GNSS高精度定位原理 科学出版社 下载 pdf 百度网盘 epub 免费 2025 电子书 mobi 在线

本书分为10章，主要介绍了GNSS高精度定位的基本概况和基本原理。作为一种尝试，本书略写同类型书籍中常见的空间大地测量的基本原理和观测方程内容，避免与现有的教科书雷同。同时，本书从物理、通讯和地球物理的角度，以麦克斯韦电磁方程组为起点，推导并介绍GNSS电磁波信号的基本特征和传播介质的影响，阐述GNSS信号及系统误差的物理机制。同时介绍接收机内部捕获、跟踪和提取GNSS信号的系统设计，输出数据的压缩原理和数据传输方式，阐述GNSS高精度定位和定向测姿原理，以及数据分析中比较前沿的算法。

目录

丛书序

序言

前言

第1章 绪论 1

1.1 GNSS发展历史 1

1.2 现代卫星导航系统 2

1.2.1 GPS卫星导航系统 2

1.2.2 GLONASS卫星导航系统 5

1.2.3 Galileo卫星导航系统 6

1.2.4 北斗卫星导航系统 7

1.3 GNSS高精度定位应用 8

1.3.1 走向高频 8

1.3.2 从误差源到信息源 8

1.3.3 单天线扩展到多天线 9

1.3.4 多技术融合 9

1.3.5 高精度动态应用 10

1.3.6 GNSS无线电掩星探测 11

第2章 GNSS信号构成 12

2.1 GPS信号构成 12

2.1.1 载波 12

2.1.2 伪码 13

2.1.3 数据码 16

2.1.4 导航电文 17

2.2 其他导航系统的信号构成 18

2.2.1 GLONASS卫星信号 18

2.2.2 Galileo系统的信号构成 19

2.2.3 北斗导航系统 20

第3章 GNSS信号的基本特征和传播 22

3.1 电磁波信号的物理特征 22

3.1.1 麦克斯韦方程组和平面电磁波 22

3.1.2 电磁波的频率特征 26

3.1.3 电磁波的极化特征 27

3.1.4 电磁波的干涉和衍射 28

3.1.5 电磁波的多普勒效应 29

3.2 GNSS信号的传播：从自由空间到地面 30

3.2.1 GNSS信号在电离层中的传播 30

3.2.2 GNSS信号在对流层中的传播 38

3.2.3 GNSS信号在地面的广义多路径效应 51

计算和思考 63

第4章卫星信号处理 65

4.1 GNSS接收机捕获原理 65

4.1.1 串行捕获算法 66

4.1.2 基于FFT/IFFT的并行捕获算法 68

4.1.3 弱信号的捕获算法 70

4.2 GNSS接收机跟踪原理 74

4.2.1 载波跟踪算法 74

4.2.2 码跟踪算法 83

4.3 软件接收机系统设计与分析 86

4.3.1 系统总体架构 87

4.3.2 射频信号接收硬件设计与分析 87

第5章 地面接收端产生的误差 94

5.1卫星和接收机天线相位中心偏差 94

5.1.1 微波暗室测定 95

5.1.2 室外机器人测定 96

5.1.3 室外短基线测定 97

5.2 多路径误差 100

5.2.1 多路径误差定义 100

5.2.2 多路径特征 100

5.2.3 多路径消除方法概述 103

5.3 接收机钟差和周跳 105

5.3.1 接收机钟误差 105

5.3.2 接收机周跳 105

5.4 空基和地基相位缠绕 106

5.4.1 相位缠绕效应 106

5.4.2 空基相位缠绕 107

5.4.3 地基相位缠绕 107

第6章卫星数据压缩与传输 112

6.1 数据压缩基本原理与信息熵 112

6.1.1 数据压缩的信息论基础 112

6.1.2 信息熵与冗余度 113

6.1.3 数据压缩的性能指标和标准 115

6.2 卫星信号压缩技术 116

6.2.1 有损压缩 116

6.2.2 无损压缩 117

6.2.3 GNSS数据的Hatanaka压缩 118

6.3 接收机输出的数据传输 121

6.3.1 TCP/IP协议的层次结构 121

6.3.2 IP协议 122

6.3.3 TCP协议 124

6.3.4 TCP/IP协议在卫星数据传输中的应用 129

6.4 基于UDP的卫星数据传输 129

