样化需求，例如步行、骑非机动车、开车等不同出行方式的导航需求，以及不同行业领域的导航需求。
（5）可靠性：导航信息需要具有高可靠性，能够保证在各种环境条件下都是准确、可靠的。
综合来说，导航信息的多值性要求是指导航系统需要提供准确、全面、及时、多样化和可靠的导航信息，以满足不同用户在不同环境下的导航需求。因此，拥有多值性问题的解决方案也成为导航系统所需满足的一项条件。
导航信息更新率描述的是导航系统在特定时间段内提供定位或其他相关导航信息的频率。载体的航行速度和所完成的任务与更新率密切相关。如果导航信息更新率过低，那么在两次为用户提供定位数据的时间段内，载体当前位置可能与上次的指示位置有很大的偏差，使得实际精度下降。此外，为了实现自动化，现代载体经常依赖于自动驾驶仪，因此，导航系统需要与自动驾驶仪进行有效的关联。自动驾驶仪规定，导航系统提供的导航数据必须高频更新，与载体的实际航行状况和移动行为保持一致，这样才能确保载体的操作是精确且稳定的。
导航系统的容量是指系统能够同时支持的用户、设备或任务的数量上限。导航的目标是在其服务范围内，为所有寻求导航服务的用户同时提供相应的服务。导航系统的容量往往是由其操作模式所决定的。某些导航系统的操作模式是这样的：导航台负责发送信号，而载体上只需要装有导航接收机。因此，不论载体的数量如何，都能为大量的用户群体提供导航服务。然而，某些导航系统的局限性在于，一个导航台仅能与有限数量的用户设备协同工作，也就是说，该系统仅能为有限数量的载体提供服务。
导航信息维数用来描述导航系统为用户呈现的是一维、二维还是三维的动态状态数据。导航系统从其导航信号中提取的四维数据（例如时间）以及其他相关信息（例如姿态）也被纳入这一参数之中。
以下是不同维度导航信息的要求。
（1）一维导航信息：适用于一些简单的导航场景，比如简单的位置指示，如距离、方向等。一维导航信息可能不足以满足复杂的导航需求，但对于某些应用来说是足够的。
（2）二维导航信息：适用于更为复杂的导航场景，比如地图导航。二维导航信息可以提供更多的空间信息，比如道路、建筑物等，对于车辆导航、步行导航等非常有用。
（3）三维导航信息：适用于需要更加精细的空间信息的导航场景，比如航空导航、航海导航等。三维导航信息可以提供更加真实的地理环境信息，包括地形、高度等。
（4）四维导航信息：对于一些特殊的导航应用，比如飞行导航、航海导航等，时间信息也是非常重要的。此外，姿态信息（比如飞行器的姿态）也可以被视为导航信息的一部分。
因此，对于导航信息维数的要求取决于具体的导航场景和用户需求，不同的应用可能需要不同维度的导航信息来满足其需求。
系统完整性的要求是确保导航系统在出现故障或误差时能够及时发出警报，以便用户能够采取适当的行动。这是导航系统安全性的重要方面，特别是在需要高度准确性和可靠性的应用场景中，比如航空、航海等。
以下是系统完整性的要求。
（1）故障检测：导航系统需要具备故障检测机制，能够及时识别导航系统出现的故障或错误，并能够对故障进行诊断和报警。
（2）误差边界：导航系统需要定义误差的可接受范围，一旦误差超出了可接受范围，系统应当立即发出警报，提示用户导航信息可能存在问题。
（3）警报机制：导航系统需要具备有效的警报机制，能够以可靠的方式通知用户出现了故障或误差，以便用户能够及时采取行动。
（4）冗余设计：对于一些对安全性要求极高的导航系统，可能需要采用冗余设计，比如双重或多重系统，以提高系统的可靠性和完整性。
（5）自动切换：在出现故障时，导航系统可能需要具备自动切换到备用系统或手动模式的功能，以确保用户能够继续获得必要的导航信息。
不同的导航技术有其独特的应用场景和优势，共同构成了现代导航系统的丰富体系。随着科技的进步和应用需求的增长，我们有理由相信，未来的导航系统将更加智能化、个性化和多样化。本节将从不同的维度和特点对导航类别进行划分。
就狭义导航而言，按照导航所用的信息来划分，导航可分为以下几类。
惯性导航是一种利用惯性传感器（如加速度计和陀螺仪）来测量和跟踪飞行器、舰船或车辆的位置、速度和方向的导航系统。它不依赖于外部参考物体（如卫星或地标）来确定位置，而是通过测量物体的加速度和角速度来推断其运动状态。惯性导航系统通常用于航空、航天、航海等领域，可以提供高精度的导航信息。然而，惯性导航系统存在累积误差，因此通常需要与其他导航系统结合使用以提高精度和稳定性。
