正版 GPS\GNSS原理与应用(第3版)

目 录
第1章 引言 1
1.1 简介 1
1.2 GNSS概述 1
1.3 全球定位系统 2
1.4 全球导航卫星系统 3
1.5 伽利略系统 4
1.6 北斗系统 5
1.7 区域系统 6
1.7.1 准天顶卫星系统 6
1.7.2 印度导航星座（NavIC） 7
1.8 增强系统 7
1.9 市场与应用 8
1.10 本书的结构 9
参考文献 12
第2章 卫星导航基础 13
2.1 利用到达时间测量值测距的概念 13
2.1.1 二维定位 13
2.1.2 卫星测距码定位原理 15
2.2 参考坐标系 17
2.2.1 地心惯性坐标系 17
2.2.2 地心地固坐标系 17
2.2.3 当地切平面（当地地平）坐标系 19
2.2.4 本体框架坐标系 20
2.2.5 大地（椭球）坐标 21
2.2.6 高度坐标与大地水准面 22
2.2.7 国际地球参考框架 23
2.3 卫星轨道基础 24
2.3.1 轨道力学 24
2.3.2 星座设计 28
2.4 GNSS信号 33
2.4.1 射频载波 33
2.4.2 调制 33
2.4.3 次级码 36
2.4.4 复用技术 36
2.4.5 信号模型与特性 37
2.5 利用测距码确定位置 41
2.5.1 确定卫星到用户的距离 41
2.5.2 用户位置的计算 43
2.6 求解用户的速度 45
2.7 频率源、时间和GNSS 47
2.7.1 频率源 47
2.7.2 时间和GNSS 53
参考文献 53
第3章 全球卫星导航系统 55
3.1 概述 55
3.1.1 空间段概述 55
3.1.2 控制段概述 55
3.1.3 用户段概述 56
3.2 空间段描述 56
3.2.1 GPS卫星星座描述 56
3.2.2 星座设计指南 58
3.2.3 分阶段发展的空间段 60
3.3 控制段描述 75
3.3.1 OCS的当前配置 76
3.3.2 OCS的进化 86
3.3.3 OCS未来计划的升级 88
3.4 用户段 89
3.4.1 GNSS接收机的特性 89
3.5 GPS大地测量和时标 93
3.5.1 大地测量 93
3.5.2 时间系统 94
3.6 服务 94
3.6.1 SPS性能标准 95
3.6.2 PPS性能标准 97
3.7 GPS信号 99
3.7.1 传统信号 99
3.7.2 现代化信号 110
3.7.3 民用导航（CNAV）和CNAV-2导航数据 116
3.8 GPS星历参数和卫星位置计算 120
3.8.1 传统星历参数 120
3.8.2 CNAV和CNAV-2星历参数 121
参考文献 123
第4章 全球导航卫星系统 126
4.1 简介 126
4.2 空间段 127
4.2.1 星座 127
4.2.2 卫星 128
4.3 地面段 131
4.3.1 系统控制中心 131
4.3.2 中央同步器 131
4.3.3 遥测、跟踪和指挥 132
4.3.4 激光测距站 132
4.4 GLONASS用户设备 132
4.5 大地测量学与时间系统 133
4.5.1 大地测量参考坐标系 133
4.5.2 GLONASS时间 134
4.6 导航服务 135
4.7 导航信号 135
4.7.1 FDMA导航信号 135
4.7.2 频率 136
4.7.3 调制 137
4.7.4 编码特性 137
4.7.5 GLONASS P码 138
4.7.6 导航电文 138
4.7.7 C/A码导航电文 139
4.7.8 P码导航电文 139
4.7.9 CDMA导航信号 140
致谢 142
参考文献 142
第5章 伽利略系统 144
5.1 项目概述和目标 144
5.2 伽利略系统的实现 145
5.3 伽利略服务 145
5.3.1 伽利略开放服务 145
5.3.2 公共监管服务 146
5.3.3 商业服务 146
5.3.4 搜索与救援服务 146
5.3.5 生命安全服务 146
5.4 系统概述 146
5.4.1 地面任务段 149
5.4.2 地面控制段 152
5.4.3 空间段 153
5.4.4 运载火箭 158
5.5 伽利略信号特征 159
5.5.1 伽利略扩频码和序列 161
5.5.2 导航电文结构 162
5.5.3 正向纠错编码和块交织 163
5.6 互操作性 164
5.6.1 伽利略大地参考坐标系 164
5.6.2 时间参考坐标系 164
5.7 伽利略搜索和救援任务 165