6.4.1 UDP通信协议概述 130

6.4.2 UDP数据报格式 130

6.4.3 UDP基本工作过程 132

第7章 坐标系统和时间系统 134

7.1 坐标系统 134

7.1.1 地心坐标系 135

7.1.2 地理坐标系 135

7.1.3 测站坐标系 136

7.1.4卫星固连坐标系 136

7.1.5 我国采用的高斯平面坐标系和高程系统 137

7.1.6 空间坐标与高斯平面坐标的转换 138

7.1.7 大地参考系统和大地参考框架 141

7.1.8 国际大地参考框架 141

7.1.9 ITRF实现的难点 143

7.2 时间系统 146

7.2.1 时间系统的定义 147

7.2.2 时间系统之间的转换 149

7.2.3 GNSS时间系统 151

7.2.4 守时和授时 152

计算和思考 153

第8章 GNSS高精度定位原理 154

8.1 GNSS观测量 154

8.1.1 伪距测量及其观测方程 154

8.1.2 载波相位测量及其观测方程 154

8.1.3 观测方程的线性组合 157

8.2 误差改正 158

8.2.1 对流层延迟误差改正 159

8.2.2 电离层延迟误差改正 160

8.2.3 与卫星有关的误差 161

8.2.4 测站相关修正 163

8.2.5 多路径效应的实时模型改正 165

8.3 单站精密单点定位 167

8.3.1 单站精密单点定位的函数模型 167

8.3.2 单站精密单点定位的随机模型 169

8.3.3 单站精密单点定位的参数估计方法 170

8.4 多系统精密单点定位 174

8.4.1 GPS/GLONASS综合数据处理统一模型 174

8.4.2 GPS/GLONASS系统时延偏差 176

8.4.3 频间差特性分析 179

8.5 载波相位差分技术 182

8.6 观测值中的周跳检测 189

8.6.1 多频周跳探测算法 189

8.6.2 单频周跳探测算法 195

8.7 整周模糊度估计算法 196

8.7.1 参数估计理论和FARA算法 196

8.7.2 最小二乘模糊度搜索算法 199

8.7.3 Z变换和LAMBDA算法 200

第9章 GNSS定向测姿原理 205

9.1 GNSS定向测姿的需求 205

9.2 GNSS定向测姿的基本原理 206

9.3 共用时钟GNSS多天线接收机的定向测姿技术 208

9.3.1 共用时钟GNSS多天线接收机测姿原理 208

9.3.2 测姿算法中单差和双差等价性讨论 209

9.3.3 单差模糊度估计的ASA算法 213

9.4 GNSS/INS紧耦合定位定向测姿的基本原理 216

9.4.1 GNSS/INS紧耦合数学模型 216

9.4.2 INS误差状态方程 217

9.4.3 GNSS/INS紧组合系统的状态方程 218

9.4.4 GNSS/INS紧耦合系统观测方程 219

9.5 GNSS单天线伪姿态角定向测姿的基本原理 224

9.5.1 伪姿态角计算方法 224

9.5.2 伪姿态角方法应用 225

计算和思考 226

第10章 GNSS数据分析的算法原理 227

10.1 平差估计和滤波估计 227

10.1.1 最小二乘估计 227

10.1.2 序贯最小二乘估计 230

10.1.3 类观测和约束 231

10.2 参数的隐式解和矩阵的分块约化 234

10.3 考察矩阵和缩放敏感矩阵 237

10.4 Kalman滤波 240

10.4.1 Kalman滤波基本方程 240

10.4.2 Kalman滤波的扩展：AKF、EKF和UKF 243

10.4.3 Kalman滤波下的残差平方和增量 247

10.5 广义约束理论 248

10.6 最少约束、内约束和参考框架确定 250

10.7 区域滤波、共模误差和主分量分析 253

10.7.1 共模误差(CME) 253

10.7.2 区域滤波和主分量分析(PCA) 254

10.7.3 独立分量分析(ICA) 260

10.7.4 奇异谱(SSA)和多通道奇异谱(MSSA)分析 263

10.8 噪声模型和噪声分析 265