无线电导航是一种利用无线电信号来确定飞行器、舰船或车辆的位置、速度和方向的导航系统。无线电导航系统通常通过地面、空中或卫星发射台发射无线电信号，然后飞行器或舰船上的接收设备接收并解码这些信号，从而确定自身位置和导航信息。
常见的无线电导航系统包括以下几种。
（1）甚高频全向信标（VHF omnidirectional range，VOR）。VOR是一种通过发射一系列无线电信号来确定飞行器方向的导航系统。飞行器上的接收设备可以通过解码这些信号来确定自己相对于VOR站的方向。
（2）全球定位系统（global positioning system，GPS）。GPS是一种通过卫星发射无线电信号来确定位置的导航系统。飞行器或舰船上的接收设备可以接收多颗卫星的信号，并通过三角定位来确定自身的位置。
（3）仪表着陆系统（instrument landing system，ILS）。ILS是一种通过发射无线电信号来辅助飞行器进行着陆的导航系统，它包括水平信标和垂直信标，飞行器上的接收设备可以利用相关信号来进行精确定位和下降。
无线电导航系统在航空、航海和陆地交通中都有着广泛的应用，可以提供高精度的导航信息，帮助飞行员、船长或司机安全地到达目的地。
天文导航是一种利用天体（如太阳和月球）的位置和运动来确定位置、方向和时间的导航方法。在天文导航中，观测者通过观测天体的位置和角度，然后使用天文知识和数学方法来计算出自己所处的位置和其他导航信息。
天文导航的基本原理是利用天体的位置和运动规律，结合观测者的观测数据，通过天文计算方法来确定观测者的位置和方向。在过去，天文导航是航海和航空领域中重要的导航方法，航海员和飞行员通过观测太阳、星星和其他天体的位置来确定自己的位置和航向。
随着现代卫星导航系统（如GPS）的发展，天文导航在实际应用中已经相对较少，但它仍然具有重要的历史和学术意义。天文导航方法的研究和发展也为我们理解天体运动规律和地球空间定位提供了重要的理论基础。
声呐导航是一种利用声波来确定水下目标的位置的导航技术。声呐导航系统通过发射声波脉冲并测量其返回时间和强度来确定水下目标的距离和方向。这种技术通常用于水下航行、海洋地质勘探、水下探测等领域。
声呐导航系统通常包括以下几个组成部分。
声源：声呐导航系统中的声源会发射声波脉冲，通常通过水中的压电换能器或传统的声波换能器来实现。
接收机：用于接收通过水传播的声波脉冲，测量其返回时间和强度，并将这些信息传输给数据处理单元。
数据处理单元：用于接收来自接收机的信息，并通过计算来确定水下目标的距离和方向，从而提供导航信息。
声呐导航系统的精度取决于声波在水中的传播速度和水下环境的特性。声呐导航在水下环境中具有重要的应用，可以帮助水下探测器、潜艇和水下机器人等设备进行精确定位和导航。
就狭义导航而言，按照载体所在的位置来划分，导航可分为以下几类。
陆上导航是指在陆地环境中进行位置确认和导航的过程。这种导航涉及各种交通方式，包括驾驶汽车、骑自行车、步行等。在陆上导航中，人们使用各种工具和技术来确定自己的位置、找到目的地并选择最佳的路线。
陆上导航可以借助多种工具和技术，包括但不限于地图、路牌与标识、导航应用程序等。
地图：最基本的导航工具之一，提供地理信息、道路网络、地标和其他重要的参考点，帮助人们确定自己的位置和规划路线。
路牌与标识：提供路名、方向、距离和其他重要的交通信息，帮助人们在道路上进行导航。
导航应用程序：现代智能手机上的导航应用程序可以利用GPS和地图数据，提供实时的导航指引和交通信息。
在现代社会中，陆上导航已经变得非常便利和精确，人们可以利用各种工具和技术来进行导航，从而更加方便地到达目的地。
海上导航是指在海洋和其他水域环境中进行船舶、船只或其他水上交通工具的位置确认和导航的过程。海上导航是航海领域中的重要组成部分，其目的是确保水上交通工具安全地到达目的地，避免碰撞其他水上交通工具或障碍物，并有助于遵守海上交通规则。
海上导航涉及一系列工具和技术，包括但不限于海图和海图仪、GPS、气象和海洋信息等。
海图和海图仪：海图是专门用于海上导航的地图，可以提供海洋地理信息、航线、水深、浮标、航标和其他重要的海上标志；海图仪是一种电子设备，可以显示水上交通工具的位置和航线，并提供实时的导航信息。
GPS：一种卫星导航技术，可以在全球范围内提供位置信息。船舶可以使用GPS接收机来确定自己的位置，并进行导航。