5.7.1 SAR/Galileo服务描述 165
5.7.2 欧洲SAR/Galileo覆盖区域和MEOSAR环境 166
5.7.3 SAR/Galileo系统架构 168
5.7.4 SAR频率计划 170
5.8 伽利略系统性能 172
5.8.1 授时性能 172
5.8.2 测距性能 173
5.8.3 定位性能 176
5.8.4 最终运营能力的预期性能 177
5.9 系统部署完成FOC的时间 178
5.10 FOC之后系统伽利略的发展 179
参考文献 179
第6章 北斗卫星导航系统 181
6.1 概述 181
6.1.1 北斗卫星导航系统简介 181
6.1.2 北斗的发展历程 182
6.1.3 BDS的特点 185
6.2 BDS的空间段 186
6.2.1 BDS星座 186
6.2.2 BDS卫星 190
6.3 BDS控制段 191
6.3.1 BDS控制段的组成 191
6.3.2 BDS控制段的运行 192
6.4 大地测量参考系和时间参考系 192
6.4.1 BDS坐标系 192
6.4.2 BDS时间系统 193
6.5 BDS服务 193
6.5.1 BDS服务类型 193
6.5.2 BDS RDSS服务 194
6.5.3 BDS RNSS服务 195
6.5.4 BDS SBAS服务 197
6.6 BDS信号 197
6.6.1 RDSS信号 197
6.6.2 BDS区域系统的RNSS信号 198
6.6.3 BDS全球系统的RNSS信号 205
参考文献 207
第7章 区域卫星导航系统 209
7.1 准天顶卫星系统 209
7.1.1 概述 209
7.1.2 空间段 209
7.1.3 控制段 211
7.1.4 大地测量和时间系统 213
7.1.5 服务 213
7.1.6 信号 214
7.2 印度导航星座 217
7.2.1 概述 217
7.2.2 空间段 218
7.2.3 NavIC控制段 219
7.2.4 大地测量和时间系统 221
7.2.5 导航服务 223
7.2.6 信号 223
7.2.7 应用和NavIC用户设备 224
参考文献 225
第8章 GNSS接收机 228
8.1 概述 228
8.1.1 天线单元和电子设备 229
8.1.2 前端 230
8.1.3 数字存储器（缓冲器和多路复用器）和数字接收机通道 230
8.1.4 接收机控制和处理、导航控制和处理 230
8.1.5 参考振荡器和频率合成器 230
8.1.6 用户和/或外部接口 231
8.1.7 备用接收机控制接口 231
8.1.8 电源 231
8.1.9 小结 231
8.2 天线 231
8.2.1 所需属性 232
8.2.2 天线设计 232
8.2.3 轴比 234
8.2.4 电压驻波比 236
8.2.5 天线噪声 237
8.2.6 无源天线 238
8.2.7 有源天线 238
8.2.8 智能天线 238
8.2.9 军用天线 239
8.3 前端 239
8.3.1 功能描述 240
8.3.2 增益 241
8.3.3 下变频方案 242
8.3.4 输出到ADC 242
8.3.5 ADC、数字增益控制和模拟频率合成器功能 243
8.3.6 ADC实现损耗及设计示例 244
8.3.7 ADC采样率与抗混叠 247
8.3.8 ADC欠采样 249
8.3.9 噪声系数 251
8.3.10 动态范围、态势感知及对噪声系数的影响 251
8.3.11 与GLONASS FDMA信号的兼容性 253
8.4 数字通道 254
8.4.1 快速功能 254
8.4.2 慢速功能 267
8.4.3 搜索功能 271
8.5 捕获 286
8.5.1 单次试验检测器 286
8.5.2 唐检测器 289
8.5.3 N中取M检测器 291
8.5.4 组合唐与N中取M检测器 293
8.5.5 基于FFT的技术 293
8.5.6 GPS军用信号直捕 295
8.5.7 微调多普勒与峰值码搜索 301
8.6 载波跟踪 301
8.6.1 载波环鉴别器 302
8.7 码跟踪 306
8.7.1 码环鉴别器 306
8.7.2 BPSK-R信号 308
8.7.3 BOC信号 310
8.7.4 GPS P(Y)码无码/半无码处理 311
8.8 环路滤波器 311
8.8.1 PLL滤波器设计 313
8.8.2 FLL滤波器设计 314
