全書共9章。第1章是緒論，介紹了導航的基本概念、名詞術語、發展與運用歷史；第2章與第3章是導航原理學習的數學基礎和物理基礎；第4章至第7章介紹了導航的測角、測距、測速、定位原理，是本書的核心內容；第8章介紹的是組合導航原理；第9章介紹了運行體的控制實現。

教材從"大導航”的理念出發，結合信息控制技術的發展，著眼導航依托的各種物理基礎，全面闡述導航的基本原理、方法和技術，並將導航信息的使用納入導航原理知識體繫。全書共9章，包括：導航的基本概念和參數描述，導航的數學基礎與物理基礎，導航的測角、測距、測速、定位原理、多源組合導航原理，以及運行體的控制實現和應用。

吳德偉，軍隊學科撥尖人纔、博士生導師，先後被評為全軍優秀教師、全軍院校教書育人優秀教員、空軍首屆“十大”傑出青年；主持國家自然科學基金項目2項；《導航原理》課程被評為省級精品課程，省高校優秀教材一等獎。

第1章 緒論 1
1．1 導航的概念 1
1．1．1 定義 1
1．1．2 對像 2
1．1．3 任務 3
1．2 導航的參量 3
1．2．1 角度參量 4
1．2．2 距離參量 6
1．2．3 速度參量 6
1．2．4 時空信息 7
1．3 位置線與位置面 8
1．3．1 等角位置線、位置面 8
1．3．2 等距位置線、位置面 9
1．3．3 等距差位置線、位置面 9
1．3．4 等距和位置線、位置面 10
1．3．5 位置線典型應用 11
1．4 導航的發展與運用 13
1．4．1 天文導航 14
1．4．2 地磁導航 16
1．4．3 無線電導航 17
1．4．4 慣性導航 18
1．4．5 其他導航 19
1．5 本書的結構 22
復習和作業題1 23
第2章 導航的數學基礎 24
2．1 坐標及其變換 24
2．1．1 慣性坐標繫 24
2．1．2 地球坐標繫 25
2．1．3 運行體及平臺坐標繫 27
2．1．4 直角坐標繫間的旋轉變換 29
2．1．5 極坐標繫 30
2．2 運動狀態描述 31
2．2．1 微分多項式模型 31
2．2．2 勻速運動模型 32
2．2．3 勻加速運動模型 33
2．2．4 其他運動模型 34
2．3 導航誤差分析基礎 34
2．3．1 數字特征描述 35
2．3．2 統計特征描述 35
2．4 導航參量估計方法 38
2．4．1 非線性方程的線性化 38
2．4．2 最小二乘法 41
2．4．3 卡爾曼濾波 46
2．5 小結 48
復習和作業題2 49
第3章 導航的物理基礎 50
3．1 導航信號 50
3．1．1 描述方法 50
3．1．2 偽隨機序列 52
3．2 多普勒效應 53
3．2．1 收發一方運動的多普勒效應 53
3．2．2 收發雙方同時運動的多普勒效應 55
3．2．3 多普勒效應在導航中的應用 55
3．3 無線電信號 56
3．3．1 信號特性 56
3．3．2 天線方向圖 57
3．3．3 傳播方式 62
3．3．4 信道特性分析 65
3．3．5 電波傳播對無線電導航信號的影響 67
3．3．6 場地環境對無線電導航信號的影響 68
3．4 光探測基礎 73
3．4．1 光電探測繫統 73
3．4．2 光接收機原理 75
3．5 陀螺儀與加速度計 78
3．5．1 力學基礎 79
3．5．2 陀螺儀原理 81
3．5．3 加速度計原理 83
3．6 重力場基礎 84
3．7 地磁場基礎 85
3．8 相對論影響 87
3．9 小結 90
復習和作業題3 90
第4章 導航測角原理 91
4．1 概述 91
4．2 振幅式導航測角 92
4．2．1 振幅式無線電導航測角 92
4．2．2 振幅式無線電導航測角誤差分析 96
4．2．3 振幅式光學導航測角 100
4．3 相位式導航測角 101
4．3．1 相位式無線電導航測角 101
4．3．2 相位式無線電導航測角誤差分析 105
4．4 時間式導航測角 107
4．4．1 時間式無線電導航測角 107