10.9 对高度相关参数和统计理论的新挑战 269

计算和思考 272

参考文献 273

暂无相关内容，正在全力查找中

暂无出版社相关信息，正在全力查找中！

    章 绪论

    人类生活在时空四维世界中，时间和空间的信息是人类社会发展和进步很基本的需求。从北斗星辰到指南磁针，从地图绘制到罗盘导航，漫长岁月中人类的位置信息服务基本上来自地面局域观测资料的积累。随着人类活动空间的优选化和信息需求的实时化，这种地基观测手段的积累周期、传输效率、覆盖范围、分析能力和定位精度越来越赶不上社会发展的步伐。从地基走向空基，从局域走向广域，从二维走向多维，是时空信息获取和服务的必然趋势。

    1.1 GNSS发展历史

    1957年10月4日，世界上靠前颗人造地球卫星“火花号”（Sputnik）在苏联拜科努尔发射场发射，标志着人类航天时代来临。

    1958年，美国约翰 霍普金斯大学科研人员注意到卫星信号的多普勒频移（Doppler shift），发现可利用卫星信号多普勒频移准确定轨，并转而利用准确的卫星轨道确定地面观测点的位置，从而开启了多普勒定位的理论研究和多普勒卫星及接收机的研发。

    1964年，美国军方研制成功靠前代多普勒卫星定位导航系统——子午卫星系统，又称海军导航卫星系统（Navy Navigation Satellite System，NNSS）。同期，苏联建立了用于船舶导航的“圣卡达”（CICADA）多普勒卫星导航系统。但是NNSS 和CICADA 系统存在卫星数目少、无线电信号经常间断、观测所需时间较长、精度低等缺陷。

    1967~1974年，美国海军研究实验室发射三颗“Timation”计划试验卫星，试验并实现了原子钟授时系统。同期美国空军在“621 B”计划中成功研发了伪随机噪声码（pseudo random noise code，PRN）调制信号的现代通信手段。

    1968年，美国国防部成立导航卫星执行指导小组（Navigation Satellite Executive Group，NAVSEG），筹划下一代导航定位系统。

    1973年，美国国防部整合海陆空三军联合研制基于“时差测距导航”原理的第二代卫星导航优选定位系统（Navigation by Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System，NAVSTAR/GPS）。

    从1974年7月发射靠前颗GPS 试验卫星，1978年卫星组网，到1994年3月完成卫星星座布设和地面监控系统的建设，历时20年，耗资300 亿美元，经历了方案论证（1974~1978年）、系统建设（1979 ~ 1987年）、试验运行（1988 ~ 1993年）三个阶段，GPS 成为覆盖优选的全天候高精度导航定位系统，它的应用扩展到军事、经济、大众生活和科学研究各行各业。

    苏联在1982年启动了优选卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GLONASS）的建设，中间因苏联解体而耽搁，然后由俄罗斯继续投资于1996年建成，成为又一个基于时差测距的导航定位系统。

    中国的北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）自1983年开始筹划论证，2000~2003年完成“北斗一代”系统构建。该系统属于主动型局域实时导航定位系统，其独特之处是同时具有导航定位与短报文通讯的功能。虽然它的覆盖区域和定位精度赶不上GPS，但是它系统简单，投资少、周期短，满足了我国当时国防和建设的急需。从2007年开始的“北斗二代”系统则是和GPS 相同的基于时差测距的导航定位系统，2012年覆盖并服务整个亚太地区，计划2020年完成组网覆盖优选（北斗三代）并提供优选的高精度导航定位服务。同时，北斗系统沿袭了提供短报文服务的独特优势。

    欧盟的伽利略卫星导航系统（Galileo Navigation Satellite System）也是基于“时差测距导航”原理的高精度导航定位系统。自1994年开始系统方案论证，2002年启动，几经延迟至2016年底已具备初步运行能力，全部卫星计划于2020年发射完毕。