8.8.3 FLL辅助PLL滤波器设计 314
8.8.4 DLL滤波器设计 315
8.8.5 稳定性 315
8.9 测量误差和跟踪门限 323
8.9.1 PLL跟踪环测量误差 323
8.9.2 PLL热噪声 323
8.9.3 由振动引起的振荡器相位噪声 325
8.9.4 艾伦偏差振荡器相位噪声 326
8.9.5 动态应力误差 327
8.9.6 参考振荡器加速度应力误差 327
8.9.7 总PLL跟踪环测量误差与门限 328
8.9.8 FLL跟踪环测量误差 330
8.9.9 码跟踪环测量误差 331
8.9.10 BOC码跟踪环测量误差 336
8.10 伪距、?伪距和积分多普勒的形成 337
8.10.1 伪距 338
8.10.2 伪距 347
8.10.3 积分多普勒 348
8.10.4 伪距载波平滑 349
8.11 接收机的初始工作顺序 350
8.12 数据解调 352
8.12.1 传统GPS信号解调 353
8.12.2 其他GNSS信号的数据解调 356
8.12.3 数据误比特率比较 357
8.13 特殊的基带功能 358
8.13.1 信噪功率比估计 358
8.13.2 锁定检测器 360
8.13.3 周跳编辑 365
参考文献 371
第9章 GNSS扰乱 374
9.1 概述 374
9.2 干扰 374
9.2.1 干扰类型与干扰源 374
9.2.2 影响 377
9.2.3 干扰抑制 397
9.3 电离层闪烁 400
9.3.1 基础物理 400
9.3.2 幅度衰落与相位扰动 400
9.3.3 对接收机的影响 401
9.3.4 抑制 402
9.4 信号阻塞 402
9.4.1 植被 402
9.4.2 地形 403
9.4.3 人造建筑物 406
9.5 多径 407
9.5.1 多径特性及模型 408
9.5.2 多径对接收机性能的影响 410
9.5.3 多径抑制 416
参考文献 417
第10章 GNSS误差 420
10.1 简介 420
10.2 测量误差 420
10.2.1 卫星钟误差 421
10.2.2 星历误差 424
10.2.3 相对论效应 427
10.2.4 大气效应 429
10.2.5 接收机噪声和分辨率 440
10.2.6 多径与遮蔽效应 440
10.2.7 硬件偏差误差 441
10.3 伪距误差预算 444
参考文献 444
第11章 独立GNSS的性能 446
11.1 简介 446
11.2 位置、速度和时间估计的概念 446
11.2.1 GNSS中的卫星几何分布和精度因子 446
11.2.2 GNSS星座的DOP特性 450
11.2.3 精度指标 453
11.2.4 加权最小二乘 456
11.2.5 其他状态变量 456
11.2.6 卡尔曼滤波 457
11.3 GNSS可用性 458
11.3.1 使用24颗卫星的标称GPS星座预测GPS可用性 458
11.3.2 卫星故障对GPS可用性的影响 459
11.4 完好性 465
11.4.1 关于危险程度的讨论 465
11.4.2 完好性异常的来源 465
11.4.3 完好性改进技术 467
11.5 连续性 475
11.5.1 GPS 475
11.5.2 GLONASS 476
11.5.3 伽利略 476
11.5.4 北斗 476
参考文献 476
第12章 差分GNSS和精密单点定位 478
12.1 简介 478
12.2 基于码的DGNSS 479
12.2.1 局域DGNSS 479
12.2.2 区域DGNSS 482
12.2.3 广域DGNSS 482
12.3 基于载波的DGNSS 484
12.3.1 基线的实时精准确定 484
12.3.2 静态应用 497
12.3.3 机载应用 498
12.3.4 姿态确定 500
12.4 精密单点定位 501
12.4.1 传统PPP 501
12.4.2 具有模糊度解算的PPP 503
12.5 RTCM SC-104电文格式 506
12.5.1 2.3版 506
12.5.2 3.3版 508
12.6 DGNSS和PPP示例 509
12.6.1 基于码的DGNSS 509
12.6.2 基于载波 524
12.6.3 PPP 527
参考文献 528
第13章 GNSS与其他传感器的组合及网络辅助 531
13.1 概述 531
13.2 GNSS/惯性组合 532
13.2.1 GNSS接收机性能问题 532
