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全书共12章，第1章综述了GNSS、INS和GNSS/INS组合的发展现状和应用情况；第2、3章分别介绍了卫星导航和惯性导航的基本知识；第4章详细介绍了原有GPS信号的特性，并着重介绍了GPS现代化、GLONASS、Galileo等的基本情况；第5、6章介绍了GNSS天线和接收机设计；第7章分析了GNSS数据误差，着重介绍了多径问题及其消除方法；第8、9章分别介绍了差分GNSS和GNSS及GEO信号完好性等内容，第10章重点研究了卡尔曼滤波，介绍了几种不同的卡尔曼滤波实现方法；第11章对惯性导航系统的主要误差进行了深入分析；第12章系统研究了GNSS/INS组合的原理及数学建模、性能分析等内容。

目 录第1章 绪论11.1 导航11.1.1 与导航相关的技术11.1.2 导航模式21.2 GNSS综述31.2.1 GPS31.2.2 全球轨道导航卫星系统（GLONASS）41.2.3 伽利略（Galileo）系统51.2.4 北斗（BeiDou-2）卫星导航系统71.3 惯性导航综述81.3.1 理论基础81.3.2 惯性传感器技术91.4 GNSS/INS组合综述231.4.1 卡尔曼滤波器的作用231.4.2 实现241.4.3 应用24习题25参考文献25第2章 卫星导航系统基础282.1 导航系统研究282.1.1 不同于GNSS的系统282.1.2 比较准则282.2 卫星导航292.2.1 卫星轨道292.2.2 导航解算（二维实例）302.2.3 卫星选择和精度因子322.2.4 DOP的计算实例352.3 时间与GPS372.3.1 协调世界时（UTC）的产生372.3.2 GPS系统时372.3.3 接收机UTC的计算372.4 例子：无误差时用户位置计算382.4.1 用户位置计算382.4.2 用户速度计算40习题41参考文献42第3章 惯性导航基础443.1 本章重点443.2 基本术语443.3 惯性传感器误差模型473.3.1 零均值随机误差483.3.2 固定型误差493.3.3 传感器误差稳定性503.4 传感器校准和补偿503.4.1 传感器偏差、尺度因子和错位513.4.2 其他校准参数523.4.3 校准参数的不稳定性543.4.4 GNSS之前的辅助传感器543.4.5 传感器性能范围553.5 地球模型553.5.1 陆地导航坐标系563.5.2 地球旋转563.5.3 重力模型573.6 硬件实现方法623.6.1 平衡环系统的实现方法633.6.2 浮台系统的实现方法653.6.3 旋转木马及分度法653.6.4 捷联系统663.6.5 捷联系统的旋转木马及分度663.7 软件实现方法673.7.1 一维的例子673.7.2 九维的初始化683.7.3 平衡环姿态的实现713.7.4 平衡环导航的实现723.7.5 捷联姿态的实现733.7.6 捷联导航的实现793.7.7 导航计算机和软件的需求813.8 INS性能标准823.8.1 自由惯性运行823.8.2 INS性能度量823.8.3 性能级别833.9 测试和评估833.9.1 实验室测试843.9.2 现场测试843.10 总结84习题85参考文献87第4章 GNSS信号结构特征及信息利用884.1 原有GPS信号的成分、用途和特征884.1.1 原有GPS信号的数学信号模型884.1.2 导航数据格式914.1.3 GPS卫星位置的计算944.1.4 C/A码及其性能994.1.5 P(Y)码及其特性1044.1.6 L1和L2载波1054.1.7 发射功率电平1064.1.8 自由空间及其他损耗因子1064.1.9 接收信号功率1064.2 GPS的现代化1074.2.1 从现代化中受益的领域1074.2.2 GPS现代化改进的基本内容1084.2.3 L2民用（L2C）信号1094.2.4 L5信号1094.2.5 M码1114.2.6 L1C信号1124.2.7 GPS卫星系列1134.2.8 GPS III1134.3 GLONASS信号结构和特征1134.3.1 频分多址（FDMA）信号1144.3.2 CDMA现代化1154.4 GALILEO系统（GALILEO）1154.4.1 星座和服务等级1164.4.2 导航数据和信号1164.5 北斗系统1174.6 准天顶卫星系统（QZSS）118习题119参考文献120第5章 