4．4．2 時間式無線電導航測角誤差分析 112
4．5 頻率式導航測角 113
4．5．1 頻率式無線電導航測角 113
4．5．2 偏流角測量的準確度分析 114
4．6 慣性力學測角 114
4．6．1 水平面內的陀螺尋北原理 114
4．6．2 非水平面內的陀螺尋北原理 116
4．6．3 陀螺尋北的誤差分析 119
4．7 地磁感應測角 120
4．7．1 羅航向和羅差 120
4．7．2 地磁感應測角原理 121
4．8 小結 122
復習和作業題4 123
第5章 導航測距原理 124
5．1 概述 124
5．1．1 基本概念 124
5．1．2 測距分類 125
5．2 無線電導航測距 127
5．2．1 脈衝式測距 128
5．2．2 碼相關測距 132
5．2．3 頻率式測距 134
5．3 無線電導航測距差 143
5．3．1 脈衝式測距差 143
5．3．2 相位式測距差 144
5．3．3 脈衝/相位式測距差 145
5．3．4 多普勒積分測距差 145
5．4 光學導航測距 146
5．4．1 主動式測距 146
5．4．2 被動式測距 147
5．5 氣壓測高 147
5．5．1 氣壓高度 148
5．5．2 氣壓高度表模型 149
5．5．3 氣壓高度表誤差補償 150
5．6 小結 150
復習和作業題5 151
第6章 導航測速原理 152
6．1 主動式導航測速 152
6．1．1 單波束多普勒測速 153
6．1．2 雙波束多普勒測速 154
6．1．3 多波束多普勒測速 156
6．1．4 多普勒測速的準確度分析 158
6．1．5 聲相關測速 160
6．2 被動式導航測速 161
6．2．1 慣性導航測速 161
6．2．2 衛星導航測速 162
6．2．3 電磁測速 164
6．2．4 航空動壓測速 165
6．2．5 視頻（覺）測速 168
6．3 小結 170
復習和作業題6 170
第7章 導航定位原理 171
7．1 概述 171
7．1．1 非線性方程解算 171
7．1．2 導航定位誤差分析 175
7．2 幾何導航定位 181
7．2．1 測距導航定位 181
7．2．2 測距差導航定位 186
7．2．3 測角導航定位 188
7．2．4 復合式導航定位 192
7．3 推算導航定位 195
7．3．1 慣性推算導航定位 196
7．3．2 多普勒雷達推算導航定位 197
7．4 匹配導航定位 198
7．4．1 匹配導航定位基礎 199
7．4．2 一維線匹配導航定位 204
7．4．3 二維面匹配導航定位 211
7．5 小結 213
復習和作業題7 213
第8章 組合導航原理 214
8．1 概述 214
8．1．1 傳感器數據融合 214
8．1．2 組合導航的概念 215
8．2 組合導航理論 215
8．2．1 組合導航方式 215
8．2．2 信息分配準則 216
8．2．3 組合導航精度 217
8．2．4 組合繫統可靠性 218
8．3 組合導航實現 219
8．3．1 典型配置結構 219
8．3．2 工作性能分析 223
8．4 小結 224
復習和作業題8 225
第9章 飛行器導航控制應用 226
9．1 概述 226
9．2 飛行控制原理 228
9．2．1 飛行狀態描述及其實時感知 228
9．2．2 飛行操縱方式 229
9．2．3 飛行控制方法 230
9．2．4 飛機姿態控制 232
9．2．5 飛行軌跡控制 234
9．3 導航控制繫統應用 238
9．3．1 自動航線飛行控制 238
9．3．2 自動進近與著陸飛行控制 242
9．4 小結 251
復習和作業題9 251
附錄A 導航術語中英對照表 253
附錄B 隨機過程與噪聲 268
B．1 隨機過程的統計描述 268
B．2 平穩隨機過程 270
B．3 高斯隨機過程 271
B．4 噪聲 272
參考文獻 275