气象和海洋信息：船长需要了解气象和海洋条件，以便规划航线、避开恶劣天气和海况，并选择最佳的航行路线。
海上导航的目标是确保水上交通工具安全地到达目的地，并尽量减少对海洋环境的影响。现代海上导航依靠先进的技术和设备，使水上交通工具能够更加准确地进行定位和导航，同时帮助更好地遵守海上交通规则。
水下导航是指在水下环境中进行位置确认和导航的过程。水下导航通常是指潜水器、潜艇等水下交通工具的导航，其目的是确保水下交通工具安全地到达目的地，避免碰撞其他物体，同时可以用于海洋勘探、科学研究等领域。
水下导航涉及一系列工具和技术，包括但不限于水下地图和水下声呐、水下惯性导航、水下通信等。
水下地图和水下声呐：水下地图可以提供水下地理信息、水深、地形和其他重要的水下标志；水下声呐是一种利用声波进行水下定位和导航的技术，可以帮助潜水员和潜水器在水下环境中进行导航。
水下惯性导航：水下惯性导航是一种利用加速度计和陀螺仪等惯性测量设备进行水下定位和导航的技术。
水下通信：水下通信可以用于潜水员和潜水器之间的通信，以及与水面上的船只或其他设备之间的通信。
水下导航是一项复杂的任务，需要潜水员具有高度专业的知识和技能，以及先进的技术和设备。现代水下导航技术的发展，使得水下交通工具能够更加准确地进行定位和导航，帮助潜水员在水下环境中更加安全地进行操作。
星际导航是指在太空中进行星际旅行时进行位置确认和导航的过程。这涉及太空船或宇宙飞船在星际空间中的定位、航线规划、避障、速度控制和到达目的地等问题。星际导航是科幻作品中常常出现的概念，但目前在现实世界中，我们还没有实际进行星际旅行，因此星际导航仅存在于科学幻想中。
星际导航涉及一系列高度先进的技术和设备，包括但不限于如下所列。
超光速引擎：一种能够以超光速飞行的引擎，使得太空船能够在短时间内穿越星际空间。
星际地图和星际导航计算机：提供了星际空间中星系、星球、行星和其他天体的位置信息，用于航线规划和导航计算。
防护屏障和避障系统：用于避免太空船与宇宙尘埃、陨石、行星和其他天体发生碰撞。
自动驾驶系统：能够自动控制太空船的飞行和导航，减少人工干预。
尽管目前我们还没有实际进行星际旅行，但科学家和工程师们正在研究太空探索的可能性，包括星际导航所涉及的技术和挑战。随着太空技术的不断发展，也许有一天人类能够实现星际旅行的梦想。
就狭义导航而言，按照导航时载体轨迹类型来划分，导航可分为以下几类。
一维导航是指在一维空间中进行导航的过程。在数学和物理学中，一维空间指的是只有一个方向的空间，例如一条直线。因此，一维导航通常涉及在一条直线上确定位置、规划路径和移动的过程。
一维导航相对来说比较简单，因为只需要考虑一个方向上的位置和移动。然而，在现实世界中，我们通常需要进行二维或三维的导航，二维导航涉及在平面上的导航，而三维导航涉及在空间中的导航。
平面导航是指在二维平面上进行导航的过程。在平面导航中，人们需要确定自身位置、规划路径和移动，通常涉及使用地图、指南针、GPS等工具和技术来进行导航。
三维导航是指在三维空间中进行导航的过程。在三维导航中，人们需要确定自身位置、规划路径和移动，通常涉及使用航空电子设备、地图、GPS等工具和技术来进行导航。
三维导航相对来说比较复杂，因为需要考虑空间中的位置和移动，以及上下方向的变化。现代技术，如卫星导航系统（如GPS）、惯性导航系统和雷达等，使得三维导航变得更加精确和可靠，通过这些技术，人们能够在空中、水下和山地等复杂环境中进行高效、安全的三维导航。
就狭义导航而言，按照导航时对外部信息的依赖性来划分，导航可分为以下几类。
自主导航是指在没有外部干预的情况下，系统或设备能够自主地确定自身位置、规划路径并进行移动，这通常依赖于传感器、地图数据、算法和决策系统等。
自主导航的发展依赖于先进的传感器技术、定位技术、路径规划算法和决策系统。随着人工智能和自动化技术的发展，自主导航系统在各个领域得到了广泛的应用，例如工业自动化、智能交通等。自主导航系统的发展不仅可以提高工作效率、降低成本，还可以减少人为错误和事故风险。
非自主导航是指在导航过程中需要外部干预或指引。这种情况下，系统或设备无法完全依靠自身的传感器、算法和决策系统来确定位置、规划路径和进行移动，而需要依赖外部信息或操作员的指示来完成导航。
非自主导航通常需要依赖外部的人为干预，这可能导致效率低、成本高、安全风险增加等问题。随着自主导航技术的发展，越来越多的系统和设备可以实现自主导航，从而可以在更广泛的领域中应用。