GNSS天线设计与分析1235.1 应用1235.2 GNSS天线性能特点1235.2.1 尺寸和成本1235.2.2 频率和带宽1235.2.3 辐射图特性1245.2.4 天线极化和轴比1255.2.5 GNSS天线的指向、效率和增益1275.2.6 天线阻抗、驻波比和回波损耗1285.2.7 天线带宽1295.2.8 天线噪声系数1305.3 GNSS天线设计的电磁计算模型（CEM）1315.4 GNSS天线技术1325.4.1 偶极子GNSS天线1325.4.2 GNSS贴片天线1325.4.3 勘测级/参考GNSS天线1395.5 自适应相控阵天线原理1415.5.1 数字波束形成自适应天线阵公式1435.5.2 STAP1455.5.3 SFAP1455.5.4 自适应相控阵天线的结构1455.5.5 自适应相控阵天线的优点1465.6 校准/补偿的应用考量146习题148参考文献149第6章 GNSS接收机设计与分析1536.1 接收机设计的选择1536.1.1 GNSS所支持的应用1536.1.2 单频或多频支持1536.1.3 通道数1546.1.4 码型选择1556.1.5 差分性能1556.1.6 辅助输入1566.2 接收机结构1576.2.1 射频（RF）前端1576.2.2 下变频及中频放大1596.2.3 模数转换与自动增益控制1606.2.4 基带信号处理1616.3 信号捕获与跟踪1616.3.1 对用户位置的假定1626.3.2 关于可视卫星的假定1626.3.3 信号多普勒估计1626.3.4 在频率和C/A码相位范围内搜索信号1636.3.5 信号检测与确认1666.3.6 码跟踪环1686.3.7 载波相位跟踪环1726.3.8 位同步1756.3.9 数据位解调1756.4 用户解算所需信息的提取1766.4.1 信号发射时间信息1766.4.2 卫星位置和速度的星历数据1766.4.3 利用码相位的伪距测量公式1776.4.4 利用载波相位的测量1786.4.5 载波多普勒测量1796.4.6 积分多普勒测量1806.5 伪距、载波相位和频率估计的理论考虑1816.5.1 码相位测量的理论误差限1826.5.2 载波相位测量的理论误差限1826.5.3 频率测量的理论误差限1836.6 高灵敏度A-GPS系统1856.6.1 辅助数据如何改进接收机性能1856.6.2 高灵敏度接收机的影响因素1886.7 软件无线电（SDR）方法1906.8 伪卫星的考虑190习题191参考文献193第7章 GNSS数据误差1977.1 数据误差1977.2 电离层传播误差1977.2.1 电离层延迟模型1987.2.2 GNSS SBAS电离层算法2007.3 对流层传播误差2077.4 多径问题2087.5 多径抑制方法2107.5.1 空间处理技术2107.5.2 时域处理技术2127.5.3 多径消除技术MMT2157.5.4 时域方法的性能2227.6 多径消除的理论极限2247.6.1 估计理论方法2247.6.2 MMSE估计器2257.6.3 多径建模误差2257.7 星历数据误差2257.8 星载时钟误差2267.9 接收机时钟误差2277.10 选择可用性误差2287.11 误差预估计228习题229参考文献230第8章 差分GNSS2338.1 简介2338.2 局域差分GNSS（LADGNSS）、广域差分GNSS（WADGNSS）和天基增强系统（SBAS）2338.2.1 LADGNSS2338.2.2 WADGNSS2348.2.3 SBAS2348.3 GEO L1L5信号2388.3.1 概述2388.3.2 GEO上行链路子系统类型1（GUST）控制环2408.4 GUS时钟控制算法2448.4.1 接收机时钟误差的确定2468.4.2 时钟驱动控制定律2478.5 GEO轨道的确定（OD）2498.6 地基增强系统（GBAS）2548.6.1 区域增强系统（LAAS）2548.6.2 联合精密进近着陆系统（JPALS）2548.6.3 增强的远距离导航（eLoran）2558.7 基于相对测量的DGNSS2558.7.1 码差分测量2558.7.2 载波相位差分测量2568.7.3 利用双差测量的定位2588.8 GNSS精确单点定位服务及产品2598.8.1 国际GNSS服务（IGS）2598.8.2 持续运行的参考站（CORS）2598.8.