13.2.2 惯性导航系统综述 534
13.2.3 卡尔曼滤波器作为系统组合器 539
13.2.4 GNSSI组合方法 542
13.2.5 典型GPS/INS卡尔曼滤波器设计 544
13.2.6 实现卡尔曼滤波器的注意事项 548
13.2.7 可控接收模式天线的组合 548
13.2.8 跟踪环路的惯性辅助 550
13.3 陆地车辆系统中的传感器组合 555
13.3.1 引言 555
13.3.2 陆地车辆增强传感器 558
13.3.3 陆地车辆传感器组合 571
13.4 A-GNSS：基于网络的捕获和定位辅助 576
13.4.1 辅助GNSS的历史 578
13.4.2 应急响应系统要求和指南 579
13.4.3 辅助数据对捕获时间的影响 584
13.4.4 无线设备中的GNSS接收机集成 588
13.4.5 网络辅助的来源 590
13.5 移动设备中的混合定位 601
13.5.1 引言 601
13.5.2 移动设备增强传感器 602
13.5.3 移动设备传感器组合 607
参考文献 609
第14章 GNSS市场与应用 613
14.1 GNSS：基于支持技术的复杂市场 613
14.1.1 简介 613
14.1.2 市场挑战的定义 614
14.1.3 GNSS市场的预测 615
14.1.4 市场随时间的变化 616
14.1.5 市场范围和细分 617
14.1.6 政策依赖性 617
14.1.7 GNSS市场的特点 617
14.1.8 销售预测 618
14.1.9 市场局限性、竞争体系和政策 618
14.2 GNSS的民用应用 619
14.2.1 基于位置的服务 619
14.2.2 道路 620
14.2.3 GNSS在测绘、制图和地理信息系统中的应用 621
14.2.4 农业 621
14.2.5 海洋 622
14.2.6 航空 623
14.2.7 无人驾驶飞行器和无人机 624
14.2.8 铁路 625
14.2.9 授时与同步 625
14.2.10 空间应用 625
14.2.11 GNSS室内挑战 626
14.3 政府及军事应用 626
14.3.1 军事用户设备：航空、船舶和陆地 626
14.3.2 自主接收机：智能武器 627
14.4 结论 628
参考文献 628
附录A 最小二乘和加权最小二乘估计 629
参考文献 629
附录B 频率源稳定度测量 630
B.1 引言 630
B.2 频率标准稳定度 630
B.3 稳定度的测量 631
B.3.1 艾伦方差 631
B.3.2 哈达玛方差 631
参考文献 632
附录C 自由空间传播损耗 633
C.1 简介 633
C.2 自由空间传播损耗 633
C.3 功率谱密度与功率通量密度的转换 635
参考文献 635

寇艳红，博士，北京航空航天大学电子信息工程学院副教授。长期从事卫星导航、通信与信号处理领域的科研和教学工作，担任CSNC、ION GNSS/ITM、CPGPS、MMT等国际会议分会主席，中国第二代卫星导航系统重大专项专家组专家。已主持完成科研项目30余项，发表论文百余篇、合著1部、译著2部、标准2部，获授权发明专利十余项，获省部级科技进步奖6项、校优秀教学成果奖2项。

理解GPS/GNSS本书汇集了20余位科学家和权威人士对GPS/GNSS原理与应用的深入论述。自1996年出版第1版、2006年出版第2版、2017年出版第3版以来，本书的英文版一直是Artech House出版公司的畅销书，深受卫星导航领域广大从业人员和学者的喜爱。电子工业出版社分别于1996年和2007年适时推出了第1版和第2版的中文版，成为中国北斗卫星导航系统建设、技术研发、应用拓展和人才培养的优秀参考书。

本书详细介绍了GPS、GLONASS、BeiDou、Galileo、QZSS和NavIC系统的最新信息，涵盖了各个系统的星座配置、卫星、地面控制系统和用户设备，提供了详细的卫星信号特征。内容包括GNSS简介、卫星导航基础、全球卫星导航系统、GLONASS、伽利略系统、北斗卫星导航系统、区域卫星导航系统、GNSS接收机、GNSS扰乱、GNSS误差、独立GNSS的性能、差分GNSS和精密单点定位、GNSS与其他传感器的组合及网络辅助、GNSS市场与应用。本书可作为高校相关专业学生学习GNSS基本知识的教材，也可供业内相关技术人员参考。

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