    此外，正在建设的还有日本的准天顶卫星系统（Quasi-zenith Satellite System，QZSS）和印度的区域性卫星导航系统（Indian Regional Navigation Satellite System，IRNSS）。

    为了促使优选卫星导航领域的发展和合作，特别是提供提高精度导航定位服务，支持大地测量和地球动力学研究，靠前大地测量协会（International Association of Geodesy，IAG）于1993年组建了靠前GPS服务组织（International GPS Service，IGS），并于1994年1月1日开始工作。随着世界上其他导航系统的出现，它于1999年改名为靠前GNSS 服务（International GNSS Service），简称仍为IGS。

    1.2 现代卫星导航系统

    优选卫星导航系统主要由卫星星座、地面监控系统及用户设备三大独立部分组成，本节从这三个部分逐一介绍目前比较完善的GPS、GLONASS、Galileo 和BDS四大卫星导航系统。

    1.2.1 GPS卫星导航系统

    GPS 系统是世界上使用率优选、发展很成熟的优选卫星导航定位系统。

    1. 卫星星座

    目前，GPS系统在轨服务卫星40颗，其中：GPS ⅡA 卫星8颗、GPS ⅡR 卫星12颗、GPS ⅡRM 卫星8颗、GPS ⅡF 卫星12颗。GPS ⅡA 为1990年11月开始发射的GPS 第二代卫星，设计寿命7.5年，GPS ⅡR 和GPS ⅡRM 为1997年7月开始发射的第三代卫星，设计寿命10年，GPS ⅡF 为性能很好第四代卫星，2010年5月抢先发售，设计寿命延长至12年。

    2. 地面监控

    GPS的地面监控系统主要由分布在优选的五个地面站组成，按功能分为主控站、注入站和监测站三种。主控站一个，设在美国本土的科罗拉多空间中心，负责协调和管理所有地面监控系统。主控站根据所有地面监测站的观测资料推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气层修正参数等，并把这些数据及导航电文传送到注入站，同时提供优选定位系统的时间基准，调整卫星状态和启用备用卫星，同时还具有监测站功能。注入站现有三个，分别设在印度洋的迪戈加西亚岛、南太平洋的夸贾林环礁和南大西洋的阿松森群岛。其主要任务是将来自主控站的卫星星历、钟差、导航电文和其他控制指令注入相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性，亦具有监测站功能。监测站现有六个（含上述四个地面站，另外两个设在夏威夷和卡纳维拉尔角）。监测站实时观测和接收所有GPS卫星发出的信号及当地气象资料，并监测卫星的工作状况，把初步处理后的结果传送到主控站。

    3. 用户设备

    用户接收部分的基本设备就是GPS信号接收机，其作用是接收、跟踪、变换和测量GPS 卫星所发射的GPS信号，以达到导航和定位的目的。接收机主要由接收机硬件、数据处理软件、微处理机和终端设备组成，其中接收机硬件一般包括天线、主机和电源。接收机天线接收所有GPS 卫星信号后，主机从这些卫星信号中得到卫星轨道参数，准确算出卫星的空间位置，并根据GPS 定位原理（第8章）得到用户在某一空间坐标系的保证位置。

    4. GPS现代化

    20世纪90年代末，为了提高GPS 对美军现代化战争的有力支撑，并使其在优选民用导航领域中处于领导地位，美国政府提出了GPS 的现代化计划。时任美国总统克林顿宣布2000年5月2日起美国停止了对GPS 卫星实施选择可用性政策，标志着美国GPS 现代化正式开始。GPS 现代化主要从调整卫星星座、调整卫星信号、改进地面控制部分这几个方面实施。

    （1）调整卫星星座

    美国五角大楼计划购买和发射32颗Block Ⅲ卫星，将已有的卫星系统进行全面升级。GPS Ⅲ卫星包括3个型号，分别为GPS ⅢA、GPS ⅢB 和GPS ⅢC。GPS Ⅲ的P码功率比现有功率提高20~30 倍，频率由L 波段上升到S、C波段，设立专门的军用M码，用铯原子钟代替铷原子钟，以提高定时精度，授时精度将达到1 ns。GPS Ⅲ计划提高空间导航信号的可靠性和安全性，一旦卫星出现故障或信号超差，报警时间由30 min 缩短为1 min。