陈军：中国人民解放军63880部队技术部高级工程师，参加翻译、编写出版了多部专著。

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前言

译 者 序导航是保障人类交通及军事活动的重要手段。从19世纪中期开始，惯性导航技术经历100多年的时间，目前已发展成为一种涉及多学科的综合性尖端技术。卫星导航从20世纪60年代出现后，展现了巨大的优越性，加速发展的势头至今不减。两种导航的组合应用能够充分发挥两者的优势，是当前导航领域的一个研究热点，也是译者所在的导航技术实验室非常感兴趣的一个技术方向。对导航技术感兴趣的众多科技人员和院校学生非常需要一些提供导航基础理论并关注技术应用设计方面的参考书籍。我们是一群从事导航技术研究、应用与测试的技术人员。在学习和工作过程中，我们确实感觉到参考与交流的重要性，找到合适的技术参考资料，学习和工作的效率会大大提高。因此，我们将自己在科研试验中的工作经验和研究成果进行总结归纳，撰写出版了《通信对抗装备试验》（含卫星导航干扰内容）、《卫星导航定位与抗干扰技术》等涉及导航技术的著作。同时，结合自身的应用感受，我们将自己参考过的一些外文技术书籍进行了翻译，包括《GPS软件接收机基础》、《高速传感器辅助导航》和《GPS惯性导航组合》等，这些都是我们认为比较有特色的书籍。它们被实验室用作进行导航技术学习和训练的系列教材，反映较好；同时，这些书籍出版后，得到了广大读者的肯定和鼓励，这也成为我们翻译本书的重要动力来源。本书的特点在于其基础理论知识讲述透彻，技术应用方法思路清晰。对卫星导航基础知识的书籍而言，有关惯性导航基础知识的书籍要少得多，本书恰恰对卫星导航和惯性导航的基本原理都讲述得非常清楚。在技术应用方面，原书作者对卫星导航和惯性导航误差进行了深入分析，对卡尔曼滤波及实现组合导航的若干技术问题进行了建模分析，对应用理论知识解决实际问题时的技术思路具有示范意义。本书是一本适合高等院校相关专业师生教学参考和相关领域科研人员阅读的书籍。本书内容主要围绕卫星导航与惯性导航的原理及其组合导航技术展开，注重从理论基础引向系统设计方法。书中主要介绍了GNSS和INS的基本理论，详细分析了如何对GNSS和INS组合实施有效的卡尔曼滤波，从而提高导航定位精度，提供了INS运行所必需的数学模型、卡尔曼滤波的MATLAB实现算法及GNSS/INS组合仿真的MATLAB实现。本书以《GPS惯性导航组合》为基础，并根据GNSS/INS技术的重要进步和审阅者及读者的一些建议，增加了GNSS系统的升级和其他当前正在开发的系统的有关进展以及GNSS/INS组合等方面的内容。本书由陈军、余金峰、纪学军、安新源、孙吉、赵彬和云超翻译。参加翻译的还有李飞、王大明、崔建勇、芦秀伟、商向永、余辉、窦赛、李星和张耀春等。本书由中国电子科技集团第五十四所副所高晓滨研究员主审。易翔和梁高波等参与了本书上一版《GPS惯性导航组合》的翻译工作，黄静华、郭伟锋、黄璞和等对本书的校对做了大量工作，××重点实验室主任××研究员对译稿进行了仔细审阅并提出了许多宝贵意见，在此谨致深切谢意。原书所配光盘中的内容，读者可以登录华信教育资源网（www.hxedu.com.cn）注册后免费进行下载。由于译者水平有限，书中难免存在错误和不足之处，恳请读者批评指正。译 者致 谢我们感谢克莱尔蒙特研究生大学的John Angus教授、加利福尼亚大学河滨分校的Jay A. Farrell和New Brunswick大学的Richard B. Langley在本书的编写和出版过程中所给予的帮助。感谢雷神公司的Laura A. 女士在第8章（差分GNSS）和MATLAB程序代码方面提供的专业性帮助。特别要感谢加利福尼亚州立大学的Larry Weill博士在第7章抗多径算法方面所做的贡献。A. P. A.