導航是對運行體導引與控制的一項科學技術，作為一門應用性學科伴隨著科技的發展而不斷進步。初期使用目視推算和天文觀測等方法，出現了磁羅盤、陀螺羅盤、天文六分儀、計程儀和計時器等導航裝置。無線電技術的發明對導航技術產生了劃時代的影響，20世紀20年代出現了無線電羅盤和高度表等導航設備。第二次世界大戰前後，由於民用航空與軍用航空發展的需要，無線電導航迅速發展，儀表著陸繫統、精密進場雷達、羅蘭A、臺卡、伏爾、塔康、羅蘭C和奧米伽等無線電導航繫統相繼問世，1964年開始建成了子午儀衛星導航繫統，此後相繼建成了GPS、GLONASS、BDS等衛星導航繫統。人類活動範圍的不斷擴展帶來了對導航技術的巨大需求，各種新型導航體制不斷出現，從衛星導航繫統，到新一代地形輔助、天文導航等自主導航繫統，再到全源導航、智能導航、量子導航等，導航的水平能力顯著提高，不僅改善了運行體的航行保障功能，也為武器平臺精確定位和制導繫統的精確打擊創造了條件。

技術的發展催生理論的形成。雖然導航是基於電、光、力、磁、聲等各種物理基礎的應用性技術，但它仍然伴隨著科技的進步在不斷延伸和完善，特別是向著多傳感器組合、多信息融合、自主決策控制一體化方向邁進，具有了很強的多學科交叉運用的特性，使得導航在探測傳感、航跡規劃、制導控制等方面逐步形成了一套特有的方法理論體繫，亟待專業人員總結凝練、繫統完善。本書的出版正是適應這一實際需求，力圖為導航理論體繫的構建盡己之力。

目前，已經公開出版了一些導航原理與繫統的教材和讀物，但作者認為大多數原理性的書籍都隻是在介紹導航繫統的原理，缺乏方法論上的概括提升，沒有全面、深入闡述導航的基本理論。而本書力圖從大導航的理念出發，結合信息控制技術發展，從導航依托的各種物理基礎著眼，全面闡述導航的基本理論與方法，並將導航信息的使用納入導航原理知識體繫，適應現代信息與控制學科交叉發展的實際要求，更加完整地構建起導航工程人纔的專業基礎理論知識體繫。本書內容是在作者將導航原理與導航繫統教學內容分開的基礎上構建的，這在國內尚屬首次。

《導航原理》一書作為闡述導航基礎理論和導航技術基礎知識的教材，2015年3月第1版出版後受到國內外眾多讀者的關注，並於2018年獲評“陝西省普通高等學校優秀教材一等獎”。為了進一步提升教材質量，結合課程建設和讀者使用回饋的意見，在第1版內容的基礎上進行了以下修訂。

（1）內容體繫進行了重新梳理。修改了部分章節的名稱，調整了個別章節的編排結構，在第1章緒論裡添加了全書的主要內容結構圖，更清晰地展示了本教材內容之間的相互關繫，以及理論知識與實際繫統和實現技術間的聯繫。

（2）概念表述進行了統一規範。作者結合前期參與《中國大百科全書》測繪導航分支條目的編撰工作，進一步規範了全書的導航相關概念和術語，對部分章節的圖表進行了規範處理和美化，為讀者的學習提供了規範的內容。

（3）知識點進行了進一步凝練。通過已經上線“學堂在線”的《導航原理》慕課建設，進一步凝練了教材內容知識點，實現了線上線下教學內容的完美對接，為相關院校開展本課程的混合教學及“金課”建設打下了基礎。

（4）對第1版中有些內容和印刷錯誤進行了調整和修正。

全書共9章。第1章是緒論，介紹了導航的基本概念、名詞術語、發展與運用歷史；第2章與第3章是導航原理學習的數學基礎和物理基礎；第4章至第7章介紹了導航的測角、測距、測速、定位原理，是本書的核心內容；第8章介紹的是組合導航原理；第9章介紹了運行體的控制實現。本書的撰寫采取的是分工主筆、合作研討、共同確定的方式，注重發揮集體智慧的作用。其中，吳德偉教授提出了全書的編寫綱目並主筆了第1章、第3章、第4章、第9章，陳樹新教授主筆了第2章、附錄並編寫了第6章、第8章部分內容，盧虎教授主筆了第5章、第6章、第8章，代傳金副教授主筆了第7章並編寫了第9章部分內容，苗強副教授擔負了全書的制圖編輯及文字校對，吳德偉、陳樹新教授完成了全書的統編定稿工作。在編撰過程中，中國工程院費愛國院士、北京航空航天大學黃智剛教授審閱了書稿，給予了熱情的指導和幫助，提出了許多寶貴的意見和建議，編寫組成員在此深表感激和謝意！

希望本書的再版能夠更好地為導航專業人員的學習和創新提供支持幫助，也希望能夠更進一步促進導航理論與技術的進步發展。再版工作得到了何晶教授、王永慶副教授、李響博士等諸多同事、教師和學生們的支持，在此表示衷心的感謝！

受作者能力與水平的限制，本書所提供的導航理論知識，可能無法滿足各類讀者對導航基礎理論知識全面認識的需求，內容編排方式可能更適合於大專院校導航專業教學及導航專業技術人員的學習，當然也力求照顧到便於非專業人員參考使用。

本書在撰寫過程中參考了大量的文獻資料，謹向文獻資料的作者表示最誠摯的謝意。書中有部分內容源自作者承擔的國家自然科學基金（61273048，61473308）研究成果。

本書是陝西省精品課程“導航原理”的主用教材，教材配套的教學輔助資料包括：供教師使用的《導航原理課程電子教案》，供實踐教學使用的《導航原理實驗講義》，供課後學習和輔導使用的《導航原理習題集》和《導航原理習題解答》。歡迎各位教師及讀者通過以下方式與我們聯繫：

E-mail：wudewei74609@126.com

對書中的錯誤與疏漏之處，敬請讀者不吝批評指正。

作 者

2020年5月