    2010年，靠前颗搭载L5 载波发射机的GPS ⅡF 型卫星发射成功。2012年8月24日，搭载第四个民用信号L1C 的GPS Ⅲ系列卫星发射成功。目前已有GPS ⅡF 型在轨卫星共计6颗，并计划发射GPS ⅢA 卫星8颗，以及更为优选的GPS ⅢB 卫星16颗、GPS ⅢC 卫星8~16颗。优选的GPS ⅢC 的卫星信号采用点波束，改善了卫星之间的通信链路，并采用可控制的高功率点波束照射地球的某一区域，使该区域GPS 接收机的信号功率大大增加，从而实现对未来导航战的支持。

    （2）调整卫星信号

    卫星信号调整措施主要有：分离军民用户伪噪声所占频带；增强军用伪噪声码的发射功率；增加新的GPS信号。

    GPS现代化改进增加了三种民用信号：第二个民用测距码L2C；第三个民用载波L5；第四个民用测距码L1C。传统的民用L1 C/A 码将来还会继续广播发射，很终形成四种民用GPS信号共存的格局。

    L2C是为满足商业用户及大众用户在复杂环境下高精度定位导航的需求而设计的。L2C 目前由在轨使用的12颗GPS ⅡR（M）和GPS ⅡF 卫星播发。L2C可以有效提高用户接收机的抗干扰能力，其信号采用前向纠错和时分复用技术，具有更低的载波跟踪门限和数据解调门限，使得L2C 能够实现在室内、树荫遮蔽等微弱信号条件下的捕获。双频GPS 用户可以利用L1C/A信号和L2C信号校正电离层传输延时来消除电离层误差和快速解算整周模糊度。另外由于采用更为紧凑的导航电文帧格式及有数据通道和无数据通道的分离，使得L2C信号比传统的L1C/A 码信号具有更多的优势。

    L5是为满足生命安全类及其他高精度应用的需求而设计的，设计频率为1 176.45 MHz。2009年，美国成功在GPS ⅡR 20（M）卫星上播发实验L5 载波信号。2010年靠前颗搭载L5 载波发射机的GPS ⅡF 型卫星发射成功。L5信号的结构进行了很大的改进，用户不需要依赖L1 或L2 民用信号便能实现对L5信号进行截获与跟踪。利用三个不同频率的载波（L1、L2、L5）进行两两组合，可基本消除电离层误差影响。

    L1C旨在增强GPS 和其他卫星导航系统的互操作性。美国政府计划在2018年发射的GPS ⅢA 型卫星上播发此信号。其他卫星导航商采用L1C 作为未来靠前互操作性标准，日本的准天顶卫星系统（QZSS）、印度的区域卫星导航系统（IRNSS）和中国的北斗系统计划播放L1C。

    （3）改进地面控制部分

    GPS地面控制部分现代化主要有三个部分：精度改进计划（L-ALL）；体系进化计划（AEP）；新一代运行控制系统（OCX）。

    2008年完成L-ALL阶段，把监测点在从6个扩大到16个，可以获取三倍于原来的卫星轨道数据，从而将GPS 广播星历精度提高10% ~15%。

    AEP内容包括：用现代信息技术取代原有的基于原始主机的主控站技术，大幅度提高GPS 控制的灵活性和灵敏度，增强对现代化改进的GPS 卫星的运行控制能力；GPS 主控站改造、新建GPS 备用主控站，加强抗干扰、抗欺骗能力，并将原属美国国家地理空间情报局（National Geospatial Intelligence Agency，NGA）的10个GPS 监测站纳入到GPS 地面控制段的体系中；利用美国空军卫星控制网（Air Force Satellite Control

在线阅读地址：GNSS高精度定位原理 科学出版社在线阅读

在线听书地址：GNSS高精度定位原理 科学出版社在线收听

在线购买地址：GNSS高精度定位原理 科学出版社在线购买

暂无原文赏析，正在全力查找中！

暂无其它内容！