感谢莫斯科航空研究院的Andrey Podkorytov对施密特-卡尔曼滤波器的修改；感谢来自Northrop Grumman的Randall Core和来自C. S. Draper实验室的Michael Ash对惯性传感器技术IEEE初步标准方面的工作；感谢GPSoft公司的Michael Braasch博士提供的GPSoft INS和GPS MATLAB工具箱的评估版；感谢Jeff Schmit博士和Robert F. Nease博士，他们分别作为工程部原副总裁和自动控制部首席科学家，提供了关于早期惯性导航的相关信息；感谢Edward H. Martin提供了关于GPS/INS组合导航早期历史的相关信息；感谢Helen Boltinghouse女士提供了关于其已故丈夫Joseph C. Boltinghouse的个人回忆录。C. G. B.感谢俄亥俄大学及其优秀教职员和学生们，在这些年中，作者和他们在教学和研究中进行了愉快的互动交流。在这样良好的环境下，他能够开展广泛的研究，并将这些研究成果撰写出版。还要感谢NovAtel公司的Pat Fenton和Samantha Poon、Sensor Systems公司的Dave Brooks、Roke公司的James Horne及u-blox公司的Herbert Blaser，感谢他们提供了天线方面的信息。出 版 说 明对定位和导航的需求伴随着人类文明的发展史，进入21世纪以来，人类社会对这种需求却从未像今天这样迫切。定位和导航技术在国防和军事上的重要性不言而喻，同时在民用领域也已经展现了巨大的应用前景和广阔的商业市场，势必在不远的将来改变我们每个人的思维方式和生活习惯。随着现代科学技术的发展，尤其是通信、航天和半导体技术的飞速发展，基于卫星的无线电导航系统已经成为目前主流的定位和导航系统的系统架构。目前，全世界已经投入运行的卫星定位和导航系统有美国的GPS和俄罗斯的GLONASS，正在发展的有欧盟的伽利略系统和中国的北斗卫星导航系统。从系统构成的角度分析，基于卫星的定位和导航系统主要由空间卫星网络、地面控制中心和用户终端构成；从技术的角度分析，卫星定位和导航系统包括卫星姿态控制、卫星通信、原子钟技术、控制理论、微电子技术、系统状态参数估计和测绘测量等诸多现代科技分支。总体而言，基于卫星的定位和导航系统是现代科技多分支的有机结合，体现了一个国家的综合技术实力，是当前世界大国和主要利益集团之间竞相发展和竞争的热点科技领域。在这样的背景下，为了推进祖国卫星定位和导航技术的快速发展，同时共享世界上已经成熟的相关理论和应用，我们携手业界知名专家和相关技术人员，借鉴了在学术界和工业界都已经成熟的卫星定位和导航理论，注重实际经验的总结与提炼，策划出版了这套面向21世纪的“卫星定位与导航系列丛书”。本套丛书中除了有国内专家、学者创作的技术专著外，还包括我们精挑细选从国外引进的一些精品图书。丛书的作、译者都是当今站在卫星定位和导航技术前沿的专家、学者及相关技术人员，丛书凝聚了他们在理论研究和实践工作中的大量经验和体会，以及电子工业出版社编辑的心血和汗水。丛书立足于卫星定位和导航系统中所涉及的和成熟技术，以实用性、工具性、可读性强为特色，注重读者在实际工作和学习中关心的问题，涵盖了从初学者到具有一定水平的工程技术开发人员和学术研究人员的不同需求，对卫星定位和导航技术的基本概念、多学科的技术细节和实现，以及未来技术展望进行了深入浅出的翔实论述。其宗旨是将卫星定位和导航技术中实用的知识、经典的技术应用奉献给业界的广大读者，使读者通过阅读本套丛书得到某种启示，在日常工作中有所借鉴。本套丛书的读者定位于卫星定位和导航相关产业的工程技术人员、技术管理人员，高等院校相关专业的高年级本科生、研究生，以及所有对卫星定位和导航技术感兴趣的人。在本套丛书的编辑出版过程中，我们得到了业界许多专家、学者的鼎力相助，丛书的作、译者为之付出了大量的心血，对此，我们表示衷心感谢！同时，也热切欢迎广大读者对本套丛书提出宝贵意见和建议，或推荐其他优秀的选题（E-mail：mariams@phei.com.cn），以帮助我们在未来的日子里，为广大读者及时推出更多、更好的卫星定位和导航技术类优秀图书。电子工业出版社 